Wo elektrischer Strom fließt, entsteht auch Wärme. In einem Schaltschrank sind neben der Niederspannungsverteilung häufig Komponenten für die Antriebstechnik untergebracht. Obwohl in den vergangenen Jahren daran gearbeitet wurde, die Energie-Effizienz in der elektrischen Antriebstechnik zu erhöhen, wandeln selbst moderne Frequenzumrichter, Servoverstärker oder Gleichrichter einen Teil der zugeführten elektrischen Energie in Wärme um. Die Verlustleistung kann dabei deutlich mehr als 1 kW pro Schaltschrank betragen. Um Schäden an der empfindlichen Elektronik zu vermeiden, kommt man bei solchen Anlagen um eine aktive Kühllösung nicht herum.

Neben der klassischen Methode, mit Kompressorkühlgeräten gekühlte Luft als Medium einzusetzen, haben flüssigkeitsbasierte Kühlsysteme seit ihren Anfängen zu Beginn der 90er Jahre immer mehr an Bedeutung gewonnen. Wasser hat als Kühlmedium offensichtliche Vorteile: Die Wärmekapazität pro Volumeneinheit ist bei Wasser deutlich höher, sodass sich auch große Wärme-Mengen problemlos abführen lassen. Wenn Kühlwasser beispielsweise für den Prozess in einer Produktionsanlage zentral zur Verfügung steht, lassen sich Schaltanlagen direkt an den existierenden Kühlwasserkreislauf anschließen. Benötigt werden dann nur noch Luft-Wasser-Wärmetauscher für die jeweiligen Schaltschränke.

In den meisten Fällen ist eine zentrale Bereitstellung des Kühlwassers deutlich effizienter als die Verwendung einzelner Kühlgeräte (siehe S. 4, Alternativen vergleichen lohnt). Für den Fall, dass kein externes Kühlwasser zur Verfügung steht, bietet sich der Einsatz separater Rückkühlanlagen an. Durch die Verwendung nur eines Kompressors und einer Pumpe lässt sich je nach Anwendung eine beträchtliche Menge Energie einsparen. Zusätzlich verringert sich damit auch der Wartungsaufwand.

Modulare Chiller erhöhen Verfügbarkeit

Der dargestellte Luft-Wasser- Wärmetauscher verfügt über eine bedarfs­gerechte Eco-Mode-Regelung. Diese lässt sich bei Bedarf manuell über das Display deaktivieren.

© Rittal

In den vergangenen Jahren hat Rittal daran gearbeitet, Rückkühler in Form modularer Systeme aufzubauen. Dies hat mehrere Vorteile: Die Lieferzeiten für solche Anlagen, die aus verschiedenen Standardkomponenten bestehen, verringern sich und gleichzeitig steigt die Servicefreundlichkeit und damit letztlich die Verfügbarkeit der Anlagen, da sich einzelne Komponenten einfach austauschen lassen. Die so genannten TopTherm-Chiller sind in einem Standard-Schaltschrank vom Typ TS 8 aufgebaut und mit Kühlleistungen von 8 kW bis zu 40 kW verfügbar. Die Rückkühler bestehen aus einem Kältemodul, einem Steuermodul und einem Wassermodul, welches das Kühlwasser an die Verbraucher verteilt. Der modulare Aufbau sorgt für eine hohe Servicefreundlichkeit und für kurze Lieferzeiten, da die einzelnen Module je nach Anforderungen lediglich in den Schaltschrank eingebaut werden müssen. Der Anlagenbauer oder Betreiber erhält ein komplettes System, das er nur noch anschließen muss.

Da die modulare Rückkühlanlage in einem Standard-Schaltschrank untergebracht ist, lässt er sich nahtlos in eine bestehende Schaltanlage integrieren. Die Luft-Wasser-Wärmetauscher in den einzelnen Schaltschränken sind dann einfach und problemlos an den Kühlwasserkreislauf anschließbar. Durchflussregler und Ventile stellen sicher, dass jeder Schaltschrank mit einer ausreichenden Menge Kühlwasser versorgt wird. Für erhöhte Sicherheit sorgen Leckage-Sensoren, die Fehlermeldungen im Display anzeigen, an entsprechende Überwachungseinheiten weiterleiten und Magnetventile schließen.

Wärmetauscher mit Eco-Mode-Steuerung

Die intelligente Eco-Mode-Steuerung schaltet den Lüfter ab, sobald die Temperatur im Schaltschrank 10 °C unter dem eingestellten Wert liegt.

© Rittal

In den einzelnen Schaltschränken sorgen die Luft-Wasser-Wärmetauscher dafür, dass die Wärme von den Komponenten abgeführt und über das zentral bereitgestellte Kühlwasser abtransportiert wird – ohne die Raumluft wärmetechnisch zu belasten. Um die Energie-Effizienz des gesamten Kühlsystems noch weiter zu erhöhen, setzt Rittal bei den so genannten Comfortgeräten mit Kühlleistungen von 500 bis 5000 W eine intelligente Eco-Mode-Regelung ein. Diese schaltet den Lüfter bedarfsgerecht in Abhängigkeit von der Temperatur im Schaltschrank aus beziehungsweise an. Liegt die Innentemperatur um etwa 10 °C unter der eingestell­ten Temperatur, schaltet der Lüfter ab.

