体育场馆照明的研究

闫立祥

体育场馆照明的研究

闫立祥

我国体育场馆的建设进入到了高速发展的阶段。对体育场馆照明节能的控制是十分具有实际意义的，这样既可以减少电能的消耗，节约电费；又可以降低对灯具的损耗，提高灯具使用寿命，同时可以节省投入资金。

光源；实验；控制；节能

1　体育场馆照明的分析

1.1课题背景

节约能源是一个传统的话题，节能降耗，减少污染，是利在当代、造福子孙的大事。节约照明用电不仅可以节约资源，也可以减少环境污染，并且减少电站投资和电费开支［1］。

对体育馆进行照明节能的控制不仅可以减少电能的使用量，还可以降低对照明灯具的损耗，提高使用寿命。更体育照明节能主要是选择性的降低照度，减少浪费，即提倡绿色照明［2］。

1.2体育场馆照明要求

近年来，随着体育运动的迅猛发展，兴建了大批的体育场馆。现代化体育场馆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，往往不是仅仅考虑单一功能，而是要考虑多功能的应用。体育场馆的照明，为满足不同使用功能的照明要求，既要有合适的照明光环境，又要达到照明节能的目的。从智能照明的角度来看，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的原则来设计。

照明是依靠光线的功能，保证灯光作用于场地内，使运动员、观众、裁判等看见场地上的一切，如场地的明暗、物体的色彩、深度、立体感等，所以良好的照明在现代体育场馆中，占有非常重要的地位。而照明中最关键的就是灯具有良好的配光系统、光源有良好的性能及灯具合理专业的布置。

2　照明光源的选择

正确、合理选用光源，是实施绿色照明工程的重要因素。选用光源应考虑以下两个方面内容［3］。根据场所使用特点和建筑尺寸，选用合适的光源类型。

2.1实验条件

在实验中，将实验对象高压钠灯和金属卤化物灯分别接到电网上，并调节加在光源上的电压，同时记录电压值、电流值、功率值和相应的照度。实验电路如图1所示。图1a用来测量功率、电压和电流，图1b用来测量照度。

图1　实验电路

其中，电网电压U为工频电压。开关S型号为z-15p，参数为15 A，250VAC。调压器V1型号为TDGC2J-5，输入电压220 V，输出电压0～250 V。功率因数表P1型号为ZW1404，输入AC60 V/15 A，供电电源AC220 V/100 V。数字照度计Lu型号为SG-12202，量程为0.1～19 990 。在测量照度过程中，与光源距离1 m处测量。

2.2高压钠灯发光的能效比实验研究

在实验测量中，我们得到高压钠灯在电压242～187 V范围内时，相应的照度、功率和能效比。为便于对高压钠灯实验曲线进行分析，现将高压钠灯实验数据整理绘成曲线如图2所示。为使分析数据和对照曲线方便，分别取各变量的标幺值，即各变量相对于各额定状态变量的比值。

图2 高压钠灯分析曲线

图2中，曲线的横坐标为电压的标幺值，纵坐标分别为照度、功率和能效比的标幺值。a为照度曲线，b为功率曲线，c为能效比曲线，可以得出：在电压降低时，照度几乎呈直线下降的趋势，功率逐渐下降，但是高压钠灯的发光能效比却随着电压的下降呈上升的趋势。由图可以得出，高压钠灯在电压为234 V时能效比最低。仅从灯具发光能效来看，高压钠灯在调低光照度的同时，能效比有所提高并不是我们追求的节能目标。但是对场馆照明来说，调光降低照度是功能要求。

2.3金属卤化物灯发光的能效比实验研究

通过实验测量，得到金属卤化物灯在电压242～187 V范围内时变化的相应照度、功率和能效比。为便于对金属卤化物灯实验曲线进行分析，现将金属卤化物灯实验数据整理绘成曲线如图3所示。为使分析数据和对照曲线方便，分别取各变量的标幺值，即各变量相对于各额定状态变量的比值。

