Bedarfsgerechte Kühlung von Schaltschränken

Durch das auf das kanallose AirSTREAM-Verdrahtungssystem abgestimmte Lüftersystem wird das Klima im Schaltschrank homogenisiert und die auftriebsbedingten Temperaturschichtungen werden aufgebrochen. Zudem zeigen die durchgeführten Praxismessungen Erstaunliches: Der Gleichzeitigkeitsfaktor* in einem der untersuchten Schaltschränke betrug lediglich 40 %. Wird dieses Wissen zur Berechnung der im Schaltschrank wirksamen Verlustleistung genutzt, ergeben sich neue Möglichkeiten hinsichtlich bedarfsgerechter Klimatisierung, Reduzierung von Endenergiekosten und CO2-Einsparung.

Entscheidend für die Auslegung der Klimatechnik von Schaltschränken ist die Kenntnis der Betriebsbedingungen. Da diese in der Regel unscharf sind, wird mit großen Sicherheitsreserven gerechnet. Ein Praxisbeispiel zeigt, welche Potentiale hinsichtlich bedarfsgerechter Klimatisierung vorliegen und wie diese genutzt werden können, ohne die Betriebssicherheit einer Anlage zu gefährden. Im Rahmen der langjährigen Kooperation zwischen LÜTZE und dem Institut für Gebäudeenergetik, Thermotechnik und Energiespeicherung (IGTE) der Universität Stuttgart wurden dabei neben den praktischen Messungen auch detaillierte theoretische Betrachtungen durchgeführt. Dabei konnten für verschiedene Betriebsbedingungen sehr genaue Vorhersagen zu Strömungssituation und den erwarteten Temperaturen realisiert werden.

Im Rahmen einer Versuchsreihe wurden an Schaltschränken aus der industriellen Praxis Temperaturmessungen durchgeführt. Solche Messungen sind auch notwendig, um theoretische Betrachtungen zu validieren. Im Folgenden sollen die Ergebnisse der Versuchsreihen für einen der untersuchten Schaltschränke detailliert erläutert werden. Konkret handelt es sich um einen Montageschrank, der einen zyklisch ablaufenden Montageprozess steuert. Dieser Schrank verfügt über keine Klimatechnik, es liegt somit der Fall der freien Kühlung vor. Werden die Angaben zur nominellen Verlustleistung aller Hersteller aufsummiert, werden im Schaltschrank 500 W Verlustleistung frei. Wird für diesen Fall unter Berücksichtigung der räumlichen Verlustleistungsverteilung eine Berechnung mit der Wärmeanalysesoftware AirTEMP durchgeführt, sind bei freier Kühlung (keine Klimatechnik) im oberen Luftbereich des Schaltschrankes Temperaturen bis zu 73 °C zu erwarten. Dabei wurde ein Gleichzeitigkeitsfaktor von 100 % angesetzt. Die unter diesen Bedingungen vorgesagten Temperaturen konnten durch die Praxismessungen nicht bestätigt werden. Vielmehr stellten sich in der Praxis wesentlich niedrigere Temperaturen ein. Diese sind durch einen wesentlich geringeren Gleichzeitigkeitsfaktor begründet. Die im Schaltschrank gemessenen Temperaturen waren jedoch immer noch unzulässig hoch. Daraufhin wurde der Schaltschrank mit einem AirBLOWER ausgestattet.

Durch den AirBLOWER wird im Schaltschrank eine gerichtete Zirkulationsströmung erzeugt. Dabei wird hinter dem AirSTREAM-Rahmen ein Volumenstrom von bis zu 510 m³/h nach unten geblasen, infolge dessen die Luft im Schaltschrank um den AirSTREAM-Rahmen strömt. Abbildung 1 zeigt die sich ergebende Strömungssituation basierend auf theoretischen Betrachtungen. Dabei ist zu erkennen wie die Luft über die gesamte Höhe des Schaltschrankes in Bewegung versetzt wird. Dadurch werden Strömungstotgebiete minimiert und Luftschichtungen aufgebrochen.

