【微分享】室外LED电子屏散热设计

大面积的电子显示屏在工作时产生的发热量会导致周边环境温度的升高，若不及时排除热量，电子屏高温会导致电子元器件的失效概率迅速加大，从而导致LED显示屏的可靠度下降。

为了使LED电子显示屏内部电子元器件在不很过规定的较高允许的环境温度下能正常工作，就需要对LED电子显示屏的散热量、散热方式进行设计。

户外LED显示屏散热的方式大体可以归结为3种：

一是通过自然冷却的方式散热；

二是使用风扇进行强迫对流散热；

三是使用空调降温。

#1LED显示屏降温空调、风机如何选择？

1、20平方以内的LED显示屏

建议不使用空调，北方地区，如果条件允许的情况下，采用两个小的风机就足够了。南方的一些城市：广东、广西、海南、武汉、重庆等地方需要装两台风机完全足够了，风机的直径为500mm左右的就可以，根据安装空间的大小来定。

2、20平方以上的LED显示屏

如果显示屏安装位置是靠墙的地方，就看显示屏能凸出来多少了，如果能凸出墙面一米的位置，建议根据面积大小选择风机，风机安装位置在屏幕的侧面的上方依次排开。

举个例子，如果你买的显示屏为80平方的ph16的室外LED全彩屏，那就需要6台直径为600mm左右的轴流风机，风机是往外面抽气的那种，并且装风机的时候要保证里面有网，以防止在维修显示屏的技术人员在维修显示屏的时候把衣服其他东西吸进去造成人身伤害，为了防水，要在外面铝塑板上的风机出风口装上铝合金的百叶窗。

挂墙的显示屏也可以装空调，要保证空调的主机有位置放，不影响墙体的整体外观。空调的选择是有要求的，一般使用的最多的是1.5P、2P和3P的空调最多，北方城市12平方1P空调计算；南方城市采用9平方1P空调计算。

此外，如果LED显示屏的安装方式是采用立柱的，则建议采用风机来散热，风机装在大屏幕的背面铝塑板上面，最好往上靠，做成百叶窗的形式以便下雨的时候雨水不进入显示屏里面，如果是双立柱的，就在双立柱的中间位置开几个百叶窗，这个百叶窗是进气口，上面的风机是排气口，这样形成完整的空气对流使得散热效果更好。

如果需要空调，购买成本和使用成本会增加，散热效果会比风扇差。还要考虑外接空调安装的空间，是否能保证整体美观。

若空调的一边出风口朝向显示屏，且距离较近，正对出风口区域的LED显示屏区域可能会结露，LED进水后必然反复发生故障。因此，采用户内LED显示产品时，禁止将空调的出风口近距离对着显示屏出风。

从LED显示屏的使用情况考虑，租赁屏、户内固定安装屏多用自然冷却散热的方法，户外固定安装屏多用强迫空气冷却散热的方法。

LED显示屏箱体设计时，有几点需注意：进气孔应设置在箱体下侧，但不要过低，以免污物和水进入安装在地面的箱体内。排气孔应设置在靠近箱体的上侧。

空气应自箱体下方向上方循环，应采用专用的进气孔或排气孔。

应使冷却空气从发热电子零部件中流过，同时需防止气流短路。

进气孔、出气处需设置过滤网，以防杂物进入箱体。

设计时应使自然对流有助于强迫对流。

设计时需确保进气口与排气口远离。

要避免重复使用冷却空气。

考虑到空气受热体积膨胀的因素，出风口面积应为进风口面积的1.5倍-2倍。

开关电源等发热较大的电子零部件，应尽量靠近进风口。

要保证散热器齿槽方向与风向平行，散热器齿槽不能阻挡风路。

考虑采用抽风还是吹风方式时，可以参考下表的吹风与抽风方式对比。

#2室外LED电子屏散热方案选择案例

案例引用自谈佳宏.T20大厦LED屏幕散热设计[J].上海建设科技,2019,(05):20-23.

1 LED电子显示屏的参数选择

T20大厦坐落于上海徐汇区天钥桥路20号，紧临美罗大厦、汇联商厦。

结合建筑的形态，户外电子显示屏组安装位置为8～13层，总长57.6 m、宽31.6 m。此处选择物理点间距20 mm，长、宽、高分别为1280 mm、960 mm、135 mm的LED显示屏单元箱体模块共1485块。

LED电子显示屏较大耗电量为350 W/m2，亮度为2 000 cd/m2，工作温度为-20～60℃，工作湿度为10%～90%。

2 显示屏组发热量计算

LED电子显示屏组的在正常工作状态下通过的电功率主要转换成了光和热。该项目选用的产品参数，大约35%转换为光、65%转换为热。以下为LED电子显示屏发热量计算和散热所需要的通风量计算。

(1) LED电子显示屏发热量Q的计算见式（1):

