Große Temperaturunterschiede vermeiden

Der wohltemperierte Schaltschrank

Der wachsende Grad an Intelligenz in der Produktion erfordert immer mehr Schalt- und Rechentechnik in den Schaltschränken. Die elektrische Verlustleistung der darin verbauten Schaltkreise heizt den Schaltschrank auf und die Innenraum-Temperatur steigt zwangsläufig an. Warum kompromissloses Kühlen nicht immer die beste Lösung ist, um den Schaltschrank optimal zu klimatisieren und welche Kühllösung sich für was eignet, erklärt folgender Artikel.

Die notwendige Kühlung der Schaltschränke stellt je nach Jahreszeit und Umgebung eine große Herausforderung dar, gerade wenn z.B. 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 Anlagenverfügbarkeit in fertigenden Unternehmen oberste Priorität hat, ist der damit einhergehende temporäre Produktionsausfall für moderne Produktionsstätten kein akzeptables Szenario. Die schnelle Lösung ist dann die geöffnete Schaltschranktür. Doch spätestens jetzt wird aus dem finanziellen Problem eine Gefährdung der Mitarbeiter. Zudem ist jeglicher Beschädigung und Verschmutzung buchstäblich die Tür geöffnet. Was also tun? Zuerst muss festgelegt werden, welche Temperatur im Schaltschrank angestrebt wird.

Extremes Kühlen ist weder nötig, noch sinnvoll

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, wo eine Außentemperatur bis zu 35°C oder mehr möglich ist. 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? Die herstellerseitig empfohlenen Temperaturen sind tatsächlich jedoch von Fall zu Fall unterschiedlich: Die Auslegungstemperatur von Lüftern zur höchsten angegebenen Lebenserwartung liegt beispielsweise häufig bei 40°C. Wieviel ‚besser‘ hinsichtlich der Bauteil-Lebenserwartung durch ‚kälter‘ von diesem Punkt aus erreicht wird, ist für den Kunden dann allerdings Spekulation. Im Schaltschrank kommen zudem weitere Faktoren wie das Risiko der Kondensatbildung und der Faktor der Energiekosten zusätzlich hinzu. Als Spezialist für Schaltschrankklimatisierung vertritt Pfannenberg 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 eine Zieltemperatur von ca. 35°C. Hierdurch werden nicht nur die Bauteile geschont, sondern auch das Kondensatrisiko deutlich minimiert und die Energiekosten reduziert. Setzt man hingegen ’nur‘ auf größtmögliche Kühlung, wird der Vorteil einer längeren Bauteil-Lebensdauer durch stärkere Kondensatbildung und steigende Energiekosten nivelliert. Durch die höhere Innentemperatur wird der Schaltschrank die meiste Zeit über automatisch durch die Umgebungsluft gekühlt. Der energetische Aufwand für die Kühlung sinkt allein dadurch schon. Darüber hinaus wird auf diese Weise verhindert, dass sich Kondensat im Schaltschrank bildet, welches die Elektronik-Komponenten schädigen könnte. Wenn der Schaltschrank das kälteste Element im Raum ist, kann sich am und vor allem im Gehäuse Kondensat bilden. Dieses Phänomen kennt jedermann von eiskalten Getränke-Dosen im Sommer: Es bilden sich Tau-Tropfen auf der Metalloberfläche. Da ein Kältekreislauf die Luft entfeuchtet, stellt sich eine geringere Luftfeuchtigkeit als in der Umgebung ein. Dennoch kommt es auch bei geschlossenen Schaltschränken zu Luftaustausch mit der Umgebung. Die warme feuchtigkeitshaltige Luft dringt ein und wird entfeuchtet. Die Zieltemperatur im Schaltschrank sollte deshalb höher liegen als die zu erwartende Umgebungslufttemperatur. Dies ist bei 35°C im Schaltschrank eher gegeben als bei deutlich niedrigeren Zieltemperaturen. Im jeweiligen Anwendungsfall können auch andere Zielwerte sinnvoll sein. Deshalb sind beispielsweise die Kühlgeräte von Pfannenberg mit aktiver Kondensatverdunstung ausgestattet. So können auch sehr niedrige Zieltemperaturen gehalten werden. Das anfallende Kondensat wird verdunstet und so an die Umgebung abgeführt. Welche Kühllösung sich am besten für welche Anwendung eignet, ist abhängig von den Anforderungen und Gegebenheiten vor Ort. Die Tabelle 1 zeigt eine einfache ordinale Bewertungsskala der verschiedenen Kühlkonzepte, die im Folgenden dargestellt werden.

Filterlüfter und Luft-/LuftWärmetauscher

Filterlüfter sind langfristig die 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 permanent die, womöglich verschmutzte, Umgebungsluft ansaugen, ist eine funktionierende Filtertechnik unerlässlich. Bei besonders anspruchsvollen Anwendungen kommen 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 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.

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