Um den Wirkmechanismus des Lüftersystems von LÜTZE nachzuweisen wurden im Schaltschrank-Betrieb mit AirBLOWER Temperaturmessungen durchgeführt. Abbildung 2 zeigt die dabei gemessenen Temperaturen. Dabei wurde der AirBLOWER mit einer 3-Punkt Regelstrategie betrieben. Basierend auf den Temperaturen, die der Lüfter über seine Regeleinheit und 3 Temperatursensoren aufnimmt, schaltet sich der AirBLOWER bei Erreichen einer parametrisierbaren Temperatur zu. Im oberen Bereich von Abbildung 2 ist zu erkennen wie die Temperaturen an allen Messpositionen zunächst ansteigen. Da zu diesem Zeitpunkt der AirBLOWER inaktiv ist, liegt freie Kühlung vor. Schließlich wird die Schaltschwelle des AirBLOWER an einer Regelposition überschritten und dieser schaltet zu. Sofort ist zu erkennen, dass der Temperaturanstieg an allen Messpositionen gestoppt wird. Die Temperaturen gehen schließlich in einen quasistationären Zustand über.

Die gegen Ende des Messzyklus noch vorliegenden Temperaturfluktuationen sind auf das zeitabhängige Taktverhalten der Anlage zurückzuführen. Besonders eindrucksvoll zeigt sich der Wirkmechanismus des AirBLOWER Lüfters, wenn die Temperaturen im oberen und unteren Bereich des freien Luftvolumens des Schaltschrankes betrachtet werden. Die hier auftretenden Temperaturverläufe sind im unteren Bereich von Abbildung 2 dargestellt. Dabei zeigt sich, dass durch das Zuschalten des AirBLOWER die höhenabhängige Temperaturschichtung im Schaltschrank vollständig aufgelöst wird. Durch das Vorliegen einer gerichteten Zirkulationsströmung wird ein hoher Anteil der Schaltschrankluft durchmischt und die Entwärmung der Bauteile wird verbessert.

Im freien Luftvolumen liegt beim Betrieb mit AirBLOWER eine mittlere Temperatur von 30 °C vor. Bei einer theoretischen Betrachtung mit AirTEMP und einem angenommenen Gleichzeitigkeitsfaktor von 100 % läge die Temperatur bei etwa 37 °C. Hier zeigen sich noch einmal deutlich die Vorteile des AirBLOWER Lüftersystems. Bei theoretischer Betrachtung liegt die maximale Temperatur im Schaltschrank bei freier Kühlung um 36 K höher als bei Betrieb mit AirBLOWER. Liegt wie beim Betrieb mit AirBLOWER eine gute Luftdurchmischung vor, ist die mittlere Temperatur im freien Luftvolumen ein guter Anhaltswert für die in einem Schaltschrank freiwerdende Verlustleistung. Begründen lässt sich dies dadurch, dass durch das Nichtvorhandensein einer aktiven Kühlung die Verlustleistung vollständig über die Wände des Schaltschrankes abgeführt werden muss.
Die vorliegende Diskrepanz zwischen theoretischer Betrachtung und Messung, sowie die Tatsache, dass die betrachtete Anlage zeitlich taktet, führt zu dem Schluss, dass der Gleichzeitigkeitsfaktor ungleich 100 % sein muss. Der tatsächlich vorliegende Gleichzeitigkeitsfaktor kann anhand der durchgeführten Praxismessungen und den theoretischen Betrachtungen mit guter Genauigkeit bestimmt werden. Dazu wird der Gleichzeitigkeitsfaktor bei den theoretischen Betrachtungen so lange reduziert, bis die Temperatur von 30 °C im freien Luftvolumen erreicht wird. Mit dieser Vorgehensweise ergibt sich ein Gleichzeitigkeitsfaktor von nur 40 %. Damit hat sich die wirksame Verlustleistung, die für die Auslegung der Klimatechnik maßgeblich ist, von 500 W auf 200 W reduziert. Welchen Einfluss dies auf die Vorhersage des Klimas im Schaltschrank hat soll nachfolgend gezeigt werden.

