Stromdiät für Schaltschränke Neuheiten rund um die System-Klimatisierung

Quer durch alle Branchen der Industrie werden enorme Anstrengungen unternommen, um den Energieverbrauch von Maschinen und Anlagen zu senken. Angefangen vom kleinen Elektromotor bis hin zu großen Anlagen im Megawatt-Bereich. Ein Beispiel, bei dem trotz der in den letzten Jahren erzielten Verbesserungen weitere Einsparungen möglich sind, ist die Kühlung von Schaltschränken und Schaltanlagen. Hier hat Rittal mit seinen vor Kurzem vorgestellten Energiespar-Kühlgeräten der \’Blue e\‘- Generation einen neuen Standard geschaffen. Die Abmessungen und auch das äußere Erscheinungsbild entsprechen zwar den ohnehin schon effizienten \’TopTherm\‘-Kühlgeräten – übertreffen diese in Bezug auf einen niedrigen Energieverbrauch aber bei weitem. So konnte beispielsweise die Kälteleistungszahl (COP, Coefficient of Performance) bei 1.000W Geräten um 42% von 1,2 auf 1,7 angehoben werden. Die neue Großserie, die je nach Anwendung eine Energieeinsparung von bis zu 45% – im Idealfall auch mehr – ermöglicht, ist für einen Leistungsbereich von 500 bis 4.000W konzipiert. Ihr hohes Effizienzpotenzial haben die \’Blue e\‘-Kühlgeräte bereits in Pilotanwendungen in der Automobilindustrie unter Beweis gestellt. Pilotanwendung bei Daimler Die Daimler AG in Sindelfingen prüfte etwa die neuen Energiespar-Kühlgeräte über elf Monate. Direkt verglichen wurde ein Kühlgerät der \’Blue e\‘-Generation mit einem \’TopTherm Plus\‘ Standard-Kühlgerät von Rittal mit jeweils 1.000W Kühlleistung. Beide kamen unter realistischen Bedingungen zur Kühlung der Steuerungselektronik von Förderbändern im Presswerk zum Einsatz. Zugrunde gelegt wurden dabei folgende Parameter: durchschnittliche Laufzeit unter Volllast zu 70%, durchschnittliche Laufzeit im Leerlauf zu 30%, Laufzeit 24 Stunden pro Tag an 310 Tagen im Jahr. Die Ergebnisse der Verbrauchsmessungen übertrafen die Werte der im Labor geprüften Geräte deutlich: Die \’TopTherm\‘- und Energiespar-Kühlgeräte unterschieden sich im Gesamtverbrauch, unter identischen Voraussetzungen, um 70%. Während erstere 1.169,6kWh Primärenergie verbrauchten, waren es bei den neuen Geräten lediglich 345,8kWh. Bei einem Großabnehmerarbeitspreis von 11,5 Cent pro kWh errechnen sich daraus mehr als 100 Euro Ersparnis pro Schrank und Jahr. In diesem Fall hätten sich die Mehrkosten für eine Neuinvestition bereits nach 1,5 Jahren amortisiert. Aufgrund der klaren Testergebnisse entschied sich die Daimler AG, den Austausch der alten Kühlgeräte gegen neue Kühlgeräte möglichst schnell auf den Weg zu bringen und alle Schaltanlagen im Presswerk bis 2012 umzurüsten. Der Automobilhersteller gab dabei über 250 Neugeräte in den Leistungsklassen von 500 bis 2.000W in Auftrag – noch bevor die Kühlgeräte komplett bei Rittal verfügbar waren. Die neuen Geräte zeichnet insgesamt der besonders effektive Umgang mit elektrischer Primärenergie und damit hohe Wirtschaftlichkeit aus. So liegt die Einsparung des Stromverbrauchs bei dem Austausch von 251 Geräten bei ca. 754.000kWh pro Jahr, das entspricht etwa 490 Tonnen CO2. Eine Vergleichsberechnung belegt, dass sich dadurch 116.000 Euro im Jahr an Betriebskosten einsparen lassen. Die