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Energie effizient nutzen

Schaltschränke energieefizient klimatisieren

| Autor/ Redakteur: Michael Maage * / Kristin Rinortner

Angesichts globaler Klima- und Umweltprobleme müssen vorhandene Ressourcen mit höchst möglicher Effizienz genutzt werden. In industriellen Produktionsprozessen sowie in IT-Infrastrukturen ist deshalb die Energieeffizienz ein zentrales Thema. Der Beitrag zeigt auf, wie man im Bereich der System-Klimatisierung merklich Energie einsparen kann.

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( Archiv: Vogel Business Media )

Zur heutige Umweltproblematik und globalen Erwärmung trägt der Mensch trägt in nicht geringem Ausmaß bei. Wachsende Weltbevölkerung, Ressourcenengpässe und -verbrauch, steigender Energiebedarf, Energieverschwendung, Treibhausgase (Kältemittel R12, Erdgasaustritt in fast unvorstellbaren Mengen aus Leckagen in Pipelines) sowie der CO2-Ausstoß fossiler Brennstoffe sind mehr oder weniger diskutierte Schlagworte der Gegenwart.

Schon seit Jahrzehnten sind in den Unternehmensleitlinien von Rittal als Unternehmensgrundsatz Nr. 9 Umweltrichtlinien festgeschrieben. Seit Beginn der Kühlgeräteproduktion (1983) wurden im Unternehmen kontinuierlich neue Trends geprägt. Mit jedem Schritt verbesserten sich Nutzen und Wirtschaftlichkeit für die Anwender und reduzierte sich die Umweltbelastung. Beispiele sind die Einführung des ersten per Mikrocontroller geregelten Schaltschrank-Kühlgerätes (1988), die ersten FCKW-freien Kühlgeräte (Pro-Ozon-Initiative 1992), die erste Design-Kühlgeräte-Linie mit der zweiten Generation der Mikrocontrollerregelung (1994), die TopTherm Kühlgeräte mit durchgängiger Plattformstrategie (2002) sowie die praktische Umsetzung der CO2-Kühlung. Ein aktuelles Thema ist die Einführung von TopTherm-Kühlgeräten mit einer Beschichtung aus Nanolacken, der so genannten RiNano-Technologie, welche die gleichbleibend hohe Energieeffizienz garantiert.

Verbindliche Projektierungsrichtlinien verhindern Ausfälle

Bild 1: Typische Fehler aus der Praxis (Auszug aus der von DaimlerChrysler, Siemens und Rittal erarbeiteten Projektierungsrichtlinie Schaltschrank-Entwärmung) (Archiv: Vogel Business Media)

Beispiele aus der Automotive-Branche belegen: Die Anforderungen an die Schaltschrank-Klimatisierung haben sich geändert. Produktionsstörungen durch thermische Überlastung von Umrichtern, Steuerungen, Elektrolytkondensatoren oder anderer Leistungselektronik werden immer öfter beobachtet. Neben den direkten Reparatur- bzw. Austauschkosten schlägt dies mit den zigfachen Produktionsausfallzeiten zu Buche. Namhafte Werkzeugmaschinenhersteller suchen deshalb bereits bei der Planung nach Wegen, um generelle Fehler (siehe Bild) bei der Klimatisierung zu vermeiden.

Ein praktischer Helfer zum Energiesparen ist die „Projektierungsrichtlinie Schaltschrank-Entwärmung“, die in Kooperation von DaimlerChrysler, Siemens und Rittal entstanden ist. Sie beschreibt die richtige Anordnung der Komponenten, nennt Besonderheiten bei der Kühlung firmenspezifischer Bauteile und zeigt, wie man typische Fehler sicher vermeidet; denn Ineffizienz erhöht den Energieverbrauch. Sie verringert die Produktlebensdauer der Kühlgeräte – speziell bei den Kompressoren, bei denen häufigere Schaltzyklen zu erhöhtem Verschleiß führt. In der Projektierungsrichtlinie enthaltene Checklisten (am Ende des Beitrags) stellen sicher, dass im späteren praktischen Einsatz die Betriebssicherheit gewährleistet ist.

Simulation hilft: nicht ungefähr, sondern exakt dimensionieren

Für das richtige Dimensionieren der Schaltschrank-Klimatisierung müssen professionelle Tools herangezogen werden. Rechnerbasierte Projektierungshilfen unterstützen bereits bei der Planung. Bei der Planungssoftware Rittal Therm 5.12 werden beispielsweise einfach die Rahmenbedingungen, wie Gehäuseabmessungen, gewünschte Schrankinnentemperatur, Umgebungstemperatur und installierte Verlustleistung eingegeben. Auch die innere Luftführung lässt sich wählen. Die Software liefert die optimale Kühlkonzeption, die alle Leistungs- und Umgebungsbedingungen berücksichtigt. So werden, je nach Applikation, Einbau-, Anbau- oder Dachkühlgeräte vorgeschlagen. Durch die Auswahl der punktgenau dimensionierten Klimatisierungskomponenten lassen sich deutliche Energieeinsparpotenziale nutzen.

