Schaltschrank-Klimatisierung

Die immer kleineren elektronischen Bauelemente und die dadurch steigende Packungsdichte in Schaltschränken haben die Empfindlichkeit der Systeme gegenüber äußeren Einflüssen wie Staub, Öl, Feuchtigkeit und Temperatur erhöht. Insbesondere ist Wärme nach wie vor immer noch der Feind Nr. 1 für hoch empfindliche Mikroelektronik. Was die Lebensdauer von Halbleitern betrifft, gilt dabei die Faustregel: Eine Erhöhung der Betriebstemperatur um 10 K, bezogen auf die maximale zulässige Betriebstemperatur, verkürzt ihre Lebensdauer bereits schon um die Hälfte. Um eine dauerhafte Funktionalität der Elektronik zu gewährleisten, muss somit die im Gehäuse generierte und zusätzlich je nach Umgebungsbedingungen von außen eingestrahlte Wärme effizient abgeführt werden.

Grundlagen der Wärmeabführung | Die Grundlage jeder Kühlung ist die Betrachtung der Wärmeübertragung zwischen zwei oder mehr Systemen. Geht man von unterschiedlichen Wärmepotentialen aus, so erfolgt der Wärmestrom immer von der höheren auf die niedrigere Temperatur – es findet also ein Wärmeausgleich in Richtung niedrigerer Energie statt. Es gibt dabei drei verschiedene Arten der Wärmeübertragung.

Wärmeleitung: Wärme wird von der Materie transportiert, ohne dass diese sich selbst mitbewegt. Die Energie wird von Teilchen zu Teilchen weitergegeben.

Konvektion: Energie strömt mit der Materie. Das Transportmittel, zum Beispiel Flüssigkeit und Gas, nimmt Energie in Form von Wärme auf und gibt Energie als Wärme ab.

Strahlung: Wärme wird in Form von Strahlungsenergie, direkt ohne materielle Träger, von einem Körper zum anderen übertragen.

Entscheidend für die Art der Wärmeabführung aus Schaltschränken ist es, ob diese offen (luftdurchlässig) oder geschlossen (luftundurchlässig) sind. Während die Wärme bei offenen Gehäusen durch den Luftstrom abgeführt wird, kann dies bei geschlossenen Schränken nur über die Gehäusewand durch Eigenkonvektion erfolgen. Voraussetzung hierfür ist jedoch, dass die Umgebungstemperatur niedriger als die Temperatur innerhalb des Schaltschrankes ist. Die maximale Temperaturerhöhung (DT)_max , die in einem Schaltschrank gegenüber der Umgebung auftreten kann, berechnet sich durch:

(DT)_max = Q_v / k•A

Q_v = im Schrank installierte Verlustleistung [W]

k = Wärmedurchgangskoeffizient [W/m²K], für Stahlblech k = 5,5 W/m²K

A = effektive, Leistung abstrahlende Schrank­oberfläche gemäß IEC 890 [m²]

Um aber eine optimale Betriebstemperatur im Inneren der luftundurchlässigen Schaltschränke auch bei hohen Außentemperaturen zu gewährleisten, müssen Kühlgeräte zum Einsatz kommen.

 
Schnellauswahl einer Klimalösung | Anhand des oben abgebildeten chronologischen Leitfadens lässt sich die Art der Klimalösungen leicht und zielgenau bestimmen, vorausgesetzt entsprechende Randbedingungen wie Außen- und Innentemperaturen sowie die Schutzart sind definiert.

Kühlkomponenten exakt di­men­sionieren | Die zur Klimatisierung eines Schalt­schrankes erforderliche Nutzkühlleistung kann nach Gleichung (1) berechnet werden:

Q_E = Q_v - Q_s (1)

mit:

Q_s= k•A•(T_i - T_u)(2)

Q_E: Erforderliche Kühlleistung einer Klimatisierungskomponente in Watt.

Q_v: Verlustleistung; sie beschreibt die im Schaltschrank abgegebene Wärme der installierten Komponenten.

