Energieeffiziente Entwärmung von 19-Zoll-Schränken

Angesichts wachsender globaler Umweltprobleme sowie steigender Energiepreise ist bei industriellen Produktionsprozessen die Energieeffizienz ein zentrales Thema. Durch die Miniaturisierung elektronischer Bauteile wird es in Geräten und damit auch in 19-Zoll-Schränken immer wärmer. Auf engem Raum werden zunehmend mehr Komponenten verbaut, die Wärmeverlustleistungen der einzelnen Module verringern sich meist aber nicht. Im Gegenteil: durch die Miniaturisierung entsteht immer mehr Verlustleistung auf immer kleinerem Raum. Dies führt zu einer kontinuierlichen Wärmeentwicklung im Schaltschrank. Eine verkürzte Lebenszeit der Bauteile aufgrund von zu hohem Wärmestress ist die Folge.

Eine Vielzahl von Kühllösungen

In einem 19-Zoll-Schrank verbaute Elektronikkomponenten sind in aller Regel für eine maximale Betriebstemperatur von 50 °C ausgelegt. Die Lebensdauer verdoppelt sich bereits bei einer Reduzierung der vorherrschenden Temperatur um 10 °C. Deshalb ist eine Kühlung – sei sie passiv oder aktiv – heute für die meisten Anwendungsfälle unumgänglich. Es gibt eine Vielzahl von Kühllösungen, weshalb meist von Anwendungsfall zu Anwendungsfall neu entschieden werden muss, welche dieser Lösungen die meisten Vorteile für die jeweilige Anwendung mit sich bringt. Eine Möglichkeit zur Kühlung von Schaltschränken stellt der Einsatz von Luft/Wasser-Wärmetauschern dar. Aber auch die Verwendung von verschiedenen Schaltschrank-Kühlgeräten, wie Seitenklimamodulen, Dachaufbaukühlgeräten oder Lüftereinschüben ist eine übliche Lösung, um kühle Luft zur Elektronik und die Wärme aus dem Schaltschrank zu bekommen.

Mit Luft/Wasser-Wärmetauschern lässt sich auf engstem Raum die höchste Kühlleistung erreichen. Hierbei erfolgt die Kühlung der Serverschrankinnenluft so, dass die Verlustleistung aus dem Schrank über den Wärmetauscher an das Wasser abgegeben und nach außen abgeführt wird. Auf diese Weise kann eine Kühlleistung bis zu 10 kW erreicht werden. Der Wartungsaufwand dieser Kühllösung ist relativ gering, jedoch gehen mit dem Einsatz von Luft/Wasser-Wärmetauschern hohe Infrastrukturanforderungen einher, die sich natürlich auch kostenseitig widerspiegeln. Der IP-Schutz solcher Geräte liegt in der Regel bei einem IP-Wert von 55, was einen recht hohen Schutz bietet.

Hohes Kühlpotenzial

Seitenklimamodule kommen in speziell für diesen Zweck präparierten Schränken zum Einsatz – folglich ist die Installation nicht jederzeit in jedem Schaltschrank möglich und die Installationskosten sind ebenfalls nicht unerheblich. Allerdings erzeugen diese Klimageräte eine Kühlleistung von bis zu 3,5 kW und bringen damit ein nicht zu unterschätzendes Kühlpotenzial mit sich, das doch in zahlreichen Anwendungen benötigt wird.

Das Gehäuse des Heicool Eco wird aus einer hochfesten Aluminiumlegierung gefertigt. Die eingesetzten drei Energiespar-Lüfter sind mit einem Energieverbrauch von 4,4 W pro Lüfter besonders arm im Energieverbrauch. Heitec

Dachlüfter kommen bei Schaltschränken häufig zum Einsatz, wenn die warme Abluft nach oben hin abgesaugt und aus dem Serverrack geblasen werden soll. Diese sind in der Kühlung sehr effizient, aber in der Installation teilweise kostenintensiv und weiterhin lassen sich Hotspots (Luftbereiche mit auffällig hohen Temperaturen), die direkt im Schaltschrank vorherrschen, nicht besonders zuverlässig verhindern. Gerade wenn es darum geht, im Schaltschrank selbst Platz sparen zu müssen, liegen die Vorteile von Dachlüftern jedoch auf der Hand. Ihr IP-Schutz liegt mit einem Wert von 43 im mittleren Bereich.

Gezielter Einsatz

Lüftereinschübe haben den Vorteil, dass sie gezielt dort eingesetzt werden können, wo die Wärme aus dem 19-Zoll-Schaltschrank gebracht werden muss – somit können Hotspots direkt gekühlt beziehungsweise verhindert werden. Allerdings geht hier die eine oder andere Höheneinheit im Serverschrank verloren. Ist die Wärmebildung im Schaltschrank überschaubar, ist eine kostspielige Kühllösung keinesfalls nötig. Oft werden komplexe Kühllösungen benötigt, die mit einer teuren Infrastruktur einhergehen. Für bestimmte Einsatzgebiete ist die Verwendung einer „einfachen“ Lüfterzeile trotzdem immer noch die beste Lösung. Diese oft deutlich günstigere Alternative lässt sich in den meisten Fällen problemlos im Schaltschrank nachrüsten. Deshalb sollte man sich vor der Installation teurer Kühllösungen immer Gedanken darüber machen, wie viel Kühlleistung tatsächlich benötigt wird. Mit einem IP-Schutzwert von 20 befindet sich der Schutz eher im unteren Bereich. Da Lüftereinschübe jedoch direkt im Schrank eingebaut werden, ist an dieser Stelle auch eher der Schutz, den der Schrank bietet, entscheidend.

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Mit einem Blick auf die verschiedenen Kühlmöglichkeiten die sich bieten, wird schnell klar, dass sich nur selten eine pauschale Aussage treffen lässt, mit der sichergestellt werden kann, dass es eine Kühllösung für Schaltschränke gibt, die immer kosten- und energieeffizient ist. Eine genaue Analyse der Anwendung ist in der Regel somit unumgänglich. Faktoren wie der benötigte IP-Schutz und die benötigte Kühlleistung sind dabei die Werte, die man sich als erstes genauer anschauen sollte.

Auch die elektromagnetische Verträglichkeit der Lüfterzeile wird im Zuge der Produktfrei­gabe verifiziert. Heitec

Welche Art von Kühllösung eingesetzt werden sollte, hängt aber auch noch von weiteren Faktoren, wie beispielsweise der Umgebungstemperatur und der maximal zulässigen Schrank-Innentemperatur ab. Auf die Wärme beziehungsweise die wirksame Entwärmung im Schrank hat die Umgebungstemperatur einen entscheidenden Einfluss. Denn im Schaltschrankinneren sind Temperaturänderungen in der Umgebung eins zu eins nachweisbar. Deshalb sollte man, wenn möglich, den Schaltschrank eher an einem Ort mit niedrigerer Umgebungstemperatur aufstellen, um den energetischen Aufwand für die Klimatisierung möglichst gering und somit die Betriebskosten niedrig zu halten. Daraus ergibt sich logischerweise auch der Aufstellort. Erwartungsgemäß ergeben sich für einen freistehenden Einzelschrank die günstigsten thermischen Verhältnisse, sodass Wärme über alle freien Oberflächen durch Strahlung und Konvektion an die Umgebung abgeben werden kann.

Exakte Planung der Positionierung

Auch die Bauteilkompaktheit – der Abstand der Bauteile im Schrank – spielt eine erhebliche Rolle bei der Wärmeentwicklung im Schaltschrank und bei der Bildung sogenannter Hotspots. Deshalb macht eine genaue Planung der Positionierung nicht nur aus rein funktionalen Gesichtspunkten in jedem Fall Sinn. Weiterhin ist darauf zu achten, dass keine sperrigen und großflächigen Bauteile das Absaugen von Warmluft aus dem Schaltschrankinneren behindern und so das ungestörte Einströmen von Kaltluft ins Schrankinnere unterbinden. Prinzipiell sollten Kaltluftströme sämtlicher Kühllösungen immer in die Nähe der leistungsstärksten Bauteile geleitet werden, weil dort die größte Verlustleistung und somit die meiste Wärme entsteht. Diese Anordnung stellt sicher, dass die kalte Zuluft aus der eingesetzten Kühllösung ohne Verluste direkt zu den Bauteilen gelangt und diese optimal kühlt.

Es genügt nicht, sich nur darüber Gedanken zu machen, welche Kühllösung am besten geeignet ist. Hier spielen viele wichtige Faktoren zusammen. Ist die Entscheidung für eine Kühllösung gefallen, gilt es außerdem, für eine zielgenaue Führung der Luftströme zu sorgen und eine optimierte Luftzirkulation sicherzustellen. Nicht nur, dass diese Ausgestaltung nachweislich Energie spart, was bei etwa 3,5 Millionen aktiven Schaltschränken in Deutschland einen erheblichen Beitrag zum Umweltschutz leistet – auch Investitions- und Betriebskosten lassen sich durch eine gezielte Planung der Kühllösung auf ein Minimum reduzieren. Hier kann bereits die Auswahl einzelner Komponenten eine entscheidende Rolle spielen. Deshalb erhalten Kühllösungen mit geringem Energieverbrauch immer mehr Aufmerksamkeit. Auch wenn die Investitionskosten dieser Komponenten in der Energiesparvariante meist etwas höher ausfallen als die konventioneller Bauteile, amortisieren sie sich meist nach einer kurzen Laufzeit und sind nicht selten sogar die kostensparendere Alternative.

Die optimale Schaltschrank-Innentemperatur liegt in der Regel bei +35 °C. Dabei macht es keinen Sinn, die Temperatur niedriger einzustellen, da es bei einer tieferen Temperatur im Schaltschrank zur Kondensatbildung kommen kann. Außerdem werden die Bauteile und Komponenten unterkühlt und bilden ebenfalls Kondensat, nachdem die Kühlung im Schaltschrank abgestellt wurde oder die Tür des Schrankes geöffnet worden ist.

Heicool Eco, der energiesparende Lüftereinschub

Heicool Eco hat eine hochwertige Optik und ein besonderes Design der Lüfteröffnungen. Heitec

Mit seinem Heicool Eco (eigene Schreibweise: HeiCool ECO) für den Einbau im 19-Zoll-Schrank oder Baugruppenträger hat sich Heitec der Entwicklung eines besonders energie- und somit kostensparenden Lüftereinschubs gewidmet. Mit nur etwa einem Viertel des Energieverbrauchs eines konventionellen Lüftereinschubs auf dem Markt, ist der Heicool Eco trotz seines marginal höheren Kaufpreises ein echter Gewinn für den Anwender. Bei einem üblichen Preis von etwa 0,2 Euro je kWh und einer Energieeinsparung von 79 Prozent hat sich der Mehrpreis für den Eco- Lüftereinschub bereits nach etwa 16 Wochen im Betrieb rentiert und der Einsatz dieser Kühllösung rechnet sich auch weiterhin mit jeder Betriebsstunde. Dies kann aus ökonomischer Hinsicht entscheidend sein – neben einer beträchtlichen Kostenersparnis leisten Unternehmen damit einen hohen Beitrag zu einer positiven CO₂-Bilanz. Denn es ist paradox – die eingesetzten Bauteile werden immer effizienter, doch die dafür benötigten Kühllösungen müssen immer leistungsfähiger werden, was sie aber gleichzeitig auch sehr energiehungrig macht.

