国家体育场场地照明设计概论

1.场地照明标准

国家体育场主要竞赛项目有田径、足球，其主要照明指标应由业主单位在体育工艺中提出，在体育工艺条件没提出之前，场地照明可以参考表1所列的标准，国家体育场应同时满足表1的要求。

1.1照度

运动员所需的照明水平与观众不一样，运动员置身于赛场之中，相对而言视线距离较近，因而相对较低的照明水平就可满足比赛需要；而观众则不同，他们的目的就是观看比赛，相对说来，观众视线较远，观看点相对，照明要求是随着观看距离的增加而提高，因此，照度是观众观看是否清楚的关键；彩色电视技术与体育竞赛联系十分紧密，促使体育比赛在全球范围内迅速推广和普及，彩色电视技术的发展对照明水平要求越来越高，黑白电视、彩色电视、高清晰度电视，每一次技术进步就意味着照明标准的提高；而摄影则有别于摄像，它是通过胶片感光记录竞技场面的，照片或电影效果的好坏主要取决于曝光量、清新度、显色性等因素；赛场上还有一类群体也应得以关注，这就是场地四周的广告，广告只要能被现场看清楚，并能通过电视等媒体消费的传播即可。

运动员的可见度既与垂直照度有关，又与水平照度有关，合适比例的水平照度和垂直照度才使物体具有立体感，物体生动、活泼。垂直照度取决于泛光灯的投射方式和位置，由于水平照度易于计算和测量，因此照度推荐值多用水平照度。观众数量因赛场的不同差异较大，而观看距离与赛场的容量有关，所有赛场所要求的照度随体育场的增大而增加。

1.1.1水平照度

CIE57要求：

综合上述标准，照度均匀度按表16设计。

1.3照度梯度

1.4眩光

1.5色彩

1.5.1色温Color temperatrue Tk

1.6综合照明指标

2.场地照明的其它要求

2.1亮度均匀度

场地照明除对照度均匀度有要求外，对亮度也有要求，应该说明一下，人眼睛看到的是物体的亮度而不是照度。亮度变化较大，尤其亮度突变，对人视觉产生不舒服的感觉。

2.2立体感

由于水平照度易于说明、计算、测量，水平面上的照度得以普遍应用。然而，运动员和观众的可见度取决于水平照度值和垂直面的照度的值，因此，物体的立体感与水平照度和不同方向的垂直照度的比例有关，不同比例的照度产生不同的光影效果，也就形成了不同的物体造型效果。对任一点来说，有无数个垂直面，为了方便起见，只考虑适当角度的两个垂直面，如图1所示。

2.3眩光灯布置

对每个工程泛光灯的数量由场地内的照度确定。四角布置方式，灯塔数量比侧向布灯少，因此，光线进入运动员或观众的视野内也较少。另一方向，四角布灯用的泛光灯数量比侧向布灯要多，从球场任一点看，四角布灯每个灯塔泛光灯的光强之和比侧向布灯多塔或光带方式的光强要大。实验表明，很难在两种布灯方式间作出选择。通常，布灯方式的选择和灯塔的准确位置更多地取决于造价或场地条件，而不是照明因素。

CIE建议不要将眩光和照度联在一起，因为在其它因素相同时，随着照度增加，人眼的适应水平也在增加，实际上，对眩光的的敏感程度不受影响。

2.3.2泛光灯光强分布

无论四角布灯还是侧向布灯，泛光灯一定要采用窄光束的灯具，以照射到离灯最远的赛场区域，光束十分之一最大光强与最大光强之间的夹角不应大于12°，超出这范围过多的溢出光也能产生眩光。

2.3.3灯具的投射方向

为有效地满足照度的要求，泛光灯必须在其整个寿命期内准确瞄准并保持设计位置。对运动员来说，守门员最易受攻击，因此，守门员是否受到眩光控制的重要。至于眩光，对观众而言，球场侧面公共区域的前部和球门后面观看条件最差，在设计泛光灯的投射方向时，这些位置都被用来考核眩光控制优劣的缺点，第3章“场地照明方式”将详细说明。

