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Best practiceAdvertorial: Auf die richtige Kühlstrategie setzen

Gerade in Zeiten hoher Energiekosten kann es sich bezahlt machen, verschiedene Konzepte für die Schaltschrank-Klimatisierung miteinander zu vergleichen. Dabei sollten neben den reinen Investitionskosten natürlich stets auch die Betriebskosten, die durch die benötigte Energie entstehen, unter die Lupe genommen werden. Zur Diskussion stehen luft- und flüssigkeitsbasierte Technologien.

Best practice: Advertorial: Auf die richtige Kühlstrategie setzen

Durch die steigenden Energiekosten in den vergangenen Jahren stehen immer mehr Unternehmen unter Druck, alle zur Verfügung stehenden Einsparpotenziale konsequent auszuschöpfen. Welche enormen Auswirkungen dies haben kann, zeigt folgendes Beispiel: Ein typisches Automobilwerk eines größeren europäischen Herstellers hat beispielsweise Energiebezugskosten von bis zu 100 Millionen Euro pro Jahr. Eine Verbesserung der Energieeffizienz auch im niedrigen Prozentbereich führt hier zu Kosteneinsparungen in einer beachtlichen Größenordnung. Einige Hersteller haben daher spezielle Gremien eingesetzt und Prozesse implementiert, die mögliche Einsparpotenziale untersuchen und gegebenenfalls umsetzen sollen. Ein Beispiel wie sich deutliche Einsparungen erzielen lassen, ist etwa die effiziente Kühlung von Schaltschränken und ganzen Schaltanlagen. In einem typischen Schaltschrank in der Industrie sind neben der Niederspannungsverteilung häufig auch Komponenten für die Antriebstechnik untergebracht. Moderne Frequenzumrichter, Servoverstärker oder Gleichrichter setzen einen Teil der zugeführten elektrischen Energie in Wärme um. Die hohe Integrationsdichte der Komponenten kann dabei zu Verlustleistungen führen, die deutlich über 1 kW pro Schaltschrank liegen. Um diese in Wärme umgesetzte Verlustleistung abzuführen, sind Investitionen in energieeffiziente Kühlsysteme notwendig.

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Luftbasierte Kühlgerätetechnik

In den vergangenen Jahren hat Rittal verstärkt in die Forschung und Entwicklung von energiesparenden Kühlgeräten investiert. Ausführliche Teststellungen bei führenden deutschen Automobilherstellern haben gezeigt, dass sich bei der neuen Kühlgerätetechnologie der Generation "Blue e" der Verbrauch elektrischer Primärenergie je nach Anwendung um bis zu 70 Prozent reduzieren lässt. Aufgrund dessen bringt der Hersteller die neue energieeffiziente Kühlgerätetechnik mit dem leistungsfähigen Regelungssystem Comfort-Controller auf den Markt. Zur Hannover Messe plant Rittal den kompletten Serien-Rollout für den Leistungsbereich von 500 W bis 4.000 W. In ihren Abmessungen und dem äußeren Erscheinungsbild entsprechen die neuen Kühlgeräte den TopTherm-Kühlgeräten, die auch weiterhin ein wesentlicher Bestandteil des Produktprogramms von Rittal bleiben. Die höhere Kälteleistungszahl (COP, Coefficient of Performance) - die z. B. bei 1000 W Testgeräten um 42 Prozent höher liegt (von 1,2 auf 1,7) - ist das Ergebnis jahrelanger Forschungs- und Entwicklungsarbeit bei Rittal. Sie resultiert aus dem optimalen Zusammenwirken aller für die Kälteleistung verantwortlichen Komponenten. Der erste Schritt zur Effizienzsteigerung der neuen Kühlgeräte umfasst die gesamte Geometrie des kältetechnischen Aufbaus. Dabei wurden die Komponenten der bestehenden Geräte systematisch analysiert und - wo möglich - in Richtung Effizienzsteigerung angepasst. Dies betrifft zum Beispiel die Auslegung der Verflüssiger, Verdampfer, Kühllamellen, Rohrbögen und alle weiteren Kältekomponenten. Ein zweiter Schritt umfasst die Optimierung der Lüftertechnik. Bei einem Großteil der Lüftermotoren kommt die EC (electronic commutation)-Technologie zum Einsatz. Die als Außenläufer aufgebauten Motoren ersetzen die übliche mechanische Polwendung durch elektronisches Kommutieren, das verschleiß-, funken- und störungsfrei arbeitet. Die Motoren besitzen einen dynamisch gewuchteten Rotor mit mehrpoligen Magneten. Die Rotorlage wird über mehrere Hallsensoren erfasst. Die Motorversorgung und Regelung erfolgt über eine spezielle Betriebselektronik, die einen sehr hohen Wirkungsgrad im gesamten Drehzahlbereich ermöglicht. Präzisionskugellager sorgen für eine hohe Lebensdauer und geringe Geräuschentwicklung. Als dritter wesentlicher Schritt ist schließlich die Regelelektronik durch die neue Eco-Mode-Steuerung ideal ausgelegt. Wird ein Dauerbetrieb des Innenlüfters nicht benötigt, erfolgt automatisch dessen Abschaltung - und damit eine Einsparung der Stromkosten.

