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(shí)實(shí)現(xiàn)氣象觀測(cè)自動(dòng)化，穩(wěn)步推進(jìn)氣象觀測(cè)技術(shù)現(xiàn)代化、標(biāo)準(zhǔn)化，2017年以來，福建省氣象部門加快推進(jìn)氣象觀測(cè)場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)，統(tǒng)一在地面氣象觀測(cè)場(chǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)、定制一個(gè)露天不銹鋼集成機(jī)柜，將一些分散的設(shè)備安裝在集成機(jī)柜內(nèi)，以達(dá)到易安裝、維護(hù)的目的，同時(shí)也使觀測(cè)場(chǎng)更加整齊美觀。

集成機(jī)柜采用不銹鋼材質(zhì)，普通碳鋼在常溫下的導(dǎo)熱系數(shù)為46.5 W/mk(導(dǎo)熱系數(shù)越低對(duì)保溫越好)，受周圍環(huán)境和太陽(yáng)直接輻射影響大。外部熱輻射產(chǎn)生的熱能與內(nèi)部設(shè)備自身運(yùn)行產(chǎn)生的熱能易導(dǎo)致機(jī)柜內(nèi)部溫度快速上升，使機(jī)柜內(nèi)保持較高溫度狀態(tài)。由于機(jī)柜設(shè)計(jì)方面存在通風(fēng)口設(shè)計(jì)不合理，機(jī)柜內(nèi)通風(fēng)不暢，無防太陽(yáng)直接輻射措施等原故，造成在夏季高溫時(shí)段機(jī)柜內(nèi)保持較高溫度狀態(tài)。安裝在集成機(jī)柜內(nèi)的部分氣象觀測(cè)設(shè)備對(duì)工作環(huán)境有較高要求，對(duì)溫度敏感。在高溫狀態(tài)下，設(shè)備電路蠟脂膏及防護(hù)化合物熔化流動(dòng)會(huì)影響設(shè)備的工作性能，高分子材料會(huì)加速分解和老化，縮短電子元器件的壽命；設(shè)備內(nèi)部元器件溫度提高則會(huì)引起氣象觀測(cè)設(shè)備內(nèi)電容電阻電感值變化，引發(fā)設(shè)備發(fā)生零飄移，影響氣象觀測(cè)設(shè)備性能；有時(shí)設(shè)備過熱致使元件損壞，導(dǎo)致設(shè)備發(fā)生故障。例如，鉛酸免維護(hù)蓄電池在40℃以上高溫下長(zhǎng)時(shí)間工作，使用壽命和性能會(huì)急劇下降。綜合集成硬件控制器是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)氣象站、云高、云量、天氣現(xiàn)象、輻射等氣象觀測(cè)設(shè)備硬件集成的通信設(shè)備，實(shí)現(xiàn)多觀測(cè)設(shè)備僅需一根光纖即可與業(yè)務(wù)終端實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸功能，解決多個(gè)自動(dòng)氣象觀測(cè)設(shè)備的集約化管理[1]。其對(duì)工作環(huán)境要求較高，工作環(huán)境溫度為-40℃～60℃，較長(zhǎng)時(shí)間的高溫狀態(tài)下工作易導(dǎo)致設(shè)備死機(jī)，造成氣象傳輸數(shù)據(jù)缺失影響傳輸質(zhì)量。

朱偉明等通過改進(jìn)密閉機(jī)柜的循環(huán)通風(fēng)裝置，使其穩(wěn)定性得到提升[2]；王豪等對(duì)一體化機(jī)柜的降溫方式進(jìn)行探討，以緩解高溫環(huán)境下通信設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定的問題[3]；呂鵬程認(rèn)為加裝排風(fēng)扇可以有效解決室外機(jī)柜內(nèi)部高溫問題[4]。但他們的研究多集中在電信通訊領(lǐng)域，其室外機(jī)柜體積大，設(shè)備自身發(fā)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(cè)場(chǎng)設(shè)備使用。氣象觀測(cè)場(chǎng)專用設(shè)備功耗小，設(shè)備自身發(fā)熱量較低。因此，集成機(jī)柜降溫主要是防止外部熱量侵入和優(yōu)化內(nèi)部通風(fēng)等。本文根據(jù)項(xiàng)目研究取得的成效，分析地面氣象觀測(cè)場(chǎng)集成機(jī)柜內(nèi)部溫度與外界環(huán)境溫度變化規(guī)律，研究采用不同降溫措施對(duì)機(jī)柜內(nèi)溫度的影響，探討較適合推廣的集成機(jī)柜降溫方案，優(yōu)化改造集成機(jī)柜以降低機(jī)柜內(nèi)溫度，為氣象數(shù)據(jù)觀測(cè)和傳輸穩(wěn)定性提供技術(shù)保障。

