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体育馆场地照明系统设计及思考
近年来，随着人民生活水平的提高和对健身意识的增强，各地都新建、改建了一批具有现代化水平的体育设施。笔者有幸参加了一些体育场馆的设计，期间也参观考察了部分省、市、国家级的体育场馆，现就本人设计过的场馆场地照明系统及设计中遇到的问题提出与同行共同探讨。
通常，体育馆是泛指进行室内体育比赛的综合性场馆。对于一座现代化的体育馆的场地，不但要求各种体育设备齐全完善，还要求有合适、均匀的照度，理想的光色，有立体感，且无眩光。除了保证满足观众良好的视觉效果，还必须保证裁判员、运动员和具体比赛项目所需的照明要求。这就为场地照明系统设计提出了具体的要求。
一．主要照明技术指标
1．1 照度标准：
我国体育运动场地照明照度对不同的运动比赛项目分别规定了不同的练习及比赛标准。应注意的是，省、市一级以上的体育馆，应考虑彩色电视转播的要求，其场地照度也应按照运动场地彩电转播照明的照度标准值进行设计。除了照度值具体要求外，还应考虑照度的均匀性指标，如场地水平照度的最小值与最大值之比不宜小于0.5等。关于这类标准的介绍有关资料很多，如《民用建筑电气设计规范》（JGJ/T16-92）等。这里不再赘述。
另外，体育比赛场地及观众席是人员密集的场所，按照《民用建筑电气设计规范》及《建筑设计防火规范》（GBJ16-87）等规范要求，应设置火灾事故照明，其照度值通常不低于运动场地照明照度标准值的10%。
1．2 光源的相关色温及一般显色指数：
运动场地的照明设计不但与照度有关，而且与照明光源的色温、显色性有关，处理好光源的色温及显色指数的关系，可以避免产生心理上的不平衡、不和谐感。根据我国的有关规定资料，不同的运动场地对照明光源的色温、显色性有不同的要求，归纳成表一：
表一：光源的色表类别

光源的色温及显色指数是选择灯具的重要参数，对于新建的体育场馆，大多要求满足彩电转播的要求，因此光源的相关色温通常取3300~5300K；一般显色指数取80~90进行设计。这一点，在已建成的福建省体育馆；福建省游泳、跳水馆及武夷山市体育馆的实际使用效果来看，能很好的满足比赛及彩电转播的要求。
设计时除了考虑这几个指标外，还需按照体育比赛项目、工程投资及灯具使用环境等的要求进行灯具选型，做到经济、合理、又能满足使用要求。
二．照度计算：
体育运动对照度要求较严格，因此场地照度必须进行较为精确的计算。但是由于体育运动项目繁多，要求各异，采用的照明装置数量也大，这就给照明设计带来很多复杂的因素。因此在不同的设计阶段，采取不同的计算方法显得尤为重要。
2．1　　利用系数法：
通常在方案及初步设计阶段采用利用系数法，利用系数法适用于对照度要求不太严格的照度计算。应用利用系数法计算被照场地平面上平均照度的基本公式如下：

式中：
Eav─被照场地平面上平均照度（lx）；
φ─灯具内光源的光通量（lm）；
N─所需灯具数量；
A─被照场地面积；
K─维护系数；
U─利用系数
利用上述公式按场地要求的平均照度可估算出所需的灯具数量，但灯具的布置只能根据经验，所以不能保证场地照度的均匀性。
2．2　　逐点法：
逐点法就是将每个灯具对计算点所产生的照度相加，即为该点的总照度。该方法不受灯具是否均匀布置、灯具装高是否相等的限制，计算精度比较精确，故在施工图设计时常采用。逐点法计算被照场地平面上照度的基本公式如下：

式中：　
Eh　─为某点的水平照度(lx)；
Iθ─为光源照射方向的发光强度(cd)；　
H　─为光源离被照平面的高度(m)；
θ─为光源与被照点连线和铅垂线间的夹角。
Ex　─为某点x方向上的垂直照度(lx)；
Ey　─为某点y方向上的垂直照度(lx)；
H─　为光源离被照平面的高度(m)；
Φ─　为光源与被照点连线在水平面上的投影与x轴的夹角。
