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，內部空間相對密閉，柜內運行溫度更易受內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要求，為UPS柜及柜內設備的平穩(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，由監(jiān)控攝像機、雷達等組成多道防入侵報警系統，負責圍欄及圍欄外一定合理距離內的入侵報警工作，實現全天時、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。系統通過多點協同分析，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，當地夏季室外濕球溫度28.1 ℃、干球溫度32.8 ℃、大氣壓1 005.6 kPa、相對濕度73%。本工程的監(jiān)控設備具有數量多、范圍廣、防線長等特點，根據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，在圍欄內側落點安裝于混凝土基礎上。每臺UPS柜內設置兩個低壓出線回路，分別對左、右不超過一定范圍內的監(jiān)控設備供電，每臺UPS柜的電源均由圍欄內附近變電站引入。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，每天白天UPS柜內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，影響系統的正常運行。首先要明確導致UPS柜內溫度升高的具體原因。結合現場實際，運行溫度高原因包括以下兩個方面：1）柜內設備散發(fā)熱量導致柜內的溫度升高；2）室外太陽直射輻射導致柜內溫度升高。

3" " UPS柜溫度高解決辦法

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

3.1" " UPS柜內設備選用及布局

1）柜內設備選用節(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，增加柜體的散熱表面積，提高柜體內對外的散熱量，從而減緩柜內溫度的升高。

然而，現場UPS柜已到貨，柜內設備型號規(guī)格、布局等已確定，再通過柜內設備或箱體更換、設備布局調整來降低發(fā)熱量顯然既不經濟，現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安裝，但結合現場實際情況，該方案既不經濟也不可行。

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，強制促進柜內換氣散熱，達到降低UPS柜內溫度的目的。

綜上所述，增加柜體內強制通風換熱，即增加排風機是最經濟、可行的解決辦法。

4" " UPS柜內得熱量的計算

結合現場實際情況，本工程UPS柜內溫度升高的熱量主要來自兩部分，一部分是柜內設備散發(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" " 柜內設備散熱量

柜內設備的散熱量可按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。通過查詢該型UPS柜得到相關參數，總容量3 kVA，轉化效率0.9，功率因數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，取0.8。

將參數代入式（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，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。太陽輻射箱體內得熱量為[2]：

Q2=αFK（t-tn）" " " " " " " " " " " "（3）

式中：Q2為太陽輻射箱體內得熱量（kW）；α為溫差修正系數，取1.00；tn為UPS柜箱體內運行設計溫度，取40 ℃。

將參數代入式（3），求得太陽輻射箱內得熱量Q2=0.457 2 kW。

綜上所述，UPS柜箱內總得熱量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柜內總得熱量（kW）；C為空氣比容，取1.005 kJ/（kg·℃）；m為空氣質量（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。新增排風機與柜內溫控模塊聯動，通過溫控模塊設置啟、停溫度限值控制風機的工作狀態(tài)，當柜內溫度升至37 ℃時風機啟動，當柜內溫度降至35 ℃時風機停止，便于實時精準監(jiān)控柜內運行溫度。

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)長期觀察統計，UPS柜內運行溫度均在40 ℃以內，滿足設計要求，證明增加機械排風的解決辦法經濟、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、柜內熱負荷計算、風機選型、柜內風機與溫控模塊聯動及精準控制，有效解決了UPS柜內運行溫度過熱問題，確保了UPS柜供電系統安全、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驗。

[參考文獻]

[1] 陳彥，李曉峰，劉劍，等.太陽輻射對戶外密閉箱體熱影響的試驗研究[J].環(huán)境技術，2023，41（5）：44-49.

[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[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UPS配電柜溫度控制。