大型户外LED屏散热设计及仿真分析

大型户外LED屏散热设计及仿真分析舒力帆【摘要】本文利用传统设计方法对某大型户外LED屏散热方案进行分析，初步确定边界条件及设计方案.在此基础上基于计算流体动力学(CFD)方法，采用带浮力修正的k-8模型对某大型户外LED屏散热方案进行精确分析.研究了不同通风散热方案的影响，确定了最优设计方案.【期刊名称】《制冷》【年(卷)，期】2019(038)001【总页数】5页(P42-46)【关键词】LED屏;散热;CFD;通风【作者】舒力帆【作者单位】广州柴炬建筑设计咨询有限公司,广州510627【正文语种】中文【中图分类】TB657.50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°C，温差不超10°C,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：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。3.1LED散热量经厂家测算，LED屏由540个960x960x120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时刻（h）6789101112辐射（W/m2）58244462664824926962时刻（h）131415161718辐射（W/m2）92682466446224458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12131415161718辐射（W/m2）时刻（h）205314390422401320175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/m2K。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/m2K。夏季室外计算最高温度为356C,LED内腔平均温度假定为42°C，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一通风量，m3/h;Q—散热量，kW;p—空气比重，取1.15kg/m3;Cp一空气比热，取0.241kcal/kg△。一进出风口温差，进风取35.6°C，控制最高排风温度为45。^计算得到通风量为：49352m3/h。5CFD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-s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］：该式中的中可以是速度、湍流动能、湍流耗散率以及温度等。「、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35mx15mx1.5m(长x宽x厚)，网格划分选用70x30x3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35.61;LED屏散热量：287W/m2；商场引入冷风温度：26°C;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45C。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：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°C以内。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。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45C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;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。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。设计方案如下：顶部轴流排风机(工业排风机)：风量：4800m3/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：＜2000m3/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401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，