體育場館照明的研究

閆立祥

體育場館照明的研究

閆立祥

我國體育場館的建設(shè)進(jìn)入到了高速發(fā)展的階段。對(duì)體育場館照明節(jié)能的控制是十分具有實(shí)際意義的，這樣既可以減少電能的消耗，節(jié)約電費(fèi)；又可以降低對(duì)燈具的損耗，提高燈具使用壽命，同時(shí)可以節(jié)省投入資金。

光源；實(shí)驗(yàn)；控制；節(jié)能

1　體育場館照明的分析

1.1課題背景

節(jié)約能源是一個(gè)傳統(tǒng)的話題，節(jié)能降耗，減少污染，是利在當(dāng)代、造福子孫的大事。節(jié)約照明用電不僅可以節(jié)約資源，也可以減少環(huán)境污染，并且減少電站投資和電費(fèi)開支［1］。

對(duì)體育館進(jìn)行照明節(jié)能的控制不僅可以減少電能的使用量，還可以降低對(duì)照明燈具的損耗，提高使用壽命。更體育照明節(jié)能主要是選擇性的降低照度，減少浪費(fèi)，即提倡綠色照明［2］。

1.2體育場館照明要求

近年來，隨著體育運(yùn)動(dòng)的迅猛發(fā)展，興建了大批的體育場館?，F(xiàn)代化體育場館現(xiàn)代的體育場館建設(shè)，向規(guī)模適中、功能多樣方向發(fā)展。因此，體育場館的照明，往往不是僅僅考慮單一功能，而是要考慮多功能的應(yīng)用。體育場館的照明，為滿足不同使用功能的照明要求，既要有合適的照明光環(huán)境，又要達(dá)到照明節(jié)能的目的。從智能照明的角度來看，應(yīng)本著有利于運(yùn)動(dòng)員技術(shù)水平的發(fā)揮，有利于裁判員的正確判斷，有利于觀眾各方位的觀看效果，有利于現(xiàn)代電視轉(zhuǎn)播的原則來設(shè)計(jì)。

照明是依靠光線的功能，保證燈光作用于場地內(nèi)，使運(yùn)動(dòng)員、觀眾、裁判等看見場地上的一切，如場地的明暗、物體的色彩、深度、立體感等，所以良好的照明在現(xiàn)代體育場館中，占有非常重要的地位。而照明中最關(guān)鍵的就是燈具有良好的配光系統(tǒng)、光源有良好的性能及燈具合理專業(yè)的布置。

2　照明光源的選擇

正確、合理選用光源，是實(shí)施綠色照明工程的重要因素。選用光源應(yīng)考慮以下兩個(gè)方面內(nèi)容［3］。根據(jù)場所使用特點(diǎn)和建筑尺寸，選用合適的光源類型。

2.1實(shí)驗(yàn)條件

在實(shí)驗(yàn)中，將實(shí)驗(yàn)對(duì)象高壓鈉燈和金屬鹵化物燈分別接到電網(wǎng)上，并調(diào)節(jié)加在光源上的電壓，同時(shí)記錄電壓值、電流值、功率值和相應(yīng)的照度。實(shí)驗(yàn)電路如圖1所示。圖1a用來測量功率、電壓和電流，圖1b用來測量照度。

圖1　實(shí)驗(yàn)電路

其中，電網(wǎng)電壓U為工頻電壓。開關(guān)S型號(hào)為z-15p，參數(shù)為15 A，250VAC。調(diào)壓器V1型號(hào)為TDGC2J-5，輸入電壓220 V，輸出電壓0～250 V。功率因數(shù)表P1型號(hào)為ZW1404，輸入AC60 V/15 A，供電電源AC220 V/100 V。數(shù)字照度計(jì)Lu型號(hào)為SG-12202，量程為0.1～19 990 。在測量照度過程中，與光源距離1 m處測量。

