LED影厅的系统散热设计研究与实践

【摘要】2024年是影院LED显示屏大规模应用元年，以“中影科技”为代表的国产厂商，充分利用中国LED产业链研发与制造优势，对电影传统放映技术进行了突破与新的实践。无论是胶片式放映机还是数字电影放映机，都是基于投影的技术，是放映机将光影投向银幕，反射入人眼的一种技术，而影院LED显示屏完全不同于传统投影技术，它是基于LED的直显设备。这两种技术形态的产品在设计和使用上有着本质的区别，尤其是在影厅的布局上，为了达到设备的稳定运行，其系统级的散热设计需要依据放映设备本身的特性进行合适的设计。本文通过分析不同放映设备的形态和散热要求，结合影厅布局，对新兴的影院LED显示屏的系统散热设计进行了系统的研究，并给出了实用的设计建议。

【关键词】LED影厅 放映机散热 散热系统 光源

一、传统电影放映设备的形态特性及其散热方式

从1894年世界上第一台胶片电影机诞生一直到数字放映技术普及之前，上百年间电影放映设备主要依赖于胶片放映机。胶片放映机由几个关键部分组成：胶片输送系统、光源系统、镜头系统以及声音同步系统。

胶片输送系统：这是放映机中最复杂的部分之一，负责将胶片以恒定的速度通过放映机的核心部件。胶片通过一系列的滚轮和齿轮进行传送，确保每秒通过镜头的胶片长度固定，从而保证影片播放的流畅性。

光源系统：早期的放映机多采用氙灯作为光源。氙灯具有高亮度，能够提供足够的光线穿透胶片，投射到银幕上。

镜头系统：镜头系统负责将来自光源的光线聚焦并通过胶片最终投射到银幕上。不同的镜头可以产生不同大小的影像，适应不同尺寸的银幕。

声音同步系统：除了图像外，声音同样重要。传统胶片上有一条专用于记录声音的轨道，放映机上的声音读取装置会将这些信息转换成声音信号，通过扬声器播放出来。

由于胶片的材料大多为树脂等有机材料，其本身虽然在耐高温上有一定限制，但是由于胶片通过转盘迅速的转动，光源的热量在胶片上无法有效积累，所以，胶片仍然能够承受大功率的氙灯光源产生的热量。35mm胶片放映机所采用的氙灯光源功率可高达7000W， IMAX 70mm胶片放映机所采用的氙灯光源功率可高达15000W[1]

1987年美国TI创造出世界上第一颗DLP芯片，在接下来的15年内，放映机完成了从胶片时代到数字时代的转换。数字电影放映机由几个关键部分组成：光学引擎系统、光源系统、控制系统、镜头系统以及媒体播放服务器系统。

数字电影放映机在光学系统架构上仍然是一种投影技术，光源仍然是氙灯或汞灯，其散热系统仍然是以风扇驱动的强制对流散热为主。由于DLP芯片相对更强的耐高温特点，使得满足更大银幕的放映机成为可能，放映机的亮度可以高达60000流明，氙灯功率更是高达6000瓦。

2010年之后，激光光源开始逐步取代传统放映机中的灯泡[2]，并在中国进行了快速替换，目前中国市场的新机出货主要以激光光源放映机为主，灯泡光源的放映机出货占比已降至个位数；存量市场的灯泡放映机也正在被激光光源的放映机快速替代。

无论是传统的灯泡光源，还是现在的激光光源，数字电影放映机在工作时，光源系统仍然是产生热量的主要来源，光源系统虽然提供了强大的亮度支持，但同时也伴随着高温问题。如果不妥善处理散热，可能会导致设备过热和放映间的环境温度过热，进而影响放映质量和设备寿命。

电影放映设备的散热系统组成：

内置风扇设计：数字电影放映机都配备了内置风扇系统，通过强制空气循环带走设备内部的热量。这些风扇通常安装在关键部位附近，如灯箱周围，以便直接冷却发热元件。

空气导流设计：除了风扇以外，合理的空气风道导流设计也非常关键。放映机内部会有专门设计的导风道，使得冷空气能够有效地进入并包围或流经发热元件，然后将加热后的空气引导至机器外部排放。

散热材料的应用：在现代的数字放映设备中，还会使用特殊的散热材料，比如热管技术、热电制冷技术和水冷散热技术，它们都属于热传导技术的一种实现方式。

温控系统：现代的一些放映机还可能配备自动温控系统，能够实时监测设备外部的环境温度和内部关键元器件和区域的温度，并根据实际情况调节风扇转速或其他散热措施，以达到最佳的散热效果。

此外，还有建筑排风系统。建筑排风系统是利用影院建筑的排风系统，将放映机产生的热量通过特定的排风管道，直接排出到影院外部的装置，它是保持放映间环境温度适宜和设备正常运行的关键散热系统。

