氣象觀測場設備集成機柜降溫系統研究與分析*

張東福 成水波 呂 琦

(福建省明溪縣氣象局，福建 三明 365200)

1 概述

為切實實現氣象觀測自動化，穩步推進氣象觀測技術現代化、標準化，2017年以來，福建省氣象部門加快推進氣象觀測場標準化建設，統一在地面氣象觀測場規劃設計、定制一個露天不銹鋼集成機柜，將一些分散的設備安裝在集成機柜內，以達到易安裝、維護的目的，同時也使觀測場更加整齊美觀。

集成機柜采用不銹鋼材質，普通碳鋼在常溫下的導熱系數為46.5 W/mk(導熱系數越低對保溫越好)，受周圍環境和太陽直接輻射影響大。外部熱輻射產生的熱能與內部設備自身運行產生的熱能易導致機柜內部溫度快速上升，使機柜內保持較高溫度狀態。由于機柜設計方面存在通風口設計不合理，機柜內通風不暢，無防太陽直接輻射措施等原故，造成在夏季高溫時段機柜內保持較高溫度狀態。安裝在集成機柜內的部分氣象觀測設備對工作環境有較高要求，對溫度敏感。在高溫狀態下，設備電路蠟脂膏及防護化合物熔化流動會影響設備的工作性能，高分子材料會加速分解和老化，縮短電子元器件的壽命；設備內部元器件溫度提高則會引起氣象觀測設備內電容電阻電感值變化，引發設備發生零飄移，影響氣象觀測設備性能；有時設備過熱致使元件損壞，導致設備發生故障。例如，鉛酸免維護蓄電池在40℃以上高溫下長時間工作，使用壽命和性能會急劇下降。綜合集成硬件控制器是實現自動氣象站、云高、云量、天氣現象、輻射等氣象觀測設備硬件集成的通信設備，實現多觀測設備僅需一根光纖即可與業務終端實現數據傳輸功能，解決多個自動氣象觀測設備的集約化管理[1]。其對工作環境要求較高，工作環境溫度為-40℃～60℃，較長時間的高溫狀態下工作易導致設備死機，造成氣象傳輸數據缺失影響傳輸質量。

朱偉明等通過改進密閉機柜的循環通風裝置，使其穩定性得到提升[2]；王豪等對一體化機柜的降溫方式進行探討，以緩解高溫環境下通信設備運行穩定的問題[3]；呂鵬程認為加裝排風扇可以有效解決室外機柜內部高溫問題[4]。但他們的研究多集中在電信通訊領域，其室外機柜體積大，設備自身發熱量大，因此要求也較高，降溫措施功耗也較大，并不適合氣象觀測場設備使用。氣象觀測場專用設備功耗小，設備自身發熱量較低。因此，集成機柜降溫主要是防止外部熱量侵入和優化內部通風等。本文根據項目研究取得的成效，分析地面氣象觀測場集成機柜內部溫度與外界環境溫度變化規律，研究采用不同降溫措施對機柜內溫度的影響，探討較適合推廣的集成機柜降溫方案，優化改造集成機柜以降低機柜內溫度，為氣象數據觀測和傳輸穩定性提供技術保障。

2 資料來源、研究方法和降溫設備安裝

為獲取集成機柜內設備工作真實環境溫度情況，我們在集成機柜中間放置1根自記溫度計，用以收集研究時段內無降溫措施、加裝散熱風扇、遮陽頂蓋和隔熱棉等不同降溫措施后的機柜內溫度，并人工記錄實驗期間每天8時至20時綜合集成硬件控制器工作溫度。空氣溫度觀測資料由明溪縣氣象局提供。

研究方法方面，本文采用數理統計、回歸方程統計和圖表對比法分析無降溫措施和加裝散熱風扇、遮陽頂蓋和隔熱棉等不同降溫措施后機柜內溫度變化情況，總結集成機柜內溫度變化與機柜外環境溫度變化之間規律，分析不同組合降溫措施對集成機柜降溫效果，確定經濟適用的降溫措施為設備正常運行提供保障。

氣象觀測場設備集成機柜降溫措施所采用通風風扇和隔熱材料均來自于網上購置后自行安裝，遮陽頂蓋委托不銹鋼加工店鋪制作，具體安裝示意圖詳見圖1。 全部費用總計不超過500元。

圖1 設備集成機柜降溫措施安裝示意圖

3 結果分析

3.1 無降溫措施集成機柜內溫度與環境氣溫的關系

圖2為2020年8月14—16日明溪氣象觀測場集成機柜空氣溫度及機柜內部溫度觀測數據。數據統計顯示，集成機柜內溫度T與環境氣溫t關系滿足線性回歸方程公式：T=1.6673t-14.237,R2=0.9432。其中，T代表機柜內溫度(℃)，t代表當時空氣溫度(℃)。結果表明，觀測場集成機柜內溫度與環境氣溫變化呈正相關關系。

圖2 無降溫措施集成機柜內溫度與空氣溫度變化關系離散圖

觀測數據顯示，在13—16時段，由于太陽直射影響，安裝在西側靠近機柜門的綜合集成硬件控制器工作溫度比機柜內溫度平均高12.7℃；其最高工作溫度比同時期空氣溫度高出約27℃，超出綜合集成硬件控制器工作溫度范圍，易導致設備死機，造成傳輸數據缺失，影響傳輸質量。

