室外运动场照明设计要点分析

马 丽 佳

(南京航空航天大学,江苏 南京 213300)

0 引 言

对于一座现代化的体育场而言,不但要求建筑外形美观大方、各种体育设备齐全完善,更需要有良好的照明环境,即要求有合适、均匀的照度和亮度、理想的光色,有立体感及无眩光等[1]。除保证满足观众良好的视看效果外,还必须保证裁判员、运动员和比赛项目所需的照明要求以及应保证有良好的电视转播效果。良好的照明在现代体育场中占有重要地位。一般而言,在体育场的照明设计中,应考虑以下3方面的因素[2]:① 满足运动比赛时运动员的视觉要求,并且使灯光对比赛的客观影响降到最低程度。② 满足观众的视觉要求,使灯光对观看比赛时所引起的不适感觉降低到最低程度。③ 满足电视(彩色)转播的照明要求,尽可能提高转播质量。

照明与运动项目的比赛要求密切相关,与观众视看效果密切相关,没有良好照明设施的体育场是不完整的体育场,必将严重影响其使用功能的发挥。

1 运动场照明设计标准

标准的室外田径场由外场、中场及内场组成。以跑道为界,跑道为中场,一般设9～10条跑道,每条跑道宽1.22～1.25 m,跑道里面的空间为内场,包括中央球场,供田赛或足球比赛使用。室外田径场照明标准的核心内容为照度标准与照明质量标准。照明质量标准包括眩光、光源色温、显色指数、光的方向性、绿色与节能要求等[3]。照明质量标准如表1所示。

表1 照明质量标准

2 高校体育场照明设计案例

以南京航空航天大学天目湖校区体育场为例,照明控制等级要求:业余训练,业余比赛及大型集会。体育场长183 m,宽100 m,总面积18 300 m2。为了能使灯光均匀的分布,主灯杆的设计高度在30 m,每组灯光为400 W×40;副灯杆设计高度在15 m,每组灯光为200 W×8,所使用的灯光的投射角为70°,总功率为35 200 W,眩光值约30。灯杆布置情况如图1所示。灯具位置及照射范围如图2所示。运动场灯具列表如表2所示。

图1 灯杆布置情况

图2 灯具位置及照射范围

表2 运动场灯具列表

这种侧向布灯方式从球场纵轴方向看过去,灯光角度为70°时,眩光控制得较好,同时又有较高的垂直照度。尽管角度增大有利于控制眩光,但垂直照度分量减小。灯光角度示意图如图3所示。

图3 灯光角度示意图

边线附近对泛光灯的仰角由角度β确定。如果水平照度与垂直照度之间有恰当的比例,则β角不应大于25°。如果看台顶棚边缘的灯具没有合适的β值,可以将泛光灯安装在顶棚下或采取其他特殊方式。球场边设两组泛光灯。当β值接近25°时,满足70°的灯塔高度变得与四角布置方式相类似。事实上,每侧两塔也能成功地应用。泛光灯近似连续布置,光带超过球场底线,以维持球场两端的照度,确保边线附近的运动员身上的垂直照度。通过增加这个角度,对向底线运动的运动员来说,眩光减小了,垂直照度同时增加。增加角度的极限取决于妨碍灯具照明的看台顶棚和在球场上的阴影。

(1) 照度标准。该项目照度标准按照Ⅲ级运动场标准。

(2) 照度均匀度。由于运动场的面积比较大,距离比较远,而且足球的运动距离范围比较大,因此要求其照明具有地面上光分布均匀。国标规定最小与最大水平照度之比不小于0.5,最小与最大垂直度之比为0.4。垂直照度与水平照度之比不宜小于0.25,体育场观众席的垂直照度不宜小于场地垂直照度的0.25。

(3) 眩光限制。体育照明的关键,除提供足够的水平和垂直照度外,还需要减少眩光,从而达到亮而舒适的效果。眩光是影响照明质量的最重要的因素之一。解决眩光主要是解决照明器的安装高度、照明器的投射方向及运动员运动方向和观众观看角度等问题,因此在运动场地中央所能看到灯具的最低部分的仰角应在30°以上。国内外对眩光的控制也有一定的标准,一般对于大型比赛场地的眩光指数(CF)应不大于50;练习场地眩光指数(GF)应不大于60。

(4) 光源色温和显色性。运动场地的照明设计的光源色温和显色指数与应用范围有非常直接关系。国际照明委员会要求光源色温介于3 000～6 000 K。一般比赛是由下午直至黄昏,此时天空的色温在4 000～6 000 K,因此要求色温大于4 000 K。光源的显色指数越高,其显色就越好,电视转播就具有好的彩色还原性,因此对光源的显色指数也有一定的要求。国际比赛、需要电视(彩色)转播场所:90≥Ra≥80。国内外比赛、训练等场所:80>Ra≥60。训练等场所:60>Ra≥40。根据标准,体育场的显色指数定为Ra≥80。

