体育场馆电气设计分析论文

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摘要：随着计算机技术、控制技术、网络技术以及大屏幕显示技术的发展，体育场馆的变配电系统、体育照明系统的智能化与常规的设计方式有着显著的不同。从各个系统出发，结合国际上先进的设计思想和设计方法，将体育场馆建设成既体现高科技含量、又完全满足实际需求的现代化体育场馆。

关键词：体育场馆照明系统智能化奥运

2002年中国奥运组委会开始对体育场馆设计进行国际招标，根据奥申委在申办2008年奥运会时的承诺，要将2008年奥运会办成人文奥运、科技奥运和绿色奥运，这是可持续发展的战略思想，也符合全中国人民的心愿。如何规划设计奥运体育场馆，在体育场馆的设计中体现科技奥运的宗旨，这是2008年奥运会场馆建设中必须始终如一贯彻的基本方针。

近几年来，全国各省市为举办全国运动会、各省市运动会也投资兴建设体育场馆。但如何设计好体育场馆、如何将现代科技运用到体育场馆中来，使体育场馆的建设跟上时代科技进步的步伐，是摆在我们面前的重要任务。

自上世纪90年代开始，许多国家的体育场馆的建设逐渐发生了重大的转变，从过去的片面追求大规模向规模适中、功能多样、设备先进、安全舒适和节能、环保的方向发展。设备先进则充分体现在科学技术的发展与进步，尤其是信息技术的应用，使体育场馆朝着信息化、智能化方向发展。在注重这些高科技应用的基础上，充分体现着以人为本，使高科技更好地服务于社会，更加注重与环境的协调，充分体现节能与环保。2000年悉尼奥运会已给世人留下了深刻的印象。以下就体育场馆设计中，有关电气设计谈谈自己的想法：

随着计算机技术、现代控制技术、通信网络技术的飞跃发展，在建筑领域出现了智能建筑，它具有非常鲜明的信息社会的时代特征，也是人类社会进步、生产力发展的必然需求，对于改造提升传统产业和改善人们的生活水平起到了积极作用，为人们提供了更为安全、舒适、方便、高效的工作与生活环境。我国国民经济的快速持续发展，综合国力的增强与城市信息化建设的推进，为智能建筑的发展提供了保障，智能建筑的建成，从另一方面来看，又起到了节约能源、降低能耗、保护环境的目的。

上述技术的发展，也为我国建设智能化体育场馆，顺利举办奥运会提供了技术保障。

1智能化变配电系统

现代体育场馆中的系统和设施，对供配电系统可靠性的要求越来越高，有许多系统在运动会期间是绝对不允许出现供电故障。因此首先应对体育场馆的用电负荷进行分级，不同等级的用电负荷，其供配电系统是有所区别。除消防设备用电属于一级负荷之外，根据《供配电系统设计规范》GB50052-95

第2.0.1条电力负荷应根据对供电可靠性的要求及中断供电在政治、经济上所造成损失或影响的程度进行分级，并应符合下列规定：

一、负荷下列情况之一时，应为一级负荷：

1．中断供电将造成人身伤亡时。

2．中断供电将在政治、经济上造成重大损失时。……

3．中断供电将影响有重大政治、经济意义的用电单位的正常工作。例如：重要交通枢纽、重要通信枢纽、重要宾馆、大型体育场馆、经常用于国际活动的大量人员集中的公共场所等用电单位中的重要负荷。

第2.0.2条一级负荷的供电电源应符合下列规定：

一、一级负荷应由两个电源供电；当一个电源发生故障时，另一个电源不应同时受到损坏。二、一级负荷中特别重要的负荷，除由两个电源供电外，尚应增设应急电源，并严禁将其它负荷接入应急供电系统。

在《民用建筑电气设计规范》JGJ/T16-92负荷分级及供电要求中：

3.1.1.1一级负荷

（1）中断供电将造成人身伤亡者。

（2）中断供电将造成重大政治影响者。

（3）中断供电将造成重大经济损失者。

（4）中断供电将造成公共场所秩序严重混乱者。

对于某些特等建筑，如重要的交通枢纽、重要的通信枢纽、国宾馆、国家级及承担重大国事活动的会堂、国家级大型体育中心，以及经常用于重要国际活动的大量人员集中的公共场所等的一级负荷，为特别重要负荷。