2.3.4环境亮度

运动员和观众所看到的泛光灯外表壳度取决于人的视线从明亮的球场移到灯具时的亮度梯度。球场周围有看台、平台、围栏，它们的反射系数适中，只要这些区域的照度大约为赛场度的四分之一，眩光的影响将大为减少。因此，重要的看台的颜色不要太暗。这些区域的照度值通常能用泛光灯的溢出光实验，当然，泛光灯要满足2.3.2部分的光强控制要求。

在没有看台和平台的小场地，常见的问题是环境亮度较低。少数能提高环境度。然而，已经发现：球场周围的较低浅色的围栏可以显著改善泛光灯的视觉效果。国家体育场附场可能会遇到这个问题。

2.3.5观众席照明

观众席照明有三个目的：一是为观众提供必要的照明；二改善环境亮度，使场地－观众席－泛光灯自然过渡，不出现亮度突变，有利于眩光控制；三是有利于彩色电视摄像，产生层次分明的背景环境。

如何设置观众席照明目前有两种方法：一是设置专用的观众席照明灯具，例如，2002年日－韩世界杯札幌圆顶体育场、阿姆斯特丹体育场、广东奥林匹克体育场等采用了专用观众席照明灯具；另一种为场地照地照明灯具的溢出光给观众席照明，只要能满足观众席照明要求，这种方法还是比较经济的，北京工人体育场、2000奥运会主体育场—Stadium Australia等没有专门观众席照明灯具。

3.场地照明方式

3.1场地照明方式的选择

国家体育场带可开启的屋顶，其建筑、结构特点决定了场地照明方式只能选择同式光带布灯Side lighting arrangements ，四角式、周边式、混合式布灯不适合国家体育场。如果侧向式布灯不能满足田径比赛要求，可以将侧向式布灯向南北两方向适当延长。侧向面灯的特点是照度均匀，用电量少造价较低，眩光较小，维护方便。适合足球田径、网球等比赛。

图2显示了侧向布灯推荐位置，从球场长轴方向看过去，α的最小值20°只适用于训练场和低级别的赛场，因为此时眩光控制水平较低。因此，国家体育场采用α≈25°，因为这样设计眩光控制的较好，同时又有较高的垂直照度。α值再增大，有利于控制眩光，但垂直照度分量减少，泛光灯或马道的投资将大大增加，结构的荷增也增大。

边线附近对泛光灯的仰角由角度β决定，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75°

大多数情况下，，装在屋顶上的照明装置有两排，一排在雨棚的边缘，另一排在雨棚的中部或后部。国家体育场将通过计算并进行技术、经济比较最终确定照明装置的排数。如果东西看台各设一条马道，则有可能在马道上装两排灯；另一种方案为东西看台各设两条马道，每条马道各装一排灯。

3.2马道的确定

h=d.tgα

3.3摄像机对照明的要求

2008年奥运会赛事要向全球转播，有HDTV、普通TV、慢运作摄像、固定机位、移动摄像、应急电视等，摄像机多了，要求各点的垂直照度也高，尤其注意起跑线、终点线、投掷区、起跳点线 、落地点、过杆处等处的垂直照度，摄像机在这些地方拍摄几率很高。而且录像仲裁也使用相关的影像资料进行裁决。田径比赛还有特殊的摄像机，即110m长的导轨摄像机rail camera ，它沿着东西两侧直线跑道外侧敷设，随着运动员跑步而移动，该段各点的垂直照度要求都很高。特写拍摄也是常用的，而特写拍摄要求有很高的照明质量。

图5摄像机位是国际足联认可的摄像基本机位简称POV‘s ，根据需要，还可另外增加电视摄像的机位。

Cam.1，机位1，主摄像机位置；

Cam.3，机位3，球门后方，位置较高；

Cam.4、5，机位4、5，球门后，位置较低；

Cam.6、7、8，机位6、7、8，位置较低；

Cam.9，机位9，相反视角；

而举办奥运会的综合性主体育场只有9个机位显然是不够的，在2000年第27届悉尼奥运会田径比赛期间，主体育场Stadium Australia共设28个机位，77台摄像机。

