大型户外LED屏散热设计及仿真分析

舒力帆

（广州柴炬建筑设计咨询有限公司，广州510627）

0 引言

散热性能是影响LED屏设计寿命，评价LED屏设计指标是否合理的重要指标。LED屏幕现场安装后由于散热不畅，屏幕会出现电源保护、掉信号模块不显示、芯片脱落、LED等脱焊等问题。因此在项目方案设计阶段就应考虑屏幕散热问题，保障LED屏稳定节能运行［1］。本文针对广州地区大型户外LED屏散热方案研究，探讨类似项目通风设计流程、方法及共性特点。

1 项目概况

该项目位于广州某商业广场，是一个改造项目，LED屏长35m，高15m，西南朝向，如图1所示。其散热主要由LED自身散热及太阳辐射散热两部分构成，由于屏幕本身的性能要求，设计方提出LED屏控制温度为40～50℃，温差不超10℃，温度均匀性尽可能好。

LED屏面积大，自身散热量巨大，且为西南朝向，最不利条件下自然通风难以满足散热需求，解决的主要方案有空调制冷和机械通风。

图1 某广场LED屏

2 方案可行性分析

2.1 空调制冷

采用空调制冷初投资及运行维护费用较高，本项目仅在采用机械通风无法满足需求时考虑。

2.2 机械通风

机械通风具有能耗低，适应性强，维护量小等优点。但有如下难题待解决：

（1）机械通风时，内腔的温度是否均匀。

（2）机械通风量的确定。

这些难题需通过CFD模拟进行解决。

3 内热源分析

LED屏内腔热源主要来自LED本身及环境太阳辐射。

3.1 LED散热量

经厂家测算，LED屏由540个960×960×120的模块箱组成，每个箱体模块在正常工作状态下的最高发热量为194W。折算成单位面积散热量为210W／m2。

3.2 太阳辐射散热量

根据 《民用建筑热工设计规范》 （GB50176－93）［2］附录3提供的广州地区水平辐射强度见表1：

表1 广州地区水平辐射强度

按散射辐射占40%，直射辐射占60%计算。屏幕朝向平均为西偏南30度，按7月21日计算。直射辐射强度计算公式：

式中：

Idh—水平面辐射强度；

Hs—太阳高度角；

R—墙面法线与阳光投影线的夹角。

根据角系数计算，落到垂直面的散热辐射强度按水平散热辐射强度的50%计算。得到屏幕计算辐射强度见表2。

表2 屏幕计算辐射强度

辐射最大时刻为下午15时，辐射为422W／m2，表面太阳辐射吸收系数取0.9。室外换热系数：

室外风速 v按1.7m／s计算，则 h为18W／m2·K。

LED屏表面环氧树脂导热系数取0.24W／m·K，厚度取6mm，室内侧热阻为0.11m2·kW，计算得到传热系数为7.41W／m2·K。

夏季室外计算最高温度为35.6℃，LED内腔平均温度假定为42℃，计算得出因太阳辐射进入内腔的热流为77W／m2。

4 通风量计算

LED屏单位面积散热量为：287W／m2，LED屏面积为525m2，总散热量为150.6kW。

通风量计算采用如下公式：

式中：

L—通风量，m3／h；

Q—散热量，kW；

ρ—空气比重，取1.15kg／m3；

Cp—空气比热，取0.241kcal／kg

△θ—进出风口温差，进风取35.6℃，控制最高排风温度为45℃。

计算得到通风量为：49352m3／h。

5 CFD模拟分析

运用PHOENICS软件对LED屏内部热环境进行模拟，分析不同机械通风方案对其内部温度场的影响，主要考虑对流换热。

5.1 数学模型的选取

LED屏散热是一个复杂的流固耦合传热问题，须综合考虑导热和对流换热方式。本项目采用带浮力修正的k－ε模型考虑空气流动和对流换热，其构建的数值模拟控制方程包括连续性方程、动量方程、能量方程，通用形式如下式所示［3］：

该式中的φ可以是速度、湍流动能、湍流耗散率以及温度等。Γ、S分别是广义扩散系数和广义源项。

5.2 计算方法及边界条件

本文室外风环境及室内风环境模拟均采用有限容积法的离散方法，二阶迎风的离散格式。来流边界采用OPENING边界条件，出流边界设置为FAN边界条件，计算域建筑表面、地面和上表面均按照无滑移壁面设定，LED屏幕设置为热流边界条件。LED模拟计区域尺寸取35m×15m×1.5m（长×宽×厚），网格划分选用70×30×3网格进行计算分析。模型如图2所示：

