Виктор

Я так понял, что радиатор, показанный на вашей второй картинке, плотно прижат к процессору и снимает с него тепло. Если я понял правильно, то нижняя крышка, показанная на третьей картинке и начисто блокирующая обдув этого радиатора, выглядит по-идиотски.
Так что, на мой взгляд, ваш первый вариант (прорезка большого отверстия в нижней крышке, восстанавливающего движение воздуха в рёбрах радиатора) - правильное решение.
Кулер любого типа, дующий на плату сверху, бесполезен. Если и ставить кулер, то надо направлять его воздушный поток на рёбра радиатора. Но вполне аозможно, окажется достаточно и пассивного конвекционного движения воздуха, это надо проверять экспериментально.

пара пинов

к одному пину

Если и вправду к одному, то это связной интерфейс 1-Wire, под него гугл ничего не советует. А вот если два пина, то это уже I2C, и под него есть расширитель портов MCP23017.

Само реле может дать сигнал обратной связи, сработало ли оно - всё верно, с помощью ещё одного контакта, коммутирующего цепь специально выделенного для этого входа ардуинки. Но есть единственный аварийный случай, который такой обратной связью не охватывается - это неисправность самого реле, при которой один контакт сработал, а второй по какой-либо причине не сработал (ну или наоборот).
Если этот нюанс актуален и надо охватить все случаи, сигнал ОС придётся брать прямо из управляемой цепи (сюда же добавляется упомянутый вами случай, когда выходная цепь управляется не только ардуинкой, но и чем-то дополнительным - ручным выключателем, например). Это должны быть датчики напряжения или тока - обычно токовый трансформатор либо оптрон, при нём пара-тройка элементов, нормирующих выходной сигнал до величины, приемлемой ардуинке.
Надо принять во внимание, что такие датчики являются пороговыми, сигнал ниже порога будут трактовать как его отсутствие.