本文對不同顏色戶外密閉箱體受太陽輻射的熱影響進行了試驗研究。通過對深綠、沙漠黃和白色三種顏色的密閉箱體進行的太陽輻射熱影響試驗，得出不同顏色對太陽輻射熱量吸收的差異，并通過箱體溫度、箱內空氣溫度等變化，得出戶外密閉箱體/箱內溫度一天內的變化以及一年內的變化，對箱內環境溫度受太陽輻射影響引起的溫升進行了摸底，以及箱體溫度和箱內溫度進行了摸底，對戶外密閉箱體的熱設計具有重要的參考意義。
引言
太陽輻射由紫外線、可見光和紅外線組成，以電磁波的形式傳輸到地球上，可使地球表面的各種氣候因素等發生變化，包括溫度、濕度、氣壓等，并對環境中的各種設備產生一定的影響。比如在強烈的日光照射下，電子設備表面和內部溫升將會明顯提高，其中表面溫度可達80℃以上，內部溫度也可升高（10~20）℃，將嚴重影響和破壞內部電子元器件的正常工作。
太陽輻射對電子產品的影響主要是加熱效應和光化學效應。紅外光譜部分會產生加熱效應，引起產品短時高溫和局部過熱，造成運動零件的卡死或松動，結構件及相關焊縫的強度降低，聚合物和合成橡膠的性能發生變化，以及涂層和其他保護層氣泡和剝落等；紫外光譜部分會產生光化學效應，由于紫外線的作用，疊加高溫作用，電子設備結構的密封圈和塑料制品等會逐漸老化、變色、發粘和龜裂，密封性能變差，天然和合成橡膠及聚合物破壞，油漆涂層變色、粉化、起泡、開裂、剝落，加速金屬表面銹蝕，降低電子設備的工作壽命及可靠性。
本文將主要針對加熱效應進行試驗研究和仿真驗證。
試驗研究方法
如下圖所示，箱體不透明，根據箱體熱平衡原理，熱量來源主要是箱體表面接收到的太陽輻射Q，一部分熱量Q2被箱體表面反射回環境，另一部分熱量Q1被箱體表面吸收，箱體表面溫度升高；由傳熱學原理可知，箱體表面吸收的熱量Q1一部分q'通過對流方式傳遞至外環境，另一部分q通過導熱+對流的方式傳遞至箱內環境，引起箱內空氣溫度的升高。
若箱體結構尺寸相同，接收到的太陽輻射Q相等，但箱體表面顏色不同，太陽輻射吸收率不同，因此吸收熱量Q1不同，導致箱體表面溫度和箱體向箱內傳遞的熱量q也不同，由q=cmΔt可知，箱內空氣溫度也存在差異。
圖1 箱體傳熱路徑示意圖
結合工程實際，為了研究太陽輻射對戶外密閉箱體的熱影響，選用三種不同顏色的密閉箱體，放置于戶外太陽輻射環境下，分別采集機箱表面、箱內環境以及箱外環境的溫度數據，分析太陽輻射對箱體的溫升情況，并在此基礎上綜合研究不同季節、顏色、是否遮陽等對箱體熱影響的差異性。
三種顏色分別為深綠色、沙漠黃色和白色；箱體為空箱體，內部無發熱設備；為消除太陽方位角、高度角對機箱的影響，三個機箱南北放置，且放置的距離足夠遠，如下圖所示。
圖2 試驗箱體放置圖
試驗測試系統
1、溫度采集系統
溫度采集儀器設備如表1所示，在試驗前均進行標定或者補償。
表1 試驗用儀器及功用
2、溫度采集方案
試驗前，將熱電偶溫度測點分別布置在三個機箱相應位置處，包括向陽面（頂面）的內外表面（測點1和測點2），背陽面的內外表面（測點3和測點4）、內部空間（測點5和測點6）以及外環境，如下所示。
圖3 試驗測點布置示意圖
表2 試驗測點布置
試驗結果及分析
數據采集時間為2020年8月至2021年9月。因數據量較大，每隔30min取一組數據。
1.環境溫度變化
取每天14：00的環境溫度值，得出環境溫度隨月份變化曲線，如下圖所示：6、7、8和9月的最高環境溫度較高，分別為37.8℃、37.3℃、36.5℃和35.5℃；11、12和1月份最高環境溫度較低，分別為19.5℃、7.1℃、8℃；最低溫度和平均溫度變化趨勢與最高溫度一致。
圖4 環境溫度隨月份變化曲線
圖5 箱內溫度隨時間變化曲線
以7月2號至7月4號的數據為例：箱內溫度每天早上6：00開始快速上升，至上午10：00左右升至較高水平，持續至下午16:00左右開始快速下降，即每天的10：00至16：00時間段內，箱內環境溫度處于較高水平（具體時間點跟日出日出時間相關）。
2.顏色影響
以7月和9月為例，取每月1號至10號的溫度數據，箱內溫度每天的變化曲線如圖所示。
1)顏色對箱內溫度影響較大，顏色越深、吸收率越高，箱內溫度越高。