在该规范表3.1.2常用重要电力负荷级别中，省、自治区、直辖市及以上体育馆、体育场中的计时记分用电子计算机系统电源、比赛厅（场）、主席台、贵宾室、接待室及广场照明，电声、广播及电视转播，新闻摄影电源均属一级负荷。并且对于计时记分用电子计算机系统电源为特别重要负荷。

3.1.3一级负荷的电子计算机，其机房及已记录的媒体存放间的应急照明亦为一级负荷。

3.1.4当在主体建筑中有一级负荷时，与其有关的主要通道照明为一级负荷。

因此，在进行体育场馆变配电系统设计时，应严格按照供电级别对用电负荷加以周密的考虑。并根据实际要求设置应急电源。

《体育建筑设计规范》送审稿10.3.1体育建筑电力负荷应根据体育建筑的使用要求，区别对待，并应符合下列要求：

1．甲级以上的体育设施电力负荷为一级，国家级大型体育中心为特别重要负荷；

2．以上系指体育场、体育馆、游泳馆的比赛厅（场）、主席台、贵宾室、接待室、广场照明、计算机房、电话机房、广播机房、电台和电视转播、新闻摄影电源及紧急照明灯用电设备；

3．体育建筑的电气消防用电设备负荷等级应为该工程最高负荷等级；

4．一、二项中非比赛使用的电气设备及体育建筑使用要求为乙等的用电设备为二级。

体育场馆的变配电系统，除少数地区外，基本上都是10KV及以下的系统。目前多数还是采用传统的变配电系统，在这种系统中，所有高低压柜上配有大量的模拟指针仪表，柜内主回路的二次接线回路中，配有大量的继电器。高压侧以手动操作为主，低压侧则根据工程情况，实现部分自动（如联络开关），部分手动。这不仅给操作维护带来不便，而且对稍微复杂的控制实现起来也不方便，需增设一定数量的继电器等。一般来说，节点越多，出现的故障机率就越大。为了适应新技术的发展，在一些智能建筑中对变配电系统采用了以建筑设备自控系统的直接数字控制器（DDC）进行监测，随着断路器技术的发展，国内外一些厂家生产出了智能型断路器，从而进一步减少了在开关柜中安装CT等传感器，而且可以直接从这些断路器的接线端子上，根据需要引出相应的一些参数等。总之这些技术的发展，其目的就是朝着变配电系统的自动化方向发展。但是我们必须看到，在这些系统中，无论是采用智能开关，还是采用建筑设备自控系统的直接数字控制器，系统仅仅是朝着智能化方向迈出了一步，对于真正的变配电系统智能化还有相当的差距。尤其是采用DDC控制器的系统，一般仅仅是对系统的几个参数进行监测，根本无法达到自动化的目的。这种系统所采集的信息不全，数量有限，大量的参数和数据、故障和故障记录采集不上来，而仅限于电压、电流、断路器的开关状态等。另外每家从事建筑设备自动控制的承包商所采用的控制器，除少数采用开放型技术和产品外，一般均是自己的通信协议，与其它厂家产品之间互操作性差，协议转换困难。而且对于承担这些系统的建筑设备自控系统的承包商，绝大多数时从事自动控制的人员，对于变配电系统的工艺了解不深，因而很难做出符合要求的系统。

近几年，国内外一些公司，对于智能化变配电系统进行了广泛深入的研究，开发研制出了一系列用于变配电系统自动化的产品和设备，这些产品均是基于现场总线技术。现场总线是自动控制领域中一种互连通信网络，它是实现现场设备数字化通信的一种现场层网络通信技术。它具有协议简单，并具备开放性，容错能力强，实时性好，安全、成本低、适于频繁交换等特点。采用现场总线技术，可以快速、简单、低成本实现变配电系统的自动化。智能化变配电系统一般由计算机、通信网络、智能化开关和控制设备组成。它是由通信网络将变配电系统中带有通信接口的开关和控制设备连接起来，并与计算机相连，由工作人员在计算机上进行智能化管理和操作，从而实现集中数据采集和处理，集中进行监控，真正达到变配电系统的遥测、遥调、遥控和遥信。

