Aufgrund der hohen Energiekosten spielt seit einigen Jahren die Energie-Effizienz in vielen Bereichen eine zunehmend wichtige Rolle. Auch für Klimatisierungslösungen ergeben sich dadurch neue Anforderungen. In der Folge sind in letzter Zeit viele Neu- und Weiterentwicklungen in Angriff genommen worden, die bestehende Klimatisierungskonzepte optimieren oder ganz neue Ansätze aufgegriffen haben. Bei der Betrachtung von Klimatisierungslösungen kommt man allerdings um die physikalischen Grundlagen nicht he­rum: Das ohmsche Gesetz und die Hauptsätze der Thermodynamik liefern die physikalischen Rahmenbedingungen, in denen sich die Konzepte der Wärme-Ableitung bewegen müssen. Der elektrische Widerstand von Komponenten führt dazu, dass immer dann, wenn Strom fließt, ein Teil der elektrischen Energie in Wärme-Energie umgewandelt wird. Da Maschinen und Schaltanlagen in den vergangenen Jahren stetig komplexer und gleichzeitig kompakter geworden sind, ist in einem durchschnittlichen Schaltschrank einer industriellen Anwendung der absolute Betrag der Verlustleistung, die in Wärme umgewandelt wird, ebenfalls gestiegen.

Prinzipiell lässt sich Wärme mit drei verschiedenen Mechanismen transportieren: Wärmestrahlung, Wärmeleitung und Konvektion. Bei der Klimatisierung geht es grundsätzlich darum, diese drei Prozesse möglichst geschickt zu kombinieren, um einen effizienten Wärmetransport zu gewährleisten. Im einfachsten Fall transportieren Lüfter die warme Luft nach außen und saugen kühlere Luft aus der Umgebung an. Dies funktioniert aber nur, wenn die Umgebungsluft kühl genug und die Verlustleistung im Schaltschrank gleichzeitig nicht zu groß ist. Ist eine höhere Kühlleistung notwendig, so muss eine aktive Klimatisierung die Luft abkühlen. Zum Einsatz kommt dazu beispielsweise ein Kompressorkühlgerät, das auf oder an dem Schaltschrank montiert ist. Die Wärme-Energie der Luft wird dabei an das Kältemittel des Kühlgeräts abgegeben, das diese abtransportiert.

Diese Schaltschrankkühlgeräte waren seit den 80er Jahren Stand der Technik und kommen auch heute noch häufig zum Einsatz. Eine alternative Möglichkeit, kühle Luft für den Schaltschrank zur Verfügung zu stellen, ist der Einsatz von Wasser als Kühlmedium. Die Luft im Schaltschrank gibt dabei die Wärme nicht mehr direkt an das Schaltschrankkühlgerät ab, sondern über einen Luft-Wasser-Wärmetauscher an einen Kühlwasserkreislauf. Einer der Vorteile dieses Konzepts liegt in den physikalischen Eigenschaften von Wasser: Aufgrund der hohen Wärmekapazität lassen sich deutlich höhere Wärmemengen transportieren als mit dem Medium Luft. Bei typischen Temperaturen und Strömungsgeschwindigkeiten ist die gleiche Wärme-Energie durch eine Kühlwasserleitung transportierbar, die nur 1/30 des Querschnitts eines entsprechenden Lüftungsrohrs hat.

In der IT-Welt hat sich Wasser als Kühlmedium aus diesem Grund schon seit längerem durchgesetzt. Leistungsfähige Serverschränke erzeugen teilweise Wärmeleistungen im zweistelligen kW-Bereich. Eine so hohe Leistung lässt sich allein mit Luftkühlung nicht mehr effizient abführen. Doch Wasser als Kühlmedium hat auch mit Blick auf die Energie-Effizienz Vorteile. Ideal ist es natürlich, wenn in einer industriellen Anwendung Kühlwasser schon für den Produktionsprozess zur Verfügung steht. In diesem Fall lassen sich die Luft-Wasser-Wärmetauscher in den Schaltschränken einfach an den bestehenden Kühlwasserkreislauf anschließen. Eine zentrale Bereitstellung von Kühlwasser ist in vielen Fällen die effizientere Lösung, wenn das Kühlwasser ausschließlich für die Schaltschrank-Klimatisierung benötigt wird. Gerade bei größeren Schaltanlagen sind so genannte Chiller einsetzbar, die mit einem zentralen Kompressorkühlgerät das Wasser kühlen und anschließend an die verschiedenen Schaltschränke verteilen.

