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高校体育场馆内LED光源设计与马道安装探讨

放大字体  缩小字体 照明中国网   发布日期:2015-05-22  来源:《照明》  作者:王东华  
  1 前言
 
  体育场馆的照明系统是场馆最重要的设施之一,也是体育场馆中技术要求最高的部分,照明的好坏直接影响竟赛公平、转播效果、球员安全、观众气氛等竞赛核心内容。而其中,马道的设置对体育照明无疑是至关重要的,它不仅会严重影响照明的质量和数量,同时还会带来更多的能源消耗。对于体育场馆来说,马道位置的设置与建筑、结构、电气、照明等多个专业相关。
 
  然而,在长期的场馆建设中,很多人对照明的重要性并没有放在最关注的位置,因此在设计中出现了很多与要求相违背的做法,马道的设置安全没有考虑到标准中对照明最基本的要求,如马道的位置离边线太近,甚至就在边线内,这就导致了无论提高多少水平照度,边线处的垂直照度也会很难达到标准值;或者马道的高度过低,满足不了场地照明对眩光角度的限制要求,造成严重眩光;还有的马道太短,造成比赛场地两端头底线位置几乎没有垂直照度,或者照度很低等。
 
  此外,就照明节能而言,根据相关资料及对各高校场馆的实际调查统计结果表明,由于马道设置不合理,同类场馆相同级别的场地照明功率密度LPD值相差几倍[1]。通过对体育场馆马道位置的研究,提出马道的正确设置方法,进一步规范马道的设计准则,力求建筑师在进行体育场馆建筑设计时能充分兼顾照明专业对马道的要求。
 
  2 体育馆照明的基本功能
 
  对于体育馆照明来说,竞赛和安全是最重要的组成部分。随着体育运动和竞赛项目的日趋发展和普及,参与者和观看比赛的人越来越多,对照明的要求也就越来越高。照明设施必须保证运动员和裁判员能够看清比赛场地上的一切活动和场景,这样他们才能发挥出最佳水平,观众也需要在宜人的环境和舒适的条件下观看比赛。与此同时,照明设计还应为观看比赛的广大电视观众提供高质量的电视转播画面。此外,对于人员密集的体育场馆,确保大批人群安全出入体育场馆及在紧急情况下迅速疏散。同时,由于这种原因使得体育场馆内网络信号太差或者无信号时,利用灯光上网技术点一盏LED灯就能上网,德国物理学家哈拉学德——哈斯和他的团队发明了这种灯光上网专利技术。利用闪烁的灯光来传输数字信息,它也被称为“lifi”,但此技术也有它的局限性,若灯光被阻挡,网络信号将被切断。这种技术如何能很好地应用于高校体育场馆,是值得建筑师、结构建造师和电气工程师共同参与进一步研究。因此,智能照明系统在体育场馆等建筑设计与建造中极为重要。
 
  2.1 照明与竞赛的关系
  (1)灯具的安装位置一般不允许在场地正上方,某些运动如室内网球、羽毛球、乒乓球等要求会更加严格;
  (2)大部分场地存在不允许安装灯具的区域,主要针对比赛时照明会对主视线产生不利影响,如排球、羽毛球、网球等;
  (3)灯具安装位置和投射角度避免对运动员产生眩光;
  (4)防止灯具的直射光和反射光对运动员和观众席产生影响。
 
  2.2 照明与转播的关系
  (1)摄像机方向的垂直照度及其均匀度要满足摄像和转播的要求。
  (2)LED色温会影响摄像机白平衡的调节,对转播级别高的体育场馆,如一般转播要求Tcp>5000K,高清转播要求Tcp>700K;显色指数会影响转播、摄像的色彩还原程度,一般转播Rα>70,高清转播Rα>80.
  (3)LED色差的产生主要是由荧光粉涂覆等封装技术和透镜散射造成,在LED节能灯软件中仿真色差的分布要选取合适的带光谱的近场光源以及三基色近场数据,可采用成像色度计直接测量;可用CIE显色指数(CRI)评价光源显色度,也是目前评价LED显色性的唯一方法[2]。
  (4)改善LED色差的方法,LED封装方式的优化、透镜设计结构的改进和远程荧光粉及量子点材料的使用。
  (5)灯具安装位置和投射角度有时还会对摄像机产生眩光。
 
