摘 要： 戶外LED電子屏現(xiàn)已在各城市的商業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。為保證電子屏的穩(wěn)定性和正常工作，就要做好LED顯示屏的散熱系統(tǒng)。針對T20大廈戶外LED電子屏發(fā)熱量，詳細(xì)闡述電子顯示屏組的工作原理、合理的散熱方案的選擇。

隨著人們環(huán)保意識(shí)的加強(qiáng)，戶外LED電子屏作為節(jié)能的代名詞，逐步取代了傳統(tǒng)的消帆布、燈箱廣告而成為了廣告業(yè)發(fā)展的趨勢。雖然LED顯示屏本身使用的發(fā)光材料是節(jié)能產(chǎn)品，但是戶外電子屏的大面積使用，其耗電量還是不容忽視的。上海的氣候?yàn)榈湫偷膩啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，夏天氣候高溫潮濕多雨，冬季氣候寒冷干燥少雨。屏體通電運(yùn)行工作時(shí)產(chǎn)生的熱量若不及時(shí)排出，積累到一定程度，會(huì)造成內(nèi)部環(huán)境溫度過高，對電子元件造成影響，嚴(yán)重的可以導(dǎo)致顯示屏無法運(yùn)行工作。因此，必須做好電子屏內(nèi)部的通風(fēng)散熱措施，保證電子屏穩(wěn)定、正常的工作。

《上海城市總體規(guī)劃2040》提出了中央活動(dòng)區(qū)的概念。徐家匯商圈自2012年開始二次升級改造，T20大廈響應(yīng)商圈改造計(jì)劃，較先啟動(dòng)了改造任務(wù)。根據(jù)商圈的規(guī)劃，T20大廈被改建成1幢綠色、環(huán)保、節(jié)能的智能化5A級新型辦公樓。T20大廈LED電子顯示屏組布置外形見圖1。

T20大廈LED電子顯示屏組布置外形

1 LED電子顯示屏的參數(shù)選擇

T20大廈坐落于上海徐匯區(qū)天鑰橋路20號，緊臨美羅大廈、匯聯(lián)商廈。總建筑面積22 315 m2，建筑高70 m，地上13層，地下3層。1層、2層設(shè)計(jì)為開放的城市公共空間，3層、4層為配套的公共停車場，6層、7層是城市公共空間和私密辦公空間的過渡，8～12層為標(biāo)準(zhǔn)辦公樓層，13層為小型文化場所。

結(jié)合建筑的形態(tài)，戶外電子顯示屏組安裝位置為8～13層，總長57.6 m、寬31.6 m。此處選擇物理點(diǎn)間距20 mm，長、寬、高分別為1 280 mm、960 mm、135 mm的LED顯示屏單元箱體模塊共1 485塊。LED電子顯示屏較大耗電量為350 W/m2，亮度為2 000 cd/m2，工作溫度為-20～60℃，工作濕度為10%～90%。

2 顯示屏組發(fā)熱量計(jì)算

LED電子顯示屏組的在正常工作狀態(tài)下通過的電功率主要轉(zhuǎn)換成了光和熱。該項(xiàng)目選用的產(chǎn)品參數(shù)，大約35%轉(zhuǎn)換為光、65%轉(zhuǎn)換為熱。以下為LED電子顯示屏發(fā)熱量計(jì)算和散熱所需要的通風(fēng)量計(jì)算。

(1)LED電子顯示屏發(fā)熱量Q的計(jì)算見式（1):

式中：q———單位面積發(fā)熱量，W/m²

A———面積，m²

將數(shù)據(jù)代入式（1）得：

(2）所需通風(fēng)量L的計(jì)算見式（2):

式中：L———通風(fēng)量，m³/s

c———空氣比熱容，kJ/（kg·K），取1.0 kJ/（kg·K)

ρ———空氣密度，kg/m³，取1.293 kg/m³

tn———較高工作環(huán)境溫度，℃，根據(jù)LED顯示屏及其開關(guān)電源、驅(qū)動(dòng)IC等電子零部件的規(guī)格書，確定tn為60℃

tl———輸入的空氣溫度，℃，確定降溫系統(tǒng)輸入的冷空氣溫度為35℃

將數(shù)據(jù)代入式（2）得：

3 顯示屏組散熱方式

大面積的電子顯示屏在工作時(shí)產(chǎn)生的發(fā)熱量會(huì)導(dǎo)致周邊環(huán)境溫度的升高，若不及時(shí)排除熱量，電子屏高溫會(huì)導(dǎo)致電子元器件的失效概率迅速加大，從而導(dǎo)致LED顯示屏的可靠度下降。為了使LED電子顯示屏內(nèi)部電子元器件在不很過規(guī)定的較高允許的環(huán)境溫度下能正常工作，就需要對LED電子顯示屏的散熱量、散熱方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。戶外LED顯示屏散熱的方式大體可以歸結(jié)為3種：一是通過自然冷卻的方式散熱；二是使用風(fēng)扇進(jìn)行強(qiáng)迫對流散熱；三是使用空調(diào)降溫。為選取較適合本項(xiàng)目的方案，分別對以上3種散熱方式進(jìn)行分析。