2 資料來源、研究方法和降溫設(shè)備安裝

為獲取集成機(jī)柜內(nèi)設(shè)備工作真實(shí)環(huán)境溫度情況，我們?cè)诩蓹C(jī)柜中間放置1根自記溫度計(jì)，用以收集研究時(shí)段內(nèi)無降溫措施、加裝散熱風(fēng)扇、遮陽(yáng)頂蓋和隔熱棉等不同降溫措施后的機(jī)柜內(nèi)溫度，并人工記錄實(shí)驗(yàn)期間每天8時(shí)至20時(shí)綜合集成硬件控制器工作溫度?？諝鉁囟扔^測(cè)資料由明溪縣氣象局提供。

研究方法方面，本文采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)、回歸方程統(tǒng)計(jì)和圖表對(duì)比法分析無降溫措施和加裝散熱風(fēng)扇、遮陽(yáng)頂蓋和隔熱棉等不同降溫措施后機(jī)柜內(nèi)溫度變化情況，總結(jié)集成機(jī)柜內(nèi)溫度變化與機(jī)柜外環(huán)境溫度變化之間規(guī)律，分析不同組合降溫措施對(duì)集成機(jī)柜降溫效果，確定經(jīng)濟(jì)適用的降溫措施為設(shè)備正常運(yùn)行提供保障。

氣象觀測(cè)場(chǎng)設(shè)備集成機(jī)柜降溫措施所采用通風(fēng)風(fēng)扇和隔熱材料均來自于網(wǎng)上購(gòu)置后自行安裝，遮陽(yáng)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(fèi)用總計(jì)不超過500元。

圖1 設(shè)備集成機(jī)柜降溫措施安裝示意圖

3 結(jié)果分析

3.1 無降溫措施集成機(jī)柜內(nèi)溫度與環(huán)境氣溫的關(guān)系

圖2為2020年8月14—16日明溪?dú)庀笥^測(cè)場(chǎng)集成機(jī)柜空氣溫度及機(jī)柜內(nèi)部溫度觀測(cè)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，集成機(jī)柜內(nèi)溫度T與環(huán)境氣溫t關(guān)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(jī)柜內(nèi)溫度(℃)，t代表當(dāng)時(shí)空氣溫度(℃)。結(jié)果表明，觀測(cè)場(chǎng)集成機(jī)柜內(nèi)溫度與環(huán)境氣溫變化呈正相關(guān)關(guān)系。

圖2 無降溫措施集成機(jī)柜內(nèi)溫度與空氣溫度變化關(guān)系離散圖

觀測(cè)數(shù)據(jù)顯示，在13—16時(shí)段，由于太陽(yáng)直射影響，安裝在西側(cè)靠近機(jī)柜門的綜合集成硬件控制器工作溫度比機(jī)柜內(nèi)溫度平均高12.7℃；其最高工作溫度比同時(shí)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(dǎo)致設(shè)備死機(jī)，造成傳輸數(shù)據(jù)缺失，影響傳輸質(zhì)量。

3.2 采用通風(fēng)散熱措施降溫效果分析

受朱偉明等人通過改進(jìn)密閉機(jī)柜的循環(huán)通風(fēng)裝置提高設(shè)備穩(wěn)定性啟發(fā)，我們?cè)谟^測(cè)場(chǎng)設(shè)備集成機(jī)柜上部通風(fēng)百葉窗一側(cè)加裝進(jìn)氣風(fēng)扇，另一側(cè)加裝排氣風(fēng)扇，加強(qiáng)機(jī)柜內(nèi)外冷熱空氣交換，以降低機(jī)柜內(nèi)部溫度。2020年8月17—19日觀測(cè)結(jié)果表明(圖3)，由于預(yù)計(jì)不足，氣象部門定制的集成機(jī)柜大部分尺寸偏緊湊，內(nèi)部空間狹窄，機(jī)柜內(nèi)設(shè)備擁擠，散熱空間不足以及通風(fēng)口開口位置不合理，導(dǎo)致通風(fēng)散熱降溫效果不明顯。午后高溫環(huán)境下，機(jī)柜內(nèi)溫度比空氣溫度高約8℃左右，比不通風(fēng)情況下降低約2℃。安裝在機(jī)柜西側(cè)的綜合集成硬件控制器依舊工作在高溫區(qū)域，最高工作溫度達(dá)55℃以上。當(dāng)午后高溫天氣出現(xiàn)太陽(yáng)被云遮住無太陽(yáng)直射時(shí)，機(jī)柜內(nèi)降溫明顯加快，表明通風(fēng)散熱降溫效果受夏天太陽(yáng)直射影響大。