其中，曲线的横坐标为电压的标幺值，纵坐标分别为照度、功率和能效比的标幺值。由图3中，a为照度曲线，b为功率曲线，c为能效比曲线，可以得出：在电压降低时，照度几乎呈直线下降的趋势，功率逐渐下降，但是金属卤化物灯的发光能效比与高压钠灯相似，随着电压的下降呈上升的趋势，由图3可以得出，金属卤化物灯在电压为231 V时能效比才是最低的。

金属卤化物灯与高压钠灯的电光特性相似。仅从灯具发光能效来看，金属卤化物灯在调低光照度的同时，能效比有所提高并不是追求的唯一节能目标。但是对场馆照明来说，调光降低照度是功能要求。在调光降低照度的同时，金属卤化物灯在照度降低22.4%时，功率降低15%。即在足体育场馆变光控制的同时，也可以达到节能的目的。在降低相同电功率15%时，金属卤化物灯的调光范围比高压钠灯小。

此外，金属卤化物灯对电源电压的波动更为敏感。电源电压在额定值上下变化大于10%时，就会造成灯颜色的变化。电源电压太高还会缩短灯具的寿命。而高压钠灯可以进行调光，只要采用合适的措施保证等在交流的每半周能重复点火，高压钠灯的光输出就可以调低至正常值的10%。通常是调到正常值的一半。这时，系统的功耗减少到正常值的65%［4-7］。所以，针对场馆照明的特点和要求，结合上述对两种常用的场馆光源技术指标的实验研究与分析，在本研究中采用的灯具为高压钠灯。

图3　金属卤化物灯实验曲线

3　国内外照明节能控制设备的性能比较

根据所选灯具特性和照明要求对调压控制方式进行研究［8］。

目前国内照明节能主要的途径有两种：①采用高效的节能型光源，也就是使用发光效率高的灯泡或灯管；②在现有照明系统上加装节能控制设备。

从实际应用的角度来看，第一种方案适用于新设计的照明回路。对于已有的照明系统，因需更换所有灯具，初期投入资金和人力比较大，在不能分批分次更新灯具的照明场所，这样做一次性投入太大，使许多单位望而却步。同时，高效节能光源（灯管、灯泡）是传统光源价格的5～10倍，如果采购的节能型灯具本身质量有问题或是电网供电质量不好，节能型灯具使用寿命很短，这样就可能造成使用单位出现“节能不节钱”的不正常现象［9，10］。

对现有照明系统的节能改造，一般采用加装节能设备，较为经济和实用，目前国内销售的照明节能设备很多，其中照明控制调控装置所占比例最大。从工作原理上大致分为三大类。

3.1可控硅斩波型照明节能装置

原理：采用可控硅斩波原理，通过控制晶闸管（可控硅）的导通角，将电网输入的正弦波电压斩掉一部分，从而降低了输出电压的平均值，达到控压节电的目的。

这类节能调控设备对照明系统的电压调节速度快、精度高，可分时段实时调整，有稳压作用，因为主要是电子原件，相对来说体积小、设备轻、成本低。但该调压方式存在致命缺陷，由于斩波，使电压无法实现正弦波输出，还会出现大量谐波，形成对电网系统谐波污染，危害极大，不能用在有电容补偿电路中（现代照明设计要求规定，照明系统中功率因数必须达到0.9以上，而气体放电灯的功率因数在一般在0.5以下，所以都设计用电容补偿功率因数）。

3.2自耦降压式调控装置

现在市场上最多照明节电产品就是此类产品。它的原理是，通过一个自耦变压器机芯，根据输入电压高低情况，接连不同的固定变压器抽头，将电网电压降低5、10、15、20 V等几个档，从而达到降压节电的目的。

这类产品最大的优点是克服了可控硅斩波型产品产生谐波的缺陷，实现了电压的正弦波输出，结构和功能都很简单，当然可靠性也比较高。但也存在不稳定波动状态、输出电压也会上下波动等技术缺陷。

