大型戶外LED屏散熱設(shè)計(jì)及仿真分析

舒力帆

（廣州柴炬建筑設(shè)計(jì)咨詢有限公司，廣州510627）

0 引言

散熱性能是影響LED屏設(shè)計(jì)壽命，評價(jià)LED屏設(shè)計(jì)指標(biāo)是否合理的重要指標(biāo)。LED屏幕現(xiàn)場安裝后由于散熱不暢，屏幕會出現(xiàn)電源保護(hù)、掉信號模塊不顯示、芯片脫落、LED等脫焊等問題。因此在項(xiàng)目方案設(shè)計(jì)階段就應(yīng)考慮屏幕散熱問題，保障LED屏穩(wěn)定節(jié)能運(yùn)行［1］。本文針對廣州地區(qū)大型戶外LED屏散熱方案研究，探討類似項(xiàng)目通風(fēng)設(shè)計(jì)流程、方法及共性特點(diǎn)。

1 項(xiàng)目概況

該項(xiàng)目位于廣州某商業(yè)廣場，是一個(gè)改造項(xiàng)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(gòu)成，由于屏幕本身的性能要求，設(shè)計(jì)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(fēng)難以滿足散熱需求，解決的主要方案有空調(diào)制冷和機(jī)械通風(fēng)。

圖1 某廣場LED屏

2 方案可行性分析

2.1 空調(diào)制冷

采用空調(diào)制冷初投資及運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用較高，本項(xiàng)目僅在采用機(jī)械通風(fēng)無法滿足需求時(shí)考慮。

2.2 機(jī)械通風(fēng)

機(jī)械通風(fēng)具有能耗低，適應(yīng)性強(qiáng)，維護(hù)量小等優(yōu)點(diǎn)。但有如下難題待解決：

（1）機(jī)械通風(fēng)時(shí)，內(nèi)腔的溫度是否均勻。

（2）機(jī)械通風(fēng)量的確定。

這些難題需通過CFD模擬進(jìn)行解決。

3 內(nèi)熱源分析

LED屏內(nèi)腔熱源主要來自LED本身及環(huán)境太陽輻射。

3.1 LED散熱量

經(jīng)廠家測算，LED屏由540個(gè)960×960×120的模塊箱組成，每個(gè)箱體模塊在正常工作狀態(tài)下的最高發(fā)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(jù) 《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》 （GB50176－93）［2］附錄3提供的廣州地區(qū)水平輻射強(qiáng)度見表1：

表1 廣州地區(qū)水平輻射強(qiáng)度

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

式中：

Idh—水平面輻射強(qiáng)度；

Hs—太陽高度角；

R—墻面法線與陽光投影線的夾角。

根據(jù)角系數(shù)計(jì)算，落到垂直面的散熱輻射強(qiáng)度按水平散熱輻射強(qiáng)度的50%計(jì)算。得到屏幕計(jì)算輻射強(qiáng)度見表2。

表2 屏幕計(jì)算輻射強(qiáng)度

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

室外風(fēng)速 v按1.7m／s計(jì)算，則 h為18W／m2·K。

LED屏表面環(huán)氧樹脂導(dǎo)熱系數(shù)取0.24W／m·K，厚度取6mm，室內(nèi)側(cè)熱阻為0.11m2·kW，計(jì)算得到傳熱系數(shù)為7.41W／m2·K。

夏季室外計(jì)算最高溫度為35.6℃，LED內(nèi)腔平均溫度假定為42℃，計(jì)算得出因太陽輻射進(jìn)入內(nèi)腔的熱流為77W／m2。

4 通風(fēng)量計(jì)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(fēng)量計(jì)算采用如下公式：

式中：

L—通風(fēng)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(jìn)出風(fēng)口溫差，進(jìn)風(fēng)取35.6℃，控制最高排風(fēng)溫度為45℃。

計(jì)算得到通風(fēng)量為：49352m3／h。

5 CFD模擬分析

運(yùn)用PHOENICS軟件對LED屏內(nèi)部熱環(huán)境進(jìn)行模擬，分析不同機(jī)械通風(fēng)方案對其內(nèi)部溫度場的影響，主要考慮對流換熱。

5.1 數(shù)學(xué)模型的選取

LED屏散熱是一個(gè)復(fù)雜的流固耦合傳熱問題，須綜合考慮導(dǎo)熱和對流換熱方式。本項(xiàng)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(gòu)建的數(shù)值模擬控制方程包括連續(xù)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(kuò)散系數(shù)和廣義源項(xiàng)。

5.2 計(jì)算方法及邊界條件

本文室外風(fēng)環(huán)境及室內(nèi)風(fēng)環(huán)境模擬均采用有限容積法的離散方法，二階迎風(fēng)的離散格式。來流邊界采用OPENING邊界條件，出流邊界設(shè)置為FAN邊界條件，計(jì)算域建筑表面、地面和上表面均按照無滑移壁面設(shè)定，LED屏幕設(shè)置為熱流邊界條件。LED模擬計(jì)區(qū)域尺寸取35m×15m×1.5m（長×寬×厚），網(wǎng)格劃分選用70×30×3網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算分析。模型如圖2所示：

圖2 模型

進(jìn)風(fēng)口：室外空氣溫度采用 《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》［2］的最高溫度35.6℃；

