大型戶(hù)外LED屏散熱設(shè)計(jì)及仿真分析

大型戶(hù)外LED屏散熱設(shè)計(jì)及仿真分析舒力帆【摘要】本文利用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法對(duì)某大型戶(hù)外LED屏散熱方案進(jìn)行分析，初步確定邊界條件及設(shè)計(jì)方案.在此基礎(chǔ)上基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)方法，采用帶浮力修正的k-8模型對(duì)某大型戶(hù)外LED屏散熱方案進(jìn)行精確分析.研究了不同通風(fēng)散熱方案的影響，確定了最優(yōu)設(shè)計(jì)方案.【期刊名稱(chēng)】《制冷》【年(卷)，期】2019(038)001【總頁(yè)數(shù)】5頁(yè)(P42-46)【關(guān)鍵詞】LED屏;散熱;CFD;通風(fēng)【作者】舒力帆【作者單位】廣州柴炬建筑設(shè)計(jì)咨詢(xún)有限公司,廣州510627【正文語(yǔ)種】中文【中圖分類(lèi)】TB657.50引言散熱性能是影響LED屏設(shè)計(jì)壽命，評(píng)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(chǎng)安裝后由于散熱不暢，屏幕會(huì)出現(xiàn)電源保護(hù)、掉信號(hào)模塊不顯示、芯片脫落、LED等脫焊等問(wèn)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(wèn)題，保障LED屏穩(wěn)定節(jié)能運(yùn)行［1］。本文針對(duì)廣州地區(qū)大型戶(hù)外LED屏散熱方案研究，探討類(lèi)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(chǎng)，是一個(gè)改造項(xiàng)目，LED屏長(zhǎng)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(yáng)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°C，溫差不超10°C,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(mǎn)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(chǎng)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?jī)H在采用機(jī)械通風(fēng)無(wú)法滿(mǎn)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：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(guò)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(lái)自LED本身及環(huán)境太陽(yáng)輻射。3.1LED散熱量經(jīng)廠家測(cè)算，LED屏由540個(gè)960x960x120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(yáng)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(jiàn)表1:表1廣州地區(qū)水平輻射強(qiáng)度時(shí)刻（h）6789101112輻射（W/m2）58244462664824926962時(shí)刻（h）131415161718輻射（W/m2）92682466446224458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(yáng)高度角；R—墻面法線與陽(yáng)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(jiàn)表2。表2屏幕計(jì)算輻射強(qiáng)度12131415161718輻射（W/m2）時(shí)刻（h）205314390422401320175輻射最大時(shí)刻為下午15時(shí)，輻射為422W/m2，表面太陽(yáng)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/m2K。LED屏表面環(huán)氧樹(shù)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/m2K。夏季室外計(jì)算最高溫度為356C,LED內(nèi)腔平均溫度假定為42°C，計(jì)算得出因太陽(yáng)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一通風(fēng)量，m3/h;Q—散熱量，kW;p—空氣比重，取1.15kg/m3;Cp一空氣比熱，取0.241kcal/kg△。一進(jìn)出風(fēng)口溫差，進(jìn)風(fēng)取35.6°C，控制最高排風(fēng)溫度為45。^計(jì)算得到通風(fēng)量為：49352m3/h。5CFD模擬分析運(yùn)用PHOENICS軟件對(duì)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(duì)其內(nèi)部溫度場(chǎng)的影響，主要考慮對(duì)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(wèn)題，須綜合考慮導(dǎo)熱和對(duì)流換熱方式。本項(xiàng)目采用帶浮力修正的k-s模型考慮空氣流動(dòng)和對(duì)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(dòng)量方程、能量方程，通用形式如下式所示［3］：該式中的中可以是速度、湍流動(dòng)能、湍流耗散率以及溫度等?！?、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(lái)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(wú)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35mx15mx1.5m(長(zhǎng)x寬x厚)，網(wǎng)格劃分選用70x30x3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35.61;LED屏散熱量：287W/m2；商場(chǎng)引入冷風(fēng)溫度：26°C;頂部排風(fēng)機(jī)：18臺(tái)，平均分布；壁式排風(fēng)機(jī)：18臺(tái)，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45C。5.1排風(fēng)量分析通過(guò)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(chǎng)引入口不開(kāi)。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(jiàn)可以得出如下結(jié)論：?jiǎn)渭兊募哟箫L(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°C以?xún)?nèi)。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(shuō)明單純加大風(fēng)量到某個(gè)臨界值后，對(duì)降低LED屏溫度效果有限。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45C以?xún)?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(guò)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(shí)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(dòng)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(jiàn)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(tái)壁式風(fēng)機(jī)，單臺(tái)風(fēng)機(jī)風(fēng)量為1500m3/h;方案2:在屏幕12m處增加18臺(tái)壁式風(fēng)機(jī)，單臺(tái)風(fēng)機(jī)風(fēng)量為2000m3/h;方案3:在屏幕12m處增加18臺(tái)壁式風(fēng)機(jī)，單臺(tái)風(fēng)機(jī)風(fēng)量為2800m3/h。從以上模擬結(jié)果可見(jiàn)：(1)壁式排氣扇能有效破壞溫度邊界層，使得周?chē)諝獬浞峙c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壁式排氣扇風(fēng)速不宜過(guò)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(tái)排風(fēng)扇建議風(fēng)量控制在2000m3/h以?xún)?nèi)，并有調(diào)節(jié)措施。6總結(jié)與建議通過(guò)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(tái)風(fēng)機(jī)，單臺(tái)風(fēng)機(jī)風(fēng)量約4800m3/h;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。壁式排風(fēng)機(jī)裝于12m高，風(fēng)量取2000m3/h,共設(shè)18臺(tái)，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)。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：4800m3/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：＜2000m3/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(wú)線控制，推薦品牌：科祿格，尼科達(dá)，德通。7結(jié)語(yǔ)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401以?xún)?nèi)。該項(xiàng)目最初甲方擬采用空調(diào)制冷方案，但通過(guò)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(guò)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(guò)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，