摘

要：室外落地安裝UPS柜防護(hù)等級高，內(nèi)部空間相對密閉，柜內(nèi)運(yùn)行溫度更易受內(nèi)部設(shè)備熱耗及外部太陽輻射的影響。鑒于此，針對UPS柜運(yùn)行溫度過高的原因進(jìn)行分析，計(jì)算出UPS柜得熱量，并選擇合理的降溫散熱方式，確定強(qiáng)制通風(fēng)散熱風(fēng)機(jī)參數(shù)要求，為UPS柜及柜內(nèi)設(shè)備的平穩(wěn)、可靠、安全運(yùn)行提供保障，也為后期開展相關(guān)類似工程建設(shè)積累了經(jīng)驗(yàn)。

1、工程概述本工程位于海南省三亞市，是一個(gè)圍欄安防監(jiān)控工程，類似于機(jī)場四周圍欄防入侵告警防護(hù)系統(tǒng)，由監(jiān)控?cái)z像機(jī)、雷達(dá)等組成多道防入侵報(bào)警系統(tǒng)，負(fù)責(zé)圍欄及圍欄外一定合理距離內(nèi)的入侵報(bào)警工作，實(shí)現(xiàn)全天時(shí)、全天候、寬廣域、多批次目標(biāo)的高精度探測、跟蹤和軌跡測量，準(zhǔn)確報(bào)告人員入侵行為、時(shí)間和地點(diǎn)。系統(tǒng)通過多點(diǎn)協(xié)同分析，達(dá)到了極低誤警、杜絕漏警的效果。本工程所處地區(qū)屬于海洋性熱帶雨林氣候，溫差大，高溫、高濕、高鹽，當(dāng)?shù)叵募臼彝鉂袂驕囟?8.1℃、干球溫度32.8℃、大氣壓1005.6kPa、相對濕度73%。本工程的監(jiān)控設(shè)備具有數(shù)量多、范圍廣、防線長等特點(diǎn)，根據(jù)用電設(shè)備對供電可靠性的要求及中斷供電所造成的影響程度，室外監(jiān)控設(shè)備用電為二級負(fù)荷，供電電壓等級為220V/380V，供電電源穩(wěn)態(tài)電壓偏差不大于±10%，頻率偏移不大于±0.2Hz。為保證安防設(shè)備供電的連續(xù)性，配電箱內(nèi)增設(shè)UPS作為備用電源，每臺UPS柜總?cè)萘?kVA，沿圍欄每間隔一段距離設(shè)置一臺UPS柜，在圍欄內(nèi)側(cè)落點(diǎn)安裝于混凝土基礎(chǔ)上。每臺UPS柜內(nèi)設(shè)置兩個(gè)低壓出線回路，分別對左、右不超過一定范圍內(nèi)的監(jiān)控設(shè)備供電，每臺UPS柜的電源均由圍欄內(nèi)附近變電站引入。UPS柜外形尺寸（長×寬×高）為1200mm×800mm×1500mm，頂部有簡易遮陽頂棚，四周無遮擋。

2、UPS柜溫度過高原因分析如圖1所示，本工程中UPS柜的供電分為三種模式：1）旁路輸入供電模式：市電輸入，通過靜態(tài)開關(guān)直接輸出。2）正常供電模式（交流輸入）：市電輸入，分別經(jīng)過隔離變壓器、整流器、逆變器、隔離變壓器、靜態(tài)開關(guān)輸出。3）直流輸入供電模式：由18塊閥控式密封鉛酸蓄電池（型號：G-GFM-24）串聯(lián)后作為直流電源輸入，單個(gè)蓄電池的電壓為12V、24Ah，直流電輸入后，分別經(jīng)過逆止二極管、逆變器、隔離變壓器、靜態(tài)開關(guān)輸出。旁路輸入供電模式只在設(shè)備故障或設(shè)備檢修的情況下才采用；直流輸入供電模式用于在交流輸入或旁路輸入失電情況下實(shí)現(xiàn)零切換無縫銜接轉(zhuǎn)換供電；一般情況下，UPS柜自動(dòng)默認(rèn)為交流輸入的正常供電模式。在本工程試運(yùn)行過程中發(fā)現(xiàn)，每天白天UPS柜內(nèi)運(yùn)行溫度較長時(shí)間高于40℃的設(shè)計(jì)要求，尤其是在天氣晴朗的情況下。運(yùn)行溫度高不僅會(huì)影響柜內(nèi)設(shè)備的壽命，導(dǎo)致設(shè)備損壞或老化加速，更嚴(yán)重的還會(huì)導(dǎo)致安全事故發(fā)生，影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。首先要明確導(dǎo)致UPS柜內(nèi)溫度升高的具體原因。結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際，運(yùn)行溫度高原因包括以下兩個(gè)方面：1）柜內(nèi)設(shè)備散發(fā)熱量導(dǎo)致柜內(nèi)的溫度升高；2）室外太陽直射輻射導(dǎo)致柜內(nèi)溫度升高。3、UPS柜溫度高解決辦法下面針對導(dǎo)致UPS柜內(nèi)溫度升高的具體原因，探討降低柜內(nèi)運(yùn)行溫度的可行性方案，從而結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，經(jīng)綜合比較，最終選擇一個(gè)經(jīng)濟(jì)、可行的具體解決辦法。3.1

