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Ein CAE-Tool unterstützt den Planer bei der thermisch optimalen Anordnung der Komponenten und der richtigen Dimensionierung des Kühlgeräts Bild: Rittal
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Clever klimatisiert

Text: Steffen Wagner, Rittal
Die Automobilindustrie setzt beim Thema Energieeffizienz Maßstäbe. So hat sich die Innovationsallianz Green Carbody Technologies zum Ziel gesetzt, eine Karosseriefertigung mit 50 Prozent weniger Energieeinsatz zu realisieren. Eines der Teilprojekte innerhalb des Forschungsvorhabens beschäftigte sich mit energieeffizienter Klimatisierung von Schaltschränken.

Die vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderte Innovationsallianz Green Carbody Technologies besteht aus fünf Forschungsprojekten, die Themen von der Planung der Produktion bis hin zur Lackierung der Karosserie abdecken. Eines der Verbundprojekte – Innocat 4 – hat den energie- und ressourceneffizienten Karosseriebau zum Thema. In einem Teilprojekt untersuchte Rittal, wie sich die Klimatisierung von Schaltschränken möglichst energieeffizient realisieren lässt.

Feldstudie analysiert Kühlungspraxis

Im Rahmen des Projekts wurden in einer Feldstudie von Rittal etwa 400 bereits installierte Schaltschränke in verschiedenen Anwendungen und unter unterschiedlichen Umgebungsbedingungen analysiert. Auf diese Weise erhielten die an der Studie beteiligten Ingenieure eine Bestandsaufnahme, wie in der industriellen Praxis Klimatisierungslösungen typischerweise installiert werden. Gleichzeitig suchten sie dabei nach Ansatzpunkten zum Optimieren des Energieaufwands. Zunächst zeigte sich, dass der Einsatz von flüssigkeitsbasierten Kühlsystemen bislang die Ausnahme darstellt und stattdessen vorwiegend Kompressor-Kühlgeräte beziehungsweise Luft-Luft-Wärmetauscher verwendet werden.

Beim allgemeinen Aufbau der Schaltschränke zeigten sich deutliche Verbesserungspotenziale. So waren bislang in den meisten der begutachteten Schaltschränken die Komponenten rein nach der elektrischen Funktionalität angeordnet. Die Planer stellten bei der Anordnung der Komponenten offensichtlich vor allem eine möglichst einfache Installation mit kurzen Kabelwegen und die Übersichtlichkeit des Schaltschranks in den Vordergrund. Auf eine optimale Führung der kühlen Luft achteten sie dagegen kaum. Die Klimatisierung war in den seltensten Fällen darauf ausgerichtet, so genannte Hot Spots zu vermeiden. Dazu kommt es, wenn Komponenten mit besonders hoher Verlustleistung in unmittelbarer Nähe zueinander angeordnet sind oder von der kühlen Luft nur schlecht erreicht werden.

Schaltschränke mit Kompressor-Kühlgeräten, die etwa die Hälfte der untersuchten Installationen ausmachten, hatten in 19 Prozent der Fälle einen Luftkurzschluss, so dass sich ein Teil der Kühlleistung nicht nutzen ließ. Bei zwei Dritteln der Schaltschränke lagen die warmen Komponenten nicht im Luftstrom zwischen Aus- und Einlass des Kühlgeräts. Auch bei der Wartung zeigten sich deutliche Schwachstellen. So war in fast der Hälfte aller Fälle die Filtermatte stark verschmutzt, was zu einer Verminderung der Kühlleistung beziehungsweise zu einem erhöhten Energieverbrauch führte. Auch bei der Auswahl der richtigen Klimatisierungslösung waren Schwächen in der Planung erkennbar. Die Hälfte aller Kompressor-Kühlgeräte haben die Planer überdimensioniert, so dass die Geräte maximal 20 Prozent ausgelastet waren. Dies lässt darauf schließen, dass die Verlustleistung im Schrank meist überschätzt wird, was zum Beispiel durch die Vernachlässigung von Gleichzeitigkeitsfaktoren leicht passiert.

