淺析室外UPS柜運行溫度控制及解決辦法

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

關鍵詞：室外；UPS柜；防護等級；密閉性；高溫；熱輻射；得熱量；強制通風

中圖分類號：TM64" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2025）06-0082-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.06.021

1" " 工程概述

本工程位于海南省三亞市，是一個圍欄安防監(jiān)控工程，類似于機場四周圍欄防入侵告警防護系統(tǒng)，由監(jiān)控攝像機、雷達等組成多道防入侵報警系統(tǒng)，負責圍欄及圍欄外一定合理距離內(nèi)的入侵報警工作，實現(xiàn)全天時、全天候、寬廣域、多批次目標的高精度探測、跟蹤和軌跡測量，準確報告人員入侵行為、時間和地點。系統(tǒng)通過多點協(xié)同分析，達到了極低誤警、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?shù)叵募臼彝鉂袂驕囟?8.1 ℃、干球溫度32.8 ℃、大氣壓1 005.6 kPa、相對濕度73%。本工程的監(jiān)控設備具有數(shù)量多、范圍廣、防線長等特點，根據(jù)用電設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)控設備用電為二級負荷，供電電壓等級為220 V/380 V，供電電源穩(wěn)態(tài)電壓偏差不大于±10%，頻率偏移不大于±0.2 Hz。為保證安防設備供電的連續(xù)性，配電箱內(nèi)增設UPS作為備用電源，每臺UPS柜總容量3 kVA，沿圍欄每間隔一段距離設置一臺UPS柜，在圍欄內(nèi)側落點安裝于混凝土基礎上。每臺UPS柜內(nèi)設置兩個低壓出線回路，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1 200 mm×800 mm×1 500 mm，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，單個蓄電池的電壓為12 V、24 Ah，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)開關輸出。

旁路輸入供電模式只在設備故障或設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現(xiàn)零切換無縫銜接轉換供電；一般情況下，UPS柜自動默認為交流輸入的正常供電模式。

在本工程試運行過程中發(fā)現(xiàn)，每天白天UPS柜內(nèi)運行溫度較長時間高于40 ℃的設計要求，尤其是在天氣晴朗的情況下。運行溫度高不僅會影響柜內(nèi)設備的壽命，導致設備損壞或老化加速，更嚴重的還會導致安全事故發(fā)生，影響系統(tǒng)的正常運行。首先要明確導致UPS柜內(nèi)溫度升高的具體原因。結合現(xiàn)場實際，運行溫度高原因包括以下兩個方面：1）柜內(nèi)設備散發(fā)熱量導致柜內(nèi)的溫度升高；2）室外太陽直射輻射導致柜內(nèi)溫度升高。

3" " UPS柜溫度高解決辦法

下面針對導致UPS柜內(nèi)溫度升高的具體原因，探討降低柜內(nèi)運行溫度的可行性方案，從而結合現(xiàn)場實際情況，經(jīng)綜合比較，最終選擇一個經(jīng)濟、可行的具體解決辦法。

3.1" " UPS柜內(nèi)設備選用及布局

1）柜內(nèi)設備選用節(jié)能、環(huán)保、低發(fā)熱量型，運行安全平穩(wěn)，設備之間連接線纜緊密可靠，避免接觸不良增加額外發(fā)熱，導致運行不安全不可控。

2）合理布局柜內(nèi)設備安裝位置，避免過于密集及設備之間的重疊，尤其是發(fā)熱量大的設備（如隔離變壓器等），防止熱點集中，保持設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)設備型號規(guī)格、布局等已確定，再通過柜內(nèi)設備或箱體更換、設備布局調(diào)整來降低發(fā)熱量顯然既不經(jīng)濟，現(xiàn)場實際操作也不可行。

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度有關，即與UPS柜安裝地區(qū)的經(jīng)緯度有關，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柜整個遮蔽，即增加密閉式防護棚或配電房，將UPS柜室外安裝變更為室內(nèi)安裝，但結合現(xiàn)場實際情況，該方案既不經(jīng)濟也不可行。

3.3" " 增加柜體通風換熱

在滿足UPS柜防護等級要求的情況下，考慮到經(jīng)濟性、可行性、可靠性及后期運行保養(yǎng)的便捷性，增加排風風機進行強制通風換熱來降低柜內(nèi)溫度是最有效的方法。即通過選擇安裝風量合理的風機，布設送、排風機的位置來改善通風條件，強制促進柜內(nèi)換氣散熱，達到降低UPS柜內(nèi)溫度的目的。

綜上所述，增加柜體內(nèi)強制通風換熱，即增加排風機是最經(jīng)濟、可行的解決辦法。

4" " UPS柜內(nèi)得熱量的計算

結合現(xiàn)場實際情況，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。下面分別計算出這兩部分的熱量值。

4.1" " 柜內(nèi)設備散熱量

柜內(nèi)設備的散熱量可按UPS柜一般損耗轉化為熱量計算，即設備散熱量=總容量×（1-轉化效率）×功率因數(shù)。通過查詢該型UPS柜得到相關參數(shù)，總容量3 kVA，轉化效率0.9，功率因數(shù)0.8，則Q1為：

