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Thermografiebilder einer kompakten Schaltschrankanordnung bevor passive Kühlungsmaßnahmen durchgeführt wurden Bild: Lütze
Klimatisierung

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Hitzefrei im Schaltschrank?

Text: Martin Lack, Friedrich Lütze
Was tun gegen die zunehmende Wärmeproblematik im Schaltschrank? Weil es für die elektronischen Bauteile kein hitzefrei gibt, ist der Einsatz eines externen Kühlgerätes quasi zwangsläufig. Ist das wirklich so?

Bauteile und Leistungselektronik im Schaltschrank werden kleiner und effizienter. Das Problem dabei: Die Wärmeverlustleistungen verringern sich nicht. Angesichts der zunehmenden Zahl von Bauteilen auf immer engerem Raum nimmt die Wärmeentwicklung im Schaltschrank stetig zu. Ist damit der Einbau von leistungsfähigen Kühlgeräten unumgänglich, nach der Devise: Mehr Bauteile im Schaltschrank benötigen immer höhere externe Kühlleistungen? Die Antwort hierzu: ein klares Jein.

Neben der mitunter teuren, weil in aller Regel überdimensionierten aktiven Kühlung werden allzu oft die passiven Kühlmethoden vernachlässigt. Lütze geht mit seinem LSC-Air­stream-Verdrahtungssystem bei der passiven Kühlung einen Schritt hin zu einer intelligenten Luftführung. Die Forschungsergebnisse im Rahmen der Green-Carbody-Allianz unter der Federführung von Volkswagen – bei der Lütze als Partner dabei ist – sind eindeutig: Mit einer Verbesserung der passiven Kühlung, wie zum Beispiel mit dem LSC-Air­stream-Verdrahtungsrahmen, sind Energieeinsparungen von 23 Prozent gegenüber einem vergleichbaren konventionellen Schaltschrankaufbau möglich. Der folgende Beitrag zeigt am Beispiel des Verdrahtungssystems, was heute state of the art in punkto passiven Methoden der Kühlung ist.

Aktive und passive Schaltschrankkühlung

Natürlich wird ein Unternehmen in vielen Fällen nicht um die Installation eines externen Kühlgerätes herumkommen. Die Dimensionierung dieser Kühlgeräte erfolgt dabei auf die theoretisch maximal notwendige Kühlleistung für eine Schaltschrank-Innentemperatur von zirka 35 °C bei höchstmöglicher Umgebungstemperatur. Diese Auslegung führt zu einer Überdimensionierung, sprich es wird mehr Kühlleistung installiert, als im Schnitt tatsächlich benötigt wird. Auf der anderen Seite wird oftmals unterschätzt, dass neben den aktiven Maßnahmen zur Schaltschrankkühlung – also zum Beispiel durch ein Dachkühlgerät – eine passive Kühlung bereits beachtliche Kühlergebnisse erzielt. Die Vorteile der passiven Kühlung liegen auf der Hand:

  • In Einzelfällen kann auf ein externes Kühlgerät verzichtet werden.

  • Wird ein externes Kühlgerät benötigt, kann die Kühlleistung geringer und energiesparender ausgelegt werden.

Klimatisierung energieeffizient planen

Beim Planen eines Schaltschranks unter thermischen Gesichtspunkten müssen grundsätzliche physikalische Parameter berücksichtigt werden. Die folgenden zehn Punkte sollten Sie beachten:

  • Die Umgebungstemperatur hat einen wesentlichen Einfluss auf die Wärme im Schaltschrank. Temperaturänderungen in der Umgebung sind 1:1 im Schrankinneren nachweisbar. Tipp: Je tiefer die Umgebungstemperatur, desto geringer der Aufwand für die Klimatisierung.

  • Die Frage, ob der Schaltschrank an der Wand neben anderen Schränken oder freistehend aufgestellt wird, hat erheblichen Einfluss auf die Temperatur. Tipp: Schaltschränke idealerweise freistehend aufstellen.

  • Der Punkt Bauteilkompaktheit geht der Frage nach, ob bei einer engen Nachbarschaft der Luftstrom ausreichend die Bereiche zwischen den Bauteilen durchströmt. Tipp: Genügend Platz zwischen Bauteilen lassen und Luftstromblockaden durch Geräte oder Kabelkanäle vermeiden.

  • Die Frage der Bauteilplatzierung beschäftigt sich damit, ob Bauteile mit hoher Wärmeverlustleistung in der Nähe des Kaltluftauslasses, in kühleren Bereichen und nicht direkt nebeneinander verbaut werden sollten. Tipp: Warme Bauteile in kühlen Sektoren verbauen.

