Wie aus Stromfressern Energiesparer werden

11.10.2007 | Autor / Redakteur: Dipl.-Ing. Michael Maage* / Ute Drescher

Kühlsysteme können bei falscher Dimensionierung schnell zu Energieverschwendern werden. Mit cleveren Software-Tools und Klimaservices sowie moderner Klimagerätetechnologie lässt sich deutlich Energie sparen. Doch damit nicht genug: Auch die Kosten sinken, während die Betriebssicherheit steigt.

Steigende Rechenleistungen in Produktionsanlagen sind immer auch verbunden mit einem zunehmenden Stromverbrauch. Das ist den meisten klar. Den wenigsten ist aber bekannt, dass ein erheblicher Teil des Stromverbrauchs – und damit der Umweltbelastung – durch unsachgemäß dimensionierte Kühltechnologie verursacht wird.

Die richtige Auslegung der Schaltschrank-Klimatisierung ist von entscheidender Bedeutung. Ist ein Kühlsystem zu schwach ausgelegt, wird die Elektronik zu heiß, ist es zu stark, vergeudet es Energie. Neben den oftmals schlechten Wirkungsgraden der Kühlgeräte sind es aber auch nicht selten ganz „banale“ Fehler im Industriealltag, die zu erhöhtem Stromverbrauch oder sogar zum Ausfall von Kühlgeräten führen.

Luftein- und -austrittsöffnungen dürfen nicht abgedeckt sein

Typische Fehler sind häufig abgedeckte Lüftungsöffnungen von Geräten im Schaltschrank, durch Elektronikeinbauten abgedeckte Luftein- und -austrittsöffnungen der Kühlgeräte, schlechte Luftzirkulation im Schaltschrank sowie geringe Schutzart des Schaltschrankes durch z.B. unsachgemäße Kabeleinführung oder unsachgemäße Ausrichtung der Schränke während der Aufstellung.

Stehen Planer vor der komplexen Aufgabe, Kühlsysteme neu und vor allem richtig zu dimensionieren, lässt sich das in der Regel nicht mehr „aus dem Bauch heraus“ bewerkstelligen. Auch „Sicherheitszuschläge“ durch Überdimensionierungen der Kühlsysteme sind nicht mehr verantwortbar. Solche Lösungen sind Energieverschwender.

Namhafte Werkzeugmaschinenhersteller suchen deshalb bereits bei der Planung nach Wegen, um generelle Fehler bei der Klimatisierung zukünftig bereits im Vorfeld zu vermeiden. Dieses Vorgehen ist effizienter und sicherer als später aufwendig die Symptome einer unzureichenden Schrankklimatisierung beheben zu müssen. Hierzu stehen sehr wirkungsvolle Werkzeuge zur Verfügung.

Softwaretools berechnen den Klimatisierungsbedarf

Die Weichenstellung für energiesparende Klimalösungen erfolgt lange vor der Installation der Kühlsysteme. Intelligente Software-Tools wie Rittal Therm 5.12 übernehmen dabei komplett die aufwendigen Berechnungen des Klimatisierungsbedarfs und erleichtern die tägliche Planungsarbeit der Anwender. So werden bei der Berechungssoftware einfach die Rahmenbedingungen, wie Gehäuseabmessungen, gewünschte Schrankinnentemperatur, Umgebungstemperatur und installierte Verlustleistung eingegeben. Auch die innere Luftführung lässt sich über entsprechendes Zubehör wählen.

Die Software liefert als Output 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 somit deutliche Energieeinsparpotentiale sichern.

CFD-Analyse simuliert Strömungsmodelle

Soll ein Schaltschrank-Kühlsystem mit minimaler Betriebsleistung auskommen, muss die Luftzirkulation im Inneren grundlegend optimiert werden. Mit CFD (Computational Fluid Dynamics) lassen sich Strömungsmodelle simulieren und Luftbewegung innerhalb des Schrankes numerisch darstellen. Dabei werden Temperatur, Druck und Strömungsgeschwindigkeit an den wichtigen Punkten erfasst und visualisert – und das alles noch bevor der erste Prototyp gebaut wird.

Die CFD-Simulation als wirkungsvolles Hilfswerkzeug bei der Planung wird bereits seit mehreren Jahren eingesetzt. Dennoch erscheint sie vielen Planern als zu aufwendig, weil sie die entsprechenden Anwendungen nicht ausreichend kennen oder die entsprechend benötigten leistungsstarken Rechner nicht zur Verfügung stehen. Aus diesem Grund findet man solche Dienstleistungen beispielsweise im Leistungsportfolio von Systemanbietern wie Rittal.

