Schaltschränke für elektrische Komponenten haben in der Industrie ungezählte Einsatzfelder. Dabei gibt es viele Ausführungen, die bezüglich der verwendeten Komponenten und Anwendungszwecke standardisiert sind, es existiert aber auch viel Individualität. Hinzu kommt, dass sich selbst in Schaltschränken, die auf den ersten Blick identische Komponenten enthalten, unterschiedliche Temperaturverteilungen ausbilden können. Im konkreten Anwendungsfall bestimmt beispielsweise die Taktzeit des zu steuernden Prozesses, welche thermische Verlustleistung in einem Schaltschrank frei wird. Auch Faktoren wie die Bauteil-platzierung beeinflussen die individuelle Temperatur stark, der ein einzelnes Bauteil ausgesetzt ist.

Einen universellen Kühlmechanismus, der für alle Anwendungsfälle und Eventualitäten einen sorgenfreien Betrieb ermöglicht und dazu noch energieeffizient ist, gibt es nicht. Deshalb ist es entscheidend, sich bereits in der Planungsphase Gedanken über das Klima im Schaltschrank zu machen. Fehler, die begangen werden, beeinflussen den gesamten Lebenszyklus der Anlage und können zu einem späteren Zeitpunkt nur noch mit einem Mehraufwand an Zeit und Finanzmitteln behoben werden.

Friedrich Lütze und das Institut für Gebäudeenergetik, Thermotechnik und Energiespeicherung (IGTE) der Universität Stuttgart arbeiten im Rahmen einer langjährigen Kooperation an bedarfsgerechten und umweltfreundlichen Kühlkonzepten für Schaltschränke. Denn: Die Forderung nach größerer Energieeffizienz in der Industrie ist auch im Schaltschrankbereich angekommen. Und auch andere Anforderungen werden Anlagenbetreibern immer wichtiger – etwa die Absicherung gegen thermisch bedingten Ausfall. Schließlich können infolge der digitalen Transformation und der damit verbundenen starken Vernetzung aller Produktionsschritte selbst kleinste Ausfälle bei der Schaltschrankfunktionalität weitreichende Folgen haben. Last but not least nehmen der öffentliche und politische Druck zu, bei jedem Produktionsschritt Emissionen einzusparen. Ein ganzheitlich berechneter CO2-Fußabdruck eines Industrieerzeugnisses beinhaltet auch die bei der Produktion verursachten Emissionen.

Nachfolgend sollen anhand eines häufig auftretenden, aber wenig Beachtung findenden Fallbeispiels gezeigt werden, wie sich durch ein saisonales und bedarfsgerechtes Kühlkonzept eine Energie- und Emissionsreduktion umsetzen lässt.

Ein Blick auf die Thermodynamik

Der Fokus der meisten Klimabetrachtungen im Schaltschrankbereich liegt auf Einzelschränken. Allerdings treten in der Praxis Kombinationen von Schaltschränken ohne trennende Innenwände ebenso häufig auf wie Einzelschränke. Aus thermodynamischer Sicht beeinflussen die Aufstellsituation und die räumliche Trennung eines Schaltschrankes dessen Klima sehr stark. Bei praxisüblichen Schaltschrankkombinationen wird häufig nur an jedem zweiten oder dritten Schaltschrank eine aktive Kühlung - Klimagerät oder Wärmeübertrager - angebracht. Werden hier lediglich die Kenndaten wie Verlustleistung pro Schrank und maximal nutzbare Kühlleistung betrachtet, scheint ein Betrieb möglich. In der Realität zeigt sich aber ein anderes Bild. Das nachfolgende Praxisbeispiel zeigt exemplarisch, welches Energieeinsparpotenzial hier häufig ungenutzt bleibt.

Bild 1: Temperaturfeld für nicht-optimierten Zustand (links) und optimierten Zustand (rechts). Freie Kühlung beziehungsweise Kühlung mit ‚Airblower‘ jeweils links.