  • Unter Zwangsumwälzung der Schaltschrankluft fallen alle Maßnahmen, die Temperaturschichtung von unten kühler nach oben wärmer zu vermeiden – etwa mittels geeigneter Luftverteilungsverfahren. Tipp: Mit einem geeigneten Verdrahtungssystem wie dem LSC Airstream entsteht automatisch ein umwälzender Luftstrom und Kamineffekt im Schaltschrank.

  • Vermeidung eines Luftkurzschlusses, der bei ungünstiger Einbaulage einer aktiven Klimakomponente entstehen kann: wenn zum Beispiel ein Teil der in den Schaltschrank eingebrachten Kaltluft direkt wieder abgesaugt wird. Tipp: Mit Luftleitblechen kann der Luftstrom zielgenau gesteuert werden.

  • Unter der Prämisse einer optimalen Zirkulationsströmung, ist eine effektive Bauteilenthitzung durch die Umströmung der wärmeabgebenden Bauteile mit Kaltluft zu verstehen. Tipp: Mit geeigneten Luftleitblechen wie zum Beispiel den Airblades kann der Luftstrom zielgenau gesteuert werden, um einzelne Wärmenester direkt zu belüften. Damit kann die Betriebswärme nicht nur generell, sondern auch punktuell abgeführt werden.

  • Position des Kühlgerätes: Dachklimageräte sind zweckmäßig, wenn deren Kaltluftauslässe und die Warmluftabsaugung so angeordnet sind, dass eine Zirkulationsströmung, zum Beispiel von hinten nach vorne, erzeugt werden kann. Tipp: Der Dachaufbau ist stets einem Front- oder Seitenanbau vorzuziehen.

  • Strömungstotgebiete: Die Bauteilanordnung kann negative Auswirkungen auf das Innenklima haben. Tipp: Airblades können in die 50mm-Raster anstelle eines Kabelkammes von vorne auf den Montagesteg gesetzt werden und ragen dann in den freien Luftspalt hinter der Montageebene hinein.

  • Kabelführung – Tipp: Die kompakte Kabelführung auf der Rückseite des LSC-Airstream-Verdrahtungssystems und die Kammdeckel haben keinen negativen oder nur einen geringen Einfluss auf die passive Kühlung.

Das Lütze-Schaltschranksystem ermöglicht die zielgenaue Führung der Luftströme im Schaltschrank. In die 50mm-Raster der Stege können statt der üblichen Drahtkämme so genannte Airblades eingesetzt werden. Ein Airblade ähnelt auf den ersten Blick einem Flugzeugflügel. Diese Flügelform, die aus der Luftfahrttechnik entlehnt ist, führt strömungstechnisch dazu, dass an den Abrisskanten die Luft nicht verwirbelt wird und der Luftstrom versiegen kann.

Verbesserte Luftzirkulation

Neben der gezielten Beeinflussung der Luftströme im Schaltschrank durch die Airblades setzt Lütze auf eine optimierte Luftzirkulation im Schrankinneren. Dabei kommt der konstruktive Aufbau des LSC-Airstream-Verdrahtungssystems diesem Anliegen entgegen. Bei diesem Verdrahtungssystem handelt es sich um einen modularen Aluminiumrahmen, bei dem für die Verdrahtung eine weitere Ebene in der Tiefe des Schaltschrankes hinter den Bauteilen genutzt wird. Anders als beim konventionellen Schaltschrankaufbau gibt es also keine strömungstechnisch ungünstigen Kabelkanäle mehr. Durch die Trennung in Aufbau- und Verdrahtungsebene bildet sich hinter dem LSC-Airstream-Verdrahtungsrahmen ein Kamin­effekt, die warme Luft wird abgeführt.

Kamineffekt

Idealtypisch wird die kalte Luft hinten nach unten geleitet. Auf der Rückseite der Verkabelung entsteht somit eine Cool Zone. Diese kühlere Luft wird über einen Sogeffekt von der warmen Luft an der Verdrahtungsfront wieder angesaugt. Hier steigt die sich erwärmende Luft kontinuierlich an der Vorderseite der Bauteilebene – von der Verdrahtungsebene kommend – nach oben, wie in einem Kamin. Im Ergebnis entsteht somit eine permanente Luftzirkulation zwischen wärmerer Geräte­ebene auf der Vorderseite und kühlerer Verdrahtungsebene auf der Rückseite.

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