体育场的照明设计冯明哲 上海同济规划建筑设计研究总院(200092)摘　要　介绍了某大型体育场的照明设计。

具体阐述了照明设计思路和安全可靠的供配电方式,包括:照度与均匀度、眩光控制、光源和灯具,灯光控制等。

叙　词:照明设计　体育场　灯光控制　照度Design of Stadium Lighting Abstract :The lighting design of a certain big stadium is presented.The designing idea and means of the powersupply and distribution are described ,which include illumination and homo geneity ,dazzle control ,light source and lamp and lighting control.K ey w ords :lighting disign stadium lighting control illumination作者冯明哲,男,1958年生,1988年同济大学毕业,工程师。

一、概述现代化的体育场,不仅追求建筑体型美观大方,各种体育设施齐备完善,而且要求有良好的照明。

一个良好的照明应具有恰当的、均匀的照度和亮度分布,理想的光色指标以及无眩光和有立体感等技术指标,即除了能满足观众良好的视看效果外,还必须保证运动员、裁判员及比赛项目所需的照明要求。

另外,对于有彩电转播要求的体育比赛,还要满足画面质量要求。

衡量一个体育场照明的好坏,笔者认为主要从两个方面来考虑:首先是高性能与高质量的照明;再则就是安全可靠的供配电方式。

按照这样的思路,笔者完成了某大型体育场的照明设计,通过国家建筑工程质量监督检验中心的现场测试检验,实际效果达到并优于当时的设计指标。

二、体育场照明设计1.照明设计思路体育场照明设计要求主要包含数量和质量两个方面的内容:数量要求包括水平照度和垂直照度;质量要求则包括照度的均匀性、眩光控制以及色温和色表。

设计场馆为第八届全国运动会重要比赛馆之一,比赛主要以足球为主,场地按标准足球场地设计:105m ×69m 。

根据规划建筑用地的局限性和建筑造型的特殊性,在力求做到良好的光分布,严格控制眩光及光对环境的污染的前提下,该场馆布灯方案选择两侧光带照明方式。

东西两处看台各设一条126.6m 的光带(弦长118.4m ),两边光带共采用360只1.5kW 金属卤化物灯对场地进行照明(见图1(a ))。

光带安装于看台雨棚挑檐下口网架上,距地垂直安装高度H =30.2m ,光带中心距场图1　体育场的照明设计低压电器(1998№5)地的中轴线之水平距离为60m,距场地边线之水平距离D=25.5m(见图1(b))。

由计算分析可知,α、β若过小,虽然能提高摄像机方向上的垂直照度,但眩光问题变得突出;α、β若过大,眩光固然能得到控制,但垂直照度值不甚理想。

据国际照明委员会(CIE)在1986年发布的有关足球场照明的文献中阐述到,20°<α<30°,α最好控制在25°;而β则应控制在45°<β<75°。

这样,依据这两个角度规定的泛光灯安装高度就会得到满意的眩光限制、较高的垂直照度,使得边线上的水平照度和垂直照度之间满足适当的比例。

因此,上述计算证明,光带安装高度是合理的。

另外,光带设计长度超过球门线10m以上,基本能使球门区得到满意的照度值。

2.照度与均匀度设计照度值依据G BJ133290[2]标准,并参考了国际体联委员会第83号推荐照度要求,借鉴了国际和国内一些优秀体育场的经验总结,听取了有关方面专家的意见,在原有基础上作了适当的调整提高。

场地照度计算的具体做法是采用先进的计算机辅助灯光设计软件《Calculux Software Package AREA2.30January1992Philips Light2 ing B.V.》,将360只金属卤灯按工程的实际情况分两侧进行模拟布置,并按《室外照明测量方法》(G B/T15240294)中的有关规定将足球场按矩型网格划分,即沿x轴(两侧球门区方向)11等分,沿y轴(两侧边线方向)7等分,然后将不同光束角的投光灯逐个进行瞄准点调整,宽光束主要用于近场、中场及球门区投射,而窄光束则主要用于本端角球区及远距离投射,各种不同光束角的光束经优化组合整理,按彩色电视转播体育比赛条件模拟,用逐点法计算得到。

(1)z=0m平面:E h,av=1298lx≥750lxE h,min/E h,max=0.62≥0.6E h,min/E h,av=0.7≥0.7(2)z=1m平面,主摄像机方向(模拟搁于x=0m,y=90m,z=15.0m位置):E v,av=1557lx≥1200lxE v,min/E v,max=0.71>0.4E v,min/E v,av=0.81>0.6(3)z=1m平面,副摄像机方向(模拟搁于x=90.0m,y=0m,z=15.0m位置):E v,av=1323lx≥750lxE v,min/E v,max=0.6>0.4E v,min/E v,av=0.75>0.6且E h,av/E v,av=0.83,在0.5～2(x,y轴的原点取比赛场地的几何中心,z=0平面则为比赛场地的地平面)。

以上计算考虑了由于日长月久灰尘沉积在泛光灯上引起的光输出衰减和灯泡在整个使用期间的光通维持情况,取维护系数k c=0.75。

经上述计算可知,照度值能满足良好的视觉效果,且均匀度保证了运动员、观众在运动比赛时的视觉适应,水平照度与垂直照度之间相对于主摄像机位置有良好的平衡,使得彩色电视转播时摄像画面层次丰富、饱和度好、有适宜的立体感。