图2 模型

进风口：室外空气温度采用 《民用建筑热工设计规范》［2］的最高温度35.6℃；

LED屏散热量：287W／m2；

商场引入冷风温度：26℃；

顶部排风机：18台，平均分布；

壁式排风机：18台，平均分布；

其他风机风量、冷风引入量根据模拟确定；合格条件为控制LED表面温度绝大部分低于45℃。

5.1 排风量分析

通过设置不同顶部排风机风量，探索不同排风量下壁面温度变化规律，壁式风机及商场引入口不开。

共设置5个方案：

方案1：排风量为49352m3／h；

方案2：排风量为57600m3／h；

方案3：排风量为64800m3／h；

方案4：排风量为72000m3／h；

方案5：排风量为86400m3／h；

模拟结果如图3至图7。

从以上模拟结果可见可以得出如下结论：

（1）单纯的加大风量可以大幅降低排风温度，但仍难以将高区LED屏的表面温度降至45℃以内。

（2）方案4到方案5高区LED温度降低较小，但主流温度仍然大幅下降，说明单纯加大风量到某个临界值后，对降低LED屏温度效果有限。

（3）建议排风风量控制在64800～72000m3／h之间，采取其他措施降低高区LED屏温度。

图4 方案2贴屏表面温度色阶图

5.2 壁式风扇分析

从4.1节分析可知，排风主流区温度控制在45℃以内难度不大，难点在于降低高区LED屏表面温度，单纯通过加大风量效果有限，须采取其他措施。从流体力学基础知识可知，高区LED屏表面温度之所以难以降低的关键是由于边界层流速较低，处于层流状态，边界层流体与周边区域流体掺混不够，因此需要增加一个纵向动能破坏边界层流体，使得其成为紊流状态与周边流体掺混。因此设定顶部排风机风量为64800m3／h，设定3种壁式排风扇的方案 （见图8、图9、图10）：

图3 方案1贴屏表面温度色阶图

图5 方案3贴屏表面温度色阶图

图6 方案4贴屏表面温度色阶图

图7 方案5贴屏表面温度色阶图

方案1：在屏幕12m处增加18台壁式风机，单台风机风量为1500m3／h；

方案2：在屏幕12m处增加18台壁式风机，单台风机风量为2000m3／h；

方案3：在屏幕12m处增加18台壁式风机，单台风机风量为2800m3／h。

从以上模拟结果可见：

（1）壁式排气扇能有效破坏温度边界层，使得周围空气充分与边界层掺混，有效降低高区LED屏温度，效果非常明显；

图8 方案1贴屏表面温度色阶图

图9 方案2贴屏表面温度色阶图

图10 方案3贴屏表面温度色阶图

（2）壁式排气扇风速不宜过大，避免形成风墙，阻断下方甚至上方散热，本项目如布置18台排风扇建议风量控制在2000m3／h以内，并有调节措施。

6 总结与建议

通过5.1节和5.2节的分析，本项目空腔散热建议采用顶部机械通风＋壁式排气扇方案。

（1）顶部排风量理论计算为64800～72000m3／h较为合适，考虑一定的20%的安全余量，建议风量为86400m3／h，分18台风机，单台风机风量约4800m3／h；

（2）由于有热压作用，风机风压只需考虑克服风机防雨，百叶等局部阻力件外另附加10Pa阻力克服室外风压，经计算取50Pa。

（3）壁式排风机装于 12m高，风量取2000m3／h，共设18台，并有调节能力及外侧控制功能，方便调试及维护。

（4）设计方案如下：

顶部轴流排风机 （工业排风机）：

风量：4800 m3／h；机外静压：50Pa；直径：560mm；转速：960r／min；功率：370W （220V／单项）；噪声：≤72dB（A）；推荐品牌：科禄格，尼科达。

壁式排风机、排风扇：

风量：≤2000 m3／h（宜带三档调节或变频调节功能）；机外静压：≤20Pa；功率：≤90W（220V／单项）；噪声：≤55dB（A）；宜带摇头或其他变风向措施；能远程有线或无线控制，推荐品牌：科禄格，尼科达，德通。

7 结语

该项目按上述设计实施后，经施工调试，目前运行状况良好，LED屏内部温度基本可控制在40℃以内。

该项目最初甲方拟采用空调制冷方案，但通过模拟分析，以充足的理由证明机械通风方案可行性，大大降低了项目初投资，减少了运行期间的维护工作量，规避了空调制冷方案冷凝水排放、能耗过大、冷热不均等难题，是仿真技术在设计应用的成功案例。

通过该项目实践，充分证明仿真技术在工程设计实践中的指导意义，将仿真技术与工程设计经验有机结合，可以将经验定量化，保障设计更加精准、定量的解决实际设计难题。