张东福 成水波 吕 琦

(福建省明溪县气象局，福建 三明 365200)

为切实实现气象观测自动化，稳步推进气象观测技术现代化、标准化，2017年以来，福建省气象部门加快推进气象观测场标准化建设，统一在地面气象观测场规划设计、定制一个露天不锈钢集成机柜，将一些分散的设备安装在集成机柜内，以达到易安装、维护的目的，同时也使观测场更加整齐美观。

集成机柜采用不锈钢材质，普通碳钢在常温下的导热系数为46.5 W/mk(导热系数越低对保温越好)，受周围环境和太阳直接辐射影响大。外部热辐射产生的热能与内部设备自身运行产生的热能易导致机柜内部温度快速上升，使机柜内保持较高温度状态。由于机柜设计方面存在通风口设计不合理，机柜内通风不畅，无防太阳直接辐射措施等原故，造成在夏季高温时段机柜内保持较高温度状态。安装在集成机柜内的部分气象观测设备对工作环境有较高要求，对温度敏感。在高温状态下，设备电路蜡脂膏及防护化合物熔化流动会影响设备的工作性能，高分子材料会加速分解和老化，缩短电子元器件的寿命；
设备内部元器件温度提高则会引起气象观测设备内电容电阻电感值变化，引发设备发生零飘移，影响气象观测设备性能；
有时设备过热致使元件损坏，导致设备发生故障。例如，铅酸免维护蓄电池在40℃以上高温下长时间工作，使用寿命和性能会急剧下降。综合集成硬件控制器是实现自动气象站、云高、云量、天气现象、辐射等气象观测设备硬件集成的通信设备，实现多观测设备仅需一根光纤即可与业务终端实现数据传输功能，解决多个自动气象观测设备的集约化管理[1]。其对工作环境要求较高，工作环境温度为-40℃～60℃，较长时间的高温状态下工作易导致设备死机，造成气象传输数据缺失影响传输质量。

朱伟明等通过改进密闭机柜的循环通风装置，使其稳定性得到提升[2]；
王豪等对一体化机柜的降温方式进行探讨，以缓解高温环境下通信设备运行稳定的问题[3]；
吕鹏程认为加装排风扇可以有效解决室外机柜内部高温问题[4]。但他们的研究多集中在电信通讯领域，其室外机柜体积大，设备自身发热量大，因此要求也较高，降温措施功耗也较大，并不适合气象观测场设备使用。气象观测场专用设备功耗小，设备自身发热量较低。因此，集成机柜降温主要是防止外部热量侵入和优化内部通风等。本文根据项目研究取得的成效，分析地面气象观测场集成机柜内部温度与外界环境温度变化规律，研究采用不同降温措施对机柜内温度的影响，探讨较适合推广的集成机柜降温方案，优化改造集成机柜以降低机柜内温度，为气象数据观测和传输稳定性提供技术保障。

为获取集成机柜内设备工作真实环境温度情况，我们在集成机柜中间放置1根自记温度计，用以收集研究时段内无降温措施、加装散热风扇、遮阳顶盖和隔热棉等不同降温措施后的机柜内温度，并人工记录实验期间每天8时至20时综合集成硬件控制器工作温度。空气温度观测资料由明溪县气象局提供。

研究方法方面，本文采用数理统计、回归方程统计和图表对比法分析无降温措施和加装散热风扇、遮阳顶盖和隔热棉等不同降温措施后机柜内温度变化情况，总结集成机柜内温度变化与机柜外环境温度变化之间规律，分析不同组合降温措施对集成机柜降温效果，确定经济适用的降温措施为设备正常运行提供保障。

气象观测场设备集成机柜降温措施所采用通风风扇和隔热材料均来自于网上购置后自行安装，遮阳顶盖委托不锈钢加工店铺制作，具体安装示意图详见图1。

全部费用总计不超过500元。

图1 设备集成机柜降温措施安装示意图

3.1 无降温措施集成机柜内温度与环境气温的关系

图2为2020年8月14—16日明溪气象观测场集成机柜空气温度及机柜内部温度观测数据。数据统计显示，集成机柜内温度T与环境气温t关系满足线性回归方程公式：T=1.6673t-14.237,R2=0.9432。其中，T代表机柜内温度(℃)，t代表当时空气温度(℃)。结果表明，观测场集成机柜内温度与环境气温变化呈正相关关系。

图2 无降温措施集成机柜内温度与空气温度变化关系离散图

观测数据显示，在13—16时段，由于太阳直射影响，安装在西侧靠近机柜门的综合集成硬件控制器工作温度比机柜内温度平均高12.7℃；
其最高工作温度比同时期空气温度高出约27℃，超出综合集成硬件控制器工作温度范围，易导致设备死机，造成传输数据缺失，影响传输质量。