虽然逐点法计算精确，但计算烦琐，通常是采用计算机编程实现。利用微机计算速度快的特点，可以把所有灯具在每个计算点产生的照度进行一次次计算并累加起来，即得该点的各照度值。按此原理，通过调整各灯具的安装位置及其入射角，可以很方便地得到最终满足比赛要求的各坐标点的计算照度，再绘制成比赛场地的照度分布图及等照度曲线图。
在没有计算机计算软件时，若灯具数量较多，且灯具的配光对灯具的竖轴是对称的，整个场地使用的灯具型式及光源完全相同，则可以用简化表格计算法进行计算。此法是以逐点计算法为基础，用表格形式进行简化，所以计算比较精确，且适合于手工计算（计算公式及简化表格略）。
三．照明设计方案：
3．1　　照明方式：
室内比赛场地的照明方式主要有直接照明和间接照明，按有关资料将其特点归纳见表三。
表三：照明方式比较表
对于综合性体育馆，我们通常采用直接照明的灯桥或混合照明灯具布置方式。因为综合性体育馆为了文艺演出等多功能的需要，常在屋面钢网架内设置马道，这就为灯桥或混合的照明方式的灯具的安装、调试及检修提供了方便，同时采用直接照明不仅一次投资少，而且平时运行费用也低，但此布灯方案应注意眩光的抑制。
3．2　　眩光的抑制：
眩光的抑制对运动员比赛成绩、裁判员的评定及观众对比赛的欣赏起到重要的作用，如何降低眩光是照明系统设计成败的关键。眩光抑制的措施除了提高照度的均匀性外（包括场地与观众席照度的均匀性），主要在灯具的安装、选型上应采取以下措施：
a．选用的灯具内置防眩光挡板或增加隔珊，以增加灯具的遮光角，减少眩光的产生。
b．控制灯具的投射方向，使灯具的投射方向与场地的主要运动方向的投影大致成45°角（称为45°投射光束法）。这种方法不仅光通量利用率高，并且能有效地控制眩光，且能容易地满足彩色电视装播的要求。
c．控制灯具的投射角，使灯具的安装在其对面场地边缘处向此方向的仰角为30°角以上，以减少直接眩光的产生。
3．3　　灯具的选择：
灯具的选择主要考虑灯具的光效高、显色性满足要求、色温适宜、使用寿命长等因素。体育馆常用灯具照明技术指标比较如下表：
表四：常用灯具照明技术指标比较表
比较高压钠灯、卤钨灯、高压水银灯、金属卤化灯等的照明技术指标，通常我们选用金属卤化灯做为体育馆场地照明的光源，其特点是：显色性好、色温适中、光效高、寿命长。
场地及观众席的火灾事故照明灯应选用可瞬时启动的灯具，通常选卤钨灯。
另外，灯具的选型还应考虑灯具的使用环境，如室内游泳馆灯具的选型还
应考虑以下因素：
a、灯具要求耐腐蚀、密闭性好、防护等级达到IP55及以上。
b、采用强化安全玻璃及玻璃防护网，避免玻璃碎片掉入池底难于清除。
四．照明控制系统及供电
4．1　　照明控制系统：
以往，照明控制系统常用继电器、接触器的控制方式，这种方式接线复杂，开灯方案单一且操作不便，无法满足多功能体育馆灯控灵活多变的要求。由于场馆照明灯具多采用气体放电灯，启动冲击电流大，而该控制系统无法自动调节灯光组的先后开闭顺序，所以难以避免大电流的冲击，容易造成灯具的损坏。
随着科技的发展，照明控制系统采用了计算机自动控制技术，出现了智能化照明控制系统，它主要由：主控模块、调光模块（可选）、智能管理模块、可编程控制器和系统监控组成。系统以计算机技术和通信技术为基础，以集散控制方式为系统结构，采用综合协调的控制方式，在确保场地照明质量的前提下，对照明灯具及其馈电线路实施全面动态监控，使场馆灯光控制操作变得更加安全、简便、可靠，以满足不同类型体育竞赛对灯光的要求，同时还考虑与BAS系统的连接接口。如LCS-9600/PLUS智能化照明控制系统（原理框图详图一），系统还具有以下特点：
a．在计算机彩色显示器上仿真显示整个场地照明灯具的开关状态。
b．灯控室的操作员可通过显示器上的“控制按钮”来命令（遥控）系统安选定方案开启或关闭场地各相应的照明灯组。
b．系统备有多种开灯方案，操作员也可根据不同的体育比赛要求自行编辑、修改和储存开灯方案，使开灯方案灵活多变。
d．系统具有灯具启用时间记录和寿命自动统计功能。