3.4附场照明

附场采用多塔式侧向布灯，或采用四角式布灯，灯具和光源同主场。

4.场地照明控制方式

4.1主场照明控制模式

主体育场照明模式有：田径训练、田径国内比赛、田径TV转播的国内比赛、田径TV转播的国际比赛、田径高清晰度电视HDTV转播、田径应急电视TV、足球Ⅴ级国际级比赛、足球Ⅳ级国内比赛、足球Ⅲ级国内比赛、足球Ⅱ级联赛和俱乐部比赛、足球Ⅰ级训练赛及娱乐等12种，这是满足比赛的最基本要求。不同的照明模式投入运行的灯具数量也不一样，实现不同模式的照明将由照明自动控制系统完成。

4.2附场照明控制模式

附场照明模式有田径训练和足球训练两种。

4.3注意点

调研发现，北京工人体育场曾使用计算机照明控制系统，由于出现地误动作和拒动作现象，迫使他们改回传统的继电器控制。因此，国家体育场采用智能型照明控制系统应解决好这一问题。确保万无一失。

5.场地照明控制

5.1场地照明控制系统的要求

国家体育场场地照明控制采用智能型照明控制系统，它是以计算机和网络通讯技术为基础，集散型结构框架。结合场地照明、观众席照明、部分房间照明等统一控制。除特殊房间外，场地照明、观众席照明不需要调光，只需要开关控制。施工图设计时，再根据房间数量、位置等情况综合确定系统构成和调光范围。

1 计算机仿真灯位显示：提供控制回路状态、灯具状态、照明模式及照明模式预览、平均照度、灯具异常控制及故障状态、配电系统有关参数、布灯位置图形显示等。

2 系统管理与控制：灯具维护与统计信息、权限管理与控制、照明模式创建、修改和删除、值班记录、历史数据库、各种报表等。

3 自动定时与照度控制：定时控制、组合开灯、按日照的变化逻辑开灯等。

4 灯具保护控制：灯具软启动、软关断、浪涌保护等。

5 状态参数检测。

6 照明因故熄灭，自动启动应急照明。

7 照明控制系统采用总线制，并留有与整个体育场BAS联系的接口。

5.2主要照明控制系统技术经济简介

6.灯具与光源

6.1灯具

6.2光源

选择光源时，要考虑下列因素：

◆光源的发光效率；

◆每盏灯的光通输出；

◆利用率，赛场上所接受的灯光；

◆光源的色温和显色性；

◆启动和再启动特性；

◆每年使用的时间；

◆初次投资和运行成本。

卤钨灯、金属卤化物灯和高压钠灯都可用于场地照明，一般地说，卤钨灯由于效率较低使用越来越少，除非每年使用的时间较短。高压钠灯显色性和色温不适合彩色电视转播，只有金属卤化物灯才满足要求。

目前，金属卤化物灯性能也较大的提高，国家体育场要求采用短绝型陶瓷金属卤化物灯，有利于灯具配光的改善，显色性较长弧型提高较多短弧型Ra≈92，长弧型Ra≈82 。

6.3附件

泛光灯主要附件是镇流器，由于光源内有电极和气体，金属卤化物灯的启动电源较高，使用220V或380V的电压不能满足要求，必须使用二次高电压。镇流器分为电容超前峰值型和施加高压脉冲型，为了泛光灯稳定输出，镇流器宜为稳压型，其优点是市电电压波动对光输出影响较小。