但目前国内外采用的现场总线有许多种，例如：MODBUS、PROFIBUS、FF、CANBUS、CONTROLNET、INCOM、LONWORKS、INTERBUS、ETHERNET等，国际上已出台了IEC61158所推荐的8种总线标准，但仍未建立起国际统一的标准。随着通信技术的发展，自动化技术的提高，用户对变配电系统的可靠性和灵活性要求提高，在市场上将会出现多种类型的产品。这就造成了在一项工程中，可能会用到数种总线技术的产品。值得欣慰的是，针对这种多总线技术，现有大量的技术人员正从事于将多种总线技术用于一项工程的变配电系统的技术。采用通用型的现场总线、协议控制器，通过软硬件的方法，共同对现场总线协议进行处理，解决智能化变配电系统中多总线的兼容问题。

采用智能化变配电系统，对于系统的操作，可通过编制程序，对系统的各种操作进行预先设定，并以图形或表格的形式进行显示，非常直观、有效。对于信号的采集，一方面是信号的种类可根据实际情况的需要进行采集，尤其是一些直接关系到系统变化趋势的信息，系统能不断采集和分析，提前给出必要的提示或警告，便于系统安全可靠运行。智能化变配电系统可对每个回路上的断路器状态、柜内及母线温度、操作机构的机械性能、绝缘水平等进行检测，为系统运行的测量、保护、控制等提供必要的依据，并对发生故障的部分进行录波、故障记录，为故障分析提供可靠的数据。智能化变配电系统采用计算机技术、数据处理技术、控制技术、传感技术、通信网络技术、电力电子技术等，取代传统的二次回路，具有接线简单、性能可靠、易于维护的优点。尤其是对于具有数个变配电室的体育场馆而言，各变配电室的系统均具有通信接口，为实现变配电系统自动化和减少工作人员，提高工作效率提供了保证。

智能型变配电系统的产品，目前国内外有许多厂家均有成熟、实用的技术和产品，这些产品为标准的模块化结构，采用微电子技术，集成度高、体积小、功能全、便于各种功能的集成。而且这些设备布线简单、易于维护，给用户带来方便。例如施耐德电气公司的Powerlogic系统采用Modbus，能专业化地满足电能管理的要求，主要体现在对电能成本、电能质量、供电连续性三方面，这正是我们对于体育场馆供电系统中重点需要考虑的问题。对于供电成本，主要方面是在于减少损耗，系统可以识别主要的耗电源、在内部进行成本分配，让用户对成本有更直观的了解，利用多站点集合的优势，在降低成本方面，可随时查看能源消耗模式，控制用电高峰。对于电能质量，该系统可以对供配电系统进行谐波分析，电压波动探测，扰动探测，中性线电流监控。例如配电系统中的谐波，他导致设备运行效率降低，缩短设备的使用寿命，加大了容量，增大了系统的损耗。严重时，将会导致一些设备运行不正常，尤其是对于体育场馆中的弱电系统的电子设备。在保证供电系统供电连续性方面，该系统可以帮助用户分析和控制配电系统，从而提高供电的可靠性。该系统通过一个图形互动界面，将收集到的测量数据集中起来，并将其格式化，它可以提前发现问题，并加以解决，从而避免设备出现故障以及由此而引起的停电。当出现故障时，要迅速判断故障点以及故障原因往往是困难的，从而延误了及时恢复供电的可能性，而Powerlogic系统可以及时诊断出问题所在，给维护人员提供有效的信息，保证了即使出现故障，也比传统的供电系统能尽快消除故障，恢复供电。