圖3 采用通風(fēng)降溫措施后溫度對(duì)比折線圖

因此，本文建議適當(dāng)增加機(jī)柜尺寸，提升機(jī)柜內(nèi)部空氣流通。同時(shí)將空氣流入入口開口在機(jī)柜側(cè)面下部離地20cm高度(《地面氣象觀測(cè)規(guī)范》規(guī)定，觀測(cè)場(chǎng)地面草高不得超過20cm)，空氣流出出口開在頂部側(cè)面。通風(fēng)口開口形狀為百葉窗，以防降水侵入。當(dāng)機(jī)柜內(nèi)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(fēng)口流入，自動(dòng)形成內(nèi)外冷熱空氣循環(huán)，以降低機(jī)柜內(nèi)溫度。在頂部出風(fēng)口安裝自動(dòng)控制風(fēng)扇，以提高通風(fēng)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(jiǎn)單。根據(jù)集成機(jī)柜形狀裁剪，在集成機(jī)柜東西兩側(cè)開門和頂層內(nèi)側(cè)安裝防火隔熱板，以隔絕太陽(yáng)直射集成機(jī)柜引起機(jī)柜內(nèi)部升溫。

從2020年8月24日起，持續(xù)觀測(cè)14天集成機(jī)柜安裝隔熱板和通風(fēng)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(cè)數(shù)據(jù)制作成折線圖,如圖4所示。

圖4 采用隔熱、通風(fēng)降溫措施后溫度對(duì)比折線圖

對(duì)8月24—26日觀測(cè)的空氣溫度、機(jī)柜溫度及控制器溫度分別進(jìn)行離散分析發(fā)現(xiàn)，機(jī)柜內(nèi)溫度與空氣溫度呈線性變化；受太陽(yáng)輻射影響最大的安裝在西側(cè)的綜合集成硬件控制器工作溫度與機(jī)柜內(nèi)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(yáng)直接輻射對(duì)機(jī)柜溫度的影響，尤其是安裝在機(jī)柜西側(cè)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(jī)柜內(nèi)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(guān)閉通風(fēng)降溫措施)，午后太陽(yáng)直接輻射對(duì)安裝在西側(cè)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(dāng)時(shí)空氣溫度高約20℃。

3.4 機(jī)柜上方加蓋遮陽(yáng)頂蓋后降溫效果分析

觀測(cè)數(shù)據(jù)表明，太陽(yáng)直接輻射是造成機(jī)柜內(nèi)升溫的最主要原因。因此，做好機(jī)柜遮陽(yáng)是觀測(cè)場(chǎng)集成機(jī)柜降溫的關(guān)鍵?？紤]整體外觀協(xié)調(diào)情況下，在集成機(jī)柜上加蓋一斜面不銹鋼遮陽(yáng)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(yáng)直射。

2021年7月5—8日觀測(cè)數(shù)據(jù)顯示(圖5)，在采用遮陽(yáng)、隔熱和通風(fēng)等降溫措施后，有效降低了集成機(jī)柜內(nèi)溫度，機(jī)柜內(nèi)最高溫度比同時(shí)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(shí)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(dá)到預(yù)期目的。

圖5 采用遮陽(yáng)、隔熱、通風(fēng)降溫措施后溫度折線圖

觀測(cè)表明，安裝在受太陽(yáng)直射升溫影響較小的東側(cè)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(xiàn)超過工作范圍而死機(jī)現(xiàn)象。因此，觀測(cè)場(chǎng)新安裝集成機(jī)柜時(shí)建議對(duì)溫度較為敏感的設(shè)備安裝在機(jī)柜南北兩側(cè)，避開太陽(yáng)直接輻射影響導(dǎo)致工作溫度升高。

4 結(jié)論

①氣象觀測(cè)場(chǎng)設(shè)備集成機(jī)柜內(nèi)部溫度與周邊氣溫變化成線性關(guān)系；在夏天高溫時(shí)段，受太陽(yáng)直接輻射影響，機(jī)柜內(nèi)部溫度高，容易導(dǎo)致設(shè)備工作溫度超出正常范圍，造成設(shè)備死機(jī)等，影響氣象數(shù)據(jù)觀測(cè)和傳輸。

②采用加裝散熱風(fēng)扇、遮陽(yáng)頂蓋和隔熱棉等降溫措施，能有效降低氣象觀測(cè)場(chǎng)設(shè)備集成機(jī)柜內(nèi)部溫度，確保機(jī)柜內(nèi)設(shè)備工作在正常溫度范圍內(nèi)，保障氣象設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行。

③對(duì)溫度較為敏感的設(shè)備宜安裝在機(jī)柜南北兩側(cè)，避開太陽(yáng)直接輻射影響。