Lütze
Unterschätzt: Das Temperaturverhalten von Schaltschränken
Der thermische Bauartnachweis nach DIN EN 61439 ist Voraussetzung für die CE-Kennzeichnung von Schaltanlagen. Doch wie verhalten sich Schaltschränke tatsächlich im Betrieb? Praxismessungen zeigen, dass zwischen Auslegung und Realität oft erhebliche Unterschiede bestehen – mit Folgen für Betriebs-sicherheit, Energieeffizienz und Kühlkonzepte.
Zur Anbringung eines CE-Kennzeichens muss für jeden Schaltschrank der Bauartnachweis der thermischen Erwärmung nach DIN EN 61439 erbracht werden. Dies kann auf drei Arten erfolgen: durch Verweis auf eine Referenzkonstruktion mit bereits vorhandenem Nachweis, durch analytische Berech-nung oder durch messtechnische Untersuchung an einem bereits aufgebauten Schaltschrank. Letztere Variante ist mutmaßlich die in der Praxis am wenigsten gebräuchlichste, da an einem fertig produzierten Schaltschrank Änderungen am Kühlkonzept kaum noch wirtschaftlich zu realisieren sind.
Die entscheidende Frage lautet daher: Was passiert aus thermodynamischer Sicht mit der Schaltanlage, sobald der Bauartnachweis erbracht und die Anlage in Betrieb genommen wurde? Für die große Mehrheit aller Schaltschränke besteht im laufenden Betrieb weitgehende Unkenntnis über tatsächliche Betriebsbedingungen, interne Temperaturzustände und die Auslastung der eingesetzten Kühltechnik – zumindest so lange, bis ein Ausfall eintritt und der Betreiber auf diesem Weg erkennt, dass thermisch etwas grundlegend nicht stimmt (siehe Titelseite, links angenommener Betriebszustand, rechts tatsächlicher).
Diese Situation mag zugespitzt klingen, benennt aber ein strukturelles Problem: Ohne Rückkopplung von der Praxis in die Theorie fehlt beim nächsten Auslegungsfall die Grundlage, um einzuschätzen, ob die getroffenen Annahmen korrekt waren.
Das Problemfeld ist dabei asymmetrisch begrenzt: Eine Unterdimensionierung der Kühltechnik oder eine Unterschätzung der Verlustleistung macht sich durch Systemausfälle bemerkbar. Eine Überdimensionierung hingegen bleibt ebenso unbemerkt wie der Fall, in dem im Betrieb deutlich weniger Verlustleistung anfällt als angenommen, etwa durch eine gegenüber Herstellerangaben reduzierte Last oder durch das Taktverhalten der elektrischen Komponenten und der Anlage selbst. Wertvolles Einsparpotenzial bleibt so systematisch ungenutzt.
Umgebungstemperatur – mehr als nur Randparameter
Um diesem Sachverhalt auf den Grund zu gehen, führt Lütze seit vielen Jahren in Zusammenarbeit mit Kunden und Partnern systematische Temperaturmessungen an realen Anlagen durch. Bei der hier beschriebenen Praxismessung wurde eine Schaltanlage aus mehreren Schaltschränken untersucht, von denen auf jedem zweiten ein Kühlgerät installiert war. Die Anlage befindet sich in einer nicht klimatisierten Industriehalle in Mitteldeutschland mit großem Raumvolumen.
Der erste untersuchte Einflussfaktor war die Umgebungstemperatur in der Halle, die mithilfe mehrerer mobiler Mess- datenlogger systematisch erfasst wurde.
Analog zur Gebäudeklimatisierung spielen auch bei der Schaltschrankkühlung die äußeren Randbedingungen eine entscheidende Rolle. Im Messzeitraum von Mai bis Oktober wurden Hallentemperaturen zwischen +19 und +39 °C gemessen. Bild 1 zeigt das Temperaturverhalten in Form einer Heatmap: Auf der Y-Achse sind die Tagesstunden aufgetragen, auf der X-Achse die Messtage. Dabei wird deutlich, dass Temperaturen nahe +40 °C zwar auftreten können, aber jeweils nur über vergleichsweise kurze Zeiträume und an besonders heißen Tagen. Die höchsten Temperaturen werden in der Regel am späten Nachmittag oder frühen Abend erreicht, da der Wärmeübergang zwischen Außenklima und Halleninnerem eine charakteristische zeitliche Verzögerung aufweist und die thermische Masse der Hallenkonstruktion eine dämpfende Wirkung hat.