3.1 通過自然冷卻的方式散熱

自然冷卻方式是通過熱交換、對流、熱輻射等熱傳遞形式由物體向環(huán)境介質(zhì)排出熱量，降低物體的溫度，較終達(dá)到與環(huán)境溫度相同的自發(fā)性的過程。在熱壓差的作用下，空氣在空腔內(nèi)垂直上升，形成煙囪效應(yīng)。熱壓差即為空腔的抽力和總阻力之差。當(dāng)抽力大于總阻力的1.2倍時(shí)，可實(shí)現(xiàn)空腔內(nèi)自然通風(fēng)冷卻。

本工程LED顯示屏通風(fēng)空腔高（H)31.6 m，長57.6 m，寬0.8 m。

3.1.1 空腔抽力Sy

(1）空腔抽力Sy參考《鍋爐房實(shí)用設(shè)計(jì)手冊》公式（3-13），得式（3):

式中：S_y———空腔抽力，Pa

ρk0、ρy0———標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下外界和空腔內(nèi)空氣的密度，分別取1.293 kg/m³

tk———外界空氣溫度，取35℃

tpj———空腔內(nèi)空氣平均溫度，℃，根據(jù)式（4）計(jì)算

(2）空腔內(nèi)空氣平均溫度參考《鍋爐房實(shí)用設(shè)計(jì)手冊》公式（3-14），得式（4):

式中：t'———空腔入口空氣溫度，取元器件較高工作環(huán)境溫度60℃

Δt———空腔內(nèi)每米高的溫降，取0.8℃/m

將數(shù)據(jù)代入式（4）得：

將數(shù)據(jù)代入式（3）得：

3.1.2 空腔總阻力∑Δh

(1）空腔總阻力參考《實(shí)用供熱空調(diào)空調(diào)設(shè)計(jì)手冊》公式（8.3-11），得式（5):

式中：∑Δh———空腔總阻力，Pa

Δhm———摩擦阻力，Pa

Δhj———出口阻力，Pa

(2）摩擦阻力參考《實(shí)用供熱空調(diào)空調(diào)設(shè)計(jì)手冊》公式（8.3-12），得式（6):

式中：λ———空腔摩擦阻力系數(shù)，取0.03

ω———空腔內(nèi)空氣平均流速，m/s

ddl———空腔內(nèi)平均內(nèi)徑，m

(3）空氣平均流速參考《實(shí)用供熱空調(diào)空調(diào)設(shè)計(jì)手冊》公式（8.3-3），得式（7):

式中：L———通風(fēng)量，取46 107 m³/h，式（2）的計(jì)算值

F———空腔截面積，長度×寬度，m²

將數(shù)據(jù)代入式（7）得：

(4）平均內(nèi)徑ddl見式（8):

式中：U———空腔壁面的接觸周界，m

將數(shù)據(jù)代入式（8）得：

將數(shù)據(jù)代入式（6）得：

(5）出口阻力參考《實(shí)用供熱空調(diào)空調(diào)設(shè)計(jì)手冊》公式（8.3-13），得式（9):

式中：ζ———空腔出口阻力系數(shù)，取1.0將數(shù)據(jù)代入式（9）得：

將數(shù)據(jù)代入式（5）得：

經(jīng)計(jì)算1.4>1.2×0.08=0.096Pa。通過上述計(jì)算，在上下兩端不封堵的前提下，LED空腔內(nèi)的熱負(fù)荷不通過機(jī)械外力也能自行排出。

3.2 使用空調(diào)降溫

現(xiàn)在工程中普遍的做法是空調(diào)內(nèi)機(jī)放置在LED顯示屏的后面，且LED背后有1 m的空間放置設(shè)備。本工程LED背后只有800 mm的空間，顯然這個(gè)項(xiàng)目室內(nèi)機(jī)需要放置在室內(nèi)，但是內(nèi)機(jī)放置的位置會(huì)使室內(nèi)的凈高降低，無法滿足原定的凈高，因屋頂上設(shè)備擺放區(qū)域事先都有規(guī)劃，增加的設(shè)備會(huì)破壞屋頂?shù)恼w造型。

經(jīng)過研究，決定利用已有的空調(diào)系統(tǒng)，在玻璃幕墻上設(shè)置手動(dòng)窗戶，空腔內(nèi)需要散熱時(shí)開啟窗戶。這個(gè)方案既不破壞室內(nèi)凈高，也不增加設(shè)備，但要確定的是空調(diào)系統(tǒng)的負(fù)荷是否滿足要求。

夏季，建筑表面除與室外空氣產(chǎn)生熱交換外，還受太陽輻射的作用，包括太陽直接輻射、天空散射輻射、地面發(fā)射輻射以及地表和大氣長波輻射。選用室外空氣溫度時(shí)要對溫度進(jìn)行調(diào)整。與其有關(guān)的參數(shù)分別為室外空氣溫度ta、太陽輻射吸收系數(shù)ρs、水平或垂直面上太陽輻射照度I(W/m²）、外表面換熱系數(shù)αe，取19.0 W/（m2·K）。

室外綜合溫度見式（10):

上海夏季空氣調(diào)節(jié)室外計(jì)算干球溫度為34.7℃[3]，但項(xiàng)目處于城市熱島區(qū)域，地面溫度可達(dá)40℃，此處設(shè)計(jì)按不利溫度計(jì)算，故選用40℃。

《實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊》表4.1-11常用圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面太陽輻射吸收系數(shù)ρs值中，沒有記錄單層透明玻璃的值數(shù)值，按照選用相似原則，參考水（開闊湖、海面）的數(shù)值，具體數(shù)值為0.96。

T20大廈坐南朝北，LED顯示屏面朝北方向，太陽輻射照度值I選用朝向北方17:00時(shí)的數(shù)值，即148 W/m2。則室外綜合溫度tsa=40+0.96×148/19=47.5℃。

戶外LED電子顯示屏組不開啟的狀態(tài)下，不需要為其散熱，前文交代了LED電子顯示屏的存貯溫度，較高能靜止在85℃的高溫下，不被破壞。

如果LED電子顯示屏在此時(shí)開啟，工作時(shí)較大的發(fā)熱量是不發(fā)生改變的。

17:00～18:00為下班時(shí)間，17:00正好為還未下班時(shí)，根據(jù)粗略計(jì)算，此時(shí)為空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷較好時(shí)期。計(jì)算8～13層空調(diào)總冷負(fù)荷為1 088 kW，空調(diào)冷指標(biāo)為112.1 W/m²。電子顯示屏需要的冷量占總冷負(fù)荷的38%，此時(shí)房間冷指標(biāo)為69.5 W/m²，負(fù)荷偏小。在夏天高溫情況下，工作時(shí)間內(nèi)開啟LED顯示屏?xí)罐k公室的冷指標(biāo)降低破壞舒適環(huán)境。維護(hù)結(jié)構(gòu)熱負(fù)荷約為30～40 W/m²，在下雨天上班時(shí)間開啟，不會(huì)影響到辦公室空調(diào)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

3.3 機(jī)械通風(fēng)散熱

機(jī)械通風(fēng)是較常用的散熱方式。當(dāng)LED顯示屏背后1m以上沒有遮擋時(shí)，選用排風(fēng)量不大的風(fēng)扇，均勻安裝在LED顯示屏模塊處。本工程條件有限，把顯示屏組人為劃分成幾個(gè)區(qū)域，選用相對集中的通風(fēng)方式機(jī)械排風(fēng)，風(fēng)機(jī)進(jìn)出口與顯示屏之間距離位800 mm。根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，該距離滿足排風(fēng)的較小距離要求。

排風(fēng)方式可分為抽風(fēng)和吹風(fēng)的方式。抽風(fēng)方式送風(fēng)均勻，進(jìn)入風(fēng)扇的主要為層流狀態(tài)的流動(dòng)，但抽風(fēng)因進(jìn)入風(fēng)機(jī)的氣流溫度高，風(fēng)機(jī)長時(shí)間在高溫環(huán)境下工作，壽命會(huì)受影響；吹風(fēng)方式送風(fēng)不均勻、其具有一定的方向性，通過風(fēng)機(jī)的是室外的空氣，溫度不很過40℃，壽命不受影響。若選用抽風(fēng)方式，風(fēng)機(jī)放置在屋頂，較下方設(shè)置進(jìn)風(fēng)口，進(jìn)風(fēng)口采用初效過濾風(fēng)口。初效過濾每隔一段時(shí)間需要更換，因過濾網(wǎng)位置較低，人工徒手難以更換，需要借助工具。選用吹風(fēng)的方式，風(fēng)機(jī)安裝在7層頂部，屋頂上設(shè)置排風(fēng)口，根據(jù)吹風(fēng)的特點(diǎn)，屋頂上要均勻布置面積不小于進(jìn)風(fēng)口的2倍的排風(fēng)口，屋面無足夠面積。綜上所述：抽風(fēng)方式無法保證過濾的效果，吹風(fēng)方式排風(fēng)口面積不夠。經(jīng)研究決定上下方分別設(shè)置風(fēng)機(jī)，具體做法如下：