2.2高壓鈉燈發(fā)光的能效比實(shí)驗(yàn)研究

在實(shí)驗(yàn)測量中，我們得到高壓鈉燈在電壓242～187 V范圍內(nèi)時(shí)，相應(yīng)的照度、功率和能效比。為便于對(duì)高壓鈉燈實(shí)驗(yàn)曲線進(jìn)行分析，現(xiàn)將高壓鈉燈實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理繪成曲線如圖2所示。為使分析數(shù)據(jù)和對(duì)照曲線方便，分別取各變量的標(biāo)幺值，即各變量相對(duì)于各額定狀態(tài)變量的比值。

圖2 高壓鈉燈分析曲線

圖2中，曲線的橫坐標(biāo)為電壓的標(biāo)幺值，縱坐標(biāo)分別為照度、功率和能效比的標(biāo)幺值。a為照度曲線，b為功率曲線，c為能效比曲線，可以得出：在電壓降低時(shí)，照度幾乎呈直線下降的趨勢，功率逐漸下降，但是高壓鈉燈的發(fā)光能效比卻隨著電壓的下降呈上升的趨勢。由圖可以得出，高壓鈉燈在電壓為234 V時(shí)能效比最低。僅從燈具發(fā)光能效來看，高壓鈉燈在調(diào)低光照度的同時(shí)，能效比有所提高并不是我們追求的節(jié)能目標(biāo)。但是對(duì)場館照明來說，調(diào)光降低照度是功能要求。

2.3金屬鹵化物燈發(fā)光的能效比實(shí)驗(yàn)研究

通過實(shí)驗(yàn)測量，得到金屬鹵化物燈在電壓242～187 V范圍內(nèi)時(shí)變化的相應(yīng)照度、功率和能效比。為便于對(duì)金屬鹵化物燈實(shí)驗(yàn)曲線進(jìn)行分析，現(xiàn)將金屬鹵化物燈實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理繪成曲線如圖3所示。為使分析數(shù)據(jù)和對(duì)照曲線方便，分別取各變量的標(biāo)幺值，即各變量相對(duì)于各額定狀態(tài)變量的比值。

其中，曲線的橫坐標(biāo)為電壓的標(biāo)幺值，縱坐標(biāo)分別為照度、功率和能效比的標(biāo)幺值。由圖3中，a為照度曲線，b為功率曲線，c為能效比曲線，可以得出：在電壓降低時(shí)，照度幾乎呈直線下降的趨勢，功率逐漸下降，但是金屬鹵化物燈的發(fā)光能效比與高壓鈉燈相似，隨著電壓的下降呈上升的趨勢，由圖3可以得出，金屬鹵化物燈在電壓為231 V時(shí)能效比才是最低的。

金屬鹵化物燈與高壓鈉燈的電光特性相似。僅從燈具發(fā)光能效來看，金屬鹵化物燈在調(diào)低光照度的同時(shí)，能效比有所提高并不是追求的唯一節(jié)能目標(biāo)。但是對(duì)場館照明來說，調(diào)光降低照度是功能要求。在調(diào)光降低照度的同時(shí)，金屬鹵化物燈在照度降低22.4%時(shí)，功率降低15%。即在足體育場館變光控制的同時(shí)，也可以達(dá)到節(jié)能的目的。在降低相同電功率15%時(shí)，金屬鹵化物燈的調(diào)光范圍比高壓鈉燈小。

此外，金屬鹵化物燈對(duì)電源電壓的波動(dòng)更為敏感。電源電壓在額定值上下變化大于10%時(shí)，就會(huì)造成燈顏色的變化。電源電壓太高還會(huì)縮短燈具的壽命。而高壓鈉燈可以進(jìn)行調(diào)光，只要采用合適的措施保證等在交流的每半周能重復(fù)點(diǎn)火，高壓鈉燈的光輸出就可以調(diào)低至正常值的10%。通常是調(diào)到正常值的一半。這時(shí)，系統(tǒng)的功耗減少到正常值的65%［4-7］。所以，針對(duì)場館照明的特點(diǎn)和要求，結(jié)合上述對(duì)兩種常用的場館光源技術(shù)指標(biāo)的實(shí)驗(yàn)研究與分析，在本研究中采用的燈具為高壓鈉燈。