2场馆照明

现代的体育场馆建设，向规模适中、功能多样方向发展。因此，体育场馆的照明设计，往往不是仅仅考虑单一功能，而是要考虑多功能的应用。在一个城市，奥运会仅举办一次，但随着全民体育健身运动的兴起，这些场馆还要在漫长的时间内为人们提供各种服务。2000年悉尼奥运会、2002年韩、日世界杯有些场馆的照明，均是进行了综合功能考虑后而设计的，而且是利用现代科技，利用计算机进行照明控制，达到采用简单操作而实现不同功能和使用条件下的体育照明。

体育场馆的照明，根据不同体育竞赛的要求，对不同项目、功能的竞赛，有其照度值等各方面的要求，如水平照度和垂直照度、对观众和运动员的眩光指数、显色指数等。对于体育场地的照明方式，主要有四塔式、多塔式、光带式、混合式等，不管采用何种方式，对于场地的照明效果应满足不同功能的需求。而对于体育馆内的照明，其方式有满天星式、灯桥式、混合式等等。从智能照明的角度来看，不管体育场馆的何种照明，应本着有利于运动员技术水平的发挥，有利于裁判员的正确判断，有利于观众各方位的观看效果，有利于现代电视转播。照明一定要满足体育竞赛工艺的要求，并实现照明的现代化管理，节约能源，改变光空间，创造光变化，并应在设计中做到安装简便，适应性强，系统安全可靠。

长期以来，CIE的标准和我国的标准是指导我国体育照明基本的指导性文件，在上述标准的基础上，不断提出更新的、更切合实际需求的实用性标准。这些标准通过实际工程被应用到体育场馆照明系统的实现过程当中。

值得提出的是，随着彩色电视技术的发展，HDTV（高清晰度数字电视）转播已正式进入了国际体育比赛（尤其是足球赛）的技术范畴。而CIE到目前为止，还没有相关的标准出台，在这种情况下，FIFA（国际足联）制定了《足球场照明推荐值》，并将HDTV转播所需的光环境正式纳入其中。按照这样的要求，赛场在主摄像机方向的垂直照度应在2000Lx以上。

目前国内新建体育场的照度水平，一般水平照度都至少在1600Lx以上，垂直照度则多在1400Lx以上。这样的要求对现有的彩电转播来讲是足够了，但还不能完全满足HDTV转播的要求。HDTV转播已成功地应用于悉尼奥运会和韩日世界杯足球赛，我国目前也在大力推广这一技术，在2008年奥运会上采用HDTV转播（与普通彩电转播并存）可以说是势在必行，因此对于我国的奥运赛场和其他一些大型的、常用于国际比赛的体育场来说，采用FIFA的《足球场照明推荐值》作为照度指标的标准是非常值得考虑的。

由于体育场馆的功能和结构特点不同，创造基本光环境的手段和方法有所不同。并不是所有体育场馆的光环境越亮越好，对于举办国际赛事可能性很小的一些体育场馆，照度水平设置在满足一般彩色电视转播这个层次上足够了，而对于经常举办国际赛事和大型活动的大型体育场馆，为满足HDTV转播的需要，而将照度水平设计很高，这主要不是考虑现场观众的感受，而更多地是考虑到广大电视观众的感受。所以照明系统在充分满足比赛和活动自身需要的同时，更多地是为电视转播系统提供最好的光环境。

场地照明灯具是体育照明系统的核心，选择是否恰当非常重要。如何在众多的、各具特色的专业产品中选择最适合自己需要的灯具，则是一个较为复杂的问题。灯具的光学性能、电气性能、使用寿命、可靠性以及性能价格比，是最基本的衡量指标。

一旦确定选用的灯具，照度计算是场地照明设计最基本、最直接、最有力的设计效果的依据。照度计算书包括所采用灯具的型号、数量、布置方式、投射角度、瞄准点以及最终的合成结果。通常体育场馆照明均分成多级，在照度计算时，应对各级照度度给出水平照度、垂直照度、对应的均匀度、眩光指数等一系列数据。当这些数据均满足上面提到的基本光环境的要求时，则认为该设计基本符合要求。照度计算除了用于确定照度值外，同时成为灯具安装调试的指导性文件。