LED屏散熱量：287W／m2；

商場引入冷風(fēng)溫度：26℃；

頂部排風(fēng)機(jī)：18臺，平均分布；

壁式排風(fēng)機(jī)：18臺，平均分布；

其他風(fēng)機(jī)風(fēng)量、冷風(fēng)引入量根據(jù)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(fēng)量分析

通過設(shè)置不同頂部排風(fēng)機(jī)風(fēng)量，探索不同排風(fēng)量下壁面溫度變化規(guī)律，壁式風(fēng)機(jī)及商場引入口不開。

共設(shè)置5個(gè)方案：

方案1：排風(fēng)量為49352m3／h；

方案2：排風(fēng)量為57600m3／h；

方案3：排風(fēng)量為64800m3／h；

方案4：排風(fēng)量為72000m3／h；

方案5：排風(fēng)量為86400m3／h；

模擬結(jié)果如圖3至圖7。

從以上模擬結(jié)果可見可以得出如下結(jié)論：

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

（2）方案4到方案5高區(qū)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(fēng)量到某個(gè)臨界值后，對降低LED屏溫度效果有限。

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

圖4 方案2貼屏表面溫度色階圖

5.2 壁式風(fēng)扇分析

從4.1節(jié)分析可知，排風(fēng)主流區(qū)溫度控制在45℃以內(nèi)難度不大，難點(diǎn)在于降低高區(qū)LED屏表面溫度，單純通過加大風(fēng)量效果有限，須采取其他措施。從流體力學(xué)基礎(chǔ)知識可知，高區(qū)LED屏表面溫度之所以難以降低的關(guān)鍵是由于邊界層流速較低，處于層流狀態(tài)，邊界層流體與周邊區(qū)域流體摻混不夠，因此需要增加一個(gè)縱向動能破壞邊界層流體，使得其成為紊流狀態(tài)與周邊流體摻混。因此設(shè)定頂部排風(fēng)機(jī)風(fēng)量為64800m3／h，設(shè)定3種壁式排風(fēng)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(fēng)機(jī)，單臺風(fēng)機(jī)風(fēng)量為1500m3／h；

方案2：在屏幕12m處增加18臺壁式風(fēng)機(jī)，單臺風(fēng)機(jī)風(fēng)量為2000m3／h；

方案3：在屏幕12m處增加18臺壁式風(fēng)機(jī)，單臺風(fēng)機(jī)風(fēng)量為2800m3／h。

從以上模擬結(jié)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(qū)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(fēng)速不宜過大，避免形成風(fēng)墻，阻斷下方甚至上方散熱，本項(xiàng)目如布置18臺排風(fēng)扇建議風(fēng)量控制在2000m3／h以內(nèi)，并有調(diào)節(jié)措施。

6 總結(jié)與建議

通過5.1節(jié)和5.2節(jié)的分析，本項(xiàng)目空腔散熱建議采用頂部機(jī)械通風(fēng)＋壁式排氣扇方案。

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

（2）由于有熱壓作用，風(fēng)機(jī)風(fēng)壓只需考慮克服風(fēng)機(jī)防雨，百葉等局部阻力件外另附加10Pa阻力克服室外風(fēng)壓，經(jīng)計(jì)算取50Pa。

（3）壁式排風(fēng)機(jī)裝于 12m高，風(fēng)量取2000m3／h，共設(shè)18臺，并有調(diào)節(jié)能力及外側(cè)控制功能，方便調(diào)試及維護(hù)。

（4）設(shè)計(jì)方案如下：

頂部軸流排風(fēng)機(jī) （工業(yè)排風(fēng)機(jī)）：

風(fēng)量：4800 m3／h；機(jī)外靜壓：50Pa；直徑：560mm；轉(zhuǎn)速：960r／min；功率：370W （220V／單項(xiàng)）；噪聲：≤72dB（A）；推薦品牌：科祿格，尼科達(dá)。

壁式排風(fēng)機(jī)、排風(fēng)扇：

風(fēng)量：≤2000 m3／h（宜帶三檔調(diào)節(jié)或變頻調(diào)節(jié)功能）；機(jī)外靜壓：≤20Pa；功率：≤90W（220V／單項(xiàng)）；噪聲：≤55dB（A）；宜帶搖頭或其他變風(fēng)向措施；能遠(yuǎn)程有線或無線控制，推薦品牌：科祿格，尼科達(dá)，德通。

7 結(jié)語

該項(xiàng)目按上述設(shè)計(jì)實(shí)施后，經(jīng)施工調(diào)試，目前運(yùn)行狀況良好，LED屏內(nèi)部溫度基本可控制在40℃以內(nèi)。

該項(xiàng)目最初甲方擬采用空調(diào)制冷方案，但通過模擬分析，以充足的理由證明機(jī)械通風(fēng)方案可行性，大大降低了項(xiàng)目初投資，減少了運(yùn)行期間的維護(hù)工作量，規(guī)避了空調(diào)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(shù)在設(shè)計(jì)應(yīng)用的成功案例。

通過該項(xiàng)目實(shí)踐，充分證明仿真技術(shù)在工程設(shè)計(jì)實(shí)踐中的指導(dǎo)意義，將仿真技術(shù)與工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)有機(jī)結(jié)合，可以將經(jīng)驗(yàn)定量化，保障設(shè)計(jì)更加精準(zhǔn)、定量的解決實(shí)際設(shè)計(jì)難題。