Einfluss des Gleichzeitigkeitsfaktors Wie sich das Klima im Schaltschrank beherrschen lässt

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Wie kann in einem Schaltschrank das Klima homogenisiert und die Temperaturschichtungen aufgebrochen werden? Die Antwort: Mit kanalloser Verdrahtung und Lüftersystem. Praxistests konnten dabei sogar einen Gleichzeitigkeitsfaktor von 40 Prozent belegen.

Für verschiedene Betriebsbedingungen sehr genaue Vorhersagen zu Strömungssituationen und den erwarteten Temperaturen in Schaltschränken abgeben. Das ist dem Anbieter für Automatisierungstechnik Lütze in Kooperation mit dem Institut für Gebäudeenergetik, Thermotechnik und Energiespeicherung (IGTE) der Universität Stuttgart mittel Praxismessungen und detaillierter theoretischer Betrachtungen gelungen. Denn: Entscheidend für die Auslegung der Klimatechnik von Schaltschränken ist die Kenntnis über die Betriebsbedingungen. Da diese in der Regel unscharf sind, wird mit großen Sicherheitsreserven gerechnet. Ein Praxisbeispiel zeigt, welche Potenziale bei bedarfsgerechter Klimatisierung vorliegen und wie diese genutzt werden können.

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Lüfter bringt Bewegung in den Schaltschrank

Mit einer Versuchsreihe wollten Lütze und das IGTE in Schaltschränken Temperaturmessungen durchführen. Durch diese Werte lassen sich theoretische Betrachtungen validieren. Ein Montageschrank diente als Testobjekt, der einen zyklisch ablaufenden Montageprozess steuert. Dieser Schrank verfügt über keine Klimatechnik, es liegt somit der Fall der freien Kühlung vor. Werden die Angaben zur nominellen Verlustleistung aller Hersteller aufsummiert, wird 500 W Verlustleistung frei. Wird mit der räumlichen Verlustleistungsverteilung eine Berechnung mit der Wärmeanalysesoftware Airtemp von Lütze durchgeführt, sind bei freier Kühlung im oberen Luftbereich des Schaltschrankes Temperaturen bis zu 73 °C zu erwarten. Dabei wurde ein Gleichzeitigkeitsfaktor [1] von 100 Prozent angesetzt. Die vorhergesagten Temperaturen konnten jedoch nicht bestätigt werden. Vielmehr stellten sich niedrigere Temperaturen ein. Diese sind durch einen geringeren Gleichzeitigkeitsfaktor zu erklären. Die gemessenen Temperaturen waren jedoch immer noch unzulässig hoch.

Gerichtete Zirkulationsströmung mit Schaltschranklüfter erzeugen

Im nächsten Schritt statteten die Experten den Schaltschrank mit einem Schaltschranklüfter von Lütze, auch Airblower genannt, aus. Durch den Airblower wird im Schaltschrank eine gerichtete Zirkulationsströmung erzeugt. Dabei wird hinter dem kanallosen Verdrahtungssystem-Rahmen ein Volumenstrom von bis zu 510 m³/h nach unten geblasen, so strömt die Luft um den Rahmen. Dabei wird die Luft über die gesamte Höhe des Schaltschrankes in Bewegung versetzt. Es werden Strömungstotgebiete minimiert und Luftschichtungen aufgebrochen. Die Experten führten Messungen durch, um den Wirkmechanismus des Lüftersystems nachzuweisen. Dabei wurde der Schalt- schranklüfter mit einer 3-Punkt-Regelstrategie betrieben. Basierend auf den Temperaturen, die der Lüfter über seine Regeleinheit und drei Temperatursensoren aufnimmt, schaltet sich der Lüfter bei Erreichen einer parametrisierbaren Temperatur zu.

Entwärmung der Bauteile verbessern

Zunächst steigen die Temperaturen an allen Messpositionen an. Es liegt noch freie Kühlung vor. Wenn die Schaltschwelle des Lüfters an einer Regelposition überschritten wird, schaltet sich dieser zu. Die Experten konnten erkennen, dass der Anstieg an allen Messpositionen gestoppt wird. Die Temperaturen gehen schließlich in einen quasistationären Zustand über. Die gegen Ende des Messzyklus noch vorliegenden Temperaturfluktuationen sind auf das zeitabhängige Taktverhalten der Anlage zurückzuführen. Hier zeigt sich der Wirkmechanismus des Lüfters, wenn die Temperaturen im oberen und unteren Bereich des freien Luftvolumens des Schaltschrankes betrachtet werden. Es wird deutlich, dass durch das Zuschalten des Lüfters die höhenabhängige Temperaturschichtung aufgelöst wird. Durch das Vorliegen einer gerichteten Zirkulationsströmung wird ein hoher Anteil der Schaltschrankluft durchmischt und die Entwärmung der Bauteile verbessert.

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Theoretische Betrachtung ergibt Gleichzeitigkeitsfaktor von nur 40 Prozent.

