LED影廳的系統散熱設計研究與實踐

【摘要】2024年是影院LED顯示屏大規模應用元年，以“中影科技”為代表的國產廠商，充分利用中國LED產業鏈研發與制造優勢，對電影傳統放映技術進行了突破與新的實踐。無論是膠片式放映機還是數字電影放映機，都是基于投影的技術，是放映機將光影投向銀幕，反射入人眼的一種技術，而影院LED顯示屏完全不同于傳統投影技術，它是基于LED的直顯設備。這兩種技術形態的產品在設計和使用上有著本質的區別，尤其是在影廳的布局上，為了達到設備的穩定運行，其系統級的散熱設計需要依據放映設備本身的特性進行合適的設計。本文通過分析不同放映設備的形態和散熱要求，結合影廳布局，對新興的影院LED顯示屏的系統散熱設計進行了系統的研究，并給出了實用的設計建議。

【關鍵詞】LED影廳 放映機散熱 散熱系統 光源

一、傳統電影放映設備的形態特性及其散熱方式

從1894年世界上第一臺膠片電影機誕生一直到數字放映技術普及之前，上百年間電影放映設備主要依賴于膠片放映機。膠片放映機由幾個關鍵部分組成：膠片輸送系統、光源系統、鏡頭系統以及聲音同步系統。

膠片輸送系統：這是放映機中最復雜的部分之一，負責將膠片以恒定的速度通過放映機的核心部件。膠片通過一系列的滾輪和齒輪進行傳送，確保每秒通過鏡頭的膠片長度固定，從而保證影片播放的流暢性。

光源系統：早期的放映機多采用氙燈作為光源。氙燈具有高亮度，能夠提供足夠的光線穿透膠片，投射到銀幕上。

鏡頭系統：鏡頭系統負責將來自光源的光線聚焦并通過膠片最終投射到銀幕上。不同的鏡頭可以產生不同大小的影像，適應不同尺寸的銀幕。

聲音同步系統：除了圖像外，聲音同樣重要。傳統膠片上有一條專用于記錄聲音的軌道，放映機上的聲音讀取裝置會將這些信息轉換成聲音信號，通過揚聲器播放出來。

由于膠片的材料大多為樹脂等有機材料，其本身雖然在耐高溫上有一定限制，但是由于膠片通過轉盤迅速的轉動，光源的熱量在膠片上無法有效積累，所以，膠片仍然能夠承受大功率的氙燈光源產生的熱量。35mm膠片放映機所采用的氙燈光源功率可高達7000W， IMAX 70mm膠片放映機所采用的氙燈光源功率可高達15000W[1]

1987年美國TI創造出世界上第一顆DLP芯片，在接下來的15年內，放映機完成了從膠片時代到數字時代的轉換。數字電影放映機由幾個關鍵部分組成：光學引擎系統、光源系統、控制系統、鏡頭系統以及媒體播放服務器系統。

數字電影放映機在光學系統架構上仍然是一種投影技術，光源仍然是氙燈或汞燈，其散熱系統仍然是以風扇驅動的強制對流散熱為主。由于DLP芯片相對更強的耐高溫特點，使得滿足更大銀幕的放映機成為可能，放映機的亮度可以高達60000流明，氙燈功率更是高達6000瓦。

2010年之后，激光光源開始逐步取代傳統放映機中的燈泡[2]，并在中國進行了快速替換，目前中國市場的新機出貨主要以激光光源放映機為主，燈泡光源的放映機出貨占比已降至個位數；存量市場的燈泡放映機也正在被激光光源的放映機快速替代。

無論是傳統的燈泡光源，還是現在的激光光源，數字電影放映機在工作時，光源系統仍然是產生熱量的主要來源，光源系統雖然提供了強大的亮度支持，但同時也伴隨著高溫問題。如果不妥善處理散熱，可能會導致設備過熱和放映間的環境溫度過熱，進而影響放映質量和設備壽命。

