Im Rahmen der Initiative „Smart Engineering und Production 4.0“ greifen die Unternehmen Rittal, Eplan und Phoenix Contact die Ergebnisse der Innovationsallianz Green Carbody Technologies auf, um durch „Thermal Design Integration“ das Verbesserungspotenzial bei Schaltanlagen in punkto Entwärmung und störungsfreiem Betrieb zu steigern. Wir informieren Sie über die Forschungsergebnisse und die aktuellen Entwicklungen.
Zur Analyse des Technikstandes im Feld hat Rittal während des Verbundprojektes Green Carbody Technologies an 400 Schaltschränken in unterschiedlichen Branchen Analysen und Untersuchungen durchgeführt. Dabei lag der Fokus auf der bestimmungsgemäßen Integration der Schaltschrank-Klimatisierung sowie Anordnung der in Schaltschränken verbauten Geräten. Aus der Analyse der erhobenen Informationen ergeben sich zahlreiche Verbesserungspotenziale. So wiesen beispielsweise 19 Prozent aller geprüften Schaltschränke mit Kompressor-Kühlgeräten einen Lüftungskurzschluss auf, sodass ein Teil der Kühlleistung nicht nutzbar war. Bei zwei Drittel der Schränke waren die zu kühlenden Komponenten nicht im Luftstrom zwischen Aus- und Einlass des Kühlgeräts gruppiert. Nur fünf Prozent der untersuchten Schränke waren mit Zubehör zur Luftführung ausgestattet. Um die Zuverlässigkeit der Anlagen sicherzustellen, greifen die Planer – so eine weitere Erkenntnis aus der Untersuchung – einfach zum nächstgrößeren Klimagerät, das dann häufig im Stand-by-Modus arbeitet – dabei hatten 50 Prozent der Geräte eine Auslastung von 20 Prozent oder weniger. Fazit: Diese Art der Klimatisierung ist weder kosten- noch energieeffizient!
Planung so einfach wie möglich
Meist beginnt eine detaillierte Auslegung der Klimatisierung erst zum Ende der Anlagenplanung, nämlich dann, wenn die Verlustleistung aller Komponenten bekannt ist und der Planer nach der Verlustleistungsbetrachtung gemäß EN 61439 feststellt, dass eine aktive Kühlung installiert werden muss. Die Auslegung der erforderlichen Klimatisierungsmaßnahme und die Auswahl der geeigneten Klimatisierungskomponenten erfolgt dabei mit der Software Rittal Therm. Diese Informationen werden an Eplan Pro Panel, eine softwarebasierte Engineering-Lösung übergeben, wo der Planer dann die entsprechenden Klimatisierungskomponenten in 3D im Schaltschrank virtuell platziert.
Um die Möglichkeiten der dreidimensionalen Aufbauplanung von Schaltschränken weiter zu optimieren, wurden im Gemeinschaftsprojekt mit Rittal, Eplan und Phoenix Conact zusätzliche Funktionen für Eplan Pro Panel entwickelt. Wesentliches Ziel war hierbei, dem Schaltanlagenplaner Funktionsweise, Leistungsgrenzen und Integrationsmöglichkeiten der einzelnen Klimatisierungsvarianten so zu vermitteln, dass er intuitiv und so einfach wie möglich, eine effektive Lösung erstellen kann, ohne ausgewiesener Klimaexperte zu sein oder sich aufwändiger CFD-Simulationen oder Berechnungsmodelle bedienen zu müssen.
Für den Anlagenplaner sind Informationen insbesondere über die Position von Luftein- und Auslass der Klimatisierungskomponenten wichtig. Diese sind zukünftig für alle relevanten Rittal-Klimatisierungskomponenten im Eplan Data Portal entsprechend in den Stammdaten hinterlegt.
Um eine sinnvolle Position für die Klimatisierungskomponenten am Gehäuse auszuwählen, ist es zudem wichtig, dass Planer leicht erkennen können, an welchen Positionen im Aufbau sich besonders zu kühlende Komponenten befinden, die gegebenenfalls einen Hot Spot ausbilden könnten. Hierfür steht in Eplan Pro Panel eine Funktion zur Verfügung, die verbaute Komponenten gemäß Ihrer Verlustleistungsdichte „einfärbt“. Damit dies funktionieren kann, müssen die Verlustleistungswerte in den Artikelinformationen der verbauten Produkte im Eplan Data Protal hinterlegt sein. Phoenix Contact stellt als erster Hersteller die zusätzlich benötigten Verlustleistungswerte von Komponenten zukünftig im Eplan Data Portal bereit, so dass diese in der Planung von Schaltanlagen mit den neuen „Thermal Design Integration“-Funktionen in Eplan Pro Panel genutzt werden können.
Weitere Produktmerkmale der Rittal Klimatisierungslösungen sind lüftungstechnische Sperrräume und der optimal klimatisierte Bereich. Die lüftungstechnischen Sperrräume dürfen nicht mit Komponenten verbaut werden, weil das Klimagerät sonst signifikant in seinem Luftfördervolumen eingeschränkt wird. Dies kann bei entsprechenden klimatischen Bedingungen zu Problemen an den eingebauten Schaltgeräten oder elektronischen Bauteilen führen. Beispielsweise kann es bei Geräten, die zu nahe am Kaltluftstrom platziert sind, zu extremem Temperaturstress kommen. Dies reduziert die Lebensdauer von elektronischen und elektrotechnischen Komponenten signifikant.
Der optimal klimatisierte Bereich beschreibt den Raum, den ein Klimagerät aufgrund seiner Luftförderleistung zuverlässig klimatisieren kann. Maßgebliche Geräteparameter sind hierfür die maximale Wurfweite der Kühlluft sowie der Anstellungswinkel der in das Gerät ein- bzw. aus dem Gerät ausströmenden Luft. Sinkt die Luftgeschwindigkeit über die Entfernung vom Gerät unter den definierten Grenzwert, ist die maximale Wurfweite erreicht.
Zur Klimatisierung des in Abbildung 2 gezeigten Schrankes mit zweiflügliger Tür bietet sich wie in circa 70 Prozent der Fälle ein Gerät in Türmontage an. Auch im oberen Bereich des Schaltschrankes werden Verlustleistungen durch Geräte und Komponenten erzeugt. Diese erzeugte Abwärme und die aufsteigende warme Luft der anderen Komponenten sammeln sich unter dem Schaltschrankdach. Daher ist es wichtig, dass der Lufteinlass des Klimagerätes möglichst weit oben platziert ist, um diese Warmluft effektiv abzutransportieren.
Erst durch den Einsatz einer Luftumlenkung kann der Strömungsschatten ausgeblendet werden und die Kühlluft tritt parallel zur Tür in den Schrank ein. Das gerätespezifische Zubehör wird in der Anzeige des optimal klimatisierten Bereiches berücksichtigt, wie im rechten Bild zu sehen ist.
Mit den „Thermal Design Integration“-Funktionen wurde ein neuer Ansatz für eine sichere und effiziente Planung von Klimatisierungsmaßnahmen im Steuerungs- und Schaltanlagenbau geschaffen. Damit werden Anlagenbauer unterstützt, Fehlplanungen bei der Klimatisierung sowie unnötige Ausfallzeiten und Serviceeinsätze zu vermeiden.
Dipl. Ing. (FH) Thorsten Heimberg, FAP Forschung, Approbationen und Patente, Rittal
Dipl. Ing. Lars Martin, Abteilungsleiter, FAP Forschung, Approbationen und Patente, Rittal
Melanie Meuser, Produktmanagement Climatisation, Rittal
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