Das Klima im Schaltschrank im Griff Bedarfsgerecht gekühlt

Redakteur: Silvano Böni

Wie lassen sich in einem Schaltschrank Temperaturschichten aufbrechen und ein homoge­nes Klima schaffen? Eine gute Möglichkeit bietet ein Schaltschranklüfter in Verbin­dung mit einer kanallosen Verdrahtung, wie eine Testreihe von Lütze beweist.

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(Bild: Lütze)

Entscheidend für die Auslegung der Klimatechnik von Schaltschränken ist die Kenntnis der Betriebsbedingungen. Da diese in der Regel unscharf sind, wird mit grossen Sicherheitsreserven gerechnet. Ein Praxisbeispiel von Lütze in Kooperation mit dem Institut für Gebäudeenergetik, Thermotechnik und Energiespeicherung (IGTE) der Universität Stuttgart zeigt, welche Potenziale hinsichtlich bedarfsgerechter Klimatisierung vorliegen und wie diese genutzt werden können, ohne die Betriebssicherheit einer Anlage zu gefährden. Nebst praktischen Messungen wurden auch detaillierte theoretische Betrachtungen durchgeführt. Dabei konnten für verschiedene Betriebsbedingungen sehr genaue Vorhersagen zu Strömungssituation und den erwarteten Temperaturen realisiert werden.

Versuchsreihe zeigt Potential

Im Rahmen einer Versuchsreihe wurden an Schaltschränken aus der industriellen Praxis Temperaturmessungen durchgeführt. Solche Messungen sind auch notwendig, um theoretische Betrachtungen zu validieren. Als Testobjekt diente ein Montageschrank, der einen zyklisch ablaufenden Montageprozess steuert. Dieser Schrank verfügt über keine Klimatechnik, es liegt somit der Fall der freien Kühlung vor. Werden die Angaben zur nominellen Verlustleistung aller Hersteller aufsummiert, werden im Schaltschrank 500 W Verlustleistung frei. Wird für diesen Fall unter Berücksichtigung der räumlichen Verlustleistungsverteilung eine Berechnung mit der Wärmeanalysesoftware AirTemp durchgeführt, sind bei freier Kühlung im oberen Luftbereich des Schaltschrankes Temperaturen bis zu 73 °C zu erwarten. Dabei wurde ein Gleichzeitigkeitsfaktor von 100 Prozent angesetzt (der Gleichzeitigkeitsfaktor berücksichtigt die Tatsache, dass in einem Schaltschrank nie alle Bauteile gleichzeitig und mit voller Leistung betrieben werden). Die vorhergesagten Temperaturen konnten durch die Messungen jedoch nicht bestätigt werden. Vielmehr stellten sich wesentlich niedrigere Temperaturen ein. Diese sind durch einen geringeren Gleichzeitigkeitsfaktor begründet. Die gemessenen Temperaturen waren jedoch immer noch unzulässig hoch.

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Luft in Bewegung bringen

Im nächsten Schritt wurde der Schrank daher mit einem AirBlower (Lüfter) ausgestattet. Durch diesen wird im Schaltschrank eine gerichtete Zirkulationsströmung erzeugt. Dabei wird hinter dem kanallosen Verdrahtungssystem-Rahmen (AirStream) ein Volumenstrom von bis zu 510 m³/h nach unten geblasen, infolgedessen die Luft im Schaltschrank um den AirStream-Rahmen strömt. Dabei wird die Luft über die gesamte Höhe des Schaltschrankes in Bewegung versetzt und somit Strömungstotgebiete minimiert und Luftschichtungen aufgebrochen.

Um den Wirkmechanismus des Lüfter­systems nachzuweisen, wurden im Schaltschrank-Betrieb mit AirBlower-Temperaturmessungen durchgeführt. Dabei wurde der Schaltschranklüfter mit einer 3-Punkt-Regelstrategie betrieben. Basierend auf den Temperaturen, die der Lüfter über seine Regel­einheit und drei Temperatursensoren aufnimmt, schaltet sich der Lüfter bei Erreichen einer parametrisierbaren Temperatur zu.

Zunächst steigen die Temperaturen an allen Messpositionen an. Da zu diesem Zeitpunkt der AirBlower inaktiv ist, liegt freie Kühlung vor. Schliesslich wird die Schaltschwelle des Lüfters an einer Regelposition überschritten und dieser schaltet zu. Sofort ist zu erkennen, dass der Temperaturanstieg an allen Messpositionen gestoppt wird. Die Temperaturen gehen schliesslich in einen quasistationären Zustand über.

Temperaturschichtung wird aufgelöst

Die gegen Ende des Messzyklus noch vorliegenden Temperaturfluktuationen sind auf das zeitabhängige Taktverhalten der Anlage zurückzuführen. Besonders eindrucksvoll zeigt sich der Wirkmechanismus des Lüfters, wenn die Temperaturen im oberen und unteren Bereich des freien Luftvolumens des Schaltschrankes betrachtet werden. Dabei zeigt sich, dass durch das Zuschalten des Lüfters die höhenabhängige Temperaturschichtung im Schaltschrank vollständig aufgelöst wird. Durch das Vorliegen einer gerichteten Zirkulationsströmung wird ein hoher Anteil der Schaltschrankluft durchmischt und die Entwärmung der Bauteile wird verbessert.