電影放映設備的散熱系統組成：

內置風扇設計：數字電影放映機都配備了內置風扇系統，通過強制空氣循環帶走設備內部的熱量。這些風扇通常安裝在關鍵部位附近，如燈箱周圍，以便直接冷卻發熱元件。

空氣導流設計：除了風扇以外，合理的空氣風道導流設計也非常關鍵。放映機內部會有專門設計的導風道，使得冷空氣能夠有效地進入并包圍或流經發熱元件，然后將加熱后的空氣引導至機器外部排放。

散熱材料的應用：在現代的數字放映設備中，還會使用特殊的散熱材料，比如熱管技術、熱電制冷技術和水冷散熱技術，它們都屬于熱傳導技術的一種實現方式。

溫控系統：現代的一些放映機還可能配備自動溫控系統，能夠實時監測設備外部的環境溫度和內部關鍵元器件和區域的溫度，并根據實際情況調節風扇轉速或其他散熱措施，以達到最佳的散熱效果。

此外，還有建筑排風系統。建筑排風系統是利用影院建筑的排風系統，將放映機產生的熱量通過特定的排風管道，直接排出到影院外部的裝置，它是保持放映間環境溫度適宜和設備正常運行的關鍵散熱系統。

數字電影放映機的散熱系統會綜合運用熱對流和熱傳導技術，熱輻射技術則較少使用。

激光光源是半導體光源，通常先采用熱管散熱器或者水冷散熱器將光源熱量傳導至散熱片，再由風扇通過空氣對流方式將熱量從散熱片排出放映機。放映機的排熱量通常在1000瓦以上，持續的熱量在放映機堆積，會導致放映間的溫度升高，進而導致放映機的環境溫度升高，為了使放映機能夠工作在一個正常的環境，通常會設置排風系統將放映機的熱量快速抽走，使其不引起放映間環境溫度的升高進而影響放映設備的正常運行。對于較為開闊的放映間，且放映機排熱量較小時，也可以使用放映機的自排風系統，通過放映間和外界自然空氣對流的方式自然散熱。

二、影院LED顯示屏的產品形態和熱設計

影院LED顯示屏系統包括LED顯示屏、顯示控制系統、電影播放服務器、聲音系統，和立體放映系統等[4]。

LED顯示屏是半導體發光顯示技術，由LED箱體拼接而成，是系統發熱的主要部分。根據顯示屏尺寸的大小，其發熱量從1000W至40000W不等，例如，中影科技的CFL-3型號的電影屏功率只有2500W，而CFL-20這款20米的影院顯示屏功率高達36000W。每個LED箱體由LED框架， LED燈板，控制卡， hub板，電源等模塊組成。其中，燈板是LED箱體發熱的主要部分，占到LED總發熱量的90%。以中影科技的CFL-20影院顯示屏為例，單個LED箱體的功耗分布： LED燈板105W，控制卡10W，電源10W。整屏由橫向32個，豎向9個箱體組成，共計288個箱體，在全屏打白光且設置到最高亮度時，系統功率高達36000W。

需要說明的是，電影屏的最高功率是在全屏打白光時的功率，并不是實際運行時的實際功耗，由于影片平均亮度遠低于白屏亮度，所以電影屏實際運行時的功耗遠小于系統最大功率，較為典型的影片，其內容平均亮度通常為白屏亮度的20% ～50%左右。

雖然LED箱體的主要發熱部件是LED燈板，但是由于LED燈板面積較大，其熱密度通常較小，例如CFL - 20的單個LED箱體尺寸為640mm×1200mm，其熱密度只有136. 7W/ m2或0. 01367 W/ cm2，根據GB/ T 31845-2015的推薦，采用自然冷卻的散熱方式即可。而內部的控制卡和電源模塊，由于自身已經帶有散熱系統，無需對其進行特別的設計，可以認為是自然散熱。

