Bauteile und Leistungselektronik werden stetig kleiner und effizienter. Das Problem: Die Wärmeverlustleistungen verringern sich nicht. Angesichts der zunehmenden Zahl von Bauteilen auf immer engerem Raum nimmt dementsprechend die Wärmeentwicklung im Schaltschrank kontinuierlich zu. Wichtig ist daher, bereits bei der Schaltschrankplanung die thermischen Parameter zu berücksichtigen. Wird hier alles Wesentliche beachtet, so lässt sich in vielen Fällen auf eine aktive Schaltschrankkühlung verzichten. Hilfestellung diesbezüglich geben idealtypische Planungsregeln zur effektiven Schaltschrankentwärmung:

Regeln Eins bis Fünf:

Regel Eins:
Die Umgebungstemperatur
Die Umgebungstemperatur hat entscheidenden Einfluss auf die Wärme im Schaltschrank. Temperaturänderungen in der Umgebung sind 1:1 im Schaltschrankinneren nachweisbar. Erfolgt die Schaltschrankklimatisierung mit Umgebungsluft als Wärmesenke, wie im Fall der freien Kühlung oder beim Betrieb mit Luft/Luft-Wärmeübertrager, so stellen sich stets höhere Lufttemperaturen im Schaltschrankinneren als außen ein. Grundsätzlich gilt: Niedriger als die Umgebungstemperatur geht es auf natürliche Art und Weise im Schaltschrankinneren nicht.

Ein Abkühlen der Schaltschrank­innentemperatur unterhalb der Umgebungstemperatur ist mit Kühl-(Klima)-Geräten oder Luft/Wasser-Wärme­übertrager theoretisch möglich. Allerdings wird in diesem Fall – entgegen der ursprünglichen Absicht – über die äußeren Oberflächen Wärme eingetragen.

Praxistipp: Eine niedrigere Temperatur im Schaltschrank als außerhalb ist ineffizient. Mit anderen Worten: Je niedriger die Umgebungstemperatur, desto geringer ist der energetische Aufwand für die Klimatisierung.
 
Regel Zwei:
Der Aufstellungsort
Die Art der Schaltschrankaufstellung beeinflusst die Wärmeabgabe über die Schaltschrankoberflächen an die Umgebung. An den äußeren Oberflächen wird Wärme durch Konvektion und Strahlung transportiert.

Praxistipp: Die günstigsten thermischen Verhältnisse lassen sich erwartungsgemäß mit freistehenden Einzelschränken erzielen. Hier kann über alle freien Oberflächen Wärme durch Konvektion und Strahlung an die Umgebung abgegeben werden.
 
Regel Drei:
Die Bauteilkompaktheit
Die Bauteilkompaktheit – sprich der Abstand der Bauteile im Schaltschrank – beeinflusst die Bildung von Hotspot-Bereichen. Bei einer engen Nachbarschaft von Bauteilen ist die Gefahr ausgeprägter Luftbereiche mit unzulässig hohen Temperaturen (Hotspots) gegeben.

Praxistipp: Die Verringerung der Bauteilkompaktheit reduziert die Gefahr der Hotspot-Bildung.

Regel Vier:
Die Bauteilplatzierung
Für die häufig anzutreffende Klima­tisierungsvariante mit Frontanbauklimagerät lässt sich mit keiner prakti­kablen Maßnahme eine Zirkulations­strömung um den Verdrahtungsrahmen herum erzeugen. Daher ist für diesen Fall die korrekte Bauteilplatzierung besonders wichtig.

Praxistipp: Generell ist darauf zu achten, dass keine großflächigen und sperrigen Bauteile das ungestörte Einströmen von Kaltluft ins Schaltschrankinnere sowie das Absaugen von Warmluft aus dem Schaltschrankinneren behindern. Bauteile mit großer Verlustleistung sollten in der Nähe der Kaltluftzufuhr platziert werden.

Durch intelligente und zielgenaue Luftführung lassen sich die Hotspots auflösen.

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Regel Fünf:
Vermeidung von Temperaturschichtungen
Bei freier Kühlung können große Temperaturunterschiede von unten nach oben im Schaltschrank entstehen. Diese Schichtung ist durch eine Zwangsumwälzung mittels geeigneter Luftverteilungsverfahren vermeidbar. Durch Vermischung unterschiedlich temperierter Luftbereiche resultiert eine Vereinheitlichung der Lufttemperatur.

Praxistipp: Durch den Einbau beispielsweise eines Lüfters, der die Luftschichtung im Schaltschrank vermischt beziehungsweise auflöst, lässt sich die maximale Lufttemperatur im Schrank senken.