Amortisationszeit der Anschaffungskosten aller Geräte liegt damit im Durchschnitt bei 2,2 Jahren. EC-Technologie und Eco-Mode-Steuerung Die von Rittal erreichte Verbesserung der Kälteleistung der \’Blue e\‘-Kühlgeräte resultiert aus dem optimierten Zusammenwirken einzelner Komponenten. Ein Punkt ist die Geometrie des kältetechnischen Aufbaus, also die Auslegung der Verflüssiger, Verdampfer, Kühllamellen und Rohrbögen. Ein weiterer ist die Optimierung der Lüftertechnik. Bei einem Großteil der Lüftermotoren kommt die EC (electronic commutation)-Technologie zum Einsatz. Diese als Außenläufer konzipierten Motoren besitzen einen dynamisch gewuchteten Rotor mit mehrpoligen Magneten sowie Hallsensoren zur Erfassung der Rotorlage. Motorversorgung und Regelung erfolgen über eine spezielle Betriebselektronik, die einen hohen Wirkungsgrad im gesamten Drehzahlbereich zur Verfügung stellen. Auch die neue Eco-Mode-Steuerung unterstützt das Kühlsystem beim Einsparen von Energie. Entsteht im Schaltschrank beispielsweise nicht permanent Verlustwärme, erfolgt automatisch die Abschaltung des Innenlüfters. Dabei schaltet die Steuerung den Lüfter bedarfsgerecht in Abhängigkeit von der Temperatur im Schaltschrank aus bzw. an. Liegt die Innentemperatur um 10°C unter der eingestellten Temperatur, schaltet der Lüfter ab. Um die effektive Schaltschrank-Innentemperatur zu messen, schaltet die Regelung den Lüfter alle zehn Minuten für 30 Sekunden ein und sorgt so für eine Zirkulation der Luft im Schaltschrank. Dieser Zyklus wiederholt sich so oft, bis wieder eine Innentemperatur erreicht ist, die um 5°C unter der Soll-Temperatur liegt. Der Lüfter läuft dann solange im Dauerbetrieb, bis wieder eine Innentemperatur um 10°C unter der Solltemperatur erreicht ist. Das Temperatur-Regelverhalten ist in nebenstehender Grafik beschrieben: Die neuen \’Blue e\‘-Kühlgeräte sind als Wandanbau- und Dachaufbaugeräte verfügbar. Varianten mit 1- und 3-phasigen Spannungsversorgungen sind ebenso erhältlich wie der Betrieb bei 50/60Hz. Filterlüfter mit neuer Leistungsklasse Dass auch in der klassischen Schaltschrank-Klimatisierung mit Filterlüftern ebenso Potenziale stecken, belegt der Hersteller mit einer neuen Leistungs-klasse seiner \’TopTherm\‘-Filterlüfter mit 900m³/h. Diese sind ebenfalls – wie bei den bereits oben erwähnten energiesparenden Lüftermotoren – mit EC-Technologie ausgestattet. Wie bei den aktuellen \’TopTherm\‘-Filterlüftern kommt auch hier die so genannte Diagonal-Lüftertechnik zum Einsatz. Diese Lüfter, die eine Synthese aus Radial- und Axiallüftern darstellen, zeichnen sich dadurch aus, dass die Ausblasrichtung nicht wie bisher in Achsrichtung des Lüfters, sondern diagonal nach außen weg verläuft. Dies begünstigt eine gleichmäßige Luftverteilung im Schaltschrank und vermeidet die Bildung von Wärmenestern. Neben der flachen Bauform sind die entscheidenden Vorteile die steilere Kennlinie und der höhere Drucksattel. Daraus resultieren eine verbesserte Druckstabilität und – im eingebauten Zustand unter Betriebsbedingungen – eine größere und konstantere Luftleistung über einen breiten Bereich. Ohne Leistungsverluste in Kauf nehmen zu müssen, ergeben sich so längere Standzeiten für