Bauteile lassen sich relativ einfach in CFD-Modelle umsetzen. Eine Möglichkeit ist es, die Teile aus Baugruppen entsprechender Software-Bibliotheken zusammenzusetzen. Die zweite Möglichkeit besteht darin, die Bauteile neu zu zeichnen oder deren Aufbau aus einer vorhandenen CAD-Konstruktion zu entnehmen. Dabei führt eine neue Zeichnung oftmals einfacher und schneller zum Ergebnis als aus einer importierten Zeichnung manuell überflüssige Komponenten zu löschen.

Ist das Grundgerüst des Modells erfasst, müssen die Eigenschaften der Bauteile wie Wärmeleitfähigkeit, Verlustleistung und ggf. Lüfterleistungsprofile zugeordnet werden. Für die wesentlichen Daten sind verschiedene Online-Bibliotheken verfügbar. Sie werden in der Folge um spezifische Daten erweitert, die mit der Einbausituation zusammenhängen.

Wechselwirkung von Temperatur und Luftströmung verstehen

Aus all diesen Informationen berechnet die CFD-Anwendung eine farbige 3D-Simulation und gibt Informationen über das zu erwartende Temperatur- und Luftströmungsverhalten innerhalb des Gehäuses, wobei beide Grafiken überlagert werden können. Auf diese Weise lassen sich Wechselwirkungen leicht verständlich sichtbar machen.

Den Luftbewegungen werden farbige Pfeile zugeordnet, die der Luftgeschwindigkeit und -richtung entsprechen. Alternativ sind Video-Animationen mit virtuellen Partikeln möglich, die von der Strömung mitgerissen werden. Daran lässt sich erkennen, welche Strömungswege sie im Gehäuse nehmen werden und wie sie Geschwindigkeit und Temperatur verändern.

Spezialisten spüren mit diesen Hilfsmitteln betriebskritische Wärmebereiche auf und beseitigen sie durch gezielte Luftführung. Die gesammelten Informationen dienen dazu, die bestmöglichen Positionen für Klimatisierungskomponenten oder auch für Temperaturfühler oder Rauchmelder zu ermitteln.

Die tatsächlich benötigte Leistung bestimmen

Vor dem Hinterrund steigender Energiekosten lässt sich mit CFD auch die tatsächlich benötigte Leistung von Wärmetauschern und Kühlgeräten bestimmen. Die Simulation eines Kühlgeräteausfalls zeigt, welche Komponenten am stärksten in Mitleidenschaft gezogen würden und wie lange es dauert, bis die Temperatur kritische Werte erreicht.

Umfassende CFD-Analysen minimieren den Aufbau physikalischer Prototypen drastisch und machen ihn in vielen Fällen sogar gänzlich überflüssig. Dadurch zahlt sich die Nutzung dieser Dienstleistung für Kunden schnell aus. Vorteile sind verbesserte Produktqualität, höhere Zuverlässigkeit, verkürzte Entwicklungszeiten und Vermeidung von Fehlentwicklungen.

Ein weiterer Schritt zur Energieeffizienz kann die nachträgliche Optimierung durch Thermografie sein. Per Wärmebildkamera lassen sich temperaturkritische Punkte erkennen und nachträglich durch gezielte Maßnahmen entschärfen. Damit kann man sicher stellen, nicht den gesamten Schrank wegen einzelner, möglicherweise kritischer Bauteile kühltechnisch überzudimensionieren. Hier sind Spezialisten gefordert, die konkrete, langjährige praktische Erfahrungen im Erstellen und Auswerten von Thermogrammen haben.

Hohe Kälteleistungszahlen sind ein wichtiges Kriterium

Auch bei der Auswahl der richtigen Klimageräte gilt: Hohen Kälteleistungszahlen, die im Dauerbetrieb aufrecht erhalten werden, sind bei Investitionen ein höherer Stellenwert einzuräumen, als einem vordergründig niedrigen Preis. Denn wie bei Haushaltsgeräten – Stichwort Energieeffizienzklasse – wird der günstigere Beschaffungspreis in kürzester Zeit durch den höheren Verbrauch aufgefressen.

Dies soll jedoch nicht als Freibrief für überteuerte Kühlgeräte, Wärmetauscher und Co. verstanden werden. Energieeffiziente Geräte lassen sich in Großserie und unter Nutzung der Plattformstrategie preiswert fertigen.

Das GS-Zeichen auf Kühlgeräten ist ebenfalls eine wichtige Entscheidungshilfe: Es stellt sicher, dass die auf dem Typenschild angegebenen Nutzkühlleistungsdaten auch tatsächlich erreicht und eingehalten werden.

