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

隨著人們環保意識的加強，戶外LED電子屏作為節能的代名詞，逐步取代了傳統的消帆布、燈箱廣告而成為了廣告業發展的趨勢。雖然LED顯示屏本身使用的發光材料是節能產品，但是戶外電子屏的大面積使用，其耗電量還是不容忽視的。上海的氣候為典型的亞熱帶季風氣候，夏天氣候高溫潮濕多雨，冬季氣候寒冷干燥少雨。屏體通電運行工作時產生的熱量若不及時排出，積累到一定程度，會造成內部環境溫度過高，對電子元件造成影響，嚴重的可以導致顯示屏無法運行工作。因此，必須做好電子屏內部的通風散熱措施，保證電子屏穩定、正常的工作。

《上海城市總體規劃2040》提出了中央活動區的概念。徐家匯商圈自2012年開始二次升級改造，T20大廈響應商圈改造計劃，較先啟動了改造任務。根據商圈的規劃，T20大廈被改建成1幢綠色、環保、節能的智能化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電子顯示屏的參數選擇

T20大廈坐落于上海徐匯區天鑰橋路20號，緊臨美羅大廈、匯聯商廈。總建筑面積22 315 m2，建筑高70 m，地上13層，地下3層。1層、2層設計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層為標準辦公樓層，13層為小型文化場所。

結合建筑的形態，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 顯示屏組發熱量計算

LED電子顯示屏組的在正常工作狀態下通過的電功率主要轉換成了光和熱。該項目選用的產品參數，大約35%轉換為光、65%轉換為熱。以下為LED電子顯示屏發熱量計算和散熱所需要的通風量計算。

(1)LED電子顯示屏發熱量Q的計算見式（1):

式中：q———單位面積發熱量，W/m²

A———面積，m²

將數據代入式（1）得：

(2）所需通風量L的計算見式（2):

式中：L———通風量，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———較高工作環境溫度，℃，根據LED顯示屏及其開關電源、驅動IC等電子零部件的規格書，確定tn為60℃

tl———輸入的空氣溫度，℃，確定降溫系統輸入的冷空氣溫度為35℃

將數據代入式（2）得：

3 顯示屏組散熱方式

大面積的電子顯示屏在工作時產生的發熱量會導致周邊環境溫度的升高，若不及時排除熱量，電子屏高溫會導致電子元器件的失效概率迅速加大，從而導致LED顯示屏的可靠度下降。為了使LED電子顯示屏內部電子元器件在不很過規定的較高允許的環境溫度下能正常工作，就需要對LED電子顯示屏的散熱量、散熱方式進行設計。戶外LED顯示屏散熱的方式大體可以歸結為3種：一是通過自然冷卻的方式散熱；二是使用風扇進行強迫對流散熱；三是使用空調降溫。為選取較適合本項目的方案，分別對以上3種散熱方式進行分析。

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境介質排出熱量，降低物體的溫度，較終達到與環境溫度相同的自發性的過程。在熱壓差的作用下，空氣在空腔內垂直上升，形成煙囪效應。熱壓差即為空腔的抽力和總阻力之差。當抽力大于總阻力的1.2倍時，可實現空腔內自然通風冷卻。

本工程LED顯示屏通風空腔高（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《鍋爐房實用設計手冊》公式（3-13），得式（3):

式中：S_y———空腔抽力，Pa

ρk0、ρy0———標準狀態下外界和空腔內空氣的密度，分別取1.293 kg/m³

tk———外界空氣溫度，取35℃

tpj———空腔內空氣平均溫度，℃，根據式（4）計算

(2）空腔內空氣平均溫度參考《鍋爐房實用設計手冊》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境溫度60℃

Δt———空腔內每米高的溫降，取0.8℃/m

將數據代入式（4）得：

將數據代入式（3）得：

3.1.2 空腔總阻力∑Δh

(1）空腔總阻力參考《實用供熱空調空調設計手冊》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《實用供熱空調空調設計手冊》公式（8.3-12），得式（6):

式中：λ———空腔摩擦阻力系數，取0.03

ω———空腔內空氣平均流速，m/s

ddl———空腔內平均內徑，m

(3）空氣平均流速參考《實用供熱空調空調設計手冊》公式（8.3-3），得式（7):

式中：L———通風量，取46 107 m³/h，式（2）的計算值

F———空腔截面積，長度×寬度，m²

將數據代入式（7）得：

(4）平均內徑ddl見式（8):

式中：U———空腔壁面的接觸周界，m

將數據代入式（8）得：

將數據代入式（6）得：

(5）出口阻力參考《實用供熱空調空調設計手冊》公式（8.3-13），得式（9):