3.3智能照明节电器

从前两类节电产品来看，它们各有优缺点，之所以不能得到大量使用，是因为其本身都存在技术缺陷，可控硅（相控）型优点是，可实时精确控制输出电压，满足照明用电的最佳值，缺陷是电压无法实现正弦波输出，有谐波污染。而自耦降压型的优点正好是能做到电压正弦波输出，却不能实现电压的自动精确控制，只能固定降电压，不能升压和稳压，如果能将两者优势结合互补，去除缺陷，就是相对比较理想的照明节能产品了。

智能照明调控装置工作原理，采用微电脑控制系统，实时采集输出、输入电压信号与最佳照明电压比较，通过计算进行自动调节，从而保证输出最佳的照明系统工作电压。

智能照明调控装置在结合前两类节能产品的优点的基础上，克服了其中存在的缺陷，具体优点体现在以下三个方面：

3.3.1优化电力质量，节约照明用电

针对电网电压偏高和波动等现象，调控装置可根据用户现场实际需求，实时在线调控输出最佳照明工作电压，并能将其稳定在±2%以内，有效提高力质量，从而达到节电10%～40%的效果。

3.3.2有效保护电光源，延长其使用寿命

影响电光源寿命的一个重要因素是，运行时电流和电压对光源的冲击。在电压波动很大的地方，如电气设备比较多的厂区，一分钟内的电压波动达到±15%；智能调控装置高稳定的最佳照明电压，能够延长电光源寿命2～4倍，减少照明运行、维护成本30%～50%。

3.3.3适用性、可靠性

调控装置每相可独立调节，可操作性强，可以承受三相100%的不平衡负载，且保证单相的故障绝不影响其它两相的正常运行。同一个装置可以带不同类型光源负载，还可以独立调节每相的输出电压。采用手动和自动双旁路系统，以保证照明设备不断电，正常安全运行；调控装置控制部分不含交流接触器，无触点和移动元件，保证高可靠性和低功耗。

这类照明节电产品成本略高于前两种，可实现智能照明调控、有效保护电光源、降低电能消耗的功能，使用的经济性和可靠性远远好于前两种产品，是目前国际上比较成熟的照明控制解决方案。

4　结语

本文在对几种灯具的性能比较之后，本文选择了高压钠灯作为照明光源。对调压控制器进行了研究，在完成调压功能的基础上加入了智能控制的思想。由于高压钠灯传递函数具有惯性特性，基于这一特点可以对电压波动进行预测。使得调压控制有了提前量，既能减少电压波动对灯具的影响，又达到节能目标。

［1］ 王立雄. 建筑照明节能的新途径［J］. 照明工程学报，2004（4）：20-22.

［2］ 李恭慰. 体育建筑照明设计与分析［J］. 中国照明，2003，4（1）：114-117.

［3］ 朱少龙. 国外电气照明光源的发展动态［J］. 光源与照明，2001，1（2）：108-111.

［4］ 吴初玉，王东明. 我国节能电光源的发展 ［J］. 光源与照明，2001（1）：34-37.

［5］ 陈白瑶，刘启彬. 体育场的电气设计与智能化 ［J］. 照明工程学报，2002（4）：45-47.

［6］ P.C.Michalopoulos. Research on Lighting Source［J］. Chinese Lighting，1991，2（40）：285-287.

［7］ 李宏. 多功能体育场馆绿色照明设计及微机控制［J］. 灯与照明，2003，1（3）：38-40.

［8］ 胡兴军. 发展中的智能照明系统，2004（3）：44-46.

［9］ Hassan M K，Mustafa M，Ikmal Arif Abd Jalal. Lighting Management System. Research and Development.SCORED2003 Proceedings［C］. Student Conference，2003（8）：309-312.

［10］ Avery D A，Wellinghoff J B. System Approach to Commercial Lighting［J］. Industry Applications Society Annual Meeting，1992（10）：1837-1839.

沈阳市电子工业技工学校辽宁沈阳110000

TU 113

A