(5) 光源灯具。体育建筑人工采光照明所采用的光源通常有卤钨灯、金属卤化物灯、LED灯、高压汞灯、钠灯等。光源性能综合指标如表3所示。

表3 光源性能综合指标

通过比较,高压汞灯显色性差、光效低;钠灯光效高,单显色性差;LED灯体积小、易于精确的控制光束、光效高、显色性好,寿命长,运行费用低。因此LED灯是体育场的首选灯具。照明节能也是现在设计中必须考虑的因素,应选择高光效、高显色、长寿命的光源,配用高效照明器。在遵循国内规范及标准、满足使用功能的前提下,通过考察比较各种适合体育场使用的光源及灯具,最后选用:光源LED 400 W&200 W;光源光通率1 600 001 m;光输出效率0.77;光源色温5 600 K;光源显色指数95。

(6) 灯杆位置。30 m灯杆的位置以球场中心点与边线15°,和以场地纵向中心点与纵向边线成5°的两条线相交区;15 m灯杆的位置在看台两侧,与看台平行,作为补偿灯光。

(7) 灯杆高度。因为灯塔的高度直接影响体育场的照度及形成眩光的大小,为了限制眩光,灯塔高度按投射角(对场地中心)来设置在22°～25°。从经验上看,这种布置方式比较优越,运动员及观众看到的光源数量较少,因而可以降低眩光。灯塔高度示意图如图4所示。

图4 灯塔高度示意图

图4中,h为光源的高度;a为从球场中心点到灯杆的水平距离;h≈0.4a。南航天目湖校区体育场的球场中心到灯塔的水平距离为74 m,光源高度h为29.6;灯杆的高度大于光源高度,定为30 m。

(8) 计算结果。在明确了照度、眩光指数、灯塔位置、灯塔高度以后,通过逐点法进行计算,确定了灯具的数量及各种要求下的水平照度、垂直照度。逐点计算法示意图如图5所示。

图5 逐点计算法示意图

场地选用96套灯具,其中30 m灯杆各安装40套,15 m灯杆各安装8套,水平照度平均值1 255 lx,垂直照度1 298 lx,眩光值30。

(9) 安装原理。为避免炫光,高杆灯位置应保证灯杆在底线10°～12°以外,边线5°～8°以外的位置上,使投射角大于25°。高杆灯位置示意图如图6所示。投射角示意图如图7所示。

图6 高杆灯位置示意图

图7 投射角示意图

灯杆的布置不应妨碍观众的视线。一般此类体育场的灯杆高度大于25 m,如在挑蓬马道上安装灯具,则马道高度应不小于30 m。

(10) 选用灯具。电视转播级别室外足球场推荐采用室外球场LED投光灯具,此款灯具外观紧凑、美观,风阻系数小,重量轻。飞利浦高功率短弧双端芯片MHN-SA2000W/956,显色指数Ra≥90,色温为6 000 K,寿命长,光源燃点2 000 h后,光源光通量维持率大于90%,平均寿命大于50 000 h,光通量200 000流明(光效100 lm/W);光束精准、多种配光、瞬间起动。

(11) 照度测量。照度测量应按照CIE No 67—1986《关于体育照明装置的光度规定和照度测量指南》和GB/T 15240—1994《室外照明测量方法》规定的方法进行,应选择典型区域或对整个场地进行测量,对于照明装置布置完全对称的场地而言,可只测1/2或1/4的场地。照度测量的测点布置应根据场地规格尺寸而定。测点位置示意图如图8所示。运动场测点网格图如图9所示。

图8 测点位置示意图

图9 运动场测点网格图

(12) 眩光计算。眩光是影响照明质量的最重要因素之一。根据CIE NO.83“彩电系统的体育场地照明”要求,场内最大眩光指数GRmax应小于50,眩光额定值愈小,眩光限制愈好[4]。眩光额定值GR由下列公式算出:

GR=27+24Log(Lvl/Lve0.9)

(1)

式中:Lvl——灯具产生的光幕亮度;

Lve——环境产生的光幕亮度。

一般在计算照度时,应计算不同方向的眩光额定值GR,在GR<50时,即可行。眩光的限制除了合理确定灯具的选型,安装高度和排列方式外,还可以采取提高赛场背景照度的方法。炫光评价分级(最大值)如表4所示。推荐的体育照明炫光指数如图5所示。

表4 炫光评价分级(最大值)

表5 推荐的体育照明炫光指数

3 安装、操作和维护

安装完可调节的泛光灯后,应标记灯的投射位置,以便日后灯具的维护。场地上举行其他运动,例如投掷和径赛项目,建议不要改变原有泛光灯的瞄准点,经验表明,准确再设定瞄准点既浪费时间又增加投资。建议设置两套独立的照明系统,各系统根据各自需要自行控制。

4 结 语

本文依据体育场馆照明设计标准和实际使用情况,以某高校运动场照明设计相关参数的确定为例,系统地梳理了室外体育场照明设计、安装、测试、维护等方面工作,为国内类似工程照明设计、施工提供参考。