Dieser Temperaturverlauf illustriert einen in der Praxis häufig vernachlässigten Zusammenhang. Bei der thermischen Bilan-zierung von Schaltanlagen sind zwei Betrachtungsebenen relevant: Einerseits muss die Betriebssicherheit am heißesten Tag des Jahres gewährleistet sein – dies ist der maßgebliche Auslegungsfall für das Kühlkonzept. Andererseits ist für die Berechnung des tatsächlichen Energieaufwands zur Kühlung der Temperaturverlauf über das gesamte Jahr zu betrachten, da Extremtemperaturen nur kurzzeitig auftreten und eine ausschließlich auf den Spitzenwert ausgerichtete Energieberechnung den realen Bedarf erheblich überschätzt.
Kühlgeräte sind in vielen Fällen also weniger als kontinuierliche Grundlastkühlung als vielmehr als Reserve für thermische Spitzen zu verstehen, was Konsequenzen für die Bewertung von Energieeffizienzmaßnahmen hat.
Die Positionierung des Temperatursensors
Die Temperaturmessungen innerhalb der Schaltschränke werfen ein weiteres strukturelles, in der Praxis weit verbreitetes Problem auf: die Bewertung der Kühlleistung ausschließlich anhand des internen Temperatursensors eines Kühlgeräts. Dieser Sensor sitzt in der Regel auf der Ansaugseite des Luftstroms, also bevor die Luft den Verdampfer des Kühlgeräts überstreift. Befindet sich das Kühlgerät räumlich weit entfernt von den thermisch kritischen Stellen im Schaltschrank, kann mithilfe dieses Sensors keine zuverlässige Aussage darüber getroffen werden, ob die Temperatur an den tatsächlichen Wärmequellen eingehalten wird.
Genau dieses Phänomen hat die Praxismessung anschaulich dokumentiert: Bild 2 oben zeigt den Ausgangszustand: Ein benachbarter Schaltschrank verfügte über ein Kühlgerät, der eigentlich betrachtete Schrank jedoch nicht und es gab auch keine nennenswerte Luftumwälzung. Auf der Y-Achse sind die Temperaturen an zehn Messpositionen im Schaltschrank (ohne Kühlgerät) aufgetragen, auf der X-Achse die Zeitachse eines exemplarischen Messtages. Besonders auffällig ist die braune Kurve (Temperatur Sensor 6), die einen Temperaturfühler repräsentiert, der unmittelbar über einem Schaltnetzteil angebracht wurde.
Für Schaltnetzteile gilt als Faustregel, dass eine dauerhafte Betriebstemperatur von maximal +40 °C angestrebt werden sollte, da die Ausfallwahrscheinlichkeit bei mittlerer Last durch eine Erhöhung von +40 °C auf +50 °C um etwa 50 % zunimmt. Die Messung zeigt, dass an diesem heißen Tag Temperaturen von bis zu +50 °C am Schaltnetzteil aufgetreten sind und das benachbarte Kühlgerät nicht angesprungen ist. Der Grund dafür: Alle anderen Messpositionen lagen unterhalb des am Kühlgerät eingestellten Schaltpunkts von +35 °C, sodass kein Kühlbedarf signalisiert wurde. Der tatsächliche Hotspot blieb unsichtbar.
Anzumerken ist, dass alle untersuchten Schaltschränke mit dem ‚Airstream‘-Verdrahtungssystem von Lütze ausgestattet sind, das gegenüber einer konventionellen Montageplatte bereits eine erhebliche Verbesserung der Temperaturverteilung bewirkt. Dennoch zeigt das Beispiel, dass auch mit einem optimierten Verdrahtungssystem in Grenzfällen eine Temperaturschichtung und lokale Hotspots auftreten können, wenn keine aktive Luftumwälzung im Schrank stattfindet.
Hotspots gezielt auflösen
Deutlich wird das Potenzial einer gezielten Abhilfe beim Blick auf Bild 2 unten. Dort ist der Zustand nach Installation eines Airblowers von Lütze dargestellt. Der Airblower wird rückseitig am obersten Montagesteg angebracht und erzeugt eine stark gerichtete Zirkulationsströmung um den Verdrahtungsrahmen, die in der Lage ist, die Temperaturschichtung im Schaltschrank grundlegend aufzuheben.