  3 灯光上网技术在场馆内应用
 
  3.1 点一盏LED灯就能上网
  无需WiFi信号,利用可见灯光传输网络信号,将网络信号接入一盏1W的LED灯球,灯光下的电脑即可上网。这一世界前沿通讯技术已由德国物理学家哈拉学德——哈斯和他的团队在实验室成功实现,并最早发明了这种灯光上网专利技术。此专利技术最高速率可达3.25G,平均上网速率达到150M,堪称世界上最快的“灯光上网”及其MOOC资源共享平台。并利用闪烁的灯光来传输数字信息。
 
  3.2 MOOC无线远程教学平台
  LED行业课程资源共享,在体育场馆内构建上网学习网络视频课程,满足院校专业人才培养及行业从业人员远程学习充电的需要,涵盖职业教育、学历教育、继续教育的LED行业人才学习生态圈。使得运动员在体育场内训练、比赛之余也能挤出宝贵时间上网远程学习大学课程,满足高校特招的具有高水平运动技能的在校大学生,既当运动员为国争光,又不耽误课程学习,学够规定的学分即可毕业。
 
  3.3 LED硬件电路设计原理
  电路的工作原理(如图1所示)为市电经EM I滤波、整流滤波变成直流电送入功率变换电路(DC/DC),功率变换电路在PWM(调宽)电路和单片机的控制下输出稳定的直流电压。用户可根据需要通过键盘对开关电源输出的电压值调节,单片机系统自动对电源输出电压进行数据采样,并与用户给定数据进行比较,然后根据设置的调整算法控制开关调整电路,使电源输出电压符合给定值。单片机在调整电源输出电压的同时还要检测电路的输出功率,当输出功率超过最大功率时,就起动保护电路,实现保护功能。为了使智能开关电源能可靠、安全地工作,系统可设置多重监测和保护系统,主要包括过压、欠压和短路保护。
 
  3.4 灯光智能控制系统
  目前,荧光灯的常用调光方法都不能适应节能灯,原因一是气体放电灯不同于白炽灯调光难度大,而节能灯其独特的结构,体积小调光难度就更大;二是节能灯外形结构如同白炽灯,只有两根进线而不像荧光灯输出4根接灯管线[3]。
  本调光系统利用zigbee2.4G无限中的调频、网状网络自愈、多级跳转、数据加密及组网便利,结合WIFI、GPRS及以钛网等技术而研发的新一代集中式无线调光控制系统。具有布线简单、操作方便、价格低廉、技术成熟等特点。广泛应用于体育场馆内及其周边体育设施和路灯等各种照明控制领域,通过手机或者电脑进行室内灯光调节、控制、定位以及开关(如表1所示)。
 
  4 马道设置安装
 
  4.1 对马道美观的要求
 
  (1)《体育场馆照明设计及检测标准》JGJ153-2007中有明确规定,在灯具与场地之间不能有障碍物存在。如果灯具数量较多,挡掉的这部分光是不能忽略的。当灯具的部分光线被结构所阻挡,受影响的不仅仅是被照面获得的光减少了,这种不规则的被照亮的钢架不但不美观,反而会起到反作用。为了避免这种现象,很多体育馆马道安装在钢架内部,而把LED照明灯具吊到钢架下部安装,但所有的安装、调试、维修都要人员到马道下面完成,一是失去了马道作为载体的便利性,二是可能会造成一定的安全隐患,因此,可以说马道设置在钢架内部是极不合理的。
 
  (2)马道位置与建筑结构(如顶棚)的造型相关联。首先需要说明的是,在灯具开启或者比赛进行时,灯具的相对中心光强可以达到2×104~4×104cd/k lm,绝对光强可以3×106~6×106cd/klm亮度很高,如果直视灯具,由于人眼对光线的自适应性,如此高的灯具表面亮度其背景会被看成一片漆黑,根本无法看清背景的样式、颜色等,就实际情况而言,观众的注意力都集中在场地而非顶部,因此可以说顶部的马道造型或装饰,都是无法在正常使用时受到关注的。而如果过度强调马道和顶棚之间的对应关系,结果很可能会影响场地照明的合理性(比如网球场地),其照明标准值如表2所示。
 