Kälteleistungszahl muss auch konstant hoch bleiben

Kühlgeräte mit einer hohen Kälteleistungszahl zu bauen ist eine technische Herausforderung. Genauso wichtig ist es jedoch, die Kühlleistung über die Betriebszeit konstant hoch zu halten; denn mit der Verschmutzung der Kühllamellen und z.B. vorgeschalteter Filtermatte fällt die Kühlleistung von Klimageräten bei entsprechender Kontamination der Umgebungsluft schnell und stark ab. Bei herkömmlichen Schaltschrank-Kühlgeräten ist bei belasteter Umgebung bereits nach kurzer Betriebszeit mit Leistungsverlusten von 30 bis 50 Prozent und einem adäquaten Anstieg des Stromverbrauchs zu rechnen.

RiNano-Beschichtung hält die Kühlleistung konstant

Dass dies auch anders geht, zeigt Rittal bei seinen TopTherm PLUS Kühlgeräten mit der blau schimmernden RiNano-Beschichtung auf der Oberfläche des Verflüssigerpaketes. Durch sie ergibt sich eine feine Versiegelung der Kühllamellen: Nanopartikel mit sich einander ergänzenden Eigenschaften ordnen sich „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 länger sauber. Auf Filtermatten kann oft gänzlich verzichtet werden. Aber auch da, wo dies nicht möglich ist, können an Stelle der sich schnell zusetzenden Filtermatten langlebige, und wiederverwendbare Metallfilter eingesetzt werden.

Was bedeutet dies in der Praxis? Die Intervalle für Wartungsarbeiten verlängern sich und die Kühlleistung bleibt länger auf einem konstant hohen Wert, nahe oder gleich der Nennkühlleistung. Universitätsuntersuchungen bestätigen die einzigartigen Eigenschaften der RiNano-Oberfläche.

Auch Langzeittests bei Automobilherstellern, wie Audi und VW, unterstreichen den hohen, kostensparenden Nutzen. Selbst in staub- und ölnebelbelasteten Umgebungen war dabei ein nennenswerter Abfall der Kühlleistung über den Beobachtungszeitraum von mehreren Monaten, und ohne zusätzliche Reinigung, nicht festzustellen.

Insgesamt leisten derartig ausgestattete Kühlgeräte einen aktiven Beitrag zur CO2-Reduktion. Darüber hinaus zeichnet sie ihre konstruktiv verwirklichte Energieeffizienz aus, die weit über dem Branchendurchschnitt liegt. Ein Vergleich soll veranschaulichen, dass sich daraus stattliche Geld- und CO2-Einsparungen ergeben.

Geld und CO2 sparen

Rittal Klimageräte haben Kälteleistungszahlen von bis zu 2,30. Bei vielen herkömmlichen Kühlgeräten liegen diese Werte dagegen bei nur 1,64. Dadurch ergeben sich beim Betrieb von 200 Geräten – einer Stückzahl, die in modernen Fertigungsstraßen- und Fabriksteuerungen nicht ungewöhnlich ist – Energiemehrkosten von über 34.000,00 Euro in einem Jahr (bei einem kWh Preis von 11 Cent, einer Laufzeit von 16 h pro Tag an 250 Tagen und mit einem Verhältnis Volllast zu Leerlauf von 60 zu 40 %).

Auch die CO2-Bilanz unterscheidet sich deutlich: Die Klimageräte mit der höheren Kälteleistungszahl erzeugen, unter sonst gleichen Bedingungen, 203 Tonnen pro Jahr weniger CO2 als die Vergleichsgeräte. Hier liegt also der wahre Gewinn – nicht nur monetär, sondern vor allem für die Umwelt; denn rund 97 Prozent des Treibhauseffektes durch Schaltschrankkühlgeräte gehen auf den Energieverbrauch und den damit verbundenen Kohlendioxydausstoß bei der Stromerzeugung zurück, nur 3 Prozent entfallen auf das Kältemittel.

Mehr denn je ist aus ökologischen und ökonomischen Gesichtspunkten der verantwortungsvolle und sparsame Umgang mit Energie angesagt. Dies ist ein Gebot der Stunde: Nicht nur wegen der Verantwortung gegenüber unseren Kindern, Enkeln und Urenkeln, sondern auch aus rein wirtschaftlichen Überlegungen. Ganzheitliche Systemlösungen sind deshalb bei der Kühlung von Schalt- und Elektronikschränken gefragt – damit auch von der Energiebilanz her alles zueinander passt.

*Dipl.-Ing. Michael Maage ist Gruppenleiter der Schaltschrank-Klimatisierung bei der Rittal GmbH & Co. KG, Herborn.

 

Checkliste Schaltschrankklimatisierung

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