6.4常用体育场用泛光灯简介

6.4.1 MUNDIAL

1 特点

◆可配用多各不同光源，满足不同通量、显色性或色温等。

◆配备最佳光学系统提供所需非对称型光强分布。

◆有柱面反射器和圆形旋转对称反射器两类，圆形旋转对称反射器有RB/R10两种窄配光。

◆低眩光、散光及向上光线，减少低对周遭环境滋扰。

◆维护简单，开启后盖便可进行维护，不会影响已设定投射角。

◆后盖开启后，电源将自动切断。

◆IP65防护等级。

2 光源

◆2kw金属卤化灯

◆M－N－TD 2000Philips

◆M－D－TD 2000Philips

◆MBIL/H 2000GE

◆HQI－TS 2000Osram

◆HIS－TD 2000Syivania

3 材料/工艺

◆灯体：压铸铝

◆前玻璃：4mm耐高温度玻璃

◆支架：镀锌钢

4 标准

设计和制造符合EN 60598及防护等级IP65，抗撞击力为6焦耳，Ⅱ类电气性能。

5 灯具描述

6 安装/维护

7 光学系统

抛物柱面/旋转对称抛物面反射罩，配防眩光隔板及不同光源装位置。圆形旋转对称反射器，防眩隔板。

6.4.2 MVF403ArenaVision 高功率投光灯具

1 材质

高强度压铸铝灯体，1.6mm－3mm厚钢化玻璃，硅像胶密封圈，不锈钢防护网，高纯铝反射器，热镀锌支架。

2 特性

◆全新设计椭圆形反射器，配光效果更好，效率更高。

◆外形更加紧凑美观，风阻系数大大减小，重量更轻。

◆7种不同角度配光的反射器，满足各种应用要求。

◆光源显色性Ra=92，色温5600K.

◆背后开启更换灯泡，附安全开关，维护更加安全方便。

◆有调光刻度，并有瞄准器，防眩光罩，彩色滤色片等多种配件可供选择。

◆有上照型，下照型和热启动型供选择。

3 适用场所

适合大型体育场、高尔夫球场、大型建筑物等处的投光照明。

6.4.3 MVF406ArenaVision 高功率投光灯具

1 材质

高压压铸铝外壳，高强度钢化玻璃，高纯铝反射器。

2 特性

◆结构紧凑、体积小、重量轻。

◆背后开启更换光源，维护安全方便。

◆七种不同配光反射器，满足多种照明要求。

◆配高效金卤光源，显色性可达92，色温5600K.

3 适用场所

体育场、运动场、高层建筑立面泛光等需要高强度、高质量照明的区域。

6.4.4 ULTRA★SPORTTM大功率投光灯。

1 特性

◆适合潮湿区域，标准配置为IP55

◆两级反射光学系统，一级为金属镀层玻璃反射器，二级为20英寸508mm ALGLAS@镀层铝反射器。

◆可选内置式更换灯泡带开门自动断电装置。

◆电气箱与灯泡和灯座有热隔离。

◆Hydro★GardTM高效过滤系统。

◆可选热启动，分体式电气系统。

2 组件

◆背后开启式换灯门包括一级反射器 。

◆高压铸铝电气箱及二级反射器托架2A 。

◆二级反射器保护罩。

◆二级反射器。

◆钢化平板玻璃。

◆内置式眩光控制系统可选 。

◆瞄准指示器。

◆支架。

3 特性组件

◆换灯门固定螺丝A 。

◆开门自动断电装置B、D 。

◆如果前置玻璃破裂，电源会马上切断以防止紫外线泄漏。

◆椭圆形配光灯具效率最佳。

◆可选热启动系统。

◆可选SYSTEM2TM，两级调光系统。

YOA58081系列

1 减少向体育场周边的漏光

用辅助反射板遮挡容易形成干扰光线的上射光线，从而减少向体育场周边漏光。

2 敏锐的配光实现高效率照射

反射板采用电脑设计，效率高、反应敏锐的配电光控制适用于远距离投光照明。

3 亮化学膜处理

亮化光学膜处理是一种特殊的表面处理，将屈光率不同的Ti02和Si02的透明膜交替层叠，利用膜间界面产生的光干涉效应，提高某波长范围内的光反射率。

4 内置连锁开关，提高安全性

考虑到施工和使用的安全，内置连锁开关，与电磁接触器联动，更换光源时自动关闭电源。另外还装有保护金属闸，万一前玻璃破碎，也不致落下大块玻璃。

5 采用400V型镇流器，提高经济效益

采用电源电压为400V的镇流器，可使电源设备配电箱 、配管和配线设备更加合理化，进一步提高经济效益。

6 也可向上照射

前玻璃采用热膨胀系数非常小的晶化玻璃。具有非常高的耐热温度，向上90度角也可使用。也可用于大型桥墩和建筑物的照明。

7 附有保持器具内清洁的滤尘网

装有滤除空气中尘埃的过滤网，灯具内部不会出现灰尘，直到更换光源时为止不需要进行内部清扫。

YOA58081P不含光源和镇流器

超狭角型

规格：本体：高压铸铝深灰金属色

前玻璃：晶化玻璃透明

前部反射镜：铝内面、镜面亮化光学膜处理

外面、深灰金属色

后部反射镜：铝内面、镜面电解研磨后阳极氧化处理

附辅助内反射镜：滤尘网

内装连锁开关

附前玻璃保护金属网

照射角度：下向角60度，上向角90度，旋转角180度。

重量：17.5kg.