© IGTE

Teilen sich mehrere Schaltschränke eine aktive Kühlung (Klimagerät oder Wärmeübertrager), tritt häufig ein Verteilungsproblem auf. Dieses lässt sich anhand einer CFD-Simulation anschaulich verdeutlichen. Bild 1 zeigt die Temperaturverteilung in einer Schaltschrankkombination ohne trennende Innenwände, bestehend aus zwei Schaltschränken. Beide Schaltschränke sind mit dem kanallosen Verdrahtungssystem ‚Airstream‘ von Lütze aufgebaut. Der rechte Schrank besitzt eine aktive Kühlung, der linke Schrank nicht. Der linke Bereich von Bild 1 zeigt die Ausgangssituation: Der linke Schrank wird bei freier Kühlung betrieben, was bedeutet, dass nur eine sehr geringe Luftumwälzung bedingt durch thermischen Auftrieb vorliegt. Anhand der CFD Simulation ist erkennbar, dass im linken Schrank keine kalte Luft ankommt und sich im oberen Bereich zahlreiche Hotspots bilden. Der rechte aktiv gekühlte Schrank ist thermisch unbedenklich, da in diesen eine ausreichende Kühlleistung eingebracht wird. Soll mit dieser Konfiguration aber auch der linke Schrank ausreichend gekühlt werden, muss die eingebrachte Kühlleistung stark erhöht werden. Dadurch sinkt auch die Temperatur der Luft im aktiv gekühlten Schrank stark ab - durch die großen Temperaturunterschiede droht Kondensatbildung.

Eine effektivere Lösung ist es, die kalte Luft besser zwischen den Schränken zu verteilen. Der rechte Teil von Bild 1 zeigt, wie dies umgesetzt werden kann: In diesem optimierten Zustand befindet sich in jedem der Schränke ein ‚Airblower‘ – ein Umluftgebläse des Airstream‘-Verdrahtungssystems -, der eine gerichtete Zirkulationsströmung um den Verdrahtungsrahmen erzeugen kann. Dadurch reicht es aus, eine vergleichsweise geringe Kühlleistung in den rechten Schrank einzubringen. Durch das Aufbrechen der Temperaturschichtung und die vielfach höheren Umwälzraten der Luft wird das Klima in beiden Schränken verbessert und die Hotspots im zuvor stark belasteten linken Schrank werden aufgelöst. Ein ‚Airblower‘ im geregelten Betrieb hat eine elektrische Leistungsaufnahme von nur 15 W. Das Besondere ist, dass die Regeleinheit des ‚Airblower‘ das individuell eingesetzte Gerät zur aktiven Kühlung (zum Beispiel Klimagerät oder Wärmeübertrager) über einen zusätzlichen potentialfreien Ausgang steuern kann. Über mehrere Pt100 können Temperaturen im Schrank erfasst und diese als Regelgrößen eingesetzt werden.

Entwicklung über ein Produktionsjahr

Der energetische Vorteil dieses Kühlkonzeptes kann verdeutlicht werden, wenn hierzu ein gesamtes Produktionsjahr betrachtet wird.

Die Temperatur in einer Produktionshalle ist großen jahreszeitlichen Schwankungen unterworfen. Wie stark diese sind, hängt vom Einzelfall ab. Basierend auf Erfahrungswerten wird im Folgenden von einem typischen Temperaturbereich zwischen +20 °C und +35 °C ausgegangen. Dieser Temperaturbereich wird über das Jahr hinweg entsprechend den monatlichen Durchschnittswerten in Deutschland für das Jahr 2020 (Quelle: DWD) verteilt.

Bild 2a und 2b zeigen die Temperaturverläufe, die sich im Modell daraus ergeben. In schwarz sind die bereits erwähnten Wetterdaten (Außenklima) gezeigt, in orange die Hallentemperatur und in rot die maximale Temperatur im Schaltschrank. Der untersuchte Schaltschrank ist dabei bereits aus Bild 1 bekannt.

Betrachtet wird der linke Schaltschrank, der im Ausgangszustand keine aktive Kühlung besitzt. Für diesen wird eine freiwerdende Verlustleistung von 500 W angenommen. Als Regelgröße wird eine maximal zulässige Temperatur im Schaltschrank von +40 °C festgelegt. Wird diese Temperatur im Schaltschrank überschritten, muss ihm durch eine aktive Kühlung Wärme entzogen werden.