圖3　金屬鹵化物燈實(shí)驗(yàn)曲線

3　國內(nèi)外照明節(jié)能控制設(shè)備的性能比較

根據(jù)所選燈具特性和照明要求對(duì)調(diào)壓控制方式進(jìn)行研究［8］。

目前國內(nèi)照明節(jié)能主要的途徑有兩種：①采用高效的節(jié)能型光源，也就是使用發(fā)光效率高的燈泡或燈管；②在現(xiàn)有照明系統(tǒng)上加裝節(jié)能控制設(shè)備。

從實(shí)際應(yīng)用的角度來看，第一種方案適用于新設(shè)計(jì)的照明回路。對(duì)于已有的照明系統(tǒng)，因需更換所有燈具，初期投入資金和人力比較大，在不能分批分次更新燈具的照明場所，這樣做一次性投入太大，使許多單位望而卻步。同時(shí)，高效節(jié)能光源（燈管、燈泡）是傳統(tǒng)光源價(jià)格的5～10倍，如果采購的節(jié)能型燈具本身質(zhì)量有問題或是電網(wǎng)供電質(zhì)量不好，節(jié)能型燈具使用壽命很短，這樣就可能造成使用單位出現(xiàn)“節(jié)能不節(jié)錢”的不正?，F(xiàn)象［9，10］。

對(duì)現(xiàn)有照明系統(tǒng)的節(jié)能改造，一般采用加裝節(jié)能設(shè)備，較為經(jīng)濟(jì)和實(shí)用，目前國內(nèi)銷售的照明節(jié)能設(shè)備很多，其中照明控制調(diào)控裝置所占比例最大。從工作原理上大致分為三大類。

3.1可控硅斬波型照明節(jié)能裝置

原理：采用可控硅斬波原理，通過控制晶閘管（可控硅）的導(dǎo)通角，將電網(wǎng)輸入的正弦波電壓斬掉一部分，從而降低了輸出電壓的平均值，達(dá)到控壓節(jié)電的目的。

這類節(jié)能調(diào)控設(shè)備對(duì)照明系統(tǒng)的電壓調(diào)節(jié)速度快、精度高，可分時(shí)段實(shí)時(shí)調(diào)整，有穩(wěn)壓作用，因?yàn)橹饕请娮釉?，相?duì)來說體積小、設(shè)備輕、成本低。但該調(diào)壓方式存在致命缺陷，由于斬波，使電壓無法實(shí)現(xiàn)正弦波輸出，還會(huì)出現(xiàn)大量諧波，形成對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)諧波污染，危害極大，不能用在有電容補(bǔ)償電路中（現(xiàn)代照明設(shè)計(jì)要求規(guī)定，照明系統(tǒng)中功率因數(shù)必須達(dá)到0.9以上，而氣體放電燈的功率因數(shù)在一般在0.5以下，所以都設(shè)計(jì)用電容補(bǔ)償功率因數(shù)）。

3.2自耦降壓式調(diào)控裝置

現(xiàn)在市場上最多照明節(jié)電產(chǎn)品就是此類產(chǎn)品。它的原理是，通過一個(gè)自耦變壓器機(jī)芯，根據(jù)輸入電壓高低情況，接連不同的固定變壓器抽頭，將電網(wǎng)電壓降低5、10、15、20 V等幾個(gè)檔，從而達(dá)到降壓節(jié)電的目的。

這類產(chǎn)品最大的優(yōu)點(diǎn)是克服了可控硅斬波型產(chǎn)品產(chǎn)生諧波的缺陷，實(shí)現(xiàn)了電壓的正弦波輸出，結(jié)構(gòu)和功能都很簡單，當(dāng)然可靠性也比較高。但也存在不穩(wěn)定波動(dòng)狀態(tài)、輸出電壓也會(huì)上下波動(dòng)等技術(shù)缺陷。

