Energiesparende Schaltschrankklimatisierung

07.08.2015 13:50

Energiesparende Schaltschrankklimatisierung

LÜTZE und das Fraunhofer IWU Chemnitz zeigen anhand einer empirischen Studie, wie sich mit einfachen und energiesparenden Methoden eine dauerhaft niedrige, homogene Temperatur im Schaltschrank mit dem LSC AirSTREAM Verdrahtungssystem erreichen lässt. Für einen Versuchsaufbau in einem konventionellen Schaltschrank wurde auf externe Klimageräte komplett verzichtet

Seit LÜTZE vor nunmehr gut zwei Jahren das LSC AirSTREAM Verdrahtungssystem vorgestellt hatte, sind die Maßnahmen der passiven Schaltschrankklimatisierung in aller Munde. Kein Wunder: Die technische Lösung ist einfach und dennoch sehr effektiv: Das LÜTZE LSC AirSTREAM Verdrahtungssystem ermöglicht zum einen die zielgenaue Führung der Luftströme im Schaltschrank, so dass einzelne Wärmenester „direkt belüftet“ werden können. Die Betriebswärme kann damit nicht nur global für den Schaltschrank sondern insbesondere punktuell abgeführt werden. Zum anderen kann sich durch die Trennung in eine Aufbau- und eine Verdrahtungsebene ein Kamineffekt hinter dem LSC-Verdrahtungsrahmen bilden. Dieser Kamineffekt sorgt für eine natürliche Luftzirkulation im Schaltschrank. Untersuchungen im Rahmen der vom Bundesministerium für Bildung und Forschung  geförderten Innovationsallianz „Green Carbody Technologies“ (Förderkennzeichen POff) unter der Federführung der Volkswagen AG, hatten diesen positiven Effekt bereits festgestellt. Es konnte nachgewiesen werden, dass beim Einsatz von externen Klimageräten eine Energieeinsparung von bis zu % mit dem LSC AirSTREAM Verdrahtungssystem, gegenüber einem vergleichbaren konventionellen Schaltschrankaufbau möglich ist.

 

Langzeitstudie ohne externes Klimagerät


Die Versuchsanordnung der Studie am IWU in Chemnitz ging nun noch einen Schritt weiter als die Versuche im Rahmen von InnoCaT: Auf ein externes Klimagerät wurde komplett verzichtet. Das Forschungsinteresse ging konkret der Frage nach, welches Temperaturniveau und -schichtung sich in einem Musterschaltschrank mit dem LÜTZE LSC-AirSTREAM Verdrahtungssystem langfristig ohne Klimagerät einstellt. Der Versuchsaufbau des verwendeten Schaltschrankes, die verwendeten Bauteile sowie die Verdrahtung entsprachen einer typischen Anwendung, wie sie in einem Industriebetrieb vorgefunden werden, siehe Bild 1. In der oberen Hälfte des Schaltschrankes wurde mit mehreren nebeneinander eingebauten leistungsstarken Verbrauchern ein Hot-Spot simuliert. Der Schaltschrank selbst war mm breit, 2. mm hoch und mm tief. Zur Umwälzung der Luft im Schaltschrankinneren wurde ein Airblower unter dem Schrankdach eingebaut. Der V Airblower hat eine Luftleistung von m³/h bei einer Leistungsaufnahme von Watt. Zur kontinuierlichen Temperaturmessung wurden fünf Messpunkte (Thermosensoren) im Schrank sowie ein Sensor zur Messung der Außentemperatur angebracht.

Sensor 1 zur Temperaturmessung im unteren Drittel des Schaltschrankes

Sensor 2 zur Temperaturmessung im mittleren Drittel des Schaltschrankes

Sensor 3 zur Temperaturmessung im oberen Drittel des Schaltschrankes

Sensor 4 zur Temperaturmessung des Hotspots zwischen den Geräten

Sensor 5 zur Temperaturmessung direkt unter dem Schaltschrankdach

Sensor 6 zur Temperaturmessung der Umgebungstemperatur

Mit dieser Versuchsanordnung wurden verschiedene Szenarien bei sich ändernden Variablen gefahren.

