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Klimakonzepte clever planen

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Mit einer Wärmebildkamera lassen sich Hotspots einfach aufspüren.

In einem typischen Karosseriewerk in der Automobilindustrie sind circa 1.000 bis 2.000 Schaltschränke im Einsatz. Die eingebauten Komponenten produzieren durch ihre Verlustleistung Wärme, die aus dem Schaltschrank abgeführt werden muss. Eine Feldstudie hat ergeben, dass die Klimatisierungslösung in vielen Fällen nicht optimal ausgelegt ist und ineffizient arbeitet.

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In einer Karosseriebaulinie, die vom Presswerk bis zur Lackierung der Karosserie reicht, kommen in der Regel insgesamt zwischen 1.000 und 2.000 Schaltschränke zum Einsatz, Durch die Verlustleistung der eingebauten Komponenten für die Energieversorgung, Antriebstechnik und Automatisierung entsteht allerdings in den Schaltschränken Wärme, die möglichst effizient abgeführt werden muss. Ja nach Höhe der Verlustleistungen und den Umgebungsbedingungen stehen dazu verschiedene Möglichkeiten zur Kühlung zur Verfügung, vom einfachen Filterlüfter bis zur aktiven Klimatisierung mittels Kompressor-Kühlgerät oder Luft-Wasser-Wärmetauscher.

Bestandsaufnahme von Schaltschränken

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 erhielt man eine Bestandsaufnahme, wie in der industriellen Praxis Klimatisierungslösungen typischerweise installiert werden. Gleichzeitig suchte man dabei nach Ansatzpunkten zur Optimierung der Energieeffizienz.

Zunächst zeigte sich, dass der Einsatz von flüssigkeitsbasierten Kühlsystemen bislang die Ausnahme darstellt und stattdessen vorwiegend Kompressor-Kühlgeräte bzw. Luft-Luft-Wärmetauscher verwendet werden.

Optimierter Luftfluss bisher nicht beachtet

Bei dem allgemeinen Aufbau der Schaltschränke zeigten sich zunächst deutliche Verbesserungspotenziale. So waren bislang in den meisten der begutachteten Schaltschränke 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.

Hot Spots und Luftkurzschlüsse

Die Klimatisierung ist in den seltensten Fällen darauf ausgerichtet so genannte „Hot Spots“ zu vermeiden. Dazu kommt es, wenn Komponenten mit besonders hoher Verlustleistung beispielsweise in unmittelbarer Nähe zueinander angeordnet sind oder von der kühlen Luft nur schlecht erreicht werden. Nachzuweisen sind solche Hot Spots sehr leicht mit Wärmebildkameras, wie sie bei der Untersuchung eingesetzt wurden.

Schaltschränke mit Kompressor-Kühlgeräten, die etwa die Hälfte der untersuchten Schalt-schränke ausmachten, hatten in 19 % der Fälle einen Luftkurzschluss, sodass sich ein Teil der Kühlleistung nicht nutzen ließ. Bei zwei Drittel der Schaltschränke lagen die warmen Komponenten nicht im Luftstrom zwischen Aus- und Einlass des Kühlgeräts. Auch bei der Wartung der Kühlgeräte zeigten sich deutliche Schwachstellen. So war in fast der Hälfte aller Fälle die Filtermatte stark verschmutzt, was zu einer Verminderung der Kühlleistung bzw. zu einem erhöhten Energieverbrauch führt.

Klimageräte oft überdimensioniert

Auch bei der Auswahl der richtigen Klimatisierungslösung sind Schwächen in der Planung erkennbar. Die Hälfte aller Kompressor-Kühlgeräte ist deutlich überdimensioniert, sodass die Geräte eine Auslastung von maximal 20 % haben. Dies lässt darauf schließen, dass die Verlustleistung im Schrank überschätzt wird, was zum Beispiel durch die Vernachlässigung von Gleichzeitigkeitsfaktoren leicht passiert.

Nachbau eines bestehenden Schaltschranks

Ausgehend von den Untersuchungen an installierten Schaltschränken haben die Partner in dem Teilprojekt Ansätze erarbeitet, um die Klimatisierung von Schaltschränken 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 Optimierungsmaßnahmen zu testen. Dabei wird unterschieden zwischen passiven Maßnahmen, die darauf abzielen, die kühle Luft möglichst optimal auszunutzen, und aktiven Maßnahmen, bei denen die Erzeugung der kühlen Luft optimiert wird.

Gezielte Luftführung kann bis zu 23% Energie sparen

Bei den passiven Maßnahmen steht zunächst eine Optimierung der Schaltschrankaufbauten im Mittelpunkt. Über eine Analyse von Temperaturverteilungen im Schaltschrank und den Strömungsverteilungen der kühlen Luft werden Lösungen erarbeitet, die zu einer verbesserten Kühlung der Komponenten führen, ohne dass die Kühlleistung erhöht werden müsste. Ein zentrales Ergebnis ist die Entwicklung eines Konzeptes für eine optimierte Luftführung bzw. -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 zu kühlenden Komponenten hinweg wieder zum Einlass des Kühlgeräts zu strömen. Im Labor konnte durch diese Umlaufströmung eine Energieeinsparung bei der Klimatisierung von bis zu 23 % demonstriert werden.

Klimatisierung optimal planen

Bei den aktiven Maßnahmen steht die effiziente Erzeugung und Bereitstellung von kühler Luft im Fokus der Untersuchungen. Gerade die oben bereits erwähnte Überdimensionierung bei der Auswahl der Kühlgeräte wirkt sich sehr negativ auf den Energieverbrauch aus. Ziel ist, den Schaltschrankplanern wirkungsvolle Werkzeuge an die Hand zu geben, mit denen sich die Klimatisierung optimal planen lässt. Im Rahmen des Projekts wurden hierzu Projektierungsrichtlinien definiert, die den Planer dabei unterstützen, schon in der Planungsphase die Energieeffizienz zu berücksichtigen.

Einatz energieeffizienter Geräte spart bis zu 35% Energie

Aber auch an den Kühlgeräten selbst lassen sich Verbesserungen vornehmen, die zu einer höheren Energieeffizienz beitragen. Drehzahlregelbare Lüftermotoren, optimierte Abstimmung der Komponenten des Kältekreislaufes sowie neue Regelelektroniken sind zentrale Bausteine auf dem Weg zur optimalen Energieeffizienz. Durch den Einsatz von Kühlgeräten, die auf einen maximalen Wirkungsgrad optimiert sind, lassen sich Energieeinsparungen von bis zu 35 % erreichen.

Kombination von Kühllösungen

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

Softwaretechnische Umsetzung auf Basis der CAE-Software Eplan

Um die Energieeffizienz zu erhöhen, ist unter anderem eine stärkere Berücksichtigung der Klimatisierung in der Planungsphase notwendig. 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, Optimierungspotenzial auszuschöpfen.

Als Ergebnis lässt sich eine Klimatisierungslösung planen, die den Schaltschrank optimal entwärmt und gleichzeitig möglichst effizient mit der eingesetzten Energie umgeht. Mit der Kombination aktiver und passiver Maßnahmen zur Erhöhung der Energieeffizienz und dem Einsatz optimaler Planung bei der Schaltschrankkühlung lassen sich Energieeinsparungen von 35 % und mehr realisieren.