Schaltschrankkühlung: Pfannenberg empfiehlt eine Zieltemperatur von etwa 35 °C

Schaltschränke kühlen oder heizen?

Pfannenberg empfiehlt eine Zieltemperatur von etwa 35 °C im Schaltschrank

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Die optimale Temperatur für das Innere eines Schaltschrankes liegt bei 25 °C – so die landläufige Theorie. Pfannenberg vertritt hingegen die These, dass das Halten einer stabilen und nicht notwendigerweise einer niedrigen Temperatur im Schaltschrank für ein optimales Kühlergebnis wichtig ist, da sich bei schwankenden Temperaturen bildendes Kondensat als Risikofaktor in die Planung der Klimatisierung miteinbezogen werden muss.

Clemens Koester, Application Engineer, Pfannenberg, Hamburg

Die Kühlung von Schaltschränken stellt – auch je nach Jahreszeit und Umgebung – eine große Herausforderung dar. Gerade wenn beispielsweise die Umgebungstemperatur wie in Gießereien oder Stahlwerken deutlich höher ist. Eine zu hohe Temperatur im Schaltschrank führt im besten Fall automatisch zur kurzfristigen Abschaltung. Im schlechteren Fall droht ein permanenter Ausfall der Komponenten. Da die Anlagenverfügbarkeit in fertigenden Unternehmen oberste Priorität hat, ist der damit einhergehende temporäre Produktionsausfall kein akzeptables Szenario. Eine schnelle Lösung stellt die geöffnete Schaltschranktür dar, doch spätestens in diesem Zusammenhang wird aus dem finanziellen Problem eine Gefährdung der Mitarbeiter. Zudem ist jeglicher Beschädigung und Verschmutzung buchstäblich die Tür geöffnet. Was also tun?

Landläufig wird die These vertreten, dass die optimale Temperatur für das Innere eines Schaltschrankes bei 25 °C liegt. Orientiert man sich an dieser Maßgabe, muss im Sommer eine große Temperaturspanne überbrückt werden. In der Regel gibt es – speziell im Süden Deutschlands – zwei bis drei Monate im Sommer, während denen eine Außentemperatur bis zu 35 °C oder mehr möglich ist. Doch ist es tatsächlich nötig, einen Schaltschrank auf 25°C herunterkühlen? Bekannt ist – etwa durch die Ergebnisse der Halbleiterforschung –, dass die Lebenserwartung elektronischer Bauteile bei niedrigen Temperaturen tendenziell höher liegt. Gilt also pauschal: Je kälter, desto besser?

Stabil, nicht notwendigerweise niedriger

Die herstellerseitig empfohlenen Temperaturen sind tatsächlich von Fall zu Fall unterschiedlich: Die Auslegungstemperatur von Lüftern zur höchsten angegebenen Lebenserwartung liegt beispielsweise häufig bei 40 °C. Wieviel „besser“ die Bauteil-Lebenserwartung durch niedrigere Temperaturen von diesem Punkt aus wird, ist für den Anwender allerdings Spekulation. Im Schaltschrank kommen zudem weitere Faktoren wie das Risiko der Kondensatbildung sowie der Faktor der Energiekosten zusätzlich hinzu. Als Spezialist für Schaltschrankklimatisierung vertritt Pfannenberg in diesem Zusammenhang die These, dass das Halten einer stabilen und nicht notwendigerweise einer niedrigen Temperatur im Schaltschrank für ein optimales Kühlergebnis wichtig ist. Für einen wohltemperierten Schaltschrank empfiehlt Pfannenberg deshalb eine Zieltemperatur von etwa 35 °C. Hierdurch werden nicht nur die Bauteile geschont, sondern auch das Kondensatrisiko deutlich minimiert und die Energiekosten reduziert. Durch die höhere Innentemperatur wird der Schaltschrank zudem die meiste Zeit über automatisch durch die Umgebungsluft gekühlt, wodurch der energetische Aufwand schon sinkt. Setzt man hingegen „nur“ auf größtmögliche Kühlung, wird der Vorteil einer längeren Bauteil-Lebensdauer durch stärkere Kondensatbildung und steigende Energiekosten nivelliert.

