Energieeffizient runterkühlen

Titel

Kühlgeräte – Dass auch in bewährter Technik wie der Schaltschrank-Klimatisierung noch Innovationspotenzial steckt, beweist Rittal mit flüssigkeitsbasierten Kühlsystemen, die deutlich energieeffizienter sind.

26. September 2011

Eine Klimatisierungslösung muss die entstehende Wärme aus dem Schaltschrank zuverlässig abtransportieren, um zu vermeiden, dass die installierten Komponenten sich zu stark erhitzen und dadurch Schaden nehmen. Auch beim Wärmeabtransport spielt die Physik wieder eine entscheidende Rolle. Wärme lässt sich prinzipiell mit drei verschiedenen Mechanismen transportieren: Wärmestrahlung, Wärmeleitung und Konvektion. Bei der Klimatisierung geht es darum, diese drei Prozesse möglichst geschickt zu kombinieren, um einen effizienten Wärmetransport zu gewährleisten.

Innerhalb des Schaltschranks geben die installierten Komponenten die Wärme zunächst an die Luft ab. Im einfachsten Fall transportieren Lüfter die warme Luft nach außen und saugen kühlere Luft aus der Umgebung an. Dies funktioniert aber nur, wenn die Umgebungsluft kühl genug und die Verlustleistung im Schaltschrank gleichzeitig nicht zu groß ist. Ist eine höhere Kühlleistung notwendig, so muss eine aktive Klimatisierung die Luft abkühlen. Zum Einsatz kommt dazu beispielsweise ein Kompressorkühlgerät, das auf oder an dem Schaltschrank montiert ist. Die Wärmeenergie der Luft wird dabei an das Kältemittel des Kühlgeräts abgegeben, das diese abtransportiert. Diese Schaltschrankkühlgeräte waren seit den 1980er Jahren Stand der Technik und werden auch heute noch sehr häufig eingesetzt.

Eine alternative Möglichkeit, kühle Luft für den Schaltschrank zur Verfügung zu stellen, ist der Einsatz von Wasser als Kühlmedium. Die Luft im Schaltschrank gibt dabei die Wärme nicht mehr direkt an das Schaltschrankkühlgerät ab, sondern über einen Luft-Wasser-Wärmetauscher an einen Kühlwasserkreislauf. Einer der Vorteile dieses Konzepts liegt in den physikalischen Eigenschaften von Wasser: Aufgrund der hohen Wärmekapazität lassen sich deutlich höhere Wärmemengen transportieren als mit dem Medium Luft. Bei typischen Temperaturen und Strömungsgeschwindigkeiten lässt sich die gleiche Wärmeenergie durch eine Kühlwasserleitung transportieren, die nur ein Dreißigstel des Querschnitts eines entsprechenden Lüftungsrohrs hat. Aus diesem Grund hat sich Wasser als Kühlmedium in der IT-Welt schon seit längerem durchgesetzt. Leistungsfähige Serverschränke erzeugen teilweise Wärmeleistungen im zweistelligen kW-Bereich. Eine so hohe Leistung lässt sich allein mit Luftkühlung nicht mehr effizient abführen.

Zentralkühlung hat Vorteile

Wasser als Kühlmedium hat auch mit Blick auf die Energieeffizienz Vorteile. Ideal ist es natürlich, wenn in einer industriellen Anwendung Kühlwasser schon für den Produktionsprozess zur Verfügung steht. In diesem Fall lassen sich die Luft-Wasser-Wärmetauscher in den Schaltschränken einfach an den bestehenden Kühlwasserkreislauf anschließen. Eine zentrale Bereitstellung von Kühlwasser ist in vielen Fällen auch dann die effizientere Lösung, wenn das Kühlwasser ausschließlich für die Schaltschrankklimatisierung benötigt wird. Gerade bei größeren Schaltanlagen lassen sich sogenannte Chiller einsetzen, die mit einem zentralen Kompressorkühlgerät das Wasser kühlen und anschließend an die verschiedenen Schaltschränke verteilen.

Der Gehäusespezialist Rittal aus Herborn hat die Kosten für beide Varianten – zentrale Rückkühlanlage und Schaltschrankkühlgeräte – miteinander verglichen. Dabei wurden sowohl die Investitionen als auch die Betriebskosten berücksichtigt. Für das Beispiel wurde eine typische Schaltanlage mit 16 TS-8-Schaltschränken angenommen. Die Investitionskosten für die Klimatisierungskomponenten sind für beide Varianten mit etwa 18.000 Euro fast gleich. Bei der Berechnung der Energiekosten zeigt sich dagegen ein gravierender Unterschied zwischen den beiden Varianten: Während die Energiekosten für die Variante mit einzelnen Kühlgeräten fast 5.400 Euro betragen, liegen diese für die Variante mit dem TopTherm Chiller bei nur 3.200 Euro. Die Einsparungen im ersten Jahr inklusive der Investitionskosten betragen bereits fünf Prozent; legt man nur die reinen Energiekosten zugrunde, beträgