Bild 1: Schaltschrank mit Lütze Airstream Verdrahtungsrahmen als Versuchsaufbau.

Bild 1: Schaltschrank mit Lütze Airstream Verdrahtungsrahmen als Versuchsaufbau. Lütze

Seit Lütze vor nunmehr gut vier Jahren das Verdrahtungssystem Airstream (Eigenschreibweise AirSTREAM) vorgestellt hatte, sind die Maßnahmen der passiven Schaltschrankklimatisierung in aller Munde. Kein Wunder: Die technische Lösung ist einfach und dennoch sehr effektiv: Das Airstream-Verdrahtungssystem ermöglicht zum einen die zielgenaue Führung der Luftströme im Schaltschrank, sodass einzelne Wärmenester direkt belüftet werden können. Die Betriebswärme kann damit nicht nur global für den Schaltschrank sondern insbesondere punktuell abgeführt werden. Zum anderen kann sich durch die Trennung in eine Aufbau- und eine Verdrahtungsebene ein Kamineffekt hinter dem Verdrahtungsrahmen bilden. Dieser Effekt sorgt für eine natürliche Luftzirkulation im Schaltschrank. Untersuchungen im Rahmen der vom Bundesministerium für Bildung und Forschung  geförderten Innovationsallianz „Green Carbody Technologies“ (Förderkennzeichen 03PO2750ff), kurz Innocat, unter der Federführung der Volkswagen AG, hatten diesen positiven Effekt bereits festgestellt. Es konnte nachgewiesen werden, dass beim Einsatz von externen Klimageräten eine Energieeinsparung von bis zu 23 Prozent mit dem Airstream-Verdrahtungssystem gegenüber einem vergleichbaren konventionellen Schaltschrankaufbau möglich ist.

Langzeitstudie ohne externes Klimagerät

Die Versuchsanordnung der aktuellen Studie ging nun noch einen Schritt weiter als die Versuche im Rahmen von Innocat: Auf ein externes Klimagerät wurde komplett verzichtet. Das Forschungsinteresse ging konkret der Frage nach, welches Temperaturniveau und welche Temperaturschichtung sich in einem Musterschaltschrank mit dem Airstream-Verdrahtungssystem langfristig ohne Klimagerät einstellt. Der Versuchsaufbau des verwendeten Schaltschrankes, die verwendeten Bauteile sowie die Verdrahtung entsprachen einer typischen Anwendung, wie sie in einem Industriebetrieb vorgefunden werden (Bild 1). In der oberen Hälfte des Schaltschrankes wurde mit mehreren nebeneinander eingebauten leistungsstarken Verbrauchern ein Hotspot simuliert. Der Schaltschrank selbst war 800 mm breit, 2000 mm hoch und 600 mm tief. Zur Umwälzung der Luft im Schaltschrankinneren wurde ein Airblower (Eigenschreibweise: AirBLOWER) unter dem Schrankdach eingebaut. Der 24-V-Airblower hat eine Luftleistung von 510 m³/h bei einer Leistungsaufnahme von 15 W. Zur kontinuierlichen Temperaturmessung wurden fünf Messpunkte (Thermosensoren) im Schrank sowie ein Sensor zur Messung der Außentemperatur angebracht:

  • Sensor 1 zur Temperaturmessung im unteren Drittel des Schaltschrankes,
  • Sensor 2 zur Temperaturmessung im mittleren Drittel des Schaltschrankes,
  • Sensor 3 zur Temperaturmessung im oberen Drittel des Schaltschrankes,
  • Sensor 4 zur Temperaturmessung des Hotspots zwischen den Geräten,
  • Sensor 5 zur Temperaturmessung direkt unter dem Schaltschrankdach,
  • Sensor 6 zur Temperaturmessung der Umgebungstemperatur.

Mit dieser Versuchsanordnung wurden verschiedene Szenarien bei sich ändernden Variablen gefahren.

Szenario A ohne Airblower

Bild 2: Ergebnisse Szenario A ohne Airblower.

Bild 2: Ergebnisse Szenario A ohne Airblower. Lütze

In Szenario A (Bild 2) wurde der Schaltschrank eine Woche konventionell betrieben, das heißt auf den Einsatz des Airblower wurde komplett verzichtet. Im Schrank bildete sich, erwartungsgemäß, bei einer stabilen Außentemperatur von durchschnittlich 21,3 °C ein Temperaturgefälle von ganz oben mit 29,04 °C bis nach ganz unten mit 24,56 °C. Am Hotspot (Sensor 4) im oberen Schrankdrittel war eine durchschnittliche Temperatur von 33,77 °C zu verzeichnen. Die Verteilung der Temperaturzonen im Schrank war demnach heterogen. Die maximalen Temperaturwerte am Hotspot waren für die dort eingebauten Module aber noch nicht lebensbedrohlich. Der Airstream-Verdrahtungsrahmen konnte also bereits hier seine Vorteile ausspielen.

Szenario B mit durchgängigem Airblower-Betrieb

Bild 3: Ergebnisse nach Dauertest mit Airblower und dessen plötzlicher Abschaltung nach vier Wochen.

Bild 3: Ergebnisse nach Dauertest mit Airblower und dessen plötzlicher Abschaltung nach vier Wochen. Lütze

Im Szenario B (Bild 3) wurde der Schrank vier Wochen konsequent mit dem Airblower belüftet. Im Anschluss daran wurde dieser ausgeschaltet. Wie der Verlauf der Temperaturkurven aller fünf Temperatursensoren zeigt, hatte sich die Temperatur auf einem gleichbleibenden Niveau von durchschnittlich 25 °C eingependelt. Es wurde demnach ein homogenes Temperaturniveau erreicht. Selbst am neuralgischen Hotspot hatte sich eine Durchschnittstemperatur von knapp über 25 °C eingestellt. Infolge des Abschaltens des Airblower-Betriebs nach vier Wochen stellten sich dann die Temperaturen und Schichtungen wieder wie in Szenario A ein.

Szenario C mit getaktetem Airblower

Für Szenario C (Bild 4) wurden die beiden ersten Szenarien A und B miteinander kombiniert. Der Airblower wurde erst beim Erreichen eines Schwellenwertes von 28 °C an Sensor 5 (direkt unter dem Schaltschrankdach) für fünf Minuten eingeschaltet. Das Ergebnis ist überraschend deutlich: Bereits nach weniger als einer Minute Einschaltdauer des Airblower hatte sich das positive Temperaturniveau von rund 25 °C, wie aus Szenario B, eingestellt. Auch die Temperaturschichtung war ähnlich homogen. Nach fünf Minuten Airblower-Betrieb schaltete sich dieser wieder selbstständig aus. Das Klima wurde dann jedoch nicht schlagartig schlechter. Die Temperaturverläufe in Bild 4 zeigen Sägezahnkurven auf, welche die Fähigkeit des Airstream-Verdrahtungsrahmens verdeutlichen, die Temperaturschichtung innerhalb des Schrankes sehr schnell auf ein homogenes Niveau herunterzukühlen. Und im umgekehrten Fall – also beim Ausschalten des Airblower – kann der Airstream-Verdrahtungsrahmen die positiven Effekte aufgrund seiner Eigenschaften der passiven Schaltschrankkühlung für  einige Zeit aufrecht erhalten.

Bild 4: Szenario C mit geregeltem Airblower.

Bild 4: Szenario C mit geregeltem Airblower. Lütze

Zusammenfassung

Die durchgeführten Untersuchungen zeigen, dass mit einfachen und energiesparenden Mitteln, wie einem 15-W-Airblower, das Temperaturniveau und die Temperaturschichtung in einem Schaltschrank dauerhaft homogen eingestellt werden konnte. Selbst die Temperaturwerte am vorher kritischen Hotspot wurden deutlich reduziert und entschärften die thermische Belastung der Bauteile. Überraschend war zudem die Erkenntnis, dass sich unmittelbar nach dem Einschalten des Airblowers ein positiveres Temperaturbild einstellt. Ein Anwender, der seinen Bauteilen im Schaltschrank ein gewisses Maß an „unschädlichem Wärmestress“ zumuten möchte, sollte alternativ den Betrieb mit einem getaktetem Airblower prüfen. Die erzielten Erkenntnisse lassen den Schluss zu, dass der Airstream-Verdrahtungsrahmen von Hause aus ein positives Temperaturklima im Schrank schafft. Mit zusätzlichen Hilfsmitteln lässt sich ohne hohen Aufwand ein konstantes sehr gutes Schaltschranklima einstellen. Auf eine externe Kühlung – die heute in vielen Industriefeldern quasi als Standard eingebaut wird – kann daher unter bestimmten Voraussetzungen verzichtet werden. Aus Sicht der Ressourceneffizienz lohnt es sich durchaus die Voraussetzungen für Maßnahmen der passiven Schaltschrankklimatisierung zu prüfen.

ECK-DATEN

Für einen Versuchsaufbau in einem konventionellen Schaltschrank wurde auf externe Klimageräte komplett verzichtet. Eingebaut wurde ausschließlich ein 15-W-Airblower im Inneren des Schaltschrankes. Die Forschungsergebnisse zeigen, dass unter bestimmten Prämissen auf eine externe Schaltschrankkühlung komplett verzichtet werden kann. Voraussetzung ist jedoch, dass die Schaltschrankverdrahtung eine freie Luftzirkulation ermöglicht, das heißt der Austausch zwischen wärmeren und kühleren Temperaturbereichen im Schaltschrank nicht behindert wird. Die Ergebnisse dieser Studie zeigen, dass das Airstream-Verdrahtungssystem von Lütze mit seiner intelligenten Luftführung hierfür prädestiniert ist.