大型戶外LED屏散熱設計及仿真分析

舒力帆

（廣州柴炬建筑設計咨詢有限公司，廣州510627）

0 引言

散熱性能是影響LED屏設計壽命，評價LED屏設計指標是否合理的重要指標。LED屏幕現場安裝后由于散熱不暢，屏幕會出現電源保護、掉信號模塊不顯示、芯片脫落、LED等脫焊等問題。因此在項目方案設計階段就應考慮屏幕散熱問題，保障LED屏穩定節能運行［1］。本文針對廣州地區大型戶外LED屏散熱方案研究，探討類似項目通風設計流程、方法及共性特點。

1 項目概況

該項目位于廣州某商業廣場，是一個改造項目，LED屏長35m，高15m，西南朝向，如圖1所示。其散熱主要由LED自身散熱及太陽輻射散熱兩部分構成，由于屏幕本身的性能要求，設計方提出LED屏控制溫度為40～50℃，溫差不超10℃，溫度均勻性盡可能好。

LED屏面積大，自身散熱量巨大，且為西南朝向，最不利條件下自然通風難以滿足散熱需求，解決的主要方案有空調制冷和機械通風。

圖1 某廣場LED屏

2 方案可行性分析

2.1 空調制冷

采用空調制冷初投資及運行維護費用較高，本項目僅在采用機械通風無法滿足需求時考慮。

2.2 機械通風

機械通風具有能耗低，適應性強，維護量小等優點。但有如下難題待解決：

（1）機械通風時，內腔的溫度是否均勻。

（2）機械通風量的確定。

這些難題需通過CFD模擬進行解決。

3 內熱源分析

LED屏內腔熱源主要來自LED本身及環境太陽輻射。

3.1 LED散熱量

經廠家測算，LED屏由540個960×960×120的模塊箱組成，每個箱體模塊在正常工作狀態下的最高發熱量為194W。折算成單位面積散熱量為210W／m2。

3.2 太陽輻射散熱量

根據 《民用建筑熱工設計規范》 （GB50176－93）［2］附錄3提供的廣州地區水平輻射強度見表1：

表1 廣州地區水平輻射強度

按散射輻射占40%，直射輻射占60%計算。屏幕朝向平均為西偏南30度，按7月21日計算。直射輻射強度計算公式：

式中：

Idh—水平面輻射強度；

Hs—太陽高度角；

R—墻面法線與陽光投影線的夾角。

根據角系數計算，落到垂直面的散熱輻射強度按水平散熱輻射強度的50%計算。得到屏幕計算輻射強度見表2。

表2 屏幕計算輻射強度

輻射最大時刻為下午15時，輻射為422W／m2，表面太陽輻射吸收系數取0.9。室外換熱系數：

室外風速 v按1.7m／s計算，則 h為18W／m2·K。

LED屏表面環氧樹脂導熱系數取0.24W／m·K，厚度取6mm，室內側熱阻為0.11m2·kW，計算得到傳熱系數為7.41W／m2·K。

夏季室外計算最高溫度為35.6℃，LED內腔平均溫度假定為42℃，計算得出因太陽輻射進入內腔的熱流為77W／m2。

4 通風量計算

LED屏單位面積散熱量為：287W／m2，LED屏面積為525m2，總散熱量為150.6kW。

通風量計算采用如下公式：

式中：

L—通風量，m3／h；

Q—散熱量，kW；

ρ—空氣比重，取1.15kg／m3；

Cp—空氣比熱，取0.241kcal／kg

△θ—進出風口溫差，進風取35.6℃，控制最高排風溫度為45℃。

計算得到通風量為：49352m3／h。

5 CFD模擬分析

運用PHOENICS軟件對LED屏內部熱環境進行模擬，分析不同機械通風方案對其內部溫度場的影響，主要考慮對流換熱。

5.1 數學模型的選取

LED屏散熱是一個復雜的流固耦合傳熱問題，須綜合考慮導熱和對流換熱方式。本項目采用帶浮力修正的k－ε模型考慮空氣流動和對流換熱，其構建的數值模擬控制方程包括連續性方程、動量方程、能量方程，通用形式如下式所示［3］：

該式中的φ可以是速度、湍流動能、湍流耗散率以及溫度等。Γ、S分別是廣義擴散系數和廣義源項。

5.2 計算方法及邊界條件

本文室外風環境及室內風環境模擬均采用有限容積法的離散方法，二階迎風的離散格式。來流邊界采用OPENING邊界條件，出流邊界設置為FAN邊界條件，計算域建筑表面、地面和上表面均按照無滑移壁面設定，LED屏幕設置為熱流邊界條件。LED模擬計區域尺寸取35m×15m×1.5m（長×寬×厚），網格劃分選用70×30×3網格進行計算分析。模型如圖2所示：