Kondensat als Risikofaktor

Der wahrscheinlichste Grund für einen Wassereintrag in den Schaltschrank, der die Elektronik-Komponenten schädigen könnte, sind nicht externe Faktoren wie Reinigung oder Dachleckagen, sondern eben das Kondensat, das sich schon durch leichte Temperaturschwankungen bildet. Die Zieltemperatur im Schaltschrank sollte deshalb höher liegen als die zu erwartende Umgebungslufttemperatur. Dies ist bei 35 °C eher gegeben als bei deutlich niedrigeren Zieltemperaturen.

Im jeweiligen Anwendungsfall können jedoch auch andere Zielwerte sinnvoll sein. Deshalb sind beispielsweise die Kühlgeräte von Pfannenberg mit einer aktiven Kondensatverdunstung ausgestattet. So können auch sehr niedrige Zieltemperaturen gehalten werden, während das anfallende Kondensat verdunstet und an die Umgebung abgeführt wird. Welche Kühllösung sich am besten für welche Anwendung eignet, ist dementsprechend abhängig von den Anforderungen und Gegebenheiten vor Ort.

Wie entsteht das Kondensat?

Um die Bildung von Kondensat wirkungsvoll verhindern zu können, ist es wichtig, seinen Ursprung zu verstehen. Erst dann lassen sich wirkungsvolle Gegenmaßnahmen einleiten. Nehmen wir als Beispiel einen Schaltschrank mit 2 m Höhe, 1 m Breite und 0,5 m Tiefe, also ein Volumen von 1 m³. Bei einer relativen Luftfeuchtigkeit von 80 % und 30 °C sind hier etwa 22 ml Wasser in der Luft. Kommt es nun zu einem Temperaturabfall auf 15 °C, kann die Luft bei derselben Luftfeuchtigkeit nur noch etwa 11 ml Wasser aufnehmen. Die übrigen 11 ml kondensieren. Das erscheint erstmal nicht viel. Durch die ständige natürliche Luftbewegung konzentriert sich diese Menge allerdings an den kältesten Stellen im Schaltschrank und 1 ml entspricht etwa 10 bis 20 Tropfen. In den meisten Fällen leiten Metalle zudem Wärme besser als beispielsweise Kunststoffe. Aus diesem Grund fühlen sich metallische Oberflächen kühl an – weil die Körperwärme hier schneller abfließt. Nach dem gleichen Prinzip kühlt auch Luft an metallischen Oberflächen ab. Wenn dementsprechend zum Beispiel eine Fertigungshalle über Nacht auf 15 °C abkühlt, die Sonneneinstrahlung die Hallenluft am Morgen aufheizt und durch ein geöffnetes Fenster genug feuchtwarme Außenluft eindringt, dass die relative Luftfeuchtigkeit bei 80 % liegt, kommt es zur Kondensatbildung, sobald diese warme Luft auf die Schaltelemente des noch nicht aktiven Schaltschrankes trifft. In der Natur kennt man diesen Effekt als Morgentau, im Schaltschrank ist er allerdings alles andere als wünschenswert. Glücklicherweise heizen sich schaltende Elemente im Betrieb auf. Im Normalfall werden diese also kein Kondensat ansammeln. Dennoch ist es ratsam, die Applikation genau zu überprüfen.

Kühlen oder heizen

Ein mögliches Mittel gegen Kondensat ist das Herabsetzen der Luftfeuchtigkeit. Beispielsweise kühlt ein aktives Kühlgerät die Luft im Gerät auf etwa 10 bis 15 °C herab und befördert das dabei entstehende Kondensat nach außen.

Wenn kein Kühlgerät angeschlossen ist, ist die beste Lösung zur Vermeidung von Kondensat dagegen eine stabile Mindesttemperatur: Eine Schaltschrankheizung sorgt in diesem Fall dafür, dass die Luft innerhalb des Schaltschrankes nicht unter die Umgebungstemperatur fällt. So wird auch nachts verhindert, dass sich an den kalten Schaltschrankdecken und verbauten Halbleitern Kondensat absetzt. Steigt dann die Temperatur im arbeitenden Schaltschrank, schaltet sich die Heizung automatisch wieder ab. Pfannenberg setzt für diesen Zweck PTC-Elemente ein, die je nach Temperatur automatisch ihren Widerstand und damit ihre Heizleistung regulieren.

