KEM Konstruktion 04.2023

AUTOMATISIERUNG » Schaltschrankbau
In diesem optimierten Zustand befindet sich in jedem
der Schränke ein Airblower (Umluftgebläse des
Airstream -Verdrahtungssystems, Bild 3), der eine gerichtete
Zirkulationsströmung um den Verdrahtungsrahmen
erzeugen kann. Dadurch reicht es aus, eine
vergleichsweise geringe Kühlleistung in den rechten
Schrank einzubringen.
Durch das Aufbrechen der Temperaturschichtung und
die vielfach höheren Umwälzraten der Luft wird das
Klima in beiden
Schränken verbessert
und die Hotspots im
zuvor stark belasteten
linken Schrank
werden aufgelöst.
Der energetische Vorteil dieses Kühlkonzeptes kann
verdeutlicht werden, wenn hierzu ein gesamtes Produktionsjahr
betrachtet wird. Die Temperatur in einer
Produktionshalle ist großen jahreszeitlichen Schwankungen
unterworfen. Wie stark diese sind, hängt vom
Einzelfall ab. Basierend auf Erfahrungswerten wird im
Folgenden von einem typischen Temperaturbereich
zwischen 20 und 35 °C ausgegangen. Dieser Temperaturbereich
wird über das Jahr hinweg entsprechend
den monatlichen
Durchschnittswerten
in Deutschland für das
Jahr 2020 (Quelle:
DWD) verteilt.
Bild 4 zeigt die Temperaturverläufe,
die sich
im Modell daraus ergeben.
In schwarz sind
die bereits erwähnten
Wetterdaten (Außenklima)
gezeigt, in gelb
die Hallentemperatur
und in rot die maximale Temperatur im Schaltschrank.
Der untersuchte Schaltschrank ist dabei bereits aus
Bild 2 bekannt.
Zunächst wird der linke Schaltschrankbereich betrachtet,
der im Ausgangszustand keine aktive Kühlung besitzt.
Für diesen wird eine freiwerdende Verlustleistung
von 500 W angenommen. Als Regelgröße wird eine
maximal zulässige Temperatur im Schaltschrank von
40 °C festgelegt. Wird diese Temperatur im Schaltschrank
überschritten, muss dem Schaltschrank durch
eine aktive Kühlung Wärme entzogen werden.
In Bild 4 ist oben zunächst der Ausgangszustand gezeigt,
bei dem im Schaltschrank nur eine geringe Luftbewegung
herrscht. Die blauen Balken geben für jeden
Monat den mittleren Zukühlbedarf in Watt an. Diese
Kühlleistung muss dem Schaltschrank im Monatsmittel
zugeführt werden, um die vorgeschriebene Temperatur
von 40 °C zu erreichen. Man erkennt, dass von
April bis November eine zusätzliche Kühlung notwendig
ist. Das Maximum wird entsprechend dem Temperaturverlauf
in der Halle im August erreicht. In den
Monaten, in denen nicht aktiv zugekühlt wird, liegen
die Temperaturen im Schaltschrank nahe den 40 °C.
Aus der CFD-Simulation ist bekannt, dass hier ebenfalls
eine starke Temperaturschichtung vorliegt.
»Das Rechenbeispiel zeigt,
wie durch eine umweltschonende
Schaltschrankplanung Betriebskosten
und Energieaufwand für die
Schaltschrankkühlung sinken, ohne
dass das Risiko eines thermisch
bedingten Ausfalls steigt.«
Dabei hat ein Air -
blower im geregelten
Betrieb nur eine elektrische
Leistungsaufnahme
von 15 W. Das
besondere ist, dass
die Regeleinheit des
Airblowers über einen zusätzlichen potentialfreien
Ausgang das individuell eingesetzte Gerät zur aktiven
Kühlung (zum Beispiel ein Klimagerät oder Wärmeübertrager)
steuern kann. Über mehrere Pt100-Temperaturfühler
können Temperaturen im Schrank erfasst
und diese als Regelgrößen eingesetzt werden.
Bild 4: Temperaturen und Zukühlbedarf für den nichtoptimierten
Zustand mit freier Kühlung (oben) und im Vergleich dazu für den
optimierten Zustand mit Airblower (unten).
Bild: IGTE
Temperaturschichtungen aufbrechen
Betrachtet man demgegenüber den Fall mit Airblower,
der in Bild 4 unten gezeigt ist, erkennt man, dass hier
eine erhebliche Verbesserung im Hinblick auf den zur
Kühlung einzusetzenden Energieaufwand erzielt werden
kann. Eine Zukühlung ist hier nur noch in den
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