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浅析室外UPS柜运行温度控制及解决办法

2025-03-27 58 上传者：管理员

摘要：室外落地安装UPS柜防护等级高，内部空间相对密闭，柜内运行温度更易受内部设备热耗及外部太阳辐射的影响。鉴于此，针对UPS柜运行温度过高的原因进行分析，计算出UPS柜得热量，并选择合理的降温散热方式，确定强制通风散热风机参数要求，为UPS柜及柜内设备的平稳、可靠、安全运行提供保障，也为后期开展相关类似工程建设积累了经验。

关键词：
UPS柜
密闭性
强制通风
得热量
防护等级
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1、工程概述

本工程位于海南省三亚市,是一个围栏安防监控工程,类似于机场四周围栏防入侵告警防护系统,由监控摄像机､雷达等组成多道防入侵报警系统,负责围栏及围栏外一定合理距离内的入侵报警工作,实现全天时､全天候､宽广域､多批次目标的高精度探测､跟踪和轨迹测量,准确报告人员入侵行为､时间和地点｡系统通过多点协同分析,达到了极低误警､杜绝漏警的效果｡

本工程所处地区属于海洋性热带雨林气候,温差大,高温､高湿､高盐,当地夏季室外湿球温度28.1℃､干球温度32.8℃､大气压1005.6kPa､相对湿度73%｡本工程的监控设备具有数量多､范围广､防线长等特点,根据用电设备对供电可靠性的要求及中断供电所造成的影响程度,室外监控设备用电为二级负荷,供电电压等级为220V/380V,供电电源稳态电压偏差不大于±10%,频率偏移不大于±0.2Hz｡为保证安防设备供电的连续性,配电箱内增设UPS作为备用电源,每台UPS柜总容量3kVA,沿围栏每间隔一段距离设置一台UPS柜,在围栏内侧落点安装于混凝土基础上｡每台UPS柜内设置两个低压出线回路,分别对左､右不超过一定范围内的监控设备供电,每台UPS柜的电源均由围栏内附近变电站引入｡UPS柜外形尺寸(长×宽×高)为1200mm×800mm×1500mm,顶部有简易遮阳顶棚,四周无遮挡｡

2、UPS柜温度过高原因分析

如图1所示,本工程中UPS柜的供电分为三种模式:

1)旁路输入供电模式:市电输入,通过静态开关直接输出｡

2)正常供电模式(交流输入):市电输入,分别经过隔离变压器､整流器､逆变器､隔离变压器､静态开关输出｡

3)直流输入供电模式:由18块阀控式密封铅酸蓄电池(型号:G-GFM-24)串联后作为直流电源输入,单个蓄电池的电压为12V､24Ah,直流电输入后,分别经过逆止二极管､逆变器､隔离变压器､静态开关输出｡

旁路输入供电模式只在设备故障或设备检修的情况下才采用;直流输入供电模式用于在交流输入或旁路输入失电情况下实现零切换无缝衔接转换供电;一般情况下,UPS柜自动默认为交流输入的正常供电模式｡

图1供电模式

在本工程试运行过程中发现,每天白天UPS柜内运行温度较长时间高于40℃的设计要求,尤其是在天气晴朗的情况下｡运行温度高不仅会影响柜内设备的寿命,导致设备损坏或老化加速,更严重的还会导致安全事故发生,影响系统的正常运行｡首先要明确导致UPS柜内温度升高的具体原因｡结合现场实际,运行温度高原因包括以下两个方面:1)柜内设备散发热量导致柜内的温度升高;2)室外太阳直射辐射导致柜内温度升高｡

3、UPS柜温度高解决办法

下面针对导致UPS柜内温度升高的具体原因,探讨降低柜内运行温度的可行性方案,从而结合现场实际情况,经综合比较,最终选择一个经济､可行的具体解决办法｡

3.1UPS柜内设备选用及布局

1)柜内设备选用节能､环保､低发热量型,运行安全平稳,设备之间连接线缆紧密可靠,避免接触不良增加额外发热,导致运行不安全不可控｡

2)合理布局柜内设备安装位置,避免过于密集及设备之间的重叠,尤其是发热量大的设备(如隔离变压器等),防止热点集中,保持设备与箱体之间的安装间距,加大散热空间,从而减缓温度升高｡