式中：q———单位面积发热量，W/m2

A———面积，m2

将数据代入式（1）得：

(2）所需通风量L的计算见式（2):

式中：L———通风量，m3/s

c———空气比热容，kJ/（kg·K），取1.0 kJ/（kg·K)

ρ———空气密度，kg/m3，取1.293 kg/m3

tn———较高工作环境温度，℃，根据LED显示屏及其开关电源、驱动IC等电子零部件的规格书，确定tn为60℃

tl———输入的空气温度，℃，确定降温系统输入的冷空气温度为35℃

将数据代入式（2）得：

3 显示屏组散热方式

为选取较适合本项目的方案，分别对以上3种散热方式进行分析。

3.1 通过自然冷却的方式散热

自然冷却方式是通过热交换、对流、热辐射等热传递形式由物体向环境介质排出热量，降低物体的温度，较终达到与环境温度相同的自发性的过程。在热压差的作用下，空气在空腔内垂直上升，形成烟囱效应。热压差即为空腔的抽力和总阻力之差。当抽力大于总阻力的1.2倍时，可实现空腔内自然通风冷却。

本工程LED显示屏通风空腔高（H)31.6 m，长57.6 m，宽0.8 m。

3.1.1 空腔抽力Sy

(1）空腔抽力Sy参考《锅炉房实用设计手册》公式（3-13），得式（3):

式中：Sy———空腔抽力，Pa

ρk0、ρy0———标准状态下外界和空腔内空气的密度，分别取1.293 kg/m3

tk———外界空气温度，取35℃

tpj———空腔内空气平均温度，℃，根据式（4）计算

(2）空腔内空气平均温度参考《锅炉房实用设计手册》公式（3-14），得式（4):

式中：t'———空腔入口空气温度，取元器件较高工作环境温度60℃

Δt———空腔内每米高的温降，取0.8℃/m

将数据代入式（4）得：

将数据代入式（3）得：

3.1.2 空腔总阻力∑Δh

(1）空腔总阻力参考《实用供热空调空调设计手册》公式（8.3-11），得式（5):

式中：∑Δh———空腔总阻力，Pa

Δhm———摩擦阻力，Pa

Δhj———出口阻力，Pa

(2）摩擦阻力参考《实用供热空调空调设计手册》公式（8.3-12），得式（6):

式中：λ———空腔摩擦阻力系数，取0.03

ω———空腔内空气平均流速，m/s

ddl———空腔内平均内径，m

(3）空气平均流速参考《实用供热空调空调设计手册》公式（8.3-3），得式（7):

式中：L———通风量，取46 107 m3/h，式（2）的计算值

F———空腔截面积，长度×宽度，m3

将数据代入式（7）得：

(4）平均内径ddl见式（8):

式中：U———空腔壁面的接触周界，m

将数据代入式（8）得：

将数据代入式（6）得：

(5）出口阻力参考《实用供热空调空调设计手册》公式（8.3-13），得式（9):

式中：ζ———空腔出口阻力系数，取1.0将数据代入式（9）得：

将数据代入式（5）得：

经计算1.4>1.2×0.08=0.096Pa。通过上述计算，在上下两端不封堵的前提下，LED空腔内的热负荷不通过机械外力也能自行排出。

3.2 使用空调降温

现在工程中普遍的做法是空调内机放置在LED显示屏的后面，且LED背后有1 m的空间放置设备。本工程LED背后只有800 mm的空间，显然这个项目室内机需要放置在室内，但是内机放置的位置会使室内的净高降低，无法满足原定的净高，因屋顶上设备摆放区域事先都有规划，增加的设备会破坏屋顶的整体造型。

经过研究，决定利用已有的空调系统，在玻璃幕墙上设置手动窗户，空腔内需要散热时开启窗户。这个方案既不破坏室内净高，也不增加设备，但要确定的是空调系统的负荷是否满足要求。

夏季，建筑表面除与室外空气产生热交换外，还受太阳辐射的作用，包括太阳直接辐射、天空散射辐射、地面发射辐射以及地表和大气长波辐射。选用室外空气温度时要对温度进行调整。与其有关的参数分别为室外空气温度ta、太阳辐射吸收系数ρs、水平或垂直面上太阳辐射照度I(W/m2）、外表面换热系数αe，取19.0 W/（m2·K）。

室外综合温度见式（10):

上海夏季空气调节室外计算干球温度为34.7℃[3]，但项目处于城市热岛区域，地面温度可达40℃，此处设计按不利温度计算，故选用40℃。

《实用供热空调设计手册》表4.1-11常用围护结构表面太阳辐射吸收系数ρs值中，没有记录单层透明玻璃的值数值，按照选用相似原则，参考水（开阔湖、海面）的数值，具体数值为0.96。

T20大厦坐南朝北，LED显示屏面朝北方向，太阳辐射照度值I选用朝向北方17:00时的数值，即148 W/m2。则室外综合温度tsa=40+0.96×148/19=47.5℃。