Der Vergleich zeigt durchgeführte theoretische Betrachtungen für die Betriebszustände freie Kühlung und Betrieb mit AirBLOWER bei Gleichzeitigkeitsfaktoren von 100 % und 40 %. Dabei wurden jeweils die nominellen Verlustlustleistungen nach Herstellerangaben angenommen. Unabhängig vom angesetzten Gleichzeitigkeitsfaktor zeigt sich eindrucksvoll, dass der AirBLOWER Temperaturschichtungen und sogar ganze Hotspot-Bereiche auflöst. Wird der Fall der freien Kühlung betrachtet zeigt sich deutlich welchen Einfluss der Gleichzeitigkeitsfaktor und damit die angenommene Verlustleistungsverteilung hat. Bei einem Gleichzeitigkeitsfaktor von 100 % bilden sich über fast jedem Bauteil Hotspotbereiche aus. Bei einem Gleichzeitigkeitsfaktor von 40 % liegt bei freier Kühlung immer noch eine deutliche Temperaturschichtung vor, aber die meisten Hotspotbereiche sind verschwunden. Wird hier zusätzlich noch ein AirBLOWER verbaut, hat man das Klima im Schaltschrank fest im Griff.

Durch homogene Lufttemperaturen auf mäßigem Temperaturniveau (30 °C im freien Luftvolumen) steigt die Lebensdauer der Bauteile und die Ausfallwahrscheinlichkeit der Anlage sinkt. Im Dauerbetrieb beträgt die Leistungsaufnahme eines AirBLOWER durchschnittlich 20 W. Verglichen mit einem Klimagerät ist dieser Betrag vernachlässigbar klein.

Als letzte Schlüsselgröße der thermischen Schaltschrankauslegung soll noch der Einfluss der Umgebungstemperatur betrachtet werden. Bei den durchgeführten Temperaturmessungen wurde eine Umgebungstemperatur von 25 °C gemessen. Diese wurde auch für die gezeigten theoretischen Betrachtungen übernommen. Bedingt durch die Aufstellsituation können an heißen Sommertagen aber Umgebungstemperaturen von bis zu 40 °C auftreten. Diese Erhöhung der Umgebungstemperatur geht direkt auf die Temperatur im Inneren des Schaltschrankes über. Damit können im Sommer bis zu 15 K höhere Temperaturen vorliegen, als jene die bei den Messungen aufgetreten sind. Umso wichtiger ist es in diesem Fall die Temperaturschichtungen im Schaltschrank durch den AirBLOWER aufzubrechen.

Durch den Betrieb einer Anlage mit AirBLOWER kann der Übergangsbereich vergrößert werden, in dem eine Anlage ohne Klimagerät betrieben werden kann. Ab einer bestimmten Grenze der freiwerdenden Verlustleistung und einer dauerhaft zu erwarteten Umgebungstemperatur kann jedoch nicht auf ein Klimagerät verzichtet werden. Aber auch hier kann der AirBLOWER unterstützend wirken, indem die Laufzeit des Klimagerätes möglichst weit reduziert wird. Zusätzlich kann so die energieintensiv erzeugte Kühlleistung dann bestmöglich verteilt werden. Auf diese Art und Weise  kann ein Schritt hin zu bedarfsgerechter Kühlung von Schaltschränken erreicht werden, indem durch eine Homogenisierung der Innentemperatur nur die Kühlleistung eingebracht wird, die auch tatsächlich benötigt wird. Im nächsten Schritt gilt es, die hier vorliegenden Potentiale detailliert zu bewerten, um eine Aussage hinsichtlich der Reduktion von Betriebskosten und einer Reduktion des CO2-Footprints machen zu können. Weitere praktische und theoretische Betrachtungen in diese Richtung sind bereits geplant.

* Der Gleichzeitigkeitsfaktor berücksichtigt die Tatsache, dass in einem Schaltschrank nie alle Bauteile gleichzeitig und mit voller Leistung betrieben werden.

Autoren:
Michael Bautz, Produktmanager Cabinet, Friedrich Lütze GmbH
Wolfgang Heidemann, Universität Stuttgart, Institut für Gebäudeenergetik, Thermotechnik und Energiespeicherung (IGTE)
Daniel Haag, Universität Stuttgart, Institut für Gebäudeenergetik, Thermotechnik und Energiespeicherung (IGTE)