3.眩光控制眩光,即视野内有亮度极高的物体或强烈的亮度对比,从而引起不舒适或视觉降低的现象。

眩光是体育场照明设计中影响照明质量的重要因素,尤其是在采用两侧光带照明的体育场中这个问题尤为突出。

换句话说,如果不能对眩光有效地限制,则会严重影响比赛的进行和造成观众眼睛的不舒适感。

近年来,世界各国都非常重视对眩光的评价和限制,归纳起来主要有三种方法:①美国的视觉概率法(VCP);②英国的眩光指数法(GI);③德国的亮度曲线法(LC)。

我国也制定了相关的室内体育场地直接眩光限制的等级标准。

而对于室外场地的泛光灯照明,CIE专门发布了眩光评价方法,即眩光程度可以用灯具产生的光幕亮度L vi和观察点景物产生的光幕亮度L ve来决定。

眩光指数:GR=27+24lg(L vi/L ve)眩光等级:GF=10-GR/10对于大型体育比赛场地的眩光等级GF≥5,即GR≤50,这个等级是人眼刚好能接受或容许眩光的程度。

体育场照明产生眩光的原因是多方面的,如何才能有效地限制直接眩光呢?设计中主要从以下五个方面入手:①控制α≥20°,也即灯具安装高度不能过低。

低压电器(1998№5)体育场的照明设计②对于投射距离较远的采用窄光束灯具,这不仅可以限制场外溢光太强,而且还可充分提高光的利用率。

③在体育场四周创造一个柔和变化的环境亮度,也即是将看台、台阶或网栏这些部位的离散光照度控制在大约为场地平均照度的1/4,使得从明亮的比赛场地至这些地方有一个亮度梯度,不致于亮度对比过大而引起眩光。

④选择具有限制眩光作用的、安装有遮光角的灯具。

这虽然会牺牲一些照度,但对于限制眩光来说显然有好处。

⑤由于光带长度大于足球场长度,为限制底线球门区处眩光,尽量控制灯带两侧端点附近至底线球门区灯具之瞄准线与底线的夹角不大于15°。

经检验测定,本工程GR max=51.71,基本满足要求。

4.光源和灯具体育场地照明对光源的色温和显色性有一定的要求。

CIE在1989年出版的有关《彩色电视和电影系统用体育比赛照明》中明确指出,人工照明的色温必须在4000～5000K,即当天然光用人工照明替换时,应使场面的表观颜色的变化为最小,而照明的显色性至少应大于65,以保证摄像机的色平衡系统减少直接看到的和在电视上看到的图象之间的差别。

事实上,无论进口或国产的1.5kW以上金卤灯光源,色温与显色性都较难提高(即使能,然而其价格令人咋舌),但金卤灯其基本达标的色温与显色性等指标和长寿命仍然令人刮目相看,该场馆采用国产GT752Z JD1500金卤灯光源组成光带照明,其初始光通量:155000lm;显色性Ra>65;色温>3900K;平均寿命:4000h;光束角:33H×26v,28H×22v;灯具效率:54%;控制角:90°。

三、安全可靠的供配电方式1.供配电方式根据现场踏勘条件和工程性质,该场馆按一级负荷设计。

两路10kV供电电源取自于上级不属于同一局域网的35kV开关站,两路进线互为主供、互为备用。

变电所高压侧采用双电源单母线分段运行制,高压不设母联,高压侧设总计量。

选用两台1250kVA变压器,每台负荷率在0.7左右。

因体育场照明大量采用气体放电灯,负荷多为非线性负荷,而体育场又设有通讯、广播、计分牌等及其他电子设备,为减小高次谐波的干扰,故变压器采用d/y11接线方式。

变压器低压侧设母联,低压侧总开关与母联开关设机械与电气联锁。

考虑到体育场供电半径较大且用户较为分散,为使功率因素达到0.9以上,减少无功损耗,减小配电设备容量及导线截面,电容采用集中补偿与分散补偿结合的原则,即,集中补偿设在低压配电室,分散补偿设在东、西看台的每一层面,对气体放电灯而言则在灯具上就地补偿。

体育场灯光照明及空调用电量较大,为力求接近负荷中心,同时满足变压器及其他电气设备运输上的方便,便于高低压线路的引入及引出,独立变电所建于灯光控制室及冷冻机房附近。

2.灯光控制灯光控制室设于主席台五层南侧设备房,这个位置能有效地观察全场灯光状况。

控制室内设电源柜、控制柜及控制台。

体育场光带照明电源由变电所低压配电室两段不同母线引来,互为备用。

根据一级负荷的配电要求,两路电源在末端自切,切换方式采用自投不自复方式。

由于卤灯启动时间为4～8min,而再启动时间为10min左右,一旦熄灭,点燃时间较长,会直接影响比赛的进行。

笔者主要考虑从以下几个方面着手解决这方面的缺憾。

(1)两路电源各带每条光带50%左右的负荷,灯具均匀分布,这样当由某路电源掉电而引起自切,熄灭了的灯光尚未点亮时,场地内仍能维持一定的均匀的照明分布,使得一般性比赛仍能进行。

(2)每条光带均匀装设10%的镝灯,利用其较好的启动性能,在一定时间内及时适当弥补由于金卤灯热启动性较差带来的照度不足。