  在体育场馆照明中,可以在不影响功能需求的前提下兼顾建筑的美观。
 
  4.2 空间设施对照明系统的阻挡
 
  在有些场馆项目中,由于前期多个专业的沟通协调不畅通,使得通风管道、管线、音响设备等会出现在低于马道标高的位置,对灯光造成遮挡,这是完全不符合要求的。有的场馆空间有媒体视频设备,往往会对灯具投射的光线造成阻挡,在照明设计时要尽量避开这些设施。
 
  4.3 马道几何尺寸、刚性要求及荷载问题
 
  在马道上不但需要安装灯具、音响设备,还要承载电缆、桥架或线槽、安装附件等大量设备,同时还要承载人的通行、维修操作等,因此过小的尺寸会无法满足承载要求。此外,由于大功率灯具的整流器箱体往往都是分离式的,需要安装在马道上,因此建议马道宽度宜高于或等于0.8m,净空高度宜高于或等于1.6m.对马道刚性的要求是灯具的投射位置不会因马道的扭曲和变形造成偏差,相对于体育馆照明,高质量LED灯具投射角的精度需要控制在4°以内,HDTV级别的体育建筑马道的荷载需要达到350~450㎏/m才能满足要求,而过低的荷载预留可能会发生危险。
 
  4.4 马道位置的设置方法[1]
 
  (1)水平照度、垂直照度
  在转播级别的体育照明中,往往主摄像机和辅摄像机分别设置在不同的方向,集体位置与运动的特点有关。灯具应尽量提供两个方向摄像机的垂直照度,灯具的投射方向基本都是倾斜的,精心设计的灯具外型,可以有效截断射向后方的光线,光线高效率的投射到前方和横向方向。不仅水平照度很容易被获得,垂直照度也能满足。还能很好的将光源隐藏起来,大大降低了眩光。
 
  (2)灯具投射角度[4]
  灯具应均匀分布在体育馆顶部或两侧,灯具投射角度直接影响水平照度Eh、垂直照度Ev、照度均匀度和眩光指数GR等各项照明指标,在马道设计时必须给予高度重视。为降低眩光对运动员影响,一般灯具的瞄准角度θ≤65°(如图2所示)。
 
  (3)投射到场地近边线处的位置要求
  在体育照明中,平均水平照度和平均垂直照度都有照度比率和均匀度的要求,相比之下,垂直照度的均匀度更加复杂。灯具投射到最远边线和最近边线的两个角度θ和β是决定各主要照明指标的重要因素,β角度则是决定近边线位置、垂直照度、照度均匀度和照度比率的关键。
 
  (4)投射到场地远边线处的位置要求
  在体育照明中,有一个重要的指标,就是眩光指数最大值不能超过体育照明标准要求的数值:体育场GR<45,体育馆GR<25,最简单的方法可以通过θ角来预判GR是否能达到眩光限制值的要求,限制θ角主要是为了满足眩光指数的要求。因此,马道的位置既要满足β角的要求,又要满足θ角的要求,这也将是设置马道时需要考虑的最重要的条件之一。
 
  5 结束语
 
  深圳大学体育馆曾承担大运会等国内外各种大型比赛活动,对智能化照明要求很高,且越来越多人开始关注体育馆内灯光设计的美观,基于此设计了一款LED节能灯电源控制开关并对安装灯具的马道位置提出了与以往不同的要求,为在体育馆内实现“灯光上网”提供了技术保障。
 
  参考文献
  1 林若慈.朱悦.基于体育场馆照明的马道设置方法的研究[J].北京:《照明工程学报》,2014;5:32
  2 蔡喆.彭振坚.陈慧挺.普通照明用LED显色性评价[J].《中国照明电器》,2014;7:28
  3 汪宋纯.江豫新.浅谈节能灯调光[J].《光源与照明》,2014;3:43
  4 杜彬彬.胡智勇.侧照型体育馆专用灯具在室内网球馆的应用[J]《电气&智能建筑》,2014;6:61
 
 
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