An diesem Punkt knüpfen die Autoren an: Bei Lütze beschäftigt man sich seit Jahren mit der Frage, wie Schaltschränke, die in nahezu allen industriellen Anwendungen zum Einsatz kommen, möglichst effizient gekühlt werden können. Schaltschränke müssen gekühlt werden, da sonst im Inneren zu hohe Temperaturen entstehen können, die zu thermisch bedingten Ausfällen der Komponenten führen. In einer vernetzten Produktionsumgebung kann ein solcher Ausfall den Betrieb einer ganzen Produktionslinie lahmlegen. Daher wird dem Thema Betriebssicherheit seitens der Betreiber eine höhere Priorität eingeräumt als dem Thema Energieeffizienz. Das ist verständlich und richtig, aber die beiden Themen müssen sich nicht zwangsläufig widersprechen. Hier setzt Lütze an: Zunächst sollten alle Maßnahmen im und am Schaltschrank ergriffen werden, die die Betriebssicherheit erhöhen oder erhalten und gleichzeitig möglichst wenig Energie verbrauchen. Ein Beispiel dafür ist das kanallose Verdrahtungssystem Airstream, das bereits von Haus aus thermische Vorteile bietet. So wird durch die Trennung von Komponenten- und Verdrahtungsebene pro Komponente der Platzbedarf reduziert und bei gleicher Anzahl von Komponenten die Abwärme auf ein größeres Luftvolumen verteilt. Außerdem wird die Gefahr der Bildung von Hotspots verringert, da Kabelkanäle den Luftstrom nicht behindern können. Reicht dies nicht aus, kann zusätzlich ein Airblower-Lüfter installiert werden. Dieser wird rückseitig auf dem obersten Montagesteg platziert und sorgt bei vergleichsweise geringem Energieaufwand (das Bewegen von Luft ist aus energetischer Sicht deutlich weniger aufwändig, als die Lufttemperatur zu ändern) für eine geordnete Zirkulationsströmung um den Verdrahtungsrahmen. Dadurch wird die gesamte Außenfläche des Schaltschranks zur Wärmeabgabe an die Umgebung genutzt. Hotspots, die sich durch temperaturbedingten Auftrieb trotz Airstream-System bilden könnten, werden so aufgebrochen. Der Airblower benötigt mit der IoT-fähigen Regeleinheit AirTemp Controller lediglich einen Leistungsbedarf von maximal 30W. Dieses Vorgehen stößt jedoch aufgrund der Thermodynamik bei einer bestimmten Außentemperatur (der Temperatur in der Industriehalle) an seine Grenzen. Reicht die Temperaturdifferenz zwischen der Innentemperatur des Schaltschranks und der Außentemperatur nicht mehr aus, um die Verlustleistung der Komponenten über die Schaltschrankwände abzuführen, muss ein Kühlgerät eingesetzt werden. Dies wird bei Lütze nicht infrage gestellt. Dennoch sollte durch eine geeignete Auslegung des Kühlsystems und unter Berücksichtigung der zuvor genannten Schritte sichergestellt werden, dass das Kühlkonzept und der Kühlbedarf aufeinander abgestimmt sind. Warum dies häufig nicht der Fall ist und welche Rolle die Außentemperatur dabei spielt, möchten die Autoren im Folgenden erläutern.
Abstimmung von Kühlkonzept und Kühlbedarf
Neben der Verlustleistung, die im Schaltschrank entsteht, ist die Umgebungstemperatur, der ein Schaltschrank ausgesetzt ist, der wichtigste Einflussfaktor auf die Innenlufttemperatur und damit auf den Kühlbedarf. Bei der Festlegung oder Annahme einer Umgebungstemperatur besteht jedoch häufig Uneinigkeit: Oft wird pauschal eine Umgebungstemperatur von 40°C bei der Planung zugrunde gelegt, die jedoch nur in Ausnahmefällen oder gar nicht erreicht wird. Sie entspricht mit Sicherheit nicht der Durchschnittstemperatur, der ein Schaltschrank über das Jahr hinweg ausgesetzt ist. Wenn zusätzlich eine maximal zulässige Innentemperatur von 40°C angenommen wird, erscheint die Auswahl eines Kühlkonzepts einfach: Ein Kühlgerät ist zwangsläufig erforderlich, da keine Temperaturdifferenz zwischen Innen- und Außentemperatur besteht, die für die Kühlung genutzt werden könnte. Dass dies jedoch in der Praxis nicht der Regel entspricht, soll im Folgenden anhand einer Mess- und Simulationsstudie veranschaulicht werden.
Abbildung 2 zeigt den Temperaturverlauf, der in einer nicht-klimatisierten Industriehalle bei einem Lütze-Kunden gemessen wurde. Es wurden insgesamt an sieben verschiedenen Positionen Messungen durchgeführt, wobei der Temperaturverlauf an den Messpunkten ohne direkte Sonneneinstrahlung nur geringfügig variierte. Bei Betrachtung von Abbildung 2 wird deutlich, dass auch im Hochsommer die Temperaturen nur wenig über 30°C ansteigen. Es lässt sich eine klare Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur erkennen (diese ist hier nicht dargestellt, aber als Randbedingung wurde das Wetter für 2024 im Großraum Stuttgart berücksichtigt). In den Sommermonaten bewegt sich die Temperatur in der Industriehalle meist nur zwischen 25 und 30°C. Die Autoren erkennen an, dass es sich hierbei um eine Einzelfallaufnahme handelt und der Temperaturverlauf von Fall zu Fall unterschiedlich sein kann. Vergleichbare Temperaturverläufe wurden jedoch in mehreren weiteren Messungen bestätigt und zeigen immer ähnliche Tendenzen. Das wesentliche Fazit ist, dass die Industriehallentemperatur im Jahresverlauf stark schwanken kann – hohe Temperaturen sind möglich, aber nicht die Regel. Im Folgenden wird der Temperaturverlauf aus Abbildung 2 als Randbedingung für eine Simulationsstudie verwendet.