3.2 采用通風散熱措施降溫效果分析

受朱偉明等人通過改進密閉機柜的循環通風裝置提高設備穩定性啟發，我們在觀測場設備集成機柜上部通風百葉窗一側加裝進氣風扇，另一側加裝排氣風扇，加強機柜內外冷熱空氣交換，以降低機柜內部溫度。2020年8月17—19日觀測結果表明(圖3)，由于預計不足，氣象部門定制的集成機柜大部分尺寸偏緊湊，內部空間狹窄，機柜內設備擁擠，散熱空間不足以及通風口開口位置不合理，導致通風散熱降溫效果不明顯。午后高溫環境下，機柜內溫度比空氣溫度高約8℃左右，比不通風情況下降低約2℃。安裝在機柜西側的綜合集成硬件控制器依舊工作在高溫區域，最高工作溫度達55℃以上。當午后高溫天氣出現太陽被云遮住無太陽直射時，機柜內降溫明顯加快，表明通風散熱降溫效果受夏天太陽直射影響大。

圖3 采用通風降溫措施后溫度對比折線圖

因此，本文建議適當增加機柜尺寸，提升機柜內部空氣流通。同時將空氣流入入口開口在機柜側面下部離地20cm高度(《地面氣象觀測規范》規定，觀測場地面草高不得超過20cm)，空氣流出出口開在頂部側面。通風口開口形狀為百葉窗，以防降水侵入。當機柜內部溫度升高，熱空氣上升從上排氣口排出，外部較冷空氣從底部入風口流入，自動形成內外冷熱空氣循環，以降低機柜內溫度。在頂部出風口安裝自動控制風扇，以提高通風降溫效率。

3.3 加裝隔熱板降溫效果分析

橡塑防火隔熱棉板具有良好的隔熱、防潮、防火效果，自帶背膠安裝簡單。根據集成機柜形狀裁剪，在集成機柜東西兩側開門和頂層內側安裝防火隔熱板，以隔絕太陽直射集成機柜引起機柜內部升溫。

從2020年8月24日起，持續觀測14天集成機柜安裝隔熱板和通風降溫措施后降溫效果。選取空氣溫度變化接近8月14—16日的8月24—26日溫度觀測數據制作成折線圖,如圖4所示。

圖4 采用隔熱、通風降溫措施后溫度對比折線圖

對8月24—26日觀測的空氣溫度、機柜溫度及控制器溫度分別進行離散分析發現，機柜內溫度與空氣溫度呈線性變化；受太陽輻射影響最大的安裝在西側的綜合集成硬件控制器工作溫度與機柜內部溫度也呈線性變化，說明采用隔熱降溫措施能有效降低太陽直接輻射對機柜溫度的影響，尤其是安裝在機柜西側的綜合集成硬件控制器的影響。圖4表明，安裝隔熱降溫措施后，機柜內部最高溫度平均比空氣溫度高5℃左右，綜合集成硬件控制器最高工作溫度平均比空氣溫度高約17℃。其中，8月31日和9月1日(關閉通風降溫措施)，午后太陽直接輻射對安裝在西側的綜合集成硬件控制器仍有較大影響，綜合集成硬件控制器工作溫度仍比當時空氣溫度高約20℃。

3.4 機柜上方加蓋遮陽頂蓋后降溫效果分析

觀測數據表明，太陽直接輻射是造成機柜內升溫的最主要原因。因此，做好機柜遮陽是觀測場集成機柜降溫的關鍵。考慮整體外觀協調情況下，在集成機柜上加蓋一斜面不銹鋼遮陽頂蓋，四周各出沿15cm,面層噴漆白色啞光漆，以遮蔽正午前后太陽直射。

2021年7月5—8日觀測數據顯示(圖5)，在采用遮陽、隔熱和通風等降溫措施后，有效降低了集成機柜內溫度，機柜內最高溫度比同時間空氣溫度高約3℃；綜合集成硬件控制器最高工作溫度比同時間空氣溫度高16℃左右。7月14日，最高空氣溫度37.8℃，綜合集成硬件控制器工作溫度最高為52.7℃，在綜合集成硬件控制器正常工作溫度范圍，降溫效果明顯，達到預期目的。

圖5 采用遮陽、隔熱、通風降溫措施后溫度折線圖

觀測表明，安裝在受太陽直射升溫影響較小的東側綜合集成硬件控制器，其工作溫度明顯比安裝在西面的綜合集成硬件控制器工作溫度低，不容易出現超過工作范圍而死機現象。因此，觀測場新安裝集成機柜時建議對溫度較為敏感的設備安裝在機柜南北兩側，避開太陽直接輻射影響導致工作溫度升高。

4 結論

①氣象觀測場設備集成機柜內部溫度與周邊氣溫變化成線性關系；在夏天高溫時段，受太陽直接輻射影響，機柜內部溫度高，容易導致設備工作溫度超出正常范圍，造成設備死機等，影響氣象數據觀測和傳輸。

②采用加裝散熱風扇、遮陽頂蓋和隔熱棉等降溫措施，能有效降低氣象觀測場設備集成機柜內部溫度，確保機柜內設備工作在正常溫度范圍內，保障氣象設備穩定運行。

③對溫度較為敏感的設備宜安裝在機柜南北兩側，避開太陽直接輻射影響。