Q_s: Strahlungsleistung über die Gehäuseober­fläche. Eine Wärmeleistung in Watt, die über die Gehäuseoberfläche abgeführt oder aufgenommen wird.

k: Wärmedurchgangskoeffizient [W/m²K] für Stahlblech 5,5 W/m²K, für doppelwandige Aluminium-Zink-Gehäuse 2,5 W/m²K.

T_i: Gewünschte Innentemperatur im Schaltschrank. Sie ergibt sich aus der Spezifikation der im Gehäuse eingesetzten Bauteile (em­pfohlener Erfahrungswert: 35 °C).

T_u: Maximale Umgebungstemperatur des Schaltschrankes

A: Effektive Gehäuseoberfläche nach IEC 890. Als „effektive Gehäuseoberfläche“ wird der Anteil an der Gesamtgehäuseoberfläche bezeichnet, der unter Berücksichtigung der Aufstellungsverhältnisse an einer Wärmeabgabe tatsächlich beteiligt ist.

Einsatzbereiche von Geräten | Am Beispiel des Produktprogramms von Rittal soll im Folgenden ein Überblick über die Einsatzbereiche der gängigsten Kühlkomponenten gegeben werden. 

Hilfsmittel zur Berechnung | Um generelle Fehler bei der Klimatisierung zu vermeiden, stehen elektronische Werkzeuge zur Verfügung, die dem Anla­gen- und Maschinenbauer bei der Berech­nung seiner Kühllösung unterstützen.

Computerbasierte Planungshilfen helfen schon in einem frühen Projektstadium und geben Hilfestellung auf dem Weg zum richtigen Klimatisierungskonzept. Bei der Projektierungssoftware „Rittal-Therm“ werden zum Beispiel einfach die wichtigsten Eckwerte wie gewünschte Schrankinnentemperatur, Umgebungstemperatur und installierte Verlustleistung sowie die Schaltschrankdimensionen eingegeben. Als Ergebnis liefert die Software Vorschläge für eine optimale Kühlkonzeption, die alle Leistungs- sowie Umgebungsbedingungen berücksichtigt und Einbau-, Anbau- oder Dach-Klimasysteme vorschlägt. Die Resultate orientieren sich an den Vorgaben DIN 57 660 bzw. IEC 890 und DIN 3168 für Schaltschrank-Kühlgeräte. Die Anwendung ist einfach zu bedienen und alle erforderlichen Parameter von Rittal-Komponenten (Schrank, Klimagerät etc.) können dazu direkt auf der Homepage von Rittal (www.rittal.de) abgerufen und in die Software eingegeben werden.

Klimaverhältnisse visualisieren | Einen Schritt weiter geht die Simulation per CFD (Computational Fluid Dynamics). Diese ermöglicht die Optimierung der Klimatisierung, noch bevor die Anlage gebaut wird. Durch die Simulation und Visualisierung von Temperatur-, Druck- und Luftströmungsverhältnissen lassen sich damit kritische Wärmenester schon im Vorfeld aufspüren und durch gezielte Luftführung beseitigen. Ferner liefert das Verfahren wertvolle Hinweise, an welchen Stellen zum Beispiel Temperaturfühler und Rauchmelder den größten Nutzen versprechen. Wegen der Komplexität der Software, der erforderlichen kältetechnischen Erfahrung und den dazu benötigten sehr leistungsfähigen Rechnern, ist es sinnvoll, solche Simulationen als Dienstleistung an erfahrene Partner zu vergeben.

Nachträglich verbessern | Jedoch auch bei bereits betriebsfertig aufgebauten Schaltschränken gibt es die Möglichkeit der nachträglichen Optimierung. Ein bewährtes Verfahren dazu ist die Thermografie. Per Wärmebildkamera lassen sich temperaturkritische Punkte erkennen und durch gezielte Maßnahmen entschärfen. Hier sind Spezialisten gefordert, die konkrete praktische Erfahrungen im Erstellen und Auswerten von Thermogrammen haben. Als zertifizierte Dienstleistung nach DIN EN 473 (Regelwerke für Thermografie-Personalqualifizierung) wird dieser Service von Rittal ebenfalls angeboten.