Bestimmung des Gleichzeitigkeitsfaktors

Im freien Luftvolumen liegt beim Betrieb mit AirBlower eine mittlere Temperatur von 30 °C vor. Bei einer theoretischen Betrachtung mit AirTemp und einem angenommenen Gleichzeitigkeitsfaktor von 100 Prozent läge die Temperatur bei etwa 37 °C. Bei theoretischer Betrachtung liegt die maximale Temperatur im Schaltschrank bei freier Kühlung um 36 K höher als bei Betrieb mit AirBlower. Liegt wie beim Betrieb mit einem Lüfter eine gute Luftdurchmischung vor, ist die mittlere Temperatur im freien Luftvolumen ein guter Anhaltswert für die in einem Schaltschrank freiwerdende Verlustleistung. Begründen lässt sich dies dadurch, dass durch das Nichtvorhandensein einer aktiven Kühlung die Verlustleistung vollständig über die Wände des Schaltschrankes abgeführt werden muss.

Die Diskrepanz zwischen theoretischer Betrachtung und Messung, sowie die Tatsache, dass die betrachtete Anlage zeitlich taktet, führt zu dem Schluss, dass der Gleichzeitigkeitsfaktor ungleich 100 Prozent sein muss. Der tatsächlich vorliegende Gleichzeitigkeitsfaktor kann anhand der durchgeführten Praxismessungen und der theoretischen Betrachtungen mit guter Genauigkeit bestimmt werden. Dazu wird der Gleichzeitigkeitsfaktor bei den theoretischen Betrachtungen so lange reduziert, bis die Temperatur von 30 °C im freien Luftvolumen erreicht wird. Mit dieser Vorgehensweise ergibt sich ein Gleichzeitigkeitsfaktor von nur 40 Prozent. Damit hat sich die wirksame Verlustleistung, die für die Auslegung der Klimatechnik massgeblich ist, von 500 W auf 200 W reduziert.

Das Klima im Schrank beherrschen

Bei theoretischen Betrachtungen für die Betriebszustände freie Kühlung und den Betrieb mit einem AirBlower bei Gleichzeitigkeitsfaktoren von 100 Prozent und 40 Prozent wurden jeweils die nominellen Verlustlustleistungen nach Herstellerangaben angenommen. Unabhängig vom angesetzten Gleichzeitigkeitsfaktor zeigt sich eindrucksvoll, dass der Lüfter Temperaturschichtungen und sogar ganze Hotspotbereiche auflöst. Wird der Fall der freien Kühlung betrachtet zeigt sich deutlich, welchen Einfluss der Gleichzeitigkeitsfaktor und damit die angenommene Verlustleistungsverteilung hat. Bei einem Gleichzeitigkeitsfaktor von 100 Prozent bilden sich über fast jedem Bauteil Hotspotbereiche aus. Bei einem Gleichzeitigkeitsfaktor von 40 Prozent liegt bei freier Kühlung immer noch eine deutliche Temperaturschichtung vor, aber die meisten Hot­spotbereiche sind verschwunden. Wird hier zusätzlich noch ein Lüfter verbaut, hat man das Klima im Schaltschrank fest im Griff.

Durch homogene Lufttemperaturen auf mässigem Temperaturniveau (30 °C im freien Luftvolumen) steigt die Lebensdauer der Bauteile und die Ausfallwahrscheinlichkeit der Anlage sinkt. Im Dauerbetrieb beträgt die Leistungsaufnahme eines Lüfters durchschnittlich 20 W. Verglichen mit einem Klimagerät ist dieser Betrag vernachlässigbar klein.

Umgebungstemperatur nicht vergessen

Als letzte Schlüsselgrösse der thermischen Schaltschrankauslegung wurde noch der Einfluss der Umgebungstemperatur betrachtet. Die Messungen ergaben eine Umgebungs­temperatur von 25 °C. Bedingt durch die Aufstellsituation können an heissen Sommertagen aber auch Umgebungstemperaturen von bis zu 40 °C auftreten. Diese Er­höhung geht direkt auf die Temperatur im Inneren des Schaltschrankes über. Damit können im Sommer bis zu 15 K höhere Temperaturen vorliegen als jene, die bei den Messungen aufgetreten sind. Umso wichtiger ist es in diesem Fall, die Temperaturschichtungen im Schaltschrank aufzubrechen.

Durch den Betrieb einer Anlage mit AirBlower kann der Übergangsbereich vergrössert werden, in dem eine Anlage ohne Klimagerät betrieben werden kann. Ab einer bestimmten Grenze der freiwerdenden Verlustleistung und einer dauerhaft zu erwarteten Umgebungstemperatur sollte jedoch nicht auf ein Klimagerät verzichtet werden. Aber auch hier kann der Lüfter unterstützend wirken, indem die Laufzeit des Klimagerätes möglichst weit reduziert wird. Zusätzlich kann so die erzeugte Kühlleistung bestmöglich verteilt werden. Auf diese Art und Weise kann ein Schritt hin zu bedarfsgerechter Kühlung von Schaltschränken erreicht werden, indem durch eine Homogenisierung der Innentemperatur nur die Kühlleistung eingebracht wird, die auch benötigt wird.

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