在灯具布置时，应注意对于不同功能的场馆，其照明灯具的布置是有严格的规定，设计人员一定要清楚这些规定。有时对于多功能的体育场馆，为了满足不同功能情况下的使用，须分别设置一些灯具，以满足实际需求。

从计算书中得出的计算结果，仅仅是一种理想的情况。要获得真正实际效果，需要在现场经过反复的调试。照明设计与现场实际之间存在着互动的调整，这是很正常的事情。当现场条件不允许将所有环节都做到最完美时，需要设计人员做出决定。所以说，照明的计算和实施，不但要依靠高素质的设计人员，而且还必须要有专业的施工力量来支持。如飞利浦、松下、希优等专业公司，由此可以看出，这实际是对照明设计和产品提供商综合实力的全面考验。

对于大型的体育场照明，采用通常的“窄光束型”或更窄的“投光型”灯具，往往很难达到满意的整体光环境的效果。而以“窄光束型”或“投光型”灯具为主体，辅以其他配光的灯具（一般应为同种光源）的方式，则能获得令人满意的照明效果。这样做的好处在于不但能保证场地大部分区域的光环境达到要求，而且对于个别特殊区域和观察角度，也能给出周到的关照，从而使体育场馆的整体光分布更趋于合理，照明效果更好。体育场馆的照明节能，首先是在满足基本功能要求的前提下进行节能。因此，需要在设计阶段，认真研究实际需求和选择高光效的灯具。一方面控制好眩光，另一方面尽最大努力减少光的溢散，合理决定分级照明的效果，从而达到节能的目的。

体育场馆照明控制系统，作为整个工程照明系统的一个重要组成部分，不但要有效实现各级开关灯方案，而且还要具备安全保障功能。各级功率配比、与供配电设计的配合、防止频闪、控制界面的反馈等都是必须仔细考虑的问题。做到在控制台上可实现分组控制和集中控制，并具备声光报警功能。智能控制是目前体育照明的一个发展方向。另一方面要提供一定程度的灵活组合的预留以针对特殊情况时调整。这种需求是采用传统控制方式所难以达到的。

智能照明从目前技术发展来看，主要采用分布式集散控制方式。它是以计算机通信网络为平台组成的系统，将复杂的系统设计分层次进行，各层负责其须承担的任务。层次之间采用模块化设计方法，并提供层间接口的组合通道。以图形化界面监视整个照明系统的工作状态，包括各种控制器状态，供电回路状态。系统可对每个回路和各组灯具进行遥控，根据计算机程序的设定，分成多种场景，进行分门别类的控制。并根据各组灯具点燃时间进行统计，便于进行维护的提醒和管理，确保在竞赛过程种，各灯具始终处于良好的工作状态。采用计算机进行体育场馆的照明控制，能够对整个照明系统的工作状态进行实时监控，对每个回路、每个灯具的状态、故障进行监视，并能方便地进行各种照明场景模式的变换和更改，便于日常工作管理，减轻工作强度，确保照明的效果。智能照明控制系统采用模块化结构，能对灯具起到全面的保护控制和状态参数检测，这是采用常规控制方式所不能达到的。它采用软启动和软关断技术，限制电网电压浪涌，提高了灯具的使用寿命。

体育场馆的照明，除满足各类功能性的竞赛照明外，还需要综合考虑场馆的观众席照明以及应急照明，这是在体育场馆照明设计中一项重要工作。体育场馆人员密集，观众的安全至关重要。绝对不能由于照明的失误，而引起观众的骚乱，出现不必要的、人为的事故。智能照明系统能对场馆中应急照明自启动，确保场地内的安全。

对于多功能的体育场馆，其照明系统的控制也是一个复杂的系统。采用智能控制系统，不仅能提升照明系统的控制功能，而且还可以很方便地与整个体育场馆建筑设备综合管理系统连接，向上层系统提供照明系统实时状态和历史资料信息，同时也可接收来自上层管理系统的场景模式照明控制指令，实现统一的、综合的管理和控制。