Schaltschrank-Klimatisierung Hot Spots im Schaltschrank vermeiden durch passive Kühlung

Bauteile und Leistungselektronik werden heute immer kleiner und effizienter. Es können mehr Bauteile auf engerem Raum verbaut werden. Weil sich jedoch die Wärmeverlustleistungen der Module nicht im selben Maße verringern, nimmt die Wärmeentwicklung im Schaltschrank kontinuierlich zu. Der Wärmestress für die Bauteile wächst, eine verkürzte Lebensdauer ist vorprogrammiert.

Um der Wärmezunahme entgegenzuwirken, hat Lütze das Thermikkonzept Airstream für den Schaltschrank entwickelt. Basierend auf einer intelligenten Luftführung homogenisiert das System die Temperaturverteilung im Schrank, sodass auf externe Kühlgeräte im Einzelfall komplett verzichtet beziehungsweise die Kühlleistung kleiner dimensioniert werden kann – Energie wird somit eingespart.

Paradoxe Entwicklung

Die Situation ist paradox: Die eingesetzten Bauteile werden zwar effizienter, der Preis dafür ist jedoch die Installation von leistungsfähigen und energiehungrigen Kühlgeräten. Die Dimensionierung der Kühlgeräte erfolgt dabei in aller Regel auf die theoretisch maximal notwendige Kühlleistung: also für eine Schaltschrank-Innentemperatur von zirka 25° C bis 30° C und das bei höchstmöglicher Umgebungstemperatur. Diese Auslegung führt in aller Regel zu einer Überdimensionierung, das heißt, es wird mehr Kühlleistung installiert als eigentlich tatsächlich jemals benötigt würde.

Das ist jedoch nicht nötig. Das Airstream-Schaltschranksystem basiert auf Maßnahmen der passiven Kühlung. Eine strömungsoptimierte Kühlluftführung verhindert nachweislich, dass es überhaupt zu extrem hohen Temperaturen und Wärmenestern - sogenannten Hot Spots - im Schaltschrank kommen kann. Es muss also weniger aktiv gekühlt werden. Mit dem Verdrahtungsrahmen, der die Verdrahtung vom Aufbau trennt, können gegenüber einem konventionellen Schaltschrankaufbau Energieeinsparungen von bis zu 23 Prozent erzielt werden. Dies belegen Versuche im Rahmen der Green Carbody Allianz unter der Federführung von Volkswagen.

Luftstillstand vermeiden

Hinter dem Thermikkonzept von Lütze steckt ein simpler aber hocheffizienter Gedanke: Luftstillstand im Schrank muss auf jeden Fall vermieden werden. Ein stetiger Luftaustausch hat für die Wärmeverteilung und Luftzirkulation zentrale Bedeutung. Denn je schneller und einfacher die erwärmte Luft an die Gehäusewände strömen kann, umso effizienter kann die Wärme an die Umgebung abgegeben werden und umso geringer ist das Risiko für Hot-Spots.

Mit dem Airstream-Schaltschranksystem ist eine Führung der Luftströme möglich. Dazu werden in die 50 mm Raster der Stege statt der üblichen Drahtkämme sogenannte Airblades eingesetzt. So kann der Luftstrom zielgenau gesteuert und einzelne Wärmenester direkt belüftet oder aufgelöst werden. De facto lässt sich damit die Betriebswärme nicht nur generell sondern auch punktuell abführen. Lütze setzt aber nicht nur darauf Luftströme im Schaltschrank zu beeinflussen, sondern darüber hinaus auch auf eine optimierte Luftzirkulation im Schrankinneren. Bei dem Airstream-Verdrahtungssystem handelt es sich um einen modularen Aluminiumrahmen, bei dem für die Verdrahtung eine weitere Ebene in der Tiefe des Schaltschranks hinter den Bauteilen genutzt wird. So gibt es anders als beim konventionellen Schaltschrankaufbau keine strömungstechnisch ungünstigen Kabelkanäle mehr.

Durch die Trennung in eine Aufbau- und eine Verdrahtungsebene bildet sich hinter dem Verdrahtungsrahmen ein Kamineffekt. Konkret: Die warme Luft wird, je nach Kühlung, abgeführt. Die abgekühlte Luft wiederum wird auf der Rückseite nach unten geleitet und strömt anschließend vorne wie beim Kamineffekt nach oben. Im Ergebnis steigt die warme Luft kontinuierlich an der Vorderseite der Verkabelung - von den Bauteilen kommend - nach oben. Auf der Rückseite der Verkabelung entsteht somit eine „Cool Zone“. Im Ergebnis entsteht somit eine permanente Luftzirkulation zwischen wärmerer Verdrahtungsvorderseite und kühlerer Verdrahtungsrückseite.

Airstream ist ein Komplettsystem bestehend aus dem oben beschriebenen Verdrahtungssystem und optional einem Airblower sowie Konfigurator und Onlinetool zur thermischen Optimierung bestehender und geplanter Schaltschrankaufbauten. Die Airtemp-Anwendung ermöglicht eine differenzierte thermodynamische Analyse eines Schaltschranks mit Montageplatte oder dem Verdrahtungsrahmen. Mit dem kostenlosen Online-Konfigurator lässt sich in fünf Schritten ein Airstream-Verdrahtungsrahmen konfigurieren. Darüber hinaus ist das Verdrahtungssystem im Eplan-Data-Portal verfügbar. Luftschichten im Schaltschrank können mit dem Airblower homogenisiert werden. Damit lässt sich innerhalb weniger Minuten das Temperaturniveau im Schaltschrank ausgleichen und die Temperatur um bis zu 10 Kelvin senken. Insgesamt zehn Patente haben Lütze-Ingenieure für das Thermikkonzept in die Wiege gelegt.

Auf Klimageräte verzichten

Das Airstream-Schaltschranksystem hat in vielen Anwendungen bewiesen, dass das Ausnutzen der passiven Methoden der Schaltschrankkühlung zu hocheffizienten Ergebnissen führt. Anwender in der Industrie – egal ob Großunternehmen oder KMU – können entweder auf ein Klimagerät komplett verzichten oder das Klimagerät kleiner dimensionieren. Neben der Kostenersparnis leisten Unternehmen damit einen Beitrag zu einer positiven CO₂-Bilanz. Schon im Jahr 2011 konnte in Deutschland laut einer Hochrechnung auf Basis des Absatzes der Firma Rittal und ihres Marktanteils in Deutschland von rund 3,5 Millionen aktiven Schaltschränken mit zirka 900.000 installierten Kühlgeräten ausgegangen werden. Dies entspricht einer Anschlussleistung von etwa 600 Megawatt. Um diesen Energiebedarf decken zu können, müssen sich zirka 300 Windräder drehen oder ein klassisches Kohlekraftwerk betrieben werden. Deswegen und auch aufgrund aktueller politischer Entwicklungen – die EU möchte die EEG-Umlage-Vergünstigungen für einige Branchen auf den Prüfstand stellen – ist das Senken des Energiebedarfs für die Schaltschrankklimatisierung mehr als sinnvoll.