e．系统设有自动和手动二种控制方式，在应急情况下，操作员可通过操作控制柜内的手动控制按钮来开启或关闭场地照明灯具。
图一：LCS-9600/PLUS智能化照明控制系统原理框图　　　　
4．2　　照明控制系统的供电：
按《民用建筑电气设计规范》要求，省、自治区、直辖市及以上体育馆的场地照明供电按照一级负荷设计。因此，通常是由低压配电室引两路电源至灯控室，两路电源互为备用，平时各带一半左右的负荷，且均匀分布配电，以便任何一路断电，在气体放电灯10~15分钟再启动时间内，仍能满足一般比赛的进行。对于小型的体育馆、训练馆也可采用一用一备的供电方案，此方案接线简单，运行可靠。
由灯控柜引至灯具的配电回路通常3~6盏一个回路，考虑到气体放电灯的频闪效应，采用相邻灯具由不同相供电，即将灯具均匀接入三相交流电中供电。
火灾事故照明灯具由于功率较大，一般不采用自带蓄电池作为其备用电源，通常是由采用消防双电源在灯控室内互投的供电形式。
五、工程实例：
5.1　　工程概况
福建省游泳、跳水馆位于体育中心的西北角，是一幢由二个平面直径为76米球面半径不等的半圆壳体构成的建筑，建筑层数为地上二层，地下一层。底层设符合国际比赛要求的10泳道游泳比赛池（50X25米）、跳水池（20X25米各一个，以及门厅、运动员休息室、淋浴更衣等辅助用房等；二层为看台、休息厅、技术用房等；地下室为设备机房及健身用房等。总建筑面积约1.4万平方米，建筑高度26.8米，观众规模1560人。
5.1　　设计方案
游泳池、跳水池的设计照度按满足国内彩电转播照度要求设计，即距水面1.0米处的平均垂直照度大于1000Lx，灯具的色温取4500K，显色指数取85；灯具要求防腐、防潮且防护等级达到IP55以上；应急照明灯具采用瞬间启动的触发器（热启动），平时用于场地照明（与消防部门协商同意）；场馆内共装设金属卤化灯115套，其中1KW灯具97套，0.4KW灯具18套（不含观众席部分照明灯具）；照明控制系统选用LCS-9600/PLUS（32路）智能化照明控制系，其中游泳池灯具分16路控制，跳水池灯具分10路控制，观众席灯具分4路控制，水下照明灯具分2路控制。2000年2月，该场地灯光照明系统安装调试完后，经测试场地照度及均匀度等各项指标均满足规范要求。该馆在2000年3月举办过全国花样游泳比赛。
六、几个问题的探讨：
6.1　　体育馆内部的网架的照明
时下新建的体育馆大多采用裸露室内网架的形式，我们在研究设计场地照明时，往往只注重比赛场地的照明效果，而忽略了内部网架的照明，其实在马道上设置部分灯具加强对网架的照明，能减弱灯具与马道上屋面的亮度对比和减少眩光，同时也能展示建筑的美感。因此笔者认为，应设置网架的照明灯。
6.2　　关注灯具电气附件箱
气体放电灯的附件箱是指灯具的控制回路及附属装置，通常装在灯具附近。体育照明采用的气体放电灯往往功率因素很低，而配电线路又由灯控室引来，为了降低损耗，笔者认为宜采用单灯补偿措施，使单灯功率因素达0.85以上。
另一方面，由于灯具的配电回路为多盏一回路，所以，为了便于调试及维修，在附件箱加装单灯的保护、隔离用断路器也显得重要。
6.3　　关于火灾事故照明灯
在场馆内设置火灾事故照明灯是关系到人们生命财产安全，但灯具的使用率毕竟很低，因此笔者认为可将其与场地照明相结合考虑，在紧急状态下采用“热触发”装置点燃火灾事故照明灯，这样既可降低造价，又可在平时监测火灾事故照明灯的故障状态，及时检修。（在游泳跳水馆的使用情况有待进一步的验证）
以上几个问题是笔者在实际工程设计中的一点看法，望能得到专家、同行的批评指正。
随着科技的发展及社会的进步，新科技、新设备、新工艺将不断涌现，如何结合综合性体育馆的特点，设计出好的场地照明系统，使其不仅具有鲜明的时代特点，又能做到经济、实用、安全、节能，是我们每个电气设计人员的追求目标。为此必须不断学习，并听取各方面的意见和建议，使我们的工程设计不断完善和提高