Grundsätzlich ist die Klimatisierung eines Schaltschranks eine einfache Aufgabe, sie muss allerdings richtig angegangen werden. Wie beschrieben ist dabei „kälter“ nicht zwangsläufig gleich „besser“– sklavisch nur einen Faktor zu berücksichtigen, wird nicht jedem Instrument gerecht. Der wohltemperierte Schaltschrank entsteht dementsprechend durch eine feine Abstimmung aller relevanten Faktoren. ik

www.pfannenberg.com

Details zu den Klimatisierungslösungen von Pfannenberg:

http://hier.pro/EedBr


PLUS

Verschiedene Klimatisierungslösungen im Überblick

Filterlüfter sind langfristig eine kostengünstige Lösung für die Schaltschrankklimatisierung. Voraussetzung ist, dass die Umgebungsluft deutlich kühler ist als die angestrebte Schaltschranktemperatur. Nur dann besteht ein ausreichend hohes Kühlpotenzial. Da die Filterlüfter zudem permanent die, womöglich verschmutzte, Umgebungsluft ansaugen, ist eine funktionierende Filtertechnik unerlässlich. Bei besonders anspruchsvollen Anwendungen kommen deshalb Filterlösungen zum Einsatz, die gegen extreme Umgebungsbedingungen und selbst gegen Strahlwasser verlässlich abschirmen.

Luft-/Luft-Wärmetauscher sind ebenfalls auf eine niedrigere Außentemperatur angewiesen. Im Vergleich zu den Filterlüftern haben sie aber den Vorteil, dass die Luftkreisläufe getrennt sind. Es wird also keine Außenluft in den Schaltschrank gesogen. Stattdessen wälzen die internen Lüfter die Schaltschrankluft um. Gekühlt wird die umzuwälzende Luft mit der getrennt im Wärmetauscher laufenden Außenluft. Dadurch können Luft-/Luft Wärmetauscher aktive Kühllösungen unterstützen.

Eine weitere Option sind aktive Kühlgeräte, die ebenfalls mit getrennten Luftkreisläufen arbeiten. Hier wird die Luft aktiv über einen Kühlkreislauf abgekühlt. Dadurch besteht ein hohes Kühlpotenzial, das auch bei sommerlichen Temperaturen stabil bleibt. Eine Sonderform davon sind drehzahlgeregelte Kühlgeräte. Diese können sich über eine intelligente Regelung der verbauten Komponenten auf die Wärmelast des Schaltschrankes einstellen. Der Vorteil liegt darin, dass damit immer nur genau so viel gekühlt wird, wie benötigt. Daraus resultieren längere Standzeiten sowie eine höhere Energieeffizienz. In Kombination mit einer Zieltemperatur von etwa 35 °C lässt sich so effizient und schonend kühlen, was sich auch hier positiv auf die Lebenserwartung der elektronischen Komponenten auswirkt.

Luft-/Wasser-Wärmetauscher nutzen hingegen kaltes Wasser für die Klimatisierung. Hierdurch ist eine hohe Kühlleistung möglich, die völlig unabhängig von den jeweiligen äußeren Verhältnissen ist. Zudem nimmt die Kühleinheit keine Umgebungsluft auf. Deshalb können Luft-/Wasser-Wärmetauscher auch in sehr stark verschmutzten Umgebungen verwendet werden. Zunächst fallen bei dieser Lösung zwar höhere Investitionskosten für die Verrohrung und die Kaltwasseraufbereitung (Rückkühlanlagen) an, langfristig zahlen sie sich aber häufig aus. Denn die eigentliche Kühlleistung erfolgt nicht mehr am Schaltschrank, sondern am andernorts aufgestellten Rückkühler, weshalb die gesamte Kühlleistung aller Klimageräte gebündelt werden kann. Da große Kühlgeräte physikalisch effizienter sind als kleine, ist die Energiebilanz der Kühlleistung zu den Kosten somit deutlich besser. Dadurch amortisieren sich entsprechende Investitionen über die Zeit. Und steht bereits kaltes Wasser, beispielsweise als Werkzeugkühlung, zur Verfügung, können Luft-/Wasser-Wärmetauscher eine sehr kosteneffiziente Alternative darstellen.

Vorteile unterschiedlicher Kühlkonzepte
Bild: Pfannenberg
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