die Filtermatten. Um eine erhöhte Sicherheit bei der Klimatisierung von Schaltschränken zu gewährleisten, lassen sich die neuen \’TopTherm\‘ Filterlüfter über ein als Zubehör erhältliches Eco-Steuergerät überwachen und regeln. Vorteil: Bei einem Lüfterdefekt wird über das Tacho-Signal des Lüfters aktiv eine Fehlermeldung ausgelöst. Somit kann frühzeitig reagiert werden – noch bevor die Innentemperatur im Schaltschrank ansteigt. Zudem lässt sich mit der temperaturabhängigen Drehzahlregelung bedarfsgerecht und damit energieeffizient klimatisieren. Effiziente Flüssigkeitskühlung Ebenso hat der Hersteller seine Luft-Wasser-Wärmetauscher, die im Schaltschrank die Wärmeenergie auf das Kühlwasser übertragen, weiterentwickelt. Highlight im Bezug auf Energieeffizienz ist hier ebenfalls die neue Eco-Mode Regelung, die Rittal bei den Komfortgeräten mit Kühlleistungen von 500 bis 5.000W jetzt einsetzt. Neben gesteigerter Energieeffizienz bieten die neuen Geräte auch Montagevorteile: Sie lassen sich in weniger als zwei Minuten an den Schaltschrank montieren. Die Wärmetauscher werden dabei durch einfaches Einrasten in die bereits angebrachten Befestigungen an Ort und Stelle gehalten. Lediglich zwei Schrauben sind nötig, um die Geräte sicher zu befestigen. Die Montage geschieht dabei komplett von außen, ohne dass der Monteur den Luft-Wasser-Wärmetauscher von innen fixieren muss. Die Wasseranschlüsse wurden ebenfalls verbessert. Neben dem Standard-Anschluss mit Flex-Schlauch und Steckverbinder bzw. -kupplung sind optional weitere Anschlussarten, wie Innengewinde, Schnellverschluss, Schlauchdirektanschluss oder Ermeto SV-System, erhältlich. Solche Vereinfachungen im Handling sparen bei der Inbetriebnahme und im laufenden Betrieb Zeit und damit Kosten. Um Kühlwasser für die Luft-Wasser Wärmetauscher in Anwendungen zur Verfügung zu stellen, in denen keine zentrale Versorgung in der Produktionsanlage vorhanden ist, bietet Rittal die neuen \’TopTherm\‘-Chiller an. Hierbei hat der Hersteller ganz konsequent die Modulbauweise mit nur wenigen Komponenten in den Vordergrund gestellt: Basismodul ist das TS 8 Schaltschranksystem. Hinzu kommen Wasser- und Kältemodul sowie ein Elektromodul mit integrierter Steuerung. Das Wassermodul besteht aus Tank (ist also ein offenes System), Pumpe und Regelungstechnik. Das Kältemodul setzt sich aus Kompressor, Verflüssiger und Verdampfer zusammen. Die Kältemodule im schmalen Gehäuse erreichen je nach Kompressor und Größe des Verflüssigers die Leistungen 8, 12 und 16kW, die im breiteren Gehäuse 20 und 25kW. Kombiniert man die Gehäuse, sind auch 32kW beziehungsweise 40kW möglich (2×16=32kW und 2×20=40kW). Damit stehen dem Betreiber mit zwei Baugrößen sieben unterschiedliche Kälteleistungen zur Verfügung. Fazit Von Kühlgeräten und Filterlüftern über Luft-Wasser-Wärmetauscher bis hin zu Chillern – die Entwicklungs- und Forschungsaktivitäten von Rittal haben immer ein Ziel: Der Energieverbrauch der Klimatisierungslösungen sollte so gering wie möglich sein. Die gesteigerte Energieeffizienz der neuen Lösungen führt dazu, dass sich Investitionen in moderne Geräte und Komponenten innerhalb sehr kurzer Zeit amortisieren. Kasten: Interview Die Redaktion des SPS-Magazins sprach mit Ralf Schneider, Leiter Business Development Climatisation, Rittal Herborn, über neuste Trends bei der Schaltschrank-Klimatisierung. SPS: Herr Schneider, Rittal hat zusätzlich zur neuen Kühlgerätegeneration \’Blue e\‘ sein Lösungsspektrum an flüssigkeitsbasierten Kühllösungen deutlich erweitert. Wie ist heute die Akzeptanz dieser Technologie in der Industrie? Schneider: In der Industrie erkennt man immer stärker die Vorteile flüssigkeitsbasierter Kühllösungen – gerade dann, wenn es um die Klimatisierung von großen Anlagen geht. Den Vorteil, den Wasser als Transportmedium bietet, ist die – im Vergleich zu Luft – deutlich höhere Wärmekapazität pro Volumeneinheit. Damit lässt sich die entstehende Wärmeenergie sehr effizient aus dem Schaltschrank abtransportieren. Bei größeren Schaltanlagen ist eine zentrale Bereitstellung von Kühlwasser in den meisten Fällen deutlich effizienter als die Verwendung einzelner Kühlgeräte. Denn durch den Einsatz nur eines einzelnen Kompressors und einer einzelnen Pumpe lässt sich je nach Anwendung eine beträchtliche Menge Energie einsparen – ebenso die Wartungskosten. Ein weiterer wichtiger Vorteil ist, dass die Kälteerzeugung durch Chiller außerhalb des Gebäudes – etwa in einem geschützten, sauberen Bereich – stattfinden kann und somit die Hallentemperatur nicht zusätzlich belastet wird. Mittlerweile berücksichtigen Industrieunternehmen beim Neubau ihrer Infrastruktur, dass von Anfang an entsprechende Voraussetzungen für flüssigkeitsbasierte Kühlprozesse geschaffen werden. SPS: Welche Kühlmittel gewährleisten die höchstmögliche Effizienz bei der Klimatisierung? Schneider: In der Regel kommt bei Chillern und Luft-Wasser-Wärmetauschern als Kühlmedium ein Wasser-Glykol-Gemisch zum Einsatz – aber auch die Verwendung von Öl ist denkbar. Allerdings verfügt ein Kühlmittel auf Wasserbasis über einen deutlich höheren Wirkungsgrad. Nachteilig ist, dass durch das offene System die Wasserstandsmenge regelmäßig überprüft und das richtige Mischungsverhältnis eingehalten werden muss. Bei Nichtbeachten können allerdings durch die Bildung von Algen und Bakterien Anlagenschäden entstehen. Die Verwendung von Öl bietet demgegenüber den Vorteil, dass das System deutlich wartungsärmer ist. Gemeinsam mit dem WZL Werkzeugmaschinenlabor der RWTH Aachen untersucht Rittal derzeit, bei welchen Anwendungen, welches Kühlmittel am effizientesten wirkt. SPS: Wo sehen Sie für die Zukunft noch weitere Energieeffizienzpotenziale bei der Schaltschrank-Klimatisierung? Schneider: Aktuelle Untersuchungen zeigen, dass deutliche Effizienzpotenziale in einer bedarfsgeregelten Steuerung durch intelligente Invertertechnik und Standby-Regelung liegen. Invertergeregelte Kompressoren liefern – im Verbund mit drehzahlgeregelten Verflüssigern, Lüftern und elektronischen Expansionsventilen – durch Anpassung der Motordrehzahl immer nur soviel Kühlleistung wie gerade gefordert ist. Zudem kann eine intelligente Standby-Regelung bei Nichtbedarf die Kühltechnik runterfahren. Die höchste Ausbaustufe wäre etwa eine intelligente Kommunikation zwischen Kühlsystem und der Steuerung von Maschinen. Dazu müssten allerdings entsprechende Schnittstellen vorhanden sein.