3.3智能照明節(jié)電器

從前兩類節(jié)電產(chǎn)品來看，它們各有優(yōu)缺點(diǎn)，之所以不能得到大量使用，是因?yàn)槠浔旧矶即嬖诩夹g(shù)缺陷，可控硅（相控）型優(yōu)點(diǎn)是，可實(shí)時(shí)精確控制輸出電壓，滿足照明用電的最佳值，缺陷是電壓無法實(shí)現(xiàn)正弦波輸出，有諧波污染。而自耦降壓型的優(yōu)點(diǎn)正好是能做到電壓正弦波輸出，卻不能實(shí)現(xiàn)電壓的自動(dòng)精確控制，只能固定降電壓，不能升壓和穩(wěn)壓，如果能將兩者優(yōu)勢結(jié)合互補(bǔ)，去除缺陷，就是相對(duì)比較理想的照明節(jié)能產(chǎn)品了。

智能照明調(diào)控裝置工作原理，采用微電腦控制系統(tǒng)，實(shí)時(shí)采集輸出、輸入電壓信號(hào)與最佳照明電壓比較，通過計(jì)算進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，從而保證輸出最佳的照明系統(tǒng)工作電壓。

智能照明調(diào)控裝置在結(jié)合前兩類節(jié)能產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，克服了其中存在的缺陷，具體優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在以下三個(gè)方面：

3.3.1優(yōu)化電力質(zhì)量，節(jié)約照明用電

針對(duì)電網(wǎng)電壓偏高和波動(dòng)等現(xiàn)象，調(diào)控裝置可根據(jù)用戶現(xiàn)場實(shí)際需求，實(shí)時(shí)在線調(diào)控輸出最佳照明工作電壓，并能將其穩(wěn)定在±2%以內(nèi)，有效提高力質(zhì)量，從而達(dá)到節(jié)電10%～40%的效果。

3.3.2有效保護(hù)電光源，延長其使用壽命

影響電光源壽命的一個(gè)重要因素是，運(yùn)行時(shí)電流和電壓對(duì)光源的沖擊。在電壓波動(dòng)很大的地方，如電氣設(shè)備比較多的廠區(qū)，一分鐘內(nèi)的電壓波動(dòng)達(dá)到±15%；智能調(diào)控裝置高穩(wěn)定的最佳照明電壓，能夠延長電光源壽命2～4倍，減少照明運(yùn)行、維護(hù)成本30%～50%。

3.3.3適用性、可靠性

調(diào)控裝置每相可獨(dú)立調(diào)節(jié)，可操作性強(qiáng)，可以承受三相100%的不平衡負(fù)載，且保證單相的故障絕不影響其它兩相的正常運(yùn)行。同一個(gè)裝置可以帶不同類型光源負(fù)載，還可以獨(dú)立調(diào)節(jié)每相的輸出電壓。采用手動(dòng)和自動(dòng)雙旁路系統(tǒng)，以保證照明設(shè)備不斷電，正常安全運(yùn)行；調(diào)控裝置控制部分不含交流接觸器，無觸點(diǎn)和移動(dòng)元件，保證高可靠性和低功耗。

這類照明節(jié)電產(chǎn)品成本略高于前兩種，可實(shí)現(xiàn)智能照明調(diào)控、有效保護(hù)電光源、降低電能消耗的功能，使用的經(jīng)濟(jì)性和可靠性遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于前兩種產(chǎn)品，是目前國際上比較成熟的照明控制解決方案。

4　結(jié)語

本文在對(duì)幾種燈具的性能比較之后，本文選擇了高壓鈉燈作為照明光源。對(duì)調(diào)壓控制器進(jìn)行了研究，在完成調(diào)壓功能的基礎(chǔ)上加入了智能控制的思想。由于高壓鈉燈傳遞函數(shù)具有慣性特性，基于這一特點(diǎn)可以對(duì)電壓波動(dòng)進(jìn)行預(yù)測。使得調(diào)壓控制有了提前量，既能減少電壓波動(dòng)對(duì)燈具的影響，又達(dá)到節(jié)能目標(biāo)。

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