而整屏的功耗卻不可忽視，其最高功率高達36000W，即使典型功耗也有10000W左右，其對影廳的熱影響不可以忽視。

三、LED影廳的散熱設計研究與實踐

傳統影院由于采用投影放映機的形式，其建筑布局基本上分為放映間和影廳兩部分。

放映間設置單獨的抽風管道將放映機的熱量帶走；而影廳的新風系統和空調系統只負責室溫的調節。當放映設備采用LED顯示屏時，放映設備由放映機變為LED電影屏，放置位置由放映間變為傳統銀幕區域，其主要熱量也由放映間轉移到了影廳內部，且集中于顯示屏區域。雖然LED顯示屏本身可以采用自然散熱的形式，但是整屏的熱量巨大，其對影廳的影響不可忽視，如果處理不好，將會使整個影廳的環境溫度升溫，進而使設備運行的可靠性和觀眾的體感舒適度受到影響。影廳的熱力分布可以通過Flotherm或FLoEFD等熱仿真軟件進行分析，以中影科技CFL-16為例，我們通過三種工況來進行仿真分析：

工況1：在沒有LED顯示屏時，仿真輸入條件如下：

（1）假設滿場，按220人計，估算考慮人靜坐時總發熱量22KW[5]

（2）其它廳內設備預估2KW

（3）熱交換介質：空氣

（4）環境溫度： 25℃

（5）影廳空調系統分布（按照中影國際影城天天中影CINITY店的實際空調布局）：

在頂部均布16個空調進風口和2個回風口，第1行（靠近LED屏這一側）空調進風量560 m3/ h，第2行空調進風量500m3/ h，第3行空調進風量480m3/ h，第4行空調進風量400m3/ h，

總進風量6800m3/ h，進風溫度為18℃， 2個回風口回風量也為6800m3/ h，進排風口分布如圖3所示：

由仿真分析結果可知：廳內溫升只有1. 7℃，目前廳內空調系統的制冷能力基本可以滿足廳內在滿員情況下的熱負載要求。

工況2：與工況1完全一致的情況下，增加LED顯示屏， CFL-16型號的最大功耗為25KW。

由仿真分析結果可知：

（1）由于重力原因，通過被LED顯示屏加熱后的熱氣流會向上走，熱氣堆積到屏體上方（影廳頂部），并且向觀眾區擴散。觀眾自身產生的熱氣流則由后部向上方流動，并在影廳頂部中間區域和屏體產生的熱氣流交匯，并向下向觀眾區進行熱量擴散。

（2）相應的，整屏溫度分布也會導致上部溫升高于下部，上下溫差超過了4℃。屏體過高的溫差會導致LED衰減不一致，長時間運行會導致整屏出現色差。

（3）同時由于空調制冷能力不足，被加熱后的熱氣流會在廳內不斷循環，影廳整體溫升約11. 3℃，屏體溫度超過39℃，觀眾區超過37℃，會導致體感較熱。

工況3：與工況2完全一致的情況下，增加頂部排風系統，輸入條件如下：

（4）在全部廳內空調設計與工況條件1完全一致的情況下，在LED顯示屏的上下增加進風與排風口。

（5）進排風系統尺寸：在LED顯示屏頂部均勻布置8個0. 4？0. 4米的排風口，每個排風口的排風風速3m/ s。

（6）同時在LED顯示屏底部均勻布置8個0. 4？0. 4米的進風口，每個進風口的進風風速3m/ s

（7）進排風系統排風量： 3. 84m3/ h。

由仿真分析結果可知：

（1）排風系統可將上升的熱氣流迅速排走，避免熱氣堆積，進而降低屏體溫度熱力分布不均，上下部溫差小于2℃。

（2）影廳整體溫升只有約2度，可有效降低影廳的溫升，使觀眾體感溫度保持在舒適范圍內。

中影國際影城（天天中影CINITY店）的排風系統和空調系統根據CFL-16的仿真散熱分析結果，對新風系統和空調系統按照工況3進行了重新的設置和調整，使屏體上部和下部的溫差由改造前的4度降低為2度；同時，影廳內的溫升由改造前的11度降低為1-2度，大大改善了觀眾的觀影環境的舒適度。