数字电影放映机的散热系统会综合运用热对流和热传导技术，热辐射技术则较少使用。

激光光源是半导体光源，通常先采用热管散热器或者水冷散热器将光源热量传导至散热片，再由风扇通过空气对流方式将热量从散热片排出放映机。放映机的排热量通常在1000瓦以上，持续的热量在放映机堆积，会导致放映间的温度升高，进而导致放映机的环境温度升高，为了使放映机能够工作在一个正常的环境，通常会设置排风系统将放映机的热量快速抽走，使其不引起放映间环境温度的升高进而影响放映设备的正常运行。对于较为开阔的放映间，且放映机排热量较小时，也可以使用放映机的自排风系统，通过放映间和外界自然空气对流的方式自然散热。

二、影院LED显示屏的产品形态和热设计

影院LED显示屏系统包括LED显示屏、显示控制系统、电影播放服务器、声音系统，和立体放映系统等[4]。

LED显示屏是半导体发光显示技术，由LED箱体拼接而成，是系统发热的主要部分。根据显示屏尺寸的大小，其发热量从1000W至40000W不等，例如，中影科技的CFL-3型号的电影屏功率只有2500W，而CFL-20这款20米的影院显示屏功率高达36000W。每个LED箱体由LED框架， LED灯板，控制卡， hub板，电源等模块组成。其中，灯板是LED箱体发热的主要部分，占到LED总发热量的90%。以中影科技的CFL-20影院显示屏为例，单个LED箱体的功耗分布： LED灯板105W，控制卡10W，电源10W。整屏由横向32个，竖向9个箱体组成，共计288个箱体，在全屏打白光且设置到最高亮度时，系统功率高达36000W。

需要说明的是，电影屏的最高功率是在全屏打白光时的功率，并不是实际运行时的实际功耗，由于影片平均亮度远低于白屏亮度，所以电影屏实际运行时的功耗远小于系统最大功率，较为典型的影片，其内容平均亮度通常为白屏亮度的20% ～50%左右。

虽然LED箱体的主要发热部件是LED灯板，但是由于LED灯板面积较大，其热密度通常较小，例如CFL - 20的单个LED箱体尺寸为640mm×1200mm，其热密度只有136. 7W/ m2或0. 01367 W/ cm2，根据GB/ T 31845-2015的推荐，采用自然冷却的散热方式即可。而内部的控制卡和电源模块，由于自身已经带有散热系统，无需对其进行特别的设计，可以认为是自然散热。

而整屏的功耗却不可忽视，其最高功率高达36000W，即使典型功耗也有10000W左右，其对影厅的热影响不可以忽视。

三、LED影厅的散热设计研究与实践

传统影院由于采用投影放映机的形式，其建筑布局基本上分为放映间和影厅两部分。

放映间设置单独的抽风管道将放映机的热量带走；而影厅的新风系统和空调系统只负责室温的调节。当放映设备采用LED显示屏时，放映设备由放映机变为LED电影屏，放置位置由放映间变为传统银幕区域，其主要热量也由放映间转移到了影厅内部，且集中于显示屏区域。虽然LED显示屏本身可以采用自然散热的形式，但是整屏的热量巨大，其对影厅的影响不可忽视，如果处理不好，将会使整个影厅的环境温度升温，进而使设备运行的可靠性和观众的体感舒适度受到影响。影厅的热力分布可以通过Flotherm或FLoEFD等热仿真软件进行分析，以中影科技CFL-16为例，我们通过三种工况来进行仿真分析：

工况1：在没有LED显示屏时，仿真输入条件如下：

（1）假设满场，按220人计，估算考虑人静坐时总发热量22KW[5]

（2）其它厅内设备预估2KW

（3）热交换介质：空气

（4）环境温度： 25℃

（5）影厅空调系统分布（按照中影国际影城天天中影CINITY店的实际空调布局）：

在顶部均布16个空调进风口和2个回风口，第1行（靠近LED屏这一侧）空调进风量560 m3/ h，第2行空调进风量500m3/ h，第3行空调进风量480m3/ h，第4行空调进风量400m3/ h，

总进风量6800m3/ h，进风温度为18℃， 2个回风口回风量也为6800m3/ h，进排风口分布如图3所示：

由仿真分析结果可知：厅内温升只有1. 7℃，目前厅内空调系统的制冷能力基本可以满足厅内在满员情况下的热负载要求。

工况2：与工况1完全一致的情况下，增加LED显示屏， CFL-16型号的最大功耗为25KW。

由仿真分析结果可知：

（1）由于重力原因，通过被LED显示屏加热后的热气流会向上走，热气堆积到屏体上方（影厅顶部），并且向观众区扩散。观众自身产生的热气流则由后部向上方流动，并在影厅顶部中间区域和屏体产生的热气流交汇，并向下向观众区进行热量扩散。

（2）相应的，整屏温度分布也会导致上部温升高于下部，上下温差超过了4℃。屏体过高的温差会导致LED衰减不一致，长时间运行会导致整屏出现色差。

（3）同时由于空调制冷能力不足，被加热后的热气流会在厅内不断循环，影厅整体温升约11. 3℃，屏体温度超过39℃，观众区超过37℃，会导致体感较热。

工况3：与工况2完全一致的情况下，增加顶部排风系统，输入条件如下：

（4）在全部厅内空调设计与工况条件1完全一致的情况下，在LED显示屏的上下增加进风与排风口。

（5）进排风系统尺寸：在LED显示屏顶部均匀布置8个0. 4？0. 4米的排风口，每个排风口的排风风速3m/ s。

（6）同时在LED显示屏底部均匀布置8个0. 4？0. 4米的进风口，每个进风口的进风风速3m/ s

（7）进排风系统排风量： 3. 84m3/ h。

由仿真分析结果可知：

（1）排风系统可将上升的热气流迅速排走，避免热气堆积，进而降低屏体温度热力分布不均，上下部温差小于2℃。

（2）影厅整体温升只有约2度，可有效降低影厅的温升，使观众体感温度保持在舒适范围内。

中影国际影城（天天中影CINITY店）的排风系统和空调系统根据CFL-16的仿真散热分析结果，对新风系统和空调系统按照工况3进行了重新的设置和调整，使屏体上部和下部的温差由改造前的4度降低为2度；同时，影厅内的温升由改造前的11度降低为1-2度，大大改善了观众的观影环境的舒适度。

四、影院LED显示屏的系统散热设计建议

根据影院LED显示屏的产品形态和其本身的散热特性，我们可以看到，相比于传统投影放映机的散热设计，影院LED显示屏的系统散热设计需要在整体空间布局上进行调整，排风系统需要根据影院屏的发热量设定合适的排风量，影厅内的散热设计和建议总结如下：

1、根据设计或实测确定影院屏的最大功率？LED，并估算LED显示屏的热辐射功率？LEDf

2、需要考虑观众自身产生的热量对影厅温度的影响。可以根据《JGJ58-2008电影院建筑设计规范》推荐的人发热全量参考值96W？观众人数进行评估，设其总热量？R。

3、根据厅内座位数量确认新风量？N及其所需求制冷量？K，新风量计算可根据《GB/ T21048 -2007电影院星级的划分与评定》。

4、确认厅内其它设备（譬如照明、音响等）的功耗？s，，通常可忽略不计。

5、确定影厅空调系统的总需求制冷功率？N+？K=？LED+？R+？s。

6、根据公式Q = （？N+？K） / Cp？ΔT，计算影厅所需的总排风量Q。ΔT取值为我们期望的温升。

7、影厅总排风量的需要一定的裕量设计，推荐值为设计值Q的1. 2-1. 5倍。

8、LED显示屏的散热排风口设计在屏体顶部，尽可能覆盖屏体正上方和其上前方位置，建议的区域大小为覆盖屏体宽度；观众区域的可保持传统影厅的空调布局。

9、当没有条件设置排风系统时，空调系统需要满足：

（1）制冷量：？K要增加LED显示屏的对流换热量？LEDn。

（2）空调出风口不可以对着屏体表面，避免水汽冷凝对灯板电路造成短路。

五、总结与展望

影院LED显示屏是一种新型的放映系统，其散热特点完全不同于传统的投影放映系统，其散热要求对影厅的布局和排风系统的设计或空调系统的设计，都提出了全新的要求，这需要在影厅建设时就进行考虑。如果只按照传统的投影放映机的系统散热要求进行设计，很可能会出现影院LED显示屏的散热受限，这不仅会对显示屏的寿命和光学表现造成影响，还会对观众的体感温度造成影响。影院LED显示屏的系统散热设计要充分考虑屏体的最大功耗、影厅排风系统的排风量或者空调系统的制冷量，排风口的位置关系，以及星级影院的环境舒适度等要求来进行合理设计。

未来，可以将期望的厅内环境温度T、实际播放不同影片类型（注： SDR/ HDR/3D三种模式下的亮度设置是不同的，具体数值可参考厂商推荐的规格）时的屏体典型功耗？T（非整屏打白光时的最大功耗）、观影人数R这三种变量和排风量、制冷量进行关联设计，使其成为一种自动化的影厅散热系统，该系统在满足LED显示屏可靠运行和观影舒适度的同时，可以更加高效节能。

注释

[1]北京旅游网， 2022-02-10，《中国科技馆巨幕影院倾情推出胶片电影落幕演出》。网址： https： / / www. visitbeijing. com. cn/ article/47Qkt3lgd51

[2]《现代电影技术》2017年第5期，从数字放映系统的演变看数字影院技术的发展趋势，作者：中影巴可（北京）电子有限公司 陈凡 朱国华 籍雪炜 徐鹤然

[3]《GB/ T 31845电工电子设备机械结构 热设计规范》， 2015年， A. 5. 1风机冷却时的风量计算

[4]《Q110116CFC DYT 3影院LED显示屏放映系统技术要求及测量方法》， 2023年，中国电影股份有限公司企业标准

[5]《JGJ58- 2008电影院建筑设计规范》， 2008年，表8. 2. 5数据计算