适用光源：OSRAM制造。

HQI－T2000/D/S

适和光源：松下制造。

MQD2000B.E－D/PK

注：使用专用镇流器。

YOA58082P不含光源和镇流器

狭角型

规格：本体：高压铸铝深灰金属色

前玻璃：晶化玻璃透明

前部反射镜：铝内面、镜面亮化光学膜处理

外面、深灰金属色

后部反射镜：铝内面、镜面电解研磨后阳极氧化处理

附有辅助反射镜、滤尘网。

内装连锁开关

附前玻璃保护金属网

照解角度：下向角60度、上向角90度、旋转角180角。

适用光源：OSRAM制造。

HQI－TS2000/D/S

适用光源：松下制造

MQD2000B.E－D/PK

注：使用专用镇流器。

YOA58083P不含光源和镇流器

中角N型

规格：本体：高压铸铝深灰金属色

前面玻璃：晶化玻璃透明

前部反射镜：铝内面、坑纹亮化光学膜处理

外面、深灰金属色

附辅助反射镜：滤尘网、内装连锁开关

附前玻璃保护金属网

照射角度：下向角60度、上向角90度、旋转角180度。

重量：17.5kg.

适用光源：OSRAM制造。

HQI－TS2000/D/S

适用光源：松下制造

MQD2000B.E－D/PK

注：使用专用镇流器。

YOA58084P不含光源和镇流器中角M型

规格：本体：高压铸铝深灰金属色

前面玻璃：晶化玻璃透明

前部反射镜：铝内面、坑纹亮化光学膜处理

外面、深灰金属色

后部反射镜：铝内面、坑纹化学研磨后阳极搓化处理

附辅助反射镜：滤尘网

内装连锁开关、附前玻璃保护金属网

照射角度：下向角60度、上向角90度、旋转角180度。

重量：17.5kg.

适用光源：OSRAM制造。

HQI－TS2000/D/S

适用光源：松下制造

MQD2000B.E－D/PK

注：使用专用镇流器。

可经济配线的400V型

大光通量、高效率的体育场投光灯的镇流器，电源电压为400V，与200V电压相比较，可合电源设备配电箱 、配管和配线设备更加合理。另外，附有接线盒的不锈钢外过本体，具有良好的施工性、耐久性和耐腐蚀性。

采用短弧金属化物灯2000W淘汰用镇流器额定规格

大光通量、高效率的大型体育场照明

短弧金属化物灯2000W光源SKYBEAM

7.照明供配电

7.1电源及切换

场地照明应满足奥委会的要求，FIFA要求场地照明不低于正常照明的2/3，奥委会的要求暂时不知。电源之间的切换应充分考虑这个因素。

7.1.1电源

符合国家体育场场地照明的光源只有金属卤化物灯，它属高强气体放电灯，其熄灭后要有冷却时间，再启动时间为3～8分钟，场地照明出现3～8分钟的停电时间是决不允许的。

7.1.3热触发装置

金属卤化物灯配热发装置可实现瞬间点燃，但光源的寿命将有所减少，折寿最高达50％左右。同时热触发装置价格昂贵，PHILIPS约9000元/个，THORN约5000元/个。

因此，电源之间的切换应保证场地照明最低照明要求。

UPS、EPS与其电源之间的转换没有列在表中，因为UPS、EPS为备用电源，作为主电源技术很可靠，但经济上投入巨大。

从表中可以得出，①电源之间的转换主要以市电和自备发电机为主，UPS、EPS为辅助备用电源；②如果赛场不中断照明，可采用UPS、EPS，在电源转换过程中，由UPS、EPS供电；③EPS只能采用切换时间小于0.02s的产品；④？HID＋热触发装置也可保证场地照明不中断。