Vergleichen zahlt sich aus

In einer beispielhaften Anwendung hat Rittal die Kosten für beide Varianten – zentrale Rückkühlanlage und Schaltschrankkühlgeräte – miteinander verglichen. Dabei wurden sowohl die Investitionen als auch die Betriebskosten berücksichtigt. Für das Beispiel wurde eine typische Schaltanlage mit 16 TS-8-Schaltschränken und einer insgesamt installierten Verlustleistung von 25 kW angenommen. Die Investitionskosten für die Klimatisierungskomponenten sind für beide Varianten mit etwa 18.000 Euro fast gleich. Bei der Berechnung der Energiekosten zeigt sich dagegen ein gravierender Unterschied zwischen den beiden Varianten: Während die Energiekosten für die Variante mit einzelnen Kühlgeräten fast 5400 Euro betragen, liegen diese für die Variante mit dem TopTherm-Chiller bei nur 3200 Euro.

Die Einsparungen im ersten Jahr inklusive der Investitionskosten betragen bereits 5 % – legt man nur die reinen Energiekosten zugrunde, beträgt die Einsparung sogar fast 40 %. Kosten für Service und Wartungsarbeiten sind dabei noch nicht berücksichtigt. Auch hier macht sich die zentrale Versorgung mit Kühlwasser bemerkbar. Kommt ein Chiller zum Einsatz, muss entsprechend nur ein Kompressor und eine Kühlwasserpumpe gewartet werden.

Selbst bei der „klassischen“ Lösung des Schaltschrankkühlgeräts lassen sich Energie-Einsparungen realisieren. Bei aktuellen Weiterentwicklungen liegt ein Schwerpunkt auf energie- und leistungsoptimierten Kältekompressoren, die so ausgelegt sind, dass sie im optimalen Betriebspunkt arbeiten. Neben den Kältekompressoren finden an weiteren Komponenten Optimierungen statt: So liefern beispielsweise elektronisch kommutierte EC-Lüftermotoren, die künftig zum Einsatz kommen, einen um bis zu 65 % höheren Wirkungsgrad als herkömmliche AC-Motoren. Darüber hinaus wurde die Geometrie des kältetechnischen Aufbaus von Komponenten wie Verflüssiger, Verdampfer, Kühllamellen, Wärmetauscherflächen und Rohrbögen systematisch analysiert und in Richtung Leistungssteigerung angepasst.

Die Eco-Mode-Regelung sorgt bei Kühlgeräten und Wärmetauschern der neuesten Generation dafür, dass der Lüfter nur dann läuft, wenn die Temperatur es erfordert.

© Rittal

Ein weiterer wesentlicher Schritt ist die Auslegung der Kältemittelmengen und der Regel-Elektronik: Sie entsprechen im Idealfall exakt der Anwendung und den kältetechnischen An­forderungen an das Gerät und steigern damit ebenfalls die Effizienz des Kühlsystems. In Summe sind so beispielsweise im Fall der Energiespar-Kühlgeräte der „Blue-e“-Generation von Rittal rechnerische Einsparungen an elektrischer Primär-Energie gegenüber herkömmlichen Kühlgeräten von bis zu 45 % möglich.

Bei den Kühlgeräten und Wärmetauschern dieser neuen Generation sorgt eine intelligente Regelung dafür, dass der Lüfter nur bedarfsgerecht in Abhängigkeit von der Temperatur im Schaltschrank läuft. Liegt diese um 10 °C unter der eingestellten Temperatur, stoppt die Regelung den Lüfter. Um die effektive Schaltschrank-Innentemperatur zu messen, schaltet die Regelung den Lüfter alle zehn Minuten für 30 Sekunden ein und ermöglicht so eine Zirkulation der Luft im Schaltschrank. Auch wenn die Schaltschranktür offen steht, hält die Regelung den Lüfter an, damit nicht unnötig Energie verschwendet wird.