Ansätze zur besseren Luftführung

Ausgehend von den Untersuchungen an installierten Schaltschränken haben Ingenieure Ansätze erarbeitet, um die Klimatisierung energieeffizienter zu realisieren. Dazu bauten sie einen Schaltschrank, wie er bei Volkswagen im Karosseriebau typischerweise im Einsatz ist, originalgetreu im Labor nach, um an diesem Nachbau verschiedene Verbesserungsmaßnahmen zu testen. Dabei wurde unterschieden zwischen passiven Maßnahmen, die darauf abzielen, die kühle Luft möglichst gut auszunutzen, und aktiven Maßnahmen, bei denen die Erzeugung der kühlen Luft optimiert wird.

Bei den passiven Maßnahmen stand die Veränderung der Schaltschrankaufbauten im Mittelpunkt. Über eine Analyse von Temperaturverteilungen im Schaltschrank und den Strömungsverteilungen der kühlen Luft wurden Lösungen erarbeitet, die zu einer verbesserten Kühlung der Komponenten führen, ohne dass die Kühlleistung erhöht werden muss. Ein zentrales Ergebnis war die Entwicklung eines Konzeptes für eine verbesserte Luftführung oder -strömung um die Montageebene. Bei diesem Konzept wird die kühle Luft gezielt auf der Rückseite der Montageebene nach unten geführt, um anschließend auf der Vorderseite nach oben über die warmen Komponenten hinweg wieder zum Einlass des Kühlgeräts zu strömen. Im Labor konnte durch diese Umlaufströmung eine Energieeinsparung bei der Klimatisierung von bis zu 23 Prozent demonstriert werden.

Energieschonende Kühlung

Aber auch an den Kühlgeräten selbst lassen sich Verbesserungen vornehmen. Drehzahlregelbare Lüftermotoren, Anpassungen der Komponenten des Kältekreislaufes sowie neue Regelelektroniken sind zentrale Bausteine auf dem Weg zum schonenden Energieeinsatz. Durch Kühlgeräte mit höherem Wirkungsgrad lassen sich deutliche Energieeinsparungen erreichen.

Eine weitere Möglichkeit ist der Einsatz von kombinierten Kühlsystemen, die verschiedene Kühlmethoden je nach Bedarf einsetzen. Beispielhaft ist hier ein System, das im Prinzip aus einem Luft-Luft-Wärmetauscher und einem Luft-Wasser-­Wärmetauscher besteht. In der Gebäudeklimatisierung ist das System unter dem Begriff „free cooling“ bekannt. Ist die ab­zuführende Wärmemenge gering, reicht die Umgebungsluft zum Kühlen aus. Insbesondere bei geringen Umgebungstemperaturen ist die Effizienz einer solchen Luftkühlung hoch. Erst bei steigendem Kühlbedarf oder wenn die Umgebungs­temperatur hoch ist, wird der Luft-Wasser-Wärmetauscher ­zugeschaltet und stellt sicher, dass die Schaltschranktemperatur nicht ansteigt.

Klimatisierung von Anfang an berücksichtigen

Um die Energieeffizienz zu erhöhen, ist es notwendig, die Klimatisierung in der Planungsphase stärker zu berücksichtigen. Ein idealer Ansatz hierzu ist die Integration der Planung für die Klimatisierung in die Software zur Elektroplanung. In dem Projekt wurde dazu ein Demonstrator entwickelt, der auf der CAE-Software von Eplan basiert. In mehreren Schritten fragt das Tool wichtige Daten vom Anwender ab – angefangen von den Umgebungsbedingungen bis hin zur Art der verwendeten Komponenten und deren Verlustleistungen. Das CAE-Tool visualisiert beispielsweise die Verlustleistungen der einzelnen Komponenten, so dass der Planer sofort erkennt, wo Wärme abgeführt werden muss. Thermische Mindestabstände sowie die Anzeige von Lüftungsvektoren aktiver Komponenten sind ebenfalls sichtbar. Thermische und aerodynamische Kollisionsprüfungen helfen dem Planer, Verbesserungspotenzial auszuschöpfen. Mit der Kombination aktiver und passiver Maßnahmen zur Erhöhung der Energieeffizienz und dem Einsatz einer Aufbauplanung bei der Schaltschrankkühlung lassen sich Energieeinsparungen von 35 Prozent und mehr realisieren.

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