式中：ζ———空腔出口阻力系數，取1.0將數據代入式（9）得：

將數據代入式（5）得：

經計算1.4>1.2×0.08=0.096Pa。通過上述計算，在上下兩端不封堵的前提下，LED空腔內的熱負荷不通過機械外力也能自行排出。

3.2 使用空調降溫

現在工程中普遍的做法是空調內機放置在LED顯示屏的后面，且LED背后有1 m的空間放置設備。本工程LED背后只有800 mm的空間，顯然這個項目室內機需要放置在室內，但是內機放置的位置會使室內的凈高降低，無法滿足原定的凈高，因屋頂上設備擺放區域事先都有規劃，增加的設備會破壞屋頂的整體造型。

經過研究，決定利用已有的空調系統，在玻璃幕墻上設置手動窗戶，空腔內需要散熱時開啟窗戶。這個方案既不破壞室內凈高，也不增加設備，但要確定的是空調系統的負荷是否滿足要求。

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

室外綜合溫度見式（10):

上海夏季空氣調節室外計算干球溫度為34.7℃[3]，但項目處于城市熱島區域，地面溫度可達40℃，此處設計按不利溫度計算，故選用40℃。

《實用供熱空調設計手冊》表4.1-11常用圍護結構表面太陽輻射吸收系數ρs值中，沒有記錄單層透明玻璃的值數值，按照選用相似原則，參考水（開闊湖、海面）的數值，具體數值為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時的數值，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電子顯示屏在此時開啟，工作時較大的發熱量是不發生改變的。

17:00～18:00為下班時間，17:00正好為還未下班時，根據粗略計算，此時為空調系統負荷較好時期。計算8～13層空調總冷負荷為1 088 kW，空調冷指標為112.1 W/m²。電子顯示屏需要的冷量占總冷負荷的38%，此時房間冷指標為69.5 W/m²，負荷偏小。在夏天高溫情況下，工作時間內開啟LED顯示屏會使辦公室的冷指標降低破壞舒適環境。維護結構熱負荷約為30～40 W/m²，在下雨天上班時間開啟，不會影響到辦公室空調系統的正常運行。

3.3 機械通風散熱

機械通風是較常用的散熱方式。當LED顯示屏背后1m以上沒有遮擋時，選用排風量不大的風扇，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區域，選用相對集中的通風方式機械排風，風機進出口與顯示屏之間距離位800 mm。根據實際經驗，該距離滿足排風的較小距離要求。

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

(1）在8層的地板下方均勻布置風機，風機的進風段設置初效過濾裝置，初效過濾裝置安裝在7層吊頂內，吊頂采用可拆且裝修、更換方便。

(2）在屋頂設置帶過濾網和防雨百葉的排風機。這種方式不僅解決了空腔散熱通風過濾的問題，而且氣流均勻，并能根據散熱量進行臺數調節，節能降耗。

當電子顯示屏組在室外綜合溫度47.5℃的條件下工作時，根據式（2），得出通風量為92 213 m3/h，散熱量選用式（1）的計算值。根據平面的安裝空間，送風機較多分成6臺，每臺約15 400 m3/h。風機和風管都尺寸過大，無法安裝。

經過多次研究徐家匯商圈燈光開啟的時間，較終確定在夏天高溫時LED顯示屏19:00開啟，此時的室外溫度約29℃。通過與LED顯示屏設備廠家溝通，晚上因需要的光照強度比白天低，其耗電量也可減少到150 W/m2。根據式（1）計算得，LED顯示屏發熱量為177 k W。夜間室外綜合溫度29℃，根據式（2）計算，得所需的通風量為15 900 m3/h；每臺風機排風量約2 650 m3/h。

3.4 方案選擇

雖然自然冷卻沒有輔助機械設備，無機械故障，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，通過上下兩端進入空腔，灰塵數量達到一定層度，LED使用時畫質會受到影響。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，人員無法進入空腔清洗；其二、如果通過8～13層辦公室的室內位置清洗，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空腔內積灰，空腔上下端必須封閉起來，自然冷卻的方式無法實現。

空調降溫的方案不僅存在運行的時間的問題，同時還存在消防的隱患。8～13層每層為1個獨立的防火分區，在LED運行時，至少有3層的外窗需要打開為空腔制冷，而空腔相當于1個大的管井，使得至少有3個樓層的防火難以保證。若使用可開啟消防聯動窗，雖然可以解決消防問題，但因每層都要設置消防聯動窗，不僅增加了造價且控制復雜。

根據本項目的特點，較終制定了機械通風散熱的方案。

4 結語

高溫對戶外固定安裝LED顯示屏的可靠性、穩定性影響較大，需要做散熱設計。散熱設計，需要先從項目的自身特點出發，做符合項目的方案，并附有計算過程，計算無問題后再做原型機測試驗證。測試驗證無問題的LED顯示屏，才會在實際工作中不出現高溫情況。