2)不同顏色之間的差異較大：白色吸收率小，箱內溫升小，深綠色和沙漠黃色吸收率大，箱內溫升大；深綠色和沙漠黃色差異較小。
圖7 箱內溫度每天變化情況_7月
圖8 箱內溫度每天變化情況_9月
3.箱內溫升
1.絕對溫度
如下圖所示，每年6、7、8、9月份箱內最高溫度較高（深綠色機箱54℃，沙漠黃色機箱52℃，白色機箱42℃），即戶外密閉箱體在內部設備不工作的工況下，溫度已經達到50℃以上。
圖9 不同顏色箱內最高溫度月度變化
2.相對溫升
不同顏色箱體的箱內溫度相對環境溫升情況如下圖所示（取每月每天14：00時刻的平均溫度）。
a.9~12月份箱內環境平均溫升較高；
b.三個機箱箱內平均溫升排序為深綠色＞沙漠黃色＞白色，其中深綠色為（8，14）℃，沙漠黃色為（7，12）℃，白色為（2，4）℃；
c.箱內最高溫升全年變化不大，深綠色為（17，22）℃，沙漠黃色為（14，19℃），白色為（5，7）℃。
圖10 箱內平均溫升隨月度變化
圖11 箱內最高溫升隨月度變化
4.箱體和箱內溫度差異
以9月份深綠色溫度數據為例，箱體向陽面、背陽面、箱內溫度隨時間變化如下所示。
a.溫度排序為向陽面＞箱內空氣＞背陽面，太陽輻射較強時，向陽面比箱內高5℃~15℃；
在晝夜溫差大的情況下，受太陽輻射影響，日落以后箱體及箱內溫度快速降低，低于環境溫度。
圖12 深綠色箱體向陽面-背陽面-箱內溫度隨時間變化曲線
5.太陽直射影響
箱體可分為向陽面和背陽面，向陽面直接吸收輻射熱量并轉化為熱量，背陽面熱量來源于向陽面的熱傳導。以9月份深綠色箱體溫度數據為例，取箱體向陽面和背陽面的內表面溫度：
a.不同顏色太陽輻射吸收率不同，受自然對流影響，深綠色和沙漠黃色背陽面表面溫度基本一致，但比白色箱體表面溫度高；深綠色和沙漠黃色向陽面表面溫差較背陽面大；
b.太陽輻射較強時間段，向陽面表面溫度比背陽面溫度高10℃~20℃（深綠色箱體）；
c.晚上向陽面溫度低于背陽面，可能原因為向陽面為頂面，背陽面為側面，晚上環境溫度低于箱內溫度，且頂面對流換熱強度強于側面；
d.對于戶外密閉箱體，采取一定的遮陽措施，將極大地降低箱體和箱內溫度，改善內部電子設備工作環境。
圖13 箱體背陽面溫度隨時間變化
圖14 箱體向陽面溫度隨時間變化
圖 15 深綠色箱體向陽面-背陽面溫度情況
圖16 深綠色箱體向陽面-背陽面溫差
仿真與試驗對比
為充分驗證太陽輻射熱影響，取深綠色箱體進行太陽輻射熱影響的仿真分析，校核仿真與試驗對比情況，為后續太陽輻射熱影響的計算提供支撐。
取20210902的溫度數據，綠色箱體表面的太陽輻射吸收率取0.6，地點為北京，晴朗天氣（太陽輻射無遮擋），箱體表面風速取3m/s，計算一天內（0點到24點）箱體向陽面（頂面）和箱內空氣溫度的變化。
環境溫度仿真輸入參考實測值的模擬曲線，如下圖所示。
圖片
圖17 環境溫度仿真輸入
根據以上邊界條件進行仿真分析，得出綠色箱體溫度、箱內溫度與實測值對比，分別如下圖所示。
a.箱體表面及箱內空氣溫度仿真與實測值整體變化趨勢一致；
b.受表面太陽輻射實際吸收率、表面對流情況及天氣日照等影響，仿真與實測在具體數值上有一定的差異，后續需要進一步深入和細化的研究。
圖18 箱體表面溫度仿真與實測對比
圖19 箱內空氣溫度仿真與實測對比
結束語
由測試結果可知，太陽輻射對戶外密閉箱體（特別是深顏色）的熱影響較為明顯，以常用深綠色和沙漠黃色為例，箱內溫升范圍達到了14℃~22℃，在熱設計時要給予重點考慮；對于戶外密閉箱體，采取遮陽措施將極大地改善散熱環境，降低箱體和箱內溫度，提高內部電子設備的環境適應性；在晝夜溫差大的情況下，晚上箱體及箱內溫度低于環境溫度，存在凝露的可能，要進行防凝露設計，避免凝露導致的電子設備壽命縮短、可靠性降低現象；由仿真與實測對比分析可知，兩者較為符合，在后續工程設計和型號應用方面，可利用仿真手段對太陽輻射熱影響進行充分的預測，并采取合適的手段，提高設計準確度和設備的使用壽命和可靠性。
引用本文：
陳彥，李曉峰，鄧環宇.太陽輻射對戶外密閉箱體熱影響的試驗研究[J].環境技術,2023,41(05):44-49+58.