Bild 2: In einer 3D-CFD-Computersimulation wird das thermodynamische Verhalten des geplanten Schaltschranks visualisiert (Archiv: Vogel Business Media)

Noch bevor der erste Prototyp gebaut wird, lässt sich mithilfe der CFD-Simulation (Computational Fluid Dynamics, Strömungssimulation) die Klimatisierung optimieren. Basis ist ein Softwarepaket, das sowohl die geometrischen, als auch die physikalischen Eigenschaften eines Gehäuses (oder Raumes) sowie der Einbaukomponenten berücksichtigt und in einem Modell visualisiert.

Thermografie zur nachträglichen Energieeffizienzsteigerung

Durch die Simulation von Temperatur-, Druck- und Luftströmungsverhältnissen lassen sich kritische Hotspots aufspüren und durch gezielte Luftführung beseitigen. Ferner liefert das Verfahren wertvolle Hinweise, an welchen Stellen Temperaturfühler und Rauchmelder den größten Nutzen versprechen.

Vor dem Hintergrund steigender Energiekosten kann mit CFD-Simulation auch die tatsächlich benötigte Leistung von Wärmetauschern und Kühlgeräten im Vorfeld bestimmt und eine unökonomische Überdimensionierung vermieden werden. Bei skalierbaren Systemen lässt sich die Kühlleistung bei späterer Erhöhung der Verlustleistung anpassen.

Thermografie kann ein weiterer Schritt zur nachträglichen Energieeffizienzsteigerung sein. Mit einer Wärmebildkamera lassen sich temperaturkritische Punkte sicher erkennen und durch gezielte Maßnahmen entschärfen. Damit lässt sich beispielsweise verhindern, den gesamten Schrank aus Sicherheitsdenken bezüglich „einzelner kritischer Bauteile“ kühltechnisch von vornherein überzudimensionieren.

Schmutzbelastete Umgebung als Herausforderung an die effektive Kühlung

Genauso wichtig wie Kühlgeräte mit einer hohen Kälteleistungszahl zu bauen, ist es, diese Kühlleistung über die Betriebszeit auch konstant hoch zu halten. Dem steht im Alltag die Verschmutzung der für den Wärmeaustausch wichtigen Bauteile entgegen. Mit dem Belag auf Kühllamellen und Luftfiltern fällt die Kühlleistung von Klimageräten schnell und stark ab. Bei belasteter Umgebung ist bei herkömmlichen Kühlgeräten mit Leistungsverlusten von 30 bis 50% und einem adäquaten Anstieg des Stromverbrauchs zu rechnen.

Bild 3: RiNano-Kühlgeräte – aufgrund der geringeren Schmutzhaftung bleibt der Verflüssiger länger sauber, auf Filtermatten kann oft verzichtet werden (Archiv: Vogel Business Media)

Bei den TopTherm-PLUS-Kühlgeräten ist die Oberfläche des Verflüssigerpaketes mit einem blau schimmernden Nanolack versiegelt: Nanopartikel mit sich einander ergänzenden Eigenschaften ordnen sich bei diesem Beschichtungsverfahren „intelligent“ an. Es entsteht eine Polymerstruktur, die durch einen hohen Kohlenstoffanteil (Diamanteffekt) besonders hart und glasartig glatt ist. Aufgrund der geringeren Schmutzhaftung bleibt der Verflüssiger sauber. Auf Filtermatten kann oft verzichtet werden.

Das bedeutet für die Praxis: Die Intervalle für Wartungsarbeiten verlängern sich und die Kühlleistung bleibt länger auf einem konstant hohen Wert. Unabhängige Forschungsergebnisse bestätigen die Eigenschaften der so genannten RiNano-Oberfläche. Rasterelektronenmikroskopische Untersuchungen zeigten, dass an die Stelle einer „zerklüfteten“ Aluminiumoberfläche eine spiegelglatt versiegelte Struktur tritt. Auch Langzeittests bei Automobilherstellern, wie Audi und VW, unterstreichen den hohen, kostensparenden Nutzen selbst in staub- und öldampfbelasteten Umgebungen.