现将UPS、EPS、热触发装置比较如下：

7.2场地照明供电分析

从上面分析比较可知：无论几路市电，都要使用自备发电机、这就是所谓“将命运把握在自己手中”。同时要解决好电源之间的转换，不要将使灯熄灭。因此，场地照明供电系统有下列几种情形。

方案1：市电、自备发电机之间转换由EPS供电，转换后恢复市电或发电机供电。平时EPS处于浮冲状态。本方案自备发电机、EPS带全负荷，其容量约为1000KW.奥运会期间、重要活动或比赛，由发电机作为主电源，市电为备用电源。因此，电源转换时间约1秒钟双电源切换时间＋开关固有合闸时间 。

因此EPS应急时间为2分钟，为保险起见，应急时间按10分钟选择。灯具为一般起动型的金属卤化物灯。

方案2：假设奥委会要求紧急情况下有一半灯具工作国际足联要求紧急时2/3灯具正常工作 。市电、自备发电机之间转换期一半由EPS供电，情况同方案1；另一半由带热触发装置的灯具确保转化后瞬间亮灯。平时EPS处于浮冲状态。本方案自备发电机带全负荷，其容量约为1000KW.EPS带50％负荷，容量约500KW.奥运会期间、重要活动或比赛，由发电机作为主电源，市电为备用电源。

方案3：本方案为自备发电机带全负荷，其容量约为1000KW.不设EPS，泛光灯采用带热触发装置的金属卤化物灯。奥运会期间、重要活动或比赛，由发电机作为主电源，市电为备用电源。电源转换时间由双电源切换时间和开关固有合闸时间组成，约1秒钟。因此，电转换时有约1秒钟的熄灭周期。

需要说明一下，高压电源之间的切换时间大于0.5s，低压市电之间的切换时间约0.5s，自备发电机切换至市电的时间约0.5s.

奥运会期间，重要活动或比赛，由发电机作为主电源，市电为备用电源；平时比赛或活动则市电为源，发电机作为备用电源。

三个方案各有千秋，下表为综合比较。

7.3几点说明

7.3.1为可不使用UPS而使用EPS

其次，UPS对环境要求较高。一般UPS对环境温度、湿度要求较高，例如应用于美军、北约等部门的UPS按军品要求设计，可靠性高于民品设备，其对温度要求为－5～40℃。北京奥林匹克主体育场开启屋顶后体育场为室外环境，北京冬季气温经常在－10℃以下，能满足要求吗EPS则不同，它可工作在－10～50℃环境中。因此，UPS只能放置在空调房间，而EPS可以安装在条件恶劣的电气竖井里。

第三，UPS寿命比EPS短。因为UPS始终处于在线状态，其各种元器件一直带电，长时间的带电工作影响了UPS的寿命。EPS平时只给电池充电，正常供电通过旁路开关供给负荷，EPS寿命大大提高。

第四，UPS比EPS耗能。从第三点可知，UPS只要开机就要经过“交流－直流－交流”的转换，消耗电能自然比UPS多。

最后，EPS比UPS更经济。EPS只相对于UPS售价的30％，如果考虑到电池容量、出线开关等因素，EPS售价应在UPS售价的20％左右。

7.3.2自备发电机采用燃油还是燃气

本部分作为遗留问题，还需进行经济技术比较。有一点可以肯定，天然气发电机比柴油发电机更环保、卫生，符合北京“绿色奥运”。2000年悉尼奥运会主体育场Stadium Australia采用了两台天然气发电机。

7.3.3柴油发电机是固定设置还是临时租用

这一问题待与业主商定后再下结论。但固定设置柴油发电机有以下问题：

◆占用建筑房间，柴油发电机房对防火、层高、安装孔洞等均有较高的要求；

◆需要油罐、油箱，存在安全隐患；

◆有污染，与“绿色奥运”相悖，同时还有噪音、振动等问题；

◆需要熟练工人日常维护保养。时间长了，维护、保养工作量较大，管理不好设备很难有良好的状态；

◆经济投入较大，包括工程投入，日常维护，人员工资等。

临时租用可解决这些问题，专业公司有专人对设备维护、保养，设备始终处于良好状态，而且工人操作熟练，减少人为事故。