Q1=W（1-μ）？覧" " " " " " " " " " （1）

式中：Q1為設備散熱量（kW）；W為UPS柜總容量（kVA）；μ為轉化效率，取0.9；？覧為功率因數(shù)，取0.8。

將參數(shù)代入式（1），求得設備散熱量Q1=0.24 kW。

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上，外形尺寸（長×寬×高）為1 200 mm×800 mm×1 500 mm，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柜四周側面得熱量。查詢海南三亞太陽輻射強度值，如表1所示。

由表1可知，海南三亞太陽輻射強度平均值7月份最大，為21 307 kJ/（m2·d），即247 W/m2。

當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致箱體表面溫度升高，進而導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。在某一時刻，當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，箱體表面溫度不再改變，達到穩(wěn)定狀態(tài)下的箱體表面溫度，如下式所示[2]：

μFq=KF（t-t0）" " " " " " " " " " （2）

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6 m2；q為三亞7月份太陽輻射強度平均值，取247 W/m2；K為箱體平板垂直表面空氣對流導熱系數(shù)，一般在2～15 W/（m2·K），取10 W/（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)代入式（2），求得箱體表面溫度t=47.62 ℃。

太陽直射輻射所得熱量導致箱體溫度升高，達到穩(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）" " " " " " " " " " " "（3）

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)運行設計溫度，取40 ℃。

將參數(shù)代入式（3），求得太陽輻射箱內(nèi)得熱量Q2=0.457 2 kW。

綜上所述，UPS柜箱內(nèi)總得熱量Q=Q1+Q2=0.24+

0.457 2=0.697 2 kW。

5" " 排風機風量計算及選型

5.1" " 風機風量的計算

通過UPS柜內(nèi)設備散熱量、太陽直射輻射得熱量的計算可得到UPS柜總得熱量Q，UPS柜要求柜內(nèi)運行溫度不高于40 ℃。UPS柜總得熱量要全部通過通風來散逸，建立熱平衡等式如下[3]：

Q=Cm（tn-tw）" " " " " " " " " " " "（4）

m=ρV/3 600" " " " " " " " " " " " " "（5）

式中：Q為UPS柜內(nèi)總得熱量（kW）；C為空氣比容，取1.005 kJ/（kg·℃）；m為空氣質(zhì)量（kg）；tn為UPS柜運行設計溫度，取40 ℃；tw為通風室外計算溫度，取31.3 ℃[4]；ρ為空氣密度，取1.293 kg/m3；V為風機風量（m3/h）。

將公式（5）代入公式（4），得到如下公式：

Q=C（ρV/3 600）（tn-tw）" " " " " " " "（6）

將參數(shù)代入公式（6），求得風機風量V=222 m3/h。

5.2" " 風機的選型

計算出最小排風風量V=222 m3/h，綜合考慮風機運行穩(wěn)定、安全、富余量等因素，選用罩極無刷交流風機，具體參數(shù)如下：電壓AC220 V、頻率50/60 Hz、功率16 W、風量160 m3/h、轉速2 600 r/min，共2臺。

UPS柜左、右側面上部各有一個排風口，下部各有一個進風口，新增的排風風機安裝于UPS柜內(nèi)原自然排風口的位置，進風口仍然采用自然進風的方式，不增加送風機。上部機械排風、下部自然進風，即下進上出、左右對稱的通風布局方式，有助于促進柜內(nèi)空氣流通，增加熱交換，從而更好地降低溫度。新增排風機與柜內(nèi)溫控模塊聯(lián)動，通過溫控模塊設置啟、停溫度限值控制風機的工作狀態(tài)，當柜內(nèi)溫度升至37 ℃時風機啟動，當柜內(nèi)溫度降至35 ℃時風機停止，便于實時精準監(jiān)控柜內(nèi)運行溫度。

6" " 實際運行情況反饋

新增排風機后，選擇晴天天氣對一天內(nèi)的10：00—11：00、12：00—13：00、15：00—16：00等不同時間段進行連續(xù)長期觀察統(tǒng)計，UPS柜內(nèi)運行溫度均在40 ℃以內(nèi)，滿足設計要求，證明增加機械排風的解決辦法經(jīng)濟、可行，效果明顯。

7" " 結束語

綜上所述，電力柜過熱一直是電力系統(tǒng)中需要重視的一個問題，本文案例通過UPS柜過熱原因分析、可行性方案比較、柜內(nèi)熱負荷計算、風機選型、柜內(nèi)風機與溫控模塊聯(lián)動及精準控制，有效解決了UPS柜內(nèi)運行溫度過熱問題，確保了UPS柜供電系統(tǒng)安全、平穩(wěn)、可靠運行，也為以后類似項目的實施提供了寶貴的參考經(jīng)驗。

[參考文獻]

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[2] 張興中，黃文，劉慶國.傳熱學[M].北京：國防工業(yè)出版社，2011.

[3] 陸亞俊，馬最良，鄒華平.暖通空調(diào)[M].3版.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2015.

[4] 民用建筑供暖通風與空氣調(diào)節(jié)設計規(guī)范：GB 50736—2012[S].

收稿日期：2024-12-09

作者簡介：王兵（1981—），男，湖北人，工程師，研究方向：電力系統(tǒng)UPS配電柜溫度控制。