Energieeffizienz durch Nanolacke erhöhen

Tabelle 1: Die Energieeffizienz hängt von der Kälteleistungszahl ab: je höher diese ist, desto weniger Energiekosten fallen an. Vergleich verschiedener Kühlgräte (Archiv: Vogel Business Media)

Insgesamt leisten RiNano-beschichtete Kühlgeräte damit einen aktiven Beitrag zur CO2-Reduktion durch eine hohe Energieeffizienz, die weit über dem Branchendurchschnitt liegt. Klimageräte von Rittal haben Kälteleistungszahlen von bis zu 2,30. Bei vielen herkömmlichen Kühlgeräten liegen diese Werte bei 1,64. Dadurch ergeben sich beim Betrieb von je 100 Geräten – einer Stückzahl, die in modernen Fertigungsstraßen- und Fabriksteuerungen in der Regel vielfach überschritten wird – Energiemehrkosten von über 17.000,00 € pro Jahr (siehe Tabelle). Dieser Berechnung liegt ein kWh-Preis von 11 Cent, eine Laufzeit von 16 h pro Tag an 250 Tagen und ein Verhältnis von Volllast zu Leerlauf von 60 zu 40% zu Grunde.

Auch die CO2-Bilanz aus diesem Beispiel unterscheidet sich deutlich: Die Klimageräte mit der höheren Kälteleistungszahl erzeugen, unter sonst gleichen Bedingungen, mehr als 100 t pro Jahr weniger Kohlendioxid als die Vergleichsgeräte. Hier zeigt sich der wahre Gewinn für die Umwelt; denn rund 97% des möglichen Treibhauseffektes durch Schaltschrankkühlgeräte gehen auf den Energieverbrauch und den damit verbundenen CO2-Ausstoß bei der Stromerzeugung zurück. Nur 3% entfallen auf das Kältemittel. Aber auch für diese 3% steht eine Lösung durch den Ersatz von R 134a bereit.

Bild 4: Die Betrachtung der Total Costs of Ownership eines Kühlgerätes über fünf Jahre zeigt, dass rund die Hälfte der Kosten durch den Energieeinsatz und weitere rund 10% durch die Wartung verursacht werden. (Nur 3% der „Ozonbilanz“ trägt dazu das Kühlmittel bei.) (Archiv: Vogel Business Media)

Für eine „Total Cost of Ownership“-Betrachtung sind neben den Verbrauchs- auch die Wartungskosten interessant, die bei den RiNano beschichteten Geräten ebenfalls ein Plus aufweisen können.

Bild 5: Kostenbetrachtung eines Kühlgerätes über 5 Jahre. Bei der Kühlgerätebeschaffung auf ein billiges Gerät zu setzen, ist weder für die Umwelt noch im längeren Betrieb für das Budget rentabel. (Archiv: Vogel Business Media)

Setzt man beispielsweise einen wöchentlichen Filterwechsel an, ergeben sich mit 1,50 € pro Filtermatte und bei einer Arbeitszeit pro Wechsel von 2 min (bei 30 € Bruttolohn) pro Jahr und Gerät Kosten von 150 €, respektive für die 100 Geräte des obigen Beispiels weitere 13.000 € im Jahr.

Im Trend: ganzheitliche Lösungen bei der Kühlung von Schalt- und Elektronikschränken

Die Energiepreise sind in den zurückliegenden Jahren drastisch gestiegen. Ganzheitliche Systemlösungen sind deshalb gerade bei der Kühlung von Schalt- und Elektronikschränken gefragt. Werden Produkte aus einer Hand und von einem Partner mit hoher Systemkompetenz bezogen, garantiert dies, dass alles auch im Bereich der Energiebilanz lückenlos zueinander passt. Das vermeidet überflüssige Reibung an Schnittstellen und daraus resultierende Fehler und falsche oder weniger effektive Dimensionierungen.

Das Herborner Unternehmen bietet seinen Kunden umfangreiche Dienstleistungen an, damit am Ende die technisch, wirtschaftlich und umweltverträglich bestmögliche Lösung entsteht. Dies beginnt bei der Dimensionierung der kühltechnischen Komponenten mithilfe von Softwareprodukten. Noch vor dem Prototypenbau lässt sich ein Komplettsystem wärmetechnisch per CFD-Simulation analysieren. Bestehende Anlagen können mittels Infrarot-Thermografie überprüft und gegebenenfalls optimiert werden. Für aufwendige Messreihen mit vielkanaliger Auswertung über zahlreiche Sensoren bietet das hauseigene Klimalabor umfangreiche Möglichkeiten. Gelieferte Geräte und Anlagen werden durch ein Angebot an Serviceleistungen betreut.

Checkliste Schaltschrankklimatisierung

  • Klimatisierungsberechnung (mit Rittal Therm) durchgeführt
  • Verlustleistung im Schrank < spezifische Kühlgeräteleistung
  • Lüftungsräume gemäß Herstellervorgabe berücksichtigt
  • Controllereinstellung auf Werkseinstellung belassen: 35 °C (Schaltschrank-Innentemperatur)
  • Schaltschrank abgedichtet (IP54)
  • Kühlgeräte und Filter regelmäßig warten oder Nanolacke verwenden (verschmutzte Filter erhöhen den Ernergieverbrauch)

*Michael Maage ist Gruppenleiter internationales Produktmanagement Schaltschrank-Klimatisierung bei Rittal in Herborn.

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