Für verschiedene Einbausituationen

Das Gehäuse des Heicool Eco wird aus einer hochfesten Aluminiumlegierung gefertigt – weshalb der Lüftereinschub auch für den Einsatz im Bahnbereich geeignet ist. Ein weiteres Merkmal ist seine hochwertige Optik und das besondere Design der Luftöffnungen. Die eingesetzten drei Energiespar-Lüfter sind mit einem Energieverbrauch von 4,4 W pro Lüfter besonders arm im Energieverbrauch und mit einem Volumenstrom von 175 m³/h bei der 230-V_AC-Variante auf dem Niveau vergleichbarer konventioneller Lüfter. Muss im Schrank beispielsweise um 25 K gekühlt werden, lässt sich durch die verwendeten Lüfter eine Verlustleistung von etwa 1400 W je Lüfter bewältigen. Der Lüftereinschub ist für verschiedene Einbausituationen verfügbar. Neben einer 19-Zoll-Variante für den konventionellen Einbau in einen 19-Zoll-Schrank gibt es ebenso eine Ausführung als Einschubvariante, bei der sich der Lüftereinschub jederzeit problemlos auf einem hochwertigen Aluminiumrahmen aus dem Schrank ein- und ausschieben lässt. Weiterhin ist der Heicool Eco mit einer LED-Anzeige ausgestattet, die es dem Anwender ermöglicht, jederzeit den Betriebszustand des Lüftereinschubs einzusehen.

(Gezielt) Kühlen wo es nötig ist

Als spezifisches Zubehör wurden unter anderem ein Thermostat (einstellbare Einschalttemperatur für die Lüfter) mit in das Heicool-Programm aufgenommen. Luftleitbleche zur intelligenten Führung der Luftströme im Schrank runden das Zubehörprogramm ab. Mit ihnen lassen sich Teilströme kalter Luft von vorne nach hinten in thermisch kritische Bauteilzwischenräume leiten, um Hotspots zu vermeiden. Praktisch stellt sich die Funktion der Luftleitbleche so dar, dass kalte Luft vorne angesaugt und durch den Baugruppenträger geleitet wird. Die aufgewärmte Luft wird dann hinten wieder ausgestoßen. Durch diese Zubehörteile kann gezielt dort gekühlt werden, wo es nötig ist und durch das Thermostat wird auch nur dann gekühlt, wenn es nötig ist. Das leistet nicht nur einen entscheidenden Beitrag zum Umweltschutz – auch der Geldbeutel wird deutlich geschont.

Im Zubehörprogramm von Heitec Elektronik gibt es weiterhin eine Lüfterüberwachung, die meldet, wenn einer oder mehrere der Lüfter nicht mehr funktionieren, und eine Lüfterregelung, die unter anderem für den Einsatz in Lüftereinschüben geeignet ist. Die Lüfterregelung bietet eine Vielzahl an Funktionen. So können beispielsweise Temperaturschwellen definiert werden, ab welchen den Lüftern eine bestimmte Drehzahl vorgegeben wird. Weitere Funktionen sind beispielsweise eine Alarmierung bei Überschreiten der maximalen Temperatur, sowie eine Abfrage des Status über einen integrierten I²C-Bus. Die Baugruppen zur Überwachung und Regelung können projektspezifisch auch in Systemen völlig anderer Abmessungen und Anforderungen eingesetzt werden.

Anhand dieses Beitrags lässt sich die Notwendigkeit einer guten Planung von Kühllösungen im Schaltschrankbereich deutlich aufzeigen. Denn hierbei geht es längst nicht mehr nur darum, möglichst kosteneffizient zu planen. Elektronik und mit ihr einhergehend die Abführung von Wärme aus dem Schrank wird immer komplexer. Es reicht längst nicht mehr, nur einen Blick auf die reinen Investitionskosten zu werfen. Über die Betriebskosten lassen sich höhere Beschaffungskosten von Energiesparlösungen in den meisten Fällen nämlich um ein Vielfaches ausgleichen, womit diese nicht nur umweltfreundlicher sondern auch gleichzeitig kostengünstiger für den Anwender sind.

(ah)