3)柜体采用散热效率好的材质,增加柜体的散热表面积,提高柜体内对外的散热量,从而减缓柜内温度的升高｡

然而,现场UPS柜已到货,柜内设备型号规格､布局等已确定,再通过柜内设备或箱体更换､设备布局调整来降低发热量显然既不经济,现场实际操作也不可行｡

3.2降低太阳直射辐射得热量

太阳直射辐射得热量与太阳的辐射强度有关,即与UPS柜安装地区的经纬度有关,一旦安装位置所在的地区确定,即可确定该地区的太阳辐射强度,室外落地安装UPS柜,若要减少太阳直射辐射引起的温度升高,最直接有效的解决办法是将UPS柜整个遮蔽,即增加密闭式防护棚或配电房,将UPS柜室外安装变更为室内安装,但结合现场实际情况,该方案既不经济也不可行｡

3.3增加柜体通风换热

在满足UPS柜防护等级要求的情况下,考虑到经济性､可行性､可靠性及后期运行保养的便捷性,增加排风风机进行强制通风换热来降低柜内温度是最有效的方法｡即通过选择安装风量合理的风机,布设送､排风机的位置来改善通风条件,强制促进柜内换气散热,达到降低UPS柜内温度的目的｡

综上所述,增加柜体内强制通风换热,即增加排风机是最经济､可行的解决办法｡

4、UPS柜内得热量的计算

结合现场实际情况,本工程UPS柜内温度升高的热量主要来自两部分,一部分是柜内设备散发的热量,主要是隔离变压器;另一部分是户外来自太阳直射辐射的热量｡下面分别计算出这两部分的热量值｡

4.1柜内设备散热量

柜内设备的散热量可按UPS柜一般损耗转化为热量计算,即设备散热量=总容量×(1-转化效率)×功率因数｡通过查询该型UPS柜得到相关参数,总容量3kVA,转化效率0.9,功率因数0.8,则Q1为:

Q1=W(1-μ)ŋ(1)

式中:Q1为设备散热量(kW);W为UPS柜总容量(kVA);μ为转化效率,取0.9;ŋ为功率因数,取0.8｡

将参数代入式(1),求得设备散热量Q1=0.24kW｡

4.2太阳直射辐射得热量

UPS柜为室外落地安装于混凝土基础上,外形尺寸(长×宽×高)为1200mm×800mm×1500mm,顶部有简易遮阳顶棚,四周无遮挡,太阳直射辐射可忽略底部与顶部得热量,只考虑UPS柜四周侧面得热量｡查询海南三亚太阳辐射强度值,如表1所示｡

表1三亚市太阳辐射强度月平均值

由表1可知,海南三亚太阳辐射强度平均值7月份最大,为21307kJ/(m2·d),即247W/m2｡

当UPS柜体四周外表面暴露在太阳下,箱体表面接收到的太阳辐射热量,一部分被箱体表面反射回环境,另一部分被箱体表面吸收,箱体表面吸收的热量由箱体属性确定,即太阳辐射下金属板的吸收率μ｡箱体表面吸收的热量一部分通过空气对流方式传递至外环境,另一部分通过对流的方式传递至箱内环境[1]｡具体的传热路径示意图如图2所示｡

图2箱体传热路径示意图

箱体表面吸收了太阳辐射的热量导致箱体表面温度升高,进而导致箱体表面与周围环境的温差上升,随着温差的增加,箱体表面相对于四周环境的热损耗增大,即箱体表面向外传热量增加｡在某一时刻,当箱体表面的热损耗速率等于太阳辐射吸收速率,即箱体表面太阳辐射吸收热量等于箱体表面向外传热量时,箱体表面温度不再改变,达到稳定状态下的箱体表面温度,如下式所示[2]:

式中:μ为太阳辐射对箱体的吸收率,取0.6;F为UPS柜箱体四周外表面积,取6m2;q为三亚7月份太阳辐射强度平均值,取247W/m2;K为箱体平板垂直表面空气对流导热系数,一般在2~15W/(m2·K),取10W/(m2·K);t为箱体表面温度(℃);t0为三亚夏季室外干球温度,取32.8℃｡

将参数代入式(2),求得箱体表面温度t=47.62℃｡

太阳直射辐射所得热量导致箱体温度升高,达到稳定状态下的箱体表面温度,并在此箱体表面温度下通过对流的方式传递至箱体内｡太阳辐射箱体内得热量为[2]:

式中:Q2为太阳辐射箱体内得热量(kW);α为温差修正系数,取1.00;tn为UPS柜箱体内运行设计温度,取40℃｡

将参数代入式(3),求得太阳辐射箱内得热量Q2=0.4572kW｡

综上所述,UPS柜箱内总得热量Q=Q1+Q2=0.24+0.4572=0.6972kW｡

5、排风机风量计算及选型

5.1风机风量的计算

通过UPS柜内设备散热量､太阳直射辐射得热量的计算可得到UPS柜总得热量Q,UPS柜要求柜内运行温度不高于40℃｡UPS柜总得热量要全部通过通风来散逸,建立热平衡等式如下[3]:

式中:Q为UPS柜内总得热量(kW);C为空气比容,取1.005kJ/(kg·℃);m为空气质量(kg);tn为UPS柜运行设计温度,取40℃;tw为通风室外计算温度,取31.3℃[4];ρ为空气密度,取1.293kg/m3;V为风机风量(m3/h)｡

将参数代入公式(6),求得风机风量V=222m3/h｡

5.2风机的选型

计算出最小排风风量V=222m3/h,综合考虑风机运行稳定､安全､富余量等因素,选用罩极无刷交流风机,具体参数如下:电压AC220V､频率50/60Hz､功率16W､风量160m3/h､转速2600r/min,共2台｡

UPS柜左､右侧面上部各有一个排风口,下部各有一个进风口,新增的排风风机安装于UPS柜内原自然排风口的位置,进风口仍然采用自然进风的方式,不增加送风机｡上部机械排风､下部自然进风,即下进上出､左右对称的通风布局方式,有助于促进柜内空气流通,增加热交换,从而更好地降低温度｡新增排风机与柜内温控模块联动,通过温控模块设置启､停温度限值控制风机的工作状态,当柜内温度升至37℃时风机启动,当柜内温度降至35℃时风机停止,便于实时精准监控柜内运行温度｡

6、实际运行情况反馈

新增排风机后,选择晴天天气对一天内的10:00—11:00､12:00—13:00､15:00—16:00等不同时间段进行连续长期观察统计,UPS柜内运行温度均在40℃以内,满足设计要求,证明增加机械排风的解决办法经济､可行,效果明显｡

7、结束语

综上所述,电力柜过热一直是电力系统中需要重视的一个问题,本文案例通过UPS柜过热原因分析､可行性方案比较､柜内热负荷计算､风机选型､柜内风机与温控模块联动及精准控制,有效解决了UPS柜内运行温度过热问题,确保了UPS柜供电系统安全､平稳､可靠运行,也为以后类似项目的实施提供了宝贵的参考经验｡

参考文献:

[1]陈彦,李晓峰,刘剑,等.太阳辐射对户外密闭箱体热影响的试验研究[J].环境技术,2023,41(5):44-49.

[2]张兴中,黄文,刘庆国.传热学[M].北京:国防工业出版社,2011.

[3]陆亚俊,马最良,邹华平.暖通空调[M].3版.北京:中国建筑工业出版社,2015.

[4]民用建筑供暖通风与空气调节设计规范:GB50736—2012[S].

文章来源:王兵.浅析室外UPS柜运行温度控制及解决办法[J].机电信息,2025,(06):82-85.