Regeln Sechs bis Zehn:

Regel Sechs:
Vermeidung von Luftkurzschlüssen
Bei ungünstigen Einbaulagen der aktiven Klimakomponenten kann ein Teil der in den Schaltschrank eingebrachten Kaltluft direkt wieder abgesaugt werden. Man spricht dann von einem Kurzschlussstrom der Kaltluft.

Praxistipp: Abhilfe verspricht die Installation von strömungsleitenden Einbauten, zum Beispiel von Blechen zwischen Kalt- und Warmluft. Die thermofluiddynamischen Vorgänge im Schaltschrankinneren lassen sich mittels CFD (Computational fluid dynamics) vorab berechnen.

Regel Sieben:
Optimale Zirkulations­strömung
Für eine effektive Abkühlung ist die Umströmung der wärmeabgebenden Bauteile mit Kalt­luft erforderlich. Dazu ist es sinnvoll, die zwangsumgewälzte Schaltschrankinnenluft so zu führen, dass eine Zirkulationsströmung um den Verdrahtungsrahmen entsteht.

Praxistipp: Steht nicht die gesamte Schaltschrankhöhe für die Zirkulationsströmung zur Verfügung – etwa wegen einer Kabelzufuhr im unteren Schaltschrankbereich –, so kann zur Aufrechterhaltung der Zirkulationsströmung ein Trennblech als Strömungsführung und Zonierung eingezogen werden.

Durch gegenseitiges Aufwärmen von zu dicht aneinander angeordneten Bauteilen im Schaltschrank entstehen Hotspots, die unter Umständen zum Wärmetod der Komponenten führen können.

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Regel Acht:
Optimale Position des Klimageräts
Dachklimageräte sind zweckmäßig, wenn deren Kaltluftauslässe und die Warmluftabsaugung so angeordnet sind, dass eine Zirkulationsströmung zum Beispiel von hinten nach vorne um den Montagerahmen herum erzeugt werden kann. Mit Frontan­bauklimageräten sind ebenfalls gute thermische Verhältnisse im Schaltschrankinneren erzielbar, wenn dabei auf die  Bauteilanordnung geachtet wird.

Praxistipp: Dach- und Frontanbau sind stets einem Seitenanbau vorzuziehen, sofern sich die Bauteilkompaktheit nicht ändern lässt.

Regel Neun:
Vermeiden von Strömungstotgebieten
Zirkulationsströmungen sollten durchgehend um den Montagerahmen herum ermöglicht werden.

Praxistipp: Durch den Einsatz von Luftleitblechen (Air Blades) lassen sich Teilströme kalter Luft von hinten nach vorne in thermisch kritische Bauteilzwischenräume zur Vermeidung von Hotspots leiten.

Regel Zehn:
Kabelführungen und Kammdeckel
Ratsam ist grundsätzlich die Verkabelung hinter den Montagestegen seitlich nach unten.

Praxistipp: Sollte die Bauteilinstallation es zulassen, so wird der Schaltschrankbetrieb ohne Kammdeckel empfohlen.

Autor: Martin Lack ist Produktmanager Cabinet bei Friedrich Lütze, Weinstadt.

Einsparungen von über 20 % sind möglich

Im Rahmen des Verbundforschungsprojektes „Green Carbody“ wurden bei Volkwagen in Wolfsburg Basisstudien zur Energieeinsparung in  Schaltschränken durchgeführt. Ein Ergebnis: Durch neue Verdrahtungssysteme mit strömungsoptimierter Kühlluftführung zur Vermeidung von Wärmenestern und maximaler Ausnutzung der Kaltluftströme wie beispielsweise das von Lütze entwickelte LSC-Airstream-System sind nachweislich bis zu 23 % Energieeinsparung erreichbar.

Dahinter steckt ein neues Konzept, welches zum einen die zielgenaue Führung der Luftströme im Schaltschrank ermöglicht, zum anderen eine  optimierte, also stetige Luftzirkulation sicherstellt. Das heißt konkret: Durch die Trennung in eine Aufbau- und eine Verdrahtungsebene bildet sich hinter dem Verdrahtungsrahmen ein „Kamineffekt“. Idealerweise wird die kalte Luft hinten nach unten geleitet und strömt vorne wie bei einem Kamin nach oben. Ergebnis ist, dass der Anwender entweder auf ein Klimagerät komplett verzichten kann, oder sich das Klimagerät kleiner dimensionieren lässt. Neben der Kostenersparnis durch die Energieeinsparung leistet das Konzept zudem  einen Beitrag zu einer positiveren CO2-Bilanz.