Simulation mit Kühlgerät
Die Simulation betrachtet speziell das Takt- und Laufzeitverhalten eines Kühlgeräts (1,6kW Kompressionskältemaschine mit temperaturabhängigem EER zwischen 1,5 und 2,0). Es wird eine Hystereseregelung angenommen, bei der das Kühlgerät bei 40°C anspringt und bei 35°C wieder abschaltet. Untersucht wird ein Standgehäuse (2x1x0,6m), in dem während der Produktion eine effektive Verlustleistung von 500W anfällt. Zudem wird ein Zwei-Schicht-Betrieb (jeweils acht Stunden) und ausschließlich Werktagsbetrieb angenommen. Im Ausgangszustand liegt entweder freie Konvektion im Schaltschrank vor oder das Kühlgerät ist in Betrieb. Weiterhin wird angenommen, dass die Rückwand des Schaltschranks keinen signifikanten Beitrag zur Wärmeabgabe leistet, da sie durch die Montageplatte thermisch verblockt ist. Im optimierten Zustand wird angenommen, dass im Schaltschrank sowohl das Airstream-System als auch ein Airblower-Lüfter zum Einsatz kommen. Es kann also entweder freie Konvektion, Luftzirkulation durch den Airblower und/oder zusätzlich ein aktives Kühlgerät vorliegen.
Abbildung 3 zeigt für beide Szenarien die für die Kühlung des Schaltschranks aufzuwendende elektrische Energie (Stromverbrauch), beschränkt auf das Kühlgerät. Es ist ersichtlich, dass das Kühlgerät im Ausgangszustand (rote Balken) in jedem Monat läuft bzw. aktiv ist. In den Sommermonaten ist der Stromverbrauch logischerweise höher, da der Kühlbedarf in dieser Zeit durch die geringe Temperaturdifferenz zur Umgebung ebenfalls steigt. Im optimierten Zustand (blaue Balken) ist die Laufzeit des Kühlgeräts hauptsächlich auf die Monate Mai bis September begrenzt. Im August wird der kumulierte Stromverbrauch von etwa 95 auf rund 64kWh reduziert. Der Airblower ist hier noch nicht berücksichtigt, wird jedoch in einer abschließenden kumulierten Betrachtung einbezogen.
Weniger Stromverbrauch und CO2-Emissionen
Das Fazit dieser Untersuchung lautet: Die Thermodynamik setzt wie erwartet Grenzen für den über das Schaltschrankgehäuse abführbaren Wärmestrom. Bis zu diesen Grenzen sollten, wie bereits oben ausgeführt, alle anderen Maßnahmen umgesetzt werden. Wenn diese Maßnahmen so einfach umzusetzen sind wie die Verwendung eines Airstream-Verdrahtungssystems – das neben den thermischen Vorteilen auch eine Platzersparnis und Einsparungen bei der Verdrahtungszeit ermöglicht – fällt die Entscheidung eigentlich leicht. Der Airblower stellt eine gute Ergänzung zum Kühlgerät dar. Für Schaltschränke mit geringerer Verlustleistung besteht jedoch auch die Möglichkeit, die Größe des Kühlgeräts (Nennkühlleistung) zu reduzieren, bei einer Schaltschrankkombination ein Gerät weniger einzusetzen oder in bestimmten Fällen ganz auf ein Kühlgerät zu verzichten. Lütze unterstützt hier bei einer bedarfsgerechten Planung. Vergleicht man abschließend den Stromverbrauch für die Kühlung des Schaltschranks zwischen den beiden Szenarien, zeigt sich, dass im Ausgangszustand etwa 667kWh Strom verbraucht werden, während im optimierten Zustand nur noch etwa 280kWh erforderlich sind – einschließlich Airblower. Dies entspricht einer Reduktion des Stromverbrauchs und der CO2-Emissionen um 58 Prozent, also einer Einsparung von rund 137kg CO2 (unter Berücksichtigung des deutschen Strommixes im Jahr 2024). In der Praxis kommen natürlich viele Schaltschränke in einer Produktionslinie zum Einsatz, wodurch sich diese Einsparung gut auf die gesamte Produktionslinie skalieren lässt. Den Autoren ist bewusst, dass es sich hierbei um eine theoretische und fallabhängige Analyse handelt. Da der Energieverbrauch für die Kühlung von Schaltschränken jedoch so gut wie nie gemessen wird, stellt diese Methode die einzige Möglichkeit dar, fundierte Aussagen zu treffen. Für Lütze ist der nächste Schritt, weitere Praxismessungen durchzuführen und damit zu zeigen, dass Energieeffizienz und Betriebssicherheit keine Gegensätze sein müssen.