四、影院LED顯示屏的系統散熱設計建議

根據影院LED顯示屏的產品形態和其本身的散熱特性，我們可以看到，相比于傳統投影放映機的散熱設計，影院LED顯示屏的系統散熱設計需要在整體空間布局上進行調整，排風系統需要根據影院屏的發熱量設定合適的排風量，影廳內的散熱設計和建議總結如下：

1、根據設計或實測確定影院屏的最大功率？LED，并估算LED顯示屏的熱輻射功率？LEDf

2、需要考慮觀眾自身產生的熱量對影廳溫度的影響。可以根據《JGJ58-2008電影院建筑設計規范》推薦的人發熱全量參考值96W？觀眾人數進行評估，設其總熱量？R。

3、根據廳內座位數量確認新風量？N及其所需求制冷量？K，新風量計算可根據《GB/ T21048 -2007電影院星級的劃分與評定》。

4、確認廳內其它設備（譬如照明、音響等）的功耗？s，，通常可忽略不計。

5、確定影廳空調系統的總需求制冷功率？N+？K=？LED+？R+？s。

6、根據公式Q = （？N+？K） / Cp？ΔT，計算影廳所需的總排風量Q。ΔT取值為我們期望的溫升。

7、影廳總排風量的需要一定的裕量設計，推薦值為設計值Q的1. 2-1. 5倍。

8、LED顯示屏的散熱排風口設計在屏體頂部，盡可能覆蓋屏體正上方和其上前方位置，建議的區域大小為覆蓋屏體寬度；觀眾區域的可保持傳統影廳的空調布局。

9、當沒有條件設置排風系統時，空調系統需要滿足：

（1）制冷量：？K要增加LED顯示屏的對流換熱量？LEDn。

（2）空調出風口不可以對著屏體表面，避免水汽冷凝對燈板電路造成短路。

五、總結與展望

影院LED顯示屏是一種新型的放映系統，其散熱特點完全不同于傳統的投影放映系統，其散熱要求對影廳的布局和排風系統的設計或空調系統的設計，都提出了全新的要求，這需要在影廳建設時就進行考慮。如果只按照傳統的投影放映機的系統散熱要求進行設計，很可能會出現影院LED顯示屏的散熱受限，這不僅會對顯示屏的壽命和光學表現造成影響，還會對觀眾的體感溫度造成影響。影院LED顯示屏的系統散熱設計要充分考慮屏體的最大功耗、影廳排風系統的排風量或者空調系統的制冷量，排風口的位置關系，以及星級影院的環境舒適度等要求來進行合理設計。

未來，可以將期望的廳內環境溫度T、實際播放不同影片類型（注： SDR/ HDR/3D三種模式下的亮度設置是不同的，具體數值可參考廠商推薦的規格）時的屏體典型功耗？T（非整屏打白光時的最大功耗）、觀影人數R這三種變量和排風量、制冷量進行關聯設計，使其成為一種自動化的影廳散熱系統，該系統在滿足LED顯示屏可靠運行和觀影舒適度的同時，可以更加高效節能。

注釋

[1]北京旅游網， 2022-02-10，《中國科技館巨幕影院傾情推出膠片電影落幕演出》。網址： https： / / www. visitbeijing. com. cn/ article/47Qkt3lgd51

[2]《現代電影技術》2017年第5期，從數字放映系統的演變看數字影院技術的發展趨勢，作者：中影巴可（北京）電子有限公司 陳凡 朱國華 籍雪煒 徐鶴然

[3]《GB/ T 31845電工電子設備機械結構 熱設計規范》， 2015年， A. 5. 1風機冷卻時的風量計算

[4]《Q110116CFC DYT 3影院LED顯示屏放映系統技術要求及測量方法》， 2023年，中國電影股份有限公司企業標準

[5]《JGJ58- 2008電影院建筑設計規范》， 2008年，表8. 2. 5數據計算