Um die effektive Schaltschrank-Innentemperatur zu messen, schaltet die Regelung den Lüfter alle zehn Minuten für 30 Sekunden ein und sorgt so für eine Zirkulation der Luft im Schaltschrank. Dieser Zyklus wiederholt sich so oft, bis wieder eine Innentemperatur erreicht ist, die um 5 °C unter der Soll-Temperatur liegt. Der Lüfter läuft dann solange im Dauerbetrieb, bis wieder eine Innentemperatur um 10 °C unter der Solltemperatur erreicht ist.
Die Geräte mit der Eco-Mode-Regelung verfügen  standardmäßig über die Möglichkeit zum Anschluss eines Tür-Endschalters, der den Lüfter ausschaltet, sobald die Schaltschranktür geöffnet wird. Fern­diagnose und ein Master-Slave-Betrieb mehrerer Luft-Wasser-Wärmetauscher sind ebenfalls möglich. Damit kann beispielsweise dafür gesorgt werden, dass die Kühlung in einer ganzen Schaltschrank­reihe möglichst effizient abläuft. Außerdem lassen sich alle Lüfter gleichzeitig abschalten, wenn eine Tür in der Schaltschrankreihe geöffnet wird.

Neben gesteigerter Energieeffizienz bieten die neuen Geräte auch Montage­vorteile: Die Wärmetauscher werden dabei durch einfaches Einrasten in die bereits angebrachten Befestigungen an Ort und Stelle gehalten. Lediglich zwei Schrauben sind nötig, um die Geräte zu befestigen. Die Montage geschieht komplett von außen, ohne dass der Monteur den Luft-Wasser-Wärmetauscher von innen fixieren muss. Die Wasseranschlüsse wurden ebenfalls verbessert: Neben dem Standard-Anschluss mit Flex-Schlauch und Steckverbinder beziehungsweise -kupplung sind optional weitere Anschlussarten, wie Innengewinde, Schnellverschluss, Schlauchdirektanschluss oder Ermeto-SV-System möglich.

Autor: Ralf Schneider leitet den Bereich Business Development Climatisation bei Rittal, Herborn.

Alternativen vergleichen lohnt

Während die Energiekosten für die Variante mit einzelnen Kühlgeräten mehr als 4500 € betragen, liegen diese für die Variante mit dem zentralen Rückkühler mit knapp 2800 € deutlich darunter.

© Rittal

Auf keinen Fall sollte bei einer Schaltanlage vergessen werden, die Energiekosten der alternativen Kühllösungen mit Kühlgeräten beziehungsweise Luft-Wasser-Wärmetauschern und einer Rückkühlanlage miteinander zu vergleichen. Da sowohl die Investitionskosten als auch die Betriebs- und Energiekosten von Anlage zu Anlage variieren, ist ein entsprechender Vergleich für jede Anlage separat durchzuführen.

Am Beispiel einer typischen Schaltanlage mit 16 TS-8-Schaltschränken lassen sich die Einsparpotenziale konkret aufzeigen: In acht der 16 Schaltschränke tritt eine Verlustleistung von 2300 W auf, bei zweien eine Verlust­leistung von 900 W und bei den restlichen sechs beträgt die Verlustleistung 800 W. Bei der Klimatisierung durch einzelne TopTherm-Kühl­geräte sind acht Stück mit einer Kühlleistung von 2,5 kW und acht mit einer Kühlleistung von 1 kW notwendig. Alternativ dazu soll die Kühlung über einen zentralen Rückkühler und Luft-Wasser-Wärmetauscher erfolgen. Für diese Variante sind neben dem TopTherm-Chiller mit 25 kW noch acht Luft-Wasser-Wärmetauscher mit einer Kühlleistung von 3,4 kW und acht Luft-Wasser-Wärmetauscher mit einer Kühlleistung von 1,15 kW vorzusehen. Die Investitionskosten für die beiden Varianten sind in diesem Beispiel mit etwa 18 000 Euro fast gleich.

Um die Energiekosten zu berechnen, wird davon ausgegangen, dass die Anlage 3000 Stunden pro Jahr in Betrieb ist und die durchschnittliche Einschaltdauer der Kühlung 70 % beträgt. Als Strompreis werden 0,12 Euro pro kWh angesetzt. Bei dieser Beispielrechnung zeigt sich ein gravierender Unterschied zwischen den beiden Varianten: Während die Energie­kosten für die Variante mit einzelnen Kühl­geräten fast 4500 € betragen, liegen sie für die Variante mit
dem Chiller mit 2800 € deutlich darunter. Die Einsparungen pro Jahr inklusive der Investitionskosten betragen bereits 3 % – legt man die reinen Energiekosten zugrun-
de, sind es sogar fast 40 %. Nicht berücksichtigt sind in dieser Vergleichsrechnung die Kosten für Service und Wartungsarbeiten. Auch hier rechnet sich die zentrale Versorgung mit Kühlwasser. Wenn eine Chiller-Lösung zum Einsatz kommt, müssen dementsprechend nur ein Kompressor und eine Kühlwasserpumpe gewartet werden.