圖2 模型

進風口：室外空氣溫度采用 《民用建筑熱工設計規范》［2］的最高溫度35.6℃；

LED屏散熱量：287W／m2；

商場引入冷風溫度：26℃；

頂部排風機：18臺，平均分布；

壁式排風機：18臺，平均分布；

其他風機風量、冷風引入量根據模擬確定；合格條件為控制LED表面溫度絕大部分低于45℃。

5.1 排風量分析

通過設置不同頂部排風機風量，探索不同排風量下壁面溫度變化規律，壁式風機及商場引入口不開。

共設置5個方案：

方案1：排風量為49352m3／h；

方案2：排風量為57600m3／h；

方案3：排風量為64800m3／h；

方案4：排風量為72000m3／h；

方案5：排風量為86400m3／h；

模擬結果如圖3至圖7。

從以上模擬結果可見可以得出如下結論：

（1）單純的加大風量可以大幅降低排風溫度，但仍難以將高區LED屏的表面溫度降至45℃以內。

（2）方案4到方案5高區LED溫度降低較小，但主流溫度仍然大幅下降，說明單純加大風量到某個臨界值后，對降低LED屏溫度效果有限。

（3）建議排風風量控制在64800～72000m3／h之間，采取其他措施降低高區LED屏溫度。

圖4 方案2貼屏表面溫度色階圖

5.2 壁式風扇分析

從4.1節分析可知，排風主流區溫度控制在45℃以內難度不大，難點在于降低高區LED屏表面溫度，單純通過加大風量效果有限，須采取其他措施。從流體力學基礎知識可知，高區LED屏表面溫度之所以難以降低的關鍵是由于邊界層流速較低，處于層流狀態，邊界層流體與周邊區域流體摻混不夠，因此需要增加一個縱向動能破壞邊界層流體，使得其成為紊流狀態與周邊流體摻混。因此設定頂部排風機風量為64800m3／h，設定3種壁式排風扇的方案 （見圖8、圖9、圖10）：

圖3 方案1貼屏表面溫度色階圖

圖5 方案3貼屏表面溫度色階圖

圖6 方案4貼屏表面溫度色階圖

圖7 方案5貼屏表面溫度色階圖

方案1：在屏幕12m處增加18臺壁式風機，單臺風機風量為1500m3／h；

方案2：在屏幕12m處增加18臺壁式風機，單臺風機風量為2000m3／h；

方案3：在屏幕12m處增加18臺壁式風機，單臺風機風量為2800m3／h。

從以上模擬結果可見：

（1）壁式排氣扇能有效破壞溫度邊界層，使得周圍空氣充分與邊界層摻混，有效降低高區LED屏溫度，效果非常明顯；

圖8 方案1貼屏表面溫度色階圖

圖9 方案2貼屏表面溫度色階圖

圖10 方案3貼屏表面溫度色階圖

（2）壁式排氣扇風速不宜過大，避免形成風墻，阻斷下方甚至上方散熱，本項目如布置18臺排風扇建議風量控制在2000m3／h以內，并有調節措施。

6 總結與建議

通過5.1節和5.2節的分析，本項目空腔散熱建議采用頂部機械通風＋壁式排氣扇方案。

（1）頂部排風量理論計算為64800～72000m3／h較為合適，考慮一定的20%的安全余量，建議風量為86400m3／h，分18臺風機，單臺風機風量約4800m3／h；

（2）由于有熱壓作用，風機風壓只需考慮克服風機防雨，百葉等局部阻力件外另附加10Pa阻力克服室外風壓，經計算取50Pa。

（3）壁式排風機裝于 12m高，風量取2000m3／h，共設18臺，并有調節能力及外側控制功能，方便調試及維護。

（4）設計方案如下：

頂部軸流排風機 （工業排風機）：

風量：4800 m3／h；機外靜壓：50Pa；直徑：560mm；轉速：960r／min；功率：370W （220V／單項）；噪聲：≤72dB（A）；推薦品牌：科祿格，尼科達。

壁式排風機、排風扇：

風量：≤2000 m3／h（宜帶三檔調節或變頻調節功能）；機外靜壓：≤20Pa；功率：≤90W（220V／單項）；噪聲：≤55dB（A）；宜帶搖頭或其他變風向措施；能遠程有線或無線控制，推薦品牌：科祿格，尼科達，德通。

7 結語

該項目按上述設計實施后，經施工調試，目前運行狀況良好，LED屏內部溫度基本可控制在40℃以內。

該項目最初甲方擬采用空調制冷方案，但通過模擬分析，以充足的理由證明機械通風方案可行性，大大降低了項目初投資，減少了運行期間的維護工作量，規避了空調制冷方案冷凝水排放、能耗過大、冷熱不均等難題，是仿真技術在設計應用的成功案例。

通過該項目實踐，充分證明仿真技術在工程設計實踐中的指導意義，將仿真技術與工程設計經驗有機結合，可以將經驗定量化，保障設計更加精準、定量的解決實際設計難題。