Der Airblower wird über eine eigene, dedizierte IO-Link-Regeleinheit angesteuert, die bis zu drei PT100-Temperatursensoren aufnehmen kann. Diese Sensoren werden gezielt an den Stellen im Schaltschrank platziert, an denen tatsächlich ein Kühlbedarf vorliegt – also dort, wo hohe Temperaturen vermieden werden müssen. Im beschriebenen Anwendungsfall wurde allein durch den geregelten Betrieb des Airblowers – ohne dass das Kühlgerät anlief – eine Temperaturreduktion von rund 10 Kelvin am Schaltnetzteil erreicht. Gleichzeitig zeigt der untere Bildteil, dass im Schaltschrank praktisch keine Temperaturschichtung mehr im freien Luftvolumen vorliegt: Die Temperaturkurven der verschiedenen Messpositionen verlaufen deutlich homogener. Das Schaltnetzteil benötigt zur Wärmeabgabe zwar weiterhin eine erhöhte Betriebstemperatur gegenüber der Umgebung, diese liegt im betrachteten Fall jedoch unterhalb der kritischen +40-°C-Marke.
Der Anwendungsfall zeigt damit exemplarisch, was ein kombinierter Ansatz aus Lufthomogenisierung und sensorbasierter Regelung leisten kann: Die Homogenisierung der Temperaturverteilung durch den Airblower löst lokale Hotspots auf, ohne dass eine zusätzliche Kühlung erforderlich wird. Die dedizierte Regelung über PT100-Sensoren an den kritisch belasteten Stellen stellt sicher, dass der Regeleingriff tatsächlich dort ansetzt, wo er gebraucht wird, und nicht am thermisch unkritischen Ansaugpunkt des Kühlgeräts.
Strömungstechnische Kurzschlüsse
Ein weiterer Befund aus zahlreichen Praxismessungen betrifft eine häufige, aber schwer sichtbare Problematik bei der Schaltschrankanordnung: Frontanbau-Kühlgeräte, die einen benachbarten Schrank mitversorgen sollen, erzeugen in der Praxis regelmäßig strömungstechnische Kurzschlüsse. Zwischen den Auslass- und Einlassflächen des Kühlgeräts bildet sich eine kurzgeschlossene Strömung aus, die dazu führt, dass die gekühlte Luft vorwiegend in den unmittelbar anliegenden Bereich zurückgesaugt wird, anstatt den benachbarten Schrank wirksam zu versorgen. Eine zuverlässige und gleichmäßige Kühlung der Gesamtschaltanlage ist auf diesem Weg nur schwer sicherzustellen – auch dies ein Argument für eine dezentrale, sensorgestützte Regelung, die auf tatsächlich gemessenen Betriebszuständen basiert.
Vom Nachweis zur kontinuierlichen Betriebsüberwachung
Die Ergebnisse der beschriebenen Praxismessungen legen nahe, dass der Bauartnachweis nach DIN EN 61439 als einmaliger Vorgang zwar eine notwendige, aber keine hinreichende Grundlage für eine dauerhaft sichere und energieeffiziente Schaltschrankauslegung darstellt. Der entscheidende Schritt liegt in der Rückkopplung von der Betriebsrealität in die Planung: Nur wer weiß, wie seine Schaltschränke im tatsächlichen Betrieb thermisch reagieren, kann Auslegungsentscheidungen belastbar bewerten und kontinuierlich verbessern.
Lütze adressiert diesen Bedarf mit dem IoT-fähigen ‚AirTemp-Controller‘, der reale Betriebsdaten erfasst, aufzeichnet und eine gezielte Ansteuerung von Lüftern und Kühlgeräten ermöglicht (Bild 3). Die Kommunikation erfolgt über verschlüsselte Protokolle wie MQTT mit TLS-Absicherung oder OPC UA. Betriebsdaten können lokal ausgewertet, in kundeneigene Cloud-Umgebungen integriert oder in eine von Lütze bereitgestellte Cloud übertragen werden. Besonders wertvoll ist dabei der Abgleich zwischen berechneten Sollwerten und real gemessenen Ist-Temperaturen: Er liefert belastbare Hinweise zur korrekten Dimensionierung der Kühltechnik und schafft die Datenbasis für Energieeffizienz-Analysen sowie zustandsorientierte Wartungsstrategien.
Redaktion: Inka Krischke
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