(1）在8層的地板下方均勻布置風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)的進(jìn)風(fēng)段設(shè)置初效過濾裝置，初效過濾裝置安裝在7層吊頂內(nèi)，吊頂采用可拆且裝修、更換方便。

(2）在屋頂設(shè)置帶過濾網(wǎng)和防雨百葉的排風(fēng)機(jī)。這種方式不僅解決了空腔散熱通風(fēng)過濾的問題，而且氣流均勻，并能根據(jù)散熱量進(jìn)行臺(tái)數(shù)調(diào)節(jié)，節(jié)能降耗。

當(dāng)電子顯示屏組在室外綜合溫度47.5℃的條件下工作時(shí)，根據(jù)式（2），得出通風(fēng)量為92 213 m3/h，散熱量選用式（1）的計(jì)算值。根據(jù)平面的安裝空間，送風(fēng)機(jī)較多分成6臺(tái)，每臺(tái)約15 400 m3/h。風(fēng)機(jī)和風(fēng)管都尺寸過大，無法安裝。

經(jīng)過多次研究徐家匯商圈燈光開啟的時(shí)間，較終確定在夏天高溫時(shí)LED顯示屏19:00開啟，此時(shí)的室外溫度約29℃。通過與LED顯示屏設(shè)備廠家溝通，晚上因需要的光照強(qiáng)度比白天低，其耗電量也可減少到150 W/m2。根據(jù)式（1）計(jì)算得，LED顯示屏發(fā)熱量為177 k W。夜間室外綜合溫度29℃，根據(jù)式（2）計(jì)算，得所需的通風(fēng)量為15 900 m3/h；每臺(tái)風(fēng)機(jī)排風(fēng)量約2 650 m3/h。

3.4 方案選擇

雖然自然冷卻沒有輔助機(jī)械設(shè)備，無機(jī)械故障，但是T20大廈位于肇嘉浜路和天鑰橋路路口，戶外綠化少，煙塵多；灰塵的懸浮層一般在9～11層，通過上下兩端進(jìn)入空腔，灰塵數(shù)量達(dá)到一定層度，LED使用時(shí)畫質(zhì)會(huì)受到影響。但在此情況下想要清洗也是很不方便的：其一、空腔寬800 mm，顯示屏單元箱厚135 mm，人員無法進(jìn)入空腔清洗；其二、如果通過8～13層辦公室的室內(nèi)位置清洗，受到玻璃幕墻開啟的面積和角度的限制，屏幕無法完全清洗到。為了防止LED空腔內(nèi)積灰，空腔上下端必須封閉起來，自然冷卻的方式無法實(shí)現(xiàn)。

空調(diào)降溫的方案不僅存在運(yùn)行的時(shí)間的問題，同時(shí)還存在消防的隱患。8～13層每層為1個(gè)獨(dú)立的防火分區(qū)，在LED運(yùn)行時(shí)，至少有3層的外窗需要打開為空腔制冷，而空腔相當(dāng)于1個(gè)大的管井，使得至少有3個(gè)樓層的防火難以保證。若使用可開啟消防聯(lián)動(dòng)窗，雖然可以解決消防問題，但因每層都要設(shè)置消防聯(lián)動(dòng)窗，不僅增加了造價(jià)且控制復(fù)雜。

根據(jù)本項(xiàng)目的特點(diǎn)，較終制定了機(jī)械通風(fēng)散熱的方案。

4 結(jié)語

高溫對戶外固定安裝LED顯示屏的可靠性、穩(wěn)定性影響較大，需要做散熱設(shè)計(jì)。散熱設(shè)計(jì)，需要先從項(xiàng)目的自身特點(diǎn)出發(fā)，做符合項(xiàng)目的方案，并附有計(jì)算過程，計(jì)算無問題后再做原型機(jī)測試驗(yàn)證。測試驗(yàn)證無問題的LED顯示屏，才會(huì)在實(shí)際工作中不出現(xiàn)高溫情況。