 

Szenario A ohne Airblower


In Szenario A wurde der Schaltschrank eine Woche konventionell betrieben, d. h. auf den Einsatz des Airblower wurde komplett verzichtet. Im Schrank bildete sich, erwartungsgemäß, bei einer stabilen Außentemperatur von durchschnittlich ,3 °C ein Temperaturgefälle von ganz oben mit , °C bis nach ganz unten mit , °C. Am Hotspot (Sensor im oberen Schrankdrittel war eine durchschnittliche Temperatur von , °C zu verzeichnen. Die Verteilung der Temperaturzonen im Schrank war demnach heterogen. Die maximalen Temperaturwerte am Hotspot waren für die dort eigebauten Module aber noch nicht „lebensbedrohlich“. Der LÜTZE LSC-AirSTREAM Verdrahtungsrahmen konnte also bereits hier seine Vorteile ausspielen.
Szenario B mit durchgängigem Airblower-Betrieb
Im Szenario B wurde der Schrank vier Wochen konsequent mit dem Airblower belüftet. Im Anschluss daran wurde der Airblower ausgeschaltet. Wie der Verlauf der Temperaturkurven aller fünf Temperatursensoren zeigt, hatte sich die Temperatur auf einem gleichbleibenden Niveau von durchschnittlich °C eingependelt. Es wurde demnach ein homogenes Temperaturniveau erreicht. Selbst am neuralgischen Hotspot hatte sich eine Durchschnittstemperatur von knapp über °C eingestellt. Infolge des Abschaltens des Airblower-Betriebs nach vier Wochen stellten sich dann die Temperaturen und Schichtungen wieder wie in Szenario A ein.

 

Szenario C mit getaktetem AirBLOWER


Für Szenario C, siehe wurden die beiden ersten Szenarien A und B miteinander kombiniert. Der Airblower wurde erst beim Erreichen eines Schwellenwertes von °C an Sensor direkt unter dem Schaltschrankdach) für fünf Minuten eingeschaltet. Das Ergebnis ist überraschend deutlich: Bereits nach weniger als einer Minute Einschaltdauer des Airblowers hatte sich das positive Temperaturniveau von rund °C, wie aus Szenario B eingestellt. Auch die Temperaturschichtung war ähnlich homogen. Nach fünf Minuten Airblower-Betrieb schaltete sich dieser wieder selbständig aus. Das Klima wurde dann jedoch nicht schlagartig „schlechter“. Die Temperaturverläufe in Bild 4 zeigen Sägezahnkurven auf, welche die Fähigkeit des LÜTZE LSC-AirSTREAM Verdrahtungsrahmens verdeutlichen, die Temperaturschichtung innerhalb des Schrankes sehr schnell auf ein homogenes Niveau „herunterzukühlen“. Und im umgekehrten Fall – also beim Ausschalten des Airblowers – kann der LÜTZE LSC-AirSTREAM Verdrahtungsrahmen die positiven Effekte aufgrund seiner Eigenschaften der passiven Schaltschrankkühlung für  einige Zeit aufrecht erhalten.

 

Fazit: Es muss nicht immer ein Klimagerät sein


Die durchgeführten Untersuchungen zeigen, dass mit einfachen und energiesparsamen Mitteln, wie einem Watt Airblower, das Temperaturniveau und die Temperaturschichtung in einem Schaltschrank dauerhaft homogen eingestellt werden konnte. Selbst die Temperaturwerte am vorher kritischen Hot-Spot wurden deutlich reduziert und entschärften die thermische Belastung der Bauteile. Überraschend war zudem die Erkenntnis, dass sich unmittelbar nach dem Einschalten des Airblowers ein positiveres Temperaturbild einstellt. Ein Anwender, der seinen Bauteilen im Schaltschrank ein gewisses Maß an „unschädlichem Wärmestress“ zumuten möchte, sollte alternativ den Betrieb mit einem getaktetem Airblower prüfen. Die erzielten Erkenntnisse lassen den Schluss zu, dass der LÜTZE LSC-AirSTREAM Verdrahtungsrahmen von Hause aus ein positives Temperaturklima im Schrank schafft. Mit zusätzlichen Hilfsmitteln lässt sich ohne hohen Aufwand ein konstantes sehr gutes Schaltschranklima einstellen. Auf eine externe Kühlung – die heute in vielen Industriefeldern quasi als Standard eingebaut wird – kann daher unter bestimmten Voraussetzungen verzichtet werden. Aus Sicht der Ressourceneffizienz lohnt es sich durchaus die Voraussetzungen für Maßnahmen der passiven Schaltschrankklimatisierung zu prüfen.