3.2 采用通风散热措施降温效果分析

受朱伟明等人通过改进密闭机柜的循环通风装置提高设备稳定性启发，我们在观测场设备集成机柜上部通风百叶窗一侧加装进气风扇，另一侧加装排气风扇，加强机柜内外冷热空气交换，以降低机柜内部温度。2020年8月17—19日观测结果表明(图3)，由于预计不足，气象部门定制的集成机柜大部分尺寸偏紧凑，内部空间狭窄，机柜内设备拥挤，散热空间不足以及通风口开口位置不合理，导致通风散热降温效果不明显。午后高温环境下，机柜内温度比空气温度高约8℃左右，比不通风情况下降低约2℃。安装在机柜西侧的综合集成硬件控制器依旧工作在高温区域，最高工作温度达55℃以上。当午后高温天气出现太阳被云遮住无太阳直射时，机柜内降温明显加快，表明通风散热降温效果受夏天太阳直射影响大。

图3 采用通风降温措施后温度对比折线图

因此，本文建议适当增加机柜尺寸，提升机柜内部空气流通。同时将空气流入入口开口在机柜侧面下部离地20cm高度(《地面气象观测规范》规定，观测场地面草高不得超过20cm)，空气流出出口开在顶部侧面。通风口开口形状为百叶窗，以防降水侵入。当机柜内部温度升高，热空气上升从上排气口排出，外部较冷空气从底部入风口流入，自动形成内外冷热空气循环，以降低机柜内温度。在顶部出风口安装自动控制风扇，以提高通风降温效率。

3.3 加装隔热板降温效果分析

橡塑防火隔热棉板具有良好的隔热、防潮、防火效果，自带背胶安装简单。根据集成机柜形状裁剪，在集成机柜东西两侧开门和顶层内侧安装防火隔热板，以隔绝太阳直射集成机柜引起机柜内部升温。

从2020年8月24日起，持续观测14天集成机柜安装隔热板和通风降温措施后降温效果。选取空气温度变化接近8月14—16日的8月24—26日温度观测数据制作成折线图,如图4所示。

图4 采用隔热、通风降温措施后温度对比折线图

对8月24—26日观测的空气温度、机柜温度及控制器温度分别进行离散分析发现，机柜内温度与空气温度呈线性变化；
受太阳辐射影响最大的安装在西侧的综合集成硬件控制器工作温度与机柜内部温度也呈线性变化，说明采用隔热降温措施能有效降低太阳直接辐射对机柜温度的影响，尤其是安装在机柜西侧的综合集成硬件控制器的影响。图4表明，安装隔热降温措施后，机柜内部最高温度平均比空气温度高5℃左右，综合集成硬件控制器最高工作温度平均比空气温度高约17℃。其中，8月31日和9月1日(关闭通风降温措施)，午后太阳直接辐射对安装在西侧的综合集成硬件控制器仍有较大影响，综合集成硬件控制器工作温度仍比当时空气温度高约20℃。

3.4 机柜上方加盖遮阳顶盖后降温效果分析

观测数据表明，太阳直接辐射是造成机柜内升温的最主要原因。因此，做好机柜遮阳是观测场集成机柜降温的关键。考虑整体外观协调情况下，在集成机柜上加盖一斜面不锈钢遮阳顶盖，四周各出沿15cm,面层喷漆白色哑光漆，以遮蔽正午前后太阳直射。

2021年7月5—8日观测数据显示(图5)，在采用遮阳、隔热和通风等降温措施后，有效降低了集成机柜内温度，机柜内最高温度比同时间空气温度高约3℃；
综合集成硬件控制器最高工作温度比同时间空气温度高16℃左右。7月14日，最高空气温度37.8℃，综合集成硬件控制器工作温度最高为52.7℃，在综合集成硬件控制器正常工作温度范围，降温效果明显，达到预期目的。

图5 采用遮阳、隔热、通风降温措施后温度折线图

观测表明，安装在受太阳直射升温影响较小的东侧综合集成硬件控制器，其工作温度明显比安装在西面的综合集成硬件控制器工作温度低，不容易出现超过工作范围而死机现象。因此，观测场新安装集成机柜时建议对温度较为敏感的设备安装在机柜南北两侧，避开太阳直接辐射影响导致工作温度升高。

①气象观测场设备集成机柜内部温度与周边气温变化成线性关系；
在夏天高温时段，受太阳直接辐射影响，机柜内部温度高，容易导致设备工作温度超出正常范围，造成设备死机等，影响气象数据观测和传输。

②采用加装散热风扇、遮阳顶盖和隔热棉等降温措施，能有效降低气象观测场设备集成机柜内部温度，确保机柜内设备工作在正常温度范围内，保障气象设备稳定运行。

③对温度较为敏感的设备宜安装在机柜南北两侧，避开太阳直接辐射影响。

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