户外LED电子显示屏组不开启的状态下，不需要为其散热，前文交代了LED电子显示屏的存贮温度，较高能静止在85℃的高温下，不被破坏。

如果LED电子显示屏在此时开启，工作时较大的发热量是不发生改变的。

17:00～18:00为下班时间，17:00正好为还未下班时，根据粗略计算，此时为空调系统负荷较好时期。计算8～13层空调总冷负荷为1088 kW，空调冷指标为112.1 W/m2。电子显示屏需要的冷量占总冷负荷的38%，此时房间冷指标为69.5 W/m2，负荷偏小。在夏天高温情况下，工作时间内开启LED显示屏会使办公室的冷指标降低破坏舒适环境。维护结构热负荷约为30～40 W/m2，在下雨天上班时间开启，不会影响到办公室空调系统的正常运行。

3.3 机械通风散热

机械通风是较常用的散热方式。当LED显示屏背后1m以上没有遮挡时，选用排风量不大的风扇，均匀安装在LED显示屏模块处。本工程条件有限，把显示屏组人为划分成几个区域，选用相对集中的通风方式机械排风，风机进出口与显示屏之间距离位800 mm。根据实际经验，该距离满足排风的较小距离要求。

排风方式可分为抽风和吹风的方式。抽风方式送风均匀，进入风扇的主要为层流状态的流动，但抽风因进入风机的气流温度高，风机长时间在高温环境下工作，寿命会受影响；吹风方式送风不均匀、其具有一定的方向性，通过风机的是室外的空气，温度不很过40℃，寿命不受影响。若选用抽风方式，风机放置在屋顶，较下方设置进风口，进风口采用初效过滤风口。初效过滤每隔一段时间需要更换，因过滤网位置较低，人工徒手难以更换，需要借助工具。

选用吹风的方式，风机安装在7层顶部，屋顶上设置排风口，根据吹风的特点，屋顶上要均匀布置面积不小于进风口的2倍的排风口，屋面无足够面积。综上所述：抽风方式无法保证过滤的效果，吹风方式排风口面积不够。经研究决定上下方分别设置风机，具体做法如下：

(1）在8层的地板下方均匀布置风机，风机的进风段设置初效过滤装置，初效过滤装置安装在7层吊顶内，吊顶采用可拆且装修、更换方便。

(2）在屋顶设置带过滤网和防雨百叶的排风机。这种方式不仅解决了空腔散热通风过滤的问题，而且气流均匀，并能根据散热量进行台数调节，节能降耗。

当电子显示屏组在室外综合温度47.5℃的条件下工作时，根据式（2），得出通风量为92 213 m3/h，散热量选用式（1）的计算值。根据平面的安装空间，送风机较多分成6台，每台约15 400 m3/h。风机和风管都尺寸过大，无法安装。

经过多次研究徐家汇商圈灯光开启的时间，较终确定在夏天高温时LED显示屏19:00开启，此时的室外温度约29℃。通过与LED显示屏设备厂家沟通，晚上因需要的光照强度比白天低，其耗电量也可减少到150 W/m2。根据式（1）计算得，LED显示屏发热量为177 k W。夜间室外综合温度29℃，根据式（2）计算，得所需的通风量为15 900 m3/h；每台风机排风量约2 650 m3/h。

3.4 方案选择

虽然自然冷却没有辅助机械设备，无机械故障，但是T20大厦位于肇嘉浜路和天钥桥路路口，户外绿化少，烟尘多；灰尘的悬浮层一般在9～11层，通过上下两端进入空腔，灰尘数量达到一定层度，LED使用时画质会受到影响。但在此情况下想要清洗也是很不方便的：其一、空腔宽800 mm，显示屏单元箱厚135 mm，人员无法进入空腔清洗；其二、如果通过8～13层办公室的室内位置清洗，受到玻璃幕墙开启的面积和角度的限制，屏幕无法完全清洗到。为了防止LED空腔内积灰，空腔上下端必须封闭起来，自然冷却的方式无法实现。

空调降温的方案不仅存在运行的时间的问题，同时还存在消防的隐患。8～13层每层为1个独立的防火分区，在LED运行时，至少有3层的外窗需要打开为空腔制冷，而空腔相当于1个大的管井，使得至少有3个楼层的防火难以保证。若使用可开启消防联动窗，虽然可以解决消防问题，但因每层都要设置消防联动窗，不仅增加了造价且控制复杂。

根据本项目的特点，较终制定了机械通风散热的方案。

4 结语

高温对户外固定安装LED显示屏的可靠性、稳定性影响较大，需要做散热设计。散热设计，需要先从项目的自身特点出发，做符合项目的方案，并附有计算过程，计算无问题后再做原型机测试验证。测试验证无问题的LED显示屏，才会在实际工作中不出现高温情况。

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