Im freien Luftvolumen liegt bei dem Betrieb mit einem Airblower eine mittlere Temperatur von 30 °C vor. Bei einer theoretischen Betrachtung mit Airtemp und einem angenommenen Gleichzeitigkeitsfaktor von 100 Prozent läge die Temperatur bei etwa 37 °C. Bei einer theoretischen Betrachtung liegt die maximale Temperatur im Schaltschrank bei freier Kühlung um 36 K höher als bei Betrieb mit Schaltschranklüfter. Liegt wie bei dem Betrieb mit einem Lüfter eine gute Luftdurchmischung vor, ist die mittlere Temperatur im freien Luftvolumen ein Anhaltspunkt für die in einem Schaltschrank freiwerdende Verlustleistung. Diese Verlustleistung muss vollständig über die Schaltschrankwände abgeführt werden. Die Diskrepanz zwischen theoretischer Betrachtung und Messung sowie die Tatsache, dass die betrachtete Anlage zeitlich taktet, führt zu dem Schluss, dass der Gleichzeitigkeitsfaktor ungleich 100 Prozent sein muss. Der tatsächliche Gleichzeitigkeitsfaktor kann anhand der durchgeführten Praxismessungen und den theoretischen Betrachtungen mit Genauigkeit bestimmt werden. Dazu wird der Gleichzeitigkeitsfaktor bei den theoretischen Betrachtungen so lange reduziert, bis die Temperatur von 30 °C im freien Luftvolumen erreicht wird. Mit dieser Vorgehensweise ergibt sich ein Gleichzeitigkeitsfaktor von nur 40 Prozent. Damit hat sich die wirksame Verlustleistung, die für die Auslegung der Klimatechnik maßgeblich ist, von 500 W auf 200 W reduziert.

Welchen Einfluss der Gleichzeitigkeitsfaktor hat

Bei theoretischen Betrachtungen für die Betriebszustände freie Kühlung und den Betrieb mit einem Airblower bei Gleichzeitigkeitsfaktoren von 100 Prozent und 40 Prozent wurden jeweils die nominellen Verlustlustleistungen nach Herstellerangaben angenommen. Unabhängig vom angesetzten Gleichzeitigkeitsfaktor zeigt sich, dass der Schaltschranklüfter Temperaturschichtungen und sogar Hotspot-Bereiche auflöst. Wird der Fall der freien Kühlung betrachtet, zeigt sich, welchen Einfluss der Gleichzeitigkeitsfaktor und damit die angenommene Verlustleistungsverteilung hat. Bei einem Gleichzeitigkeitsfaktor von 100 Prozent bilden sich über fast jedem Bauteil Hotspot-Bereiche aus. Bei einem Gleichzeitigkeitsfaktor von 40 Prozent liegt bei freier Kühlung immer noch eine Temperaturschichtung vor, aber die meisten Hotspot-Bereiche sind verschwunden. Wird hier zusätzlich noch ein Lüfter verbaut, kann man das Klima im Schaltschrank beherrschen. Durch homogene Lufttemperaturen auf mäßigem Temperaturniveau (30 °C im freien Luftvolumen) steigt die Lebensdauer der Bauteile. Im Dauerbetrieb beträgt die Leistungsaufnahme eines Lüfters durchschnittlich 20 W. Als weitere Schlüsselgröße wurde der Einfluss der Umgebungstemperatur betrachtet. Die Messungen ergaben eine Umgebungstemperatur von 25 °C. An heißen Sommertagen können Temperaturen von bis zu 40 °C auftreten. Diese gehen direkt auf den Schaltschrank über. Damit können bis zu 15 K höhere Temperaturen vorliegen. Umso wichtiger ist es, Temperaturschichtungen im Schaltschrank aufzubrechen.

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Durch den Betrieb einer Anlage mit Lüfter kann der Übergangsbereich vergrößert werden, in dem eine Anlage ohne Klimagerät betrieben werden kann. Ab einer bestimmten Grenze der freiwerdenden Verlustleistung und einer dauerhaften Umgebungstemperatur sollte nicht auf ein Klimagerät verzichtet werden. Hier kann ein Schaltschranklüfter unterstützend wirken, indem die Laufzeit des Klimagerätes möglichst weit reduziert wird. Als nächsten Schritt sollten die Potenziale bewertet werden, um eine Aussage über die Reduktion der Betriebskosten und des CO₂-Fußabdrucks treffen zu können. Lütze und das IGTE planen bereits weitere praktische und theoretische Betrachtungen.

[1] Der Gleichzeitigkeitsfaktor dient zur Abschätzung, wie stark ein System ausgelastet wird, um es passend zu dimensionieren.

* Michael Bautz, Produktmanager Cabinet, Friedrich Lütze GmbH, Wolfgang Heidemann und Daniel Haag, Institut für Gebäudeenergetik, Thermotechnik und Energiespeicherung der Universität Stuttgart

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