Flüssigkeitsbasierte Kühltechnologie

Wenn eine Schaltanlage, wie es in der Industrie häufig vorkommt, gleich mehrere Schaltschränke umfasst, sind zentrale Chiller eine Alternative, die ebenfalls zur Effizienzsteigerung beitragen können. Statt in jeden Schaltschrank ein eigenes Klimagerät einzubauen, werden Luft-Wasser-Wärmetauscher - wie sie Rittal beispielsweise für die TS 8-Schaltschrankserie anbietet - verwendet, die die Wärmeenergie auf einen Kühlwasserkreislauf übertragen. Für den Fall, das kein externes Kühlwasser zur Verfügung steht, gibt es im Lieferprogramm des Unternehmens Chiller - die so genannten TopTherm Chiller. Diese sind in einem Standard TS 8 Schaltschrank aufgebaut und mit Kühlleistungen von 8 kW bis zu 40 kW erhältlich. Die Geräte bestehen aus einem Kältemodul, einem Steuermodul und dem Wassermodul, welches das Kühlwasser an die Verbraucher verteilt. Der modulare Aufbau sorgt für eine hohe Servicefreundlichkeit und für kurze Lieferzeiten, da die einzelnen Module je nach Anforderungen lediglich in das Schaltschrankgerüst intergiert werden. Der Kunde erhält ein komplettes System, das nur noch an die Spannungsversorgung angeschlossen und mit den Verbrauchern hydraulisch verbunden werden muss. Da der TopTherm Chiller in einem Standard-Schaltschrank untergebracht ist, kann er nahtlos in eine bestehende Schaltanlage integriert werden. Die Luft-Wasser-Wärmetauscher an den einzelnen Schaltschränken lassen sich dann einfach an den Kühlwasserkreislauf anschließen. Mit entsprechenden Durchflussreglern und Ventilen wird sichergestellt, dass jeder Wärmetauscher am Schaltschrank mit ausreichend Kühlwasser versorgt wird. Insbesondere in stark verschmutzter oder heißer Umgebung ist die Kombination mit Luft-Wasser-Wärmetauschern empfehlenswert. Um die Energieeffizienz der Wärmetauscher noch weiter zu erhöhen, hat Rittal die aktuellen Luft-Wasser-Wärmetauscher weiterentwickelt. Sämtliche Komponenten wurden auf hohe Energieeffizienz getrimmt. Bei den Comfortgeräten mit Kühlleistungen von 500 W bis 5.000 W kommt beispielsweise die neue intelligente Eco-Mode-Regelung zum Einsatz. Diese schaltet den Lüfter bedarfsgerecht in Abhängigkeit von der Temperatur im Schaltschrank aus bzw. an. Auf keinen Fall sollte bei einer Schaltanlage vergessen werden, die Energiekosten von luft- bzw. flüssigkeitsbasierten Kühllösungen - mit Kühlgeräten oder mit Luft-Wasser-Wärmetauschern und Chiller - miteinander zu vergleichen. Da sowohl die Investitionskosten als auch die Betriebs- und Energiekosten von Anlage zu Anlage variieren, muss ein entsprechender Vergleich für jede Anlage neu durchgeführt werden. Am Beispiel einer typischen Schaltanlage mit 16 TS-8-Schaltschränken lassen sich die Einsparpotenziale eindrucksvoll demonstrieren.

Kostenvergleich lohnt sich

In acht Schaltschränken soll eine Verlustleistung von 2.300 Watt, bei zwei eine Verlustleistung von 900 Watt und bei sechs eine Verlustleistung von 800 Watt auftreten. Bei der Klimatisierung durch einzelne TopTherm-Kühlgeräte sind acht Kühlgeräte mit einer Kühlleistung von 2,5 kW und acht Kühlgeräte mit einer Kühlleistung von 1 kW notwendig. Alternativ dazu soll die Kühlung über einen zentralen Chiller und entsprechende Luft-Wasser-Wärmetauscher erfolgen. Für diese Variante müssen neben dem TopTherm Chiller mit 25 kW noch acht Luft-Wasser-Wärmetauscher mit einer Kühlleistung von 3,4 kW und acht Luft-Wasser-Wärmetauschern mit einer Kühlleistung von 1,15 kW vorgesehen werden. Die Investitionskosten für die beiden Varianten sind in diesem Beispiel mit etwa 18.000 Euro fast gleich. Um die Energiekosten zu berechnen, geht man davon aus, dass die Anlage 3.000 Stunden pro Jahr in Betrieb ist und die durchschnittliche Einschaltdauer der Kühlung 70 % beträgt. Als Strompreis werden 0,12 Euro pro kWh angenommen. Bei dieser Beispielrechnung zeigt sich ein gravierender Unterschied zwischen den beiden Varianten. Während die Energiekosten für die Variante mit einzelnen Kühlgeräten mehr als 4.500 Euro betragen, liegen diese für die Variante mit dem TopTherm Chiller mit knapp 2.800 Euro deutlich darunter. Die Einsparungen pro Jahr inklusive der Investitionskosten betragen bereits 3 % - legt man die reinen Energiekosten zu Grunde, sind es sogar fast 40 % - ohne Kosten für Service und Wartung.

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