UPS柜內(nèi)設(shè)備選用及布局1）柜內(nèi)設(shè)備選用節(jié)能、環(huán)保、低發(fā)熱量型，運(yùn)行安全平穩(wěn)，設(shè)備之間連接線纜緊密可靠，避免接觸不良增加額外發(fā)熱，導(dǎo)致運(yùn)行不安全不可控。2）合理布局柜內(nèi)設(shè)備安裝位置，避免過于密集及設(shè)備之間的重疊，尤其是發(fā)熱量大的設(shè)備（如隔離變壓器等），防止熱點(diǎn)集中，保持設(shè)備與箱體之間的安裝間距，加大散熱空間，從而減緩溫度升高。3）柜體采用散熱效率好的材質(zhì)，增加柜體的散熱表面積，提高柜體內(nèi)對外的散熱量，從而減緩柜內(nèi)溫度的升高。然而，現(xiàn)場UPS柜已到貨，柜內(nèi)設(shè)備型號規(guī)格、布局等已確定，再通過柜內(nèi)設(shè)備或箱體更換、設(shè)備布局調(diào)整來降低發(fā)熱量顯然既不經(jīng)濟(jì)，現(xiàn)場實(shí)際操作也不可行。3.2

降低太陽直射輻射得熱量太陽直射輻射得熱量與太陽的輻射強(qiáng)度有關(guān)，即與UPS柜安裝地區(qū)的經(jīng)緯度有關(guān)，一旦安裝位置所在的地區(qū)確定，即可確定該地區(qū)的太陽輻射強(qiáng)度，室外落地安裝UPS柜，若要減少太陽直射輻射引起的溫度升高，最直接有效的解決辦法是將UPS柜整個(gè)遮蔽，即增加密閉式防護(hù)棚或配電房，將UPS柜室外安裝變更為室內(nèi)安裝，但結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，該方案既不經(jīng)濟(jì)也不可行。3.3

增加柜體通風(fēng)換熱在滿足UPS柜防護(hù)等級要求的情況下，考慮到經(jīng)濟(jì)性、可行性、可靠性及后期運(yùn)行保養(yǎng)的便捷性，增加排風(fēng)風(fēng)機(jī)進(jìn)行強(qiáng)制通風(fēng)換熱來降低柜內(nèi)溫度是最有效的方法。即通過選擇安裝風(fēng)量合理的風(fēng)機(jī)，布設(shè)送、排風(fēng)機(jī)的位置來改善通風(fēng)條件，強(qiáng)制促進(jìn)柜內(nèi)換氣散熱，達(dá)到降低UPS柜內(nèi)溫度的目的。綜上所述，增加柜體內(nèi)強(qiáng)制通風(fēng)換熱，即增加排風(fēng)機(jī)是最經(jīng)濟(jì)、可行的解決辦法。4、UPS柜內(nèi)得熱量的計(jì)算結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，本工程UPS柜內(nèi)溫度升高的熱量主要來自兩部分，一部分是柜內(nèi)設(shè)備散發(fā)的熱量，主要是隔離變壓器；另一部分是戶外來自太陽直射輻射的熱量。下面分別計(jì)算出這兩部分的熱量值。4.1

柜內(nèi)設(shè)備散熱量柜內(nèi)設(shè)備的散熱量可按UPS柜一般損耗轉(zhuǎn)化為熱量計(jì)算，即設(shè)備散熱量=總?cè)萘俊粒?-轉(zhuǎn)化效率）×功率因數(shù)。通過查詢該型UPS柜得到相關(guān)參數(shù)，總?cè)萘?kVA，轉(zhuǎn)化效率0.9，功率因數(shù)0.8，則Q1為：Q1=W（1-μ）?

式中：Q1為設(shè)備散熱量（kW）；W為UPS柜總?cè)萘浚╧VA）；μ為轉(zhuǎn)化效率，取0.9；?為功率因數(shù)，取0.8。將參數(shù)代入上式，求得設(shè)備散熱量Q1=0.24kW。4.2

太陽直射輻射得熱量UPS柜為室外落地安裝于混凝土基礎(chǔ)上，外形尺寸（長×寬×高）為1200mm×800mm×1500mm，頂部有簡易遮陽頂棚，四周無遮擋，太陽直射輻射可忽略底部與頂部得熱量，只考慮UPS柜四周側(cè)面得熱量。查詢海南三亞太陽輻射強(qiáng)度值，如表1所示。由表1可知，海南三亞太陽輻射強(qiáng)度平均值7月份最大，為21307kJ/（m2·d），即247W/m2。當(dāng)UPS柜體四周外表面暴露在太陽下，箱體表面接收到的太陽輻射熱量，一部分被箱體表面反射回環(huán)境，另一部分被箱體表面吸收，箱體表面吸收的熱量由箱體屬性確定，即太陽輻射下金屬板的吸收率μ。箱體表面吸收的熱量一部分通過空氣對流方式傳遞至外環(huán)境，另一部分通過對流的方式傳遞至箱內(nèi)環(huán)境[1]。具體的傳熱路徑示意圖如圖2所示。箱體表面吸收了太陽輻射的熱量導(dǎo)致箱體表面溫度升高，進(jìn)而導(dǎo)致箱體表面與周圍環(huán)境的溫差上升，隨著溫差的增加，箱體表面相對于四周環(huán)境的熱損耗增大，即箱體表面向外傳熱量增加。在某一時(shí)刻，當(dāng)箱體表面的熱損耗速率等于太陽輻射吸收速率，即箱體表面太陽輻射吸收熱量等于箱體表面向外傳熱量時(shí)，箱體表面溫度不再改變，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)下的箱體表面溫度，如下式所示[2]：μFq=KF（t-t0）式中：μ為太陽輻射對箱體的吸收率，取0.6；F為UPS柜箱體四周外表面積，取6m2；q為三亞7月份太陽輻射強(qiáng)度平均值，取247W/m2；K為箱體平板垂直表面空氣對流導(dǎo)熱系數(shù)，一般在2～15W/（m2·K），取10W/（m2·K）；t為箱體表面溫度（℃）；t0為三亞夏季室外干球溫度，取32.8℃。將參數(shù)代入，求得箱體表面溫度t=47.62℃。太陽直射輻射所得熱量導(dǎo)致箱體溫度升高，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)下的箱體表面溫度，并在此箱體表面溫度下通過對流的方式傳遞至箱體內(nèi)。太陽輻射箱體內(nèi)得熱量為[2]：Q2=αFK（t-tn）式中：Q2為太陽輻射箱體內(nèi)得熱量（kW）；α為溫差修正系數(shù)，取1.00；tn為UPS柜箱體內(nèi)運(yùn)行設(shè)計(jì)溫度，取40℃。將參數(shù)代入，求得太陽輻射箱內(nèi)得熱量Q2=0.4572kW。綜上所述，UPS柜箱內(nèi)總得熱量Q=Q1+Q2=0.24+0.4572=0.6972kW。

5、排風(fēng)機(jī)風(fēng)量計(jì)算及選型5.1

風(fēng)機(jī)風(fēng)量的計(jì)算通過UPS柜內(nèi)設(shè)備散熱量、太陽直射輻射得熱量的計(jì)算可得到UPS柜總得熱量Q，UPS柜要求柜內(nèi)運(yùn)行溫度不高于40℃。UPS柜總得熱量要全部通過通風(fēng)來散逸，建立熱平衡等式如下[3]：Q=Cm（tn-tw）m=ρV/3600式中：Q為UPS柜內(nèi)總得熱量（kW）；C為空氣比容，取1.005kJ/（kg·℃）；m為空氣質(zhì)量（kg）；tn為UPS柜運(yùn)行設(shè)計(jì)溫度，取40℃；tw為通風(fēng)室外計(jì)算溫度，取31.3℃[4]；ρ為空氣密度，取1.293kg/m3；V為風(fēng)機(jī)風(fēng)量（m3/h）。將m=ρV/3600代入Q=Cm（tn-tw），得到如下公式：Q=C（ρV/3600）（tn-tw）將參數(shù)代入，求得風(fēng)機(jī)風(fēng)量V=222m3/h。5.2

風(fēng)機(jī)的選型計(jì)算出最小排風(fēng)風(fēng)量V=222m3/h，綜合考慮風(fēng)機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定、安全、富余量等因素，選用罩極無刷交流風(fēng)機(jī)，具體參數(shù)如下：電壓AC220V、頻率50/60Hz、功率16W、風(fēng)量160m3/h、轉(zhuǎn)速2600r/min，共2臺。UPS柜左、右側(cè)面上部各有一個(gè)排風(fēng)口，下部各有一個(gè)進(jìn)風(fēng)口，新增的排風(fēng)風(fēng)機(jī)安裝于UPS柜內(nèi)原自然排風(fēng)口的位置，進(jìn)風(fēng)口仍然采用自然進(jìn)風(fēng)的方式，不增加送風(fēng)機(jī)。上部機(jī)械排風(fēng)、下部自然進(jìn)風(fēng)，即下進(jìn)上出、左右對稱的通風(fēng)布局方式，有助于促進(jìn)柜內(nèi)空氣流通，增加熱交換，從而更好地降低溫度。新增排風(fēng)機(jī)與柜內(nèi)溫控模塊聯(lián)動(dòng)，通過溫控模塊設(shè)置啟、停溫度限值控制風(fēng)機(jī)的工作狀態(tài)，當(dāng)柜內(nèi)溫度升至37℃時(shí)風(fēng)機(jī)啟動(dòng)，當(dāng)柜內(nèi)溫度降至35℃時(shí)風(fēng)機(jī)停止，便于實(shí)時(shí)精準(zhǔn)監(jiān)控柜內(nèi)運(yùn)行溫度。6、實(shí)際運(yùn)行情況反饋新增排風(fēng)機(jī)后，選擇晴天天氣對一天內(nèi)的10：00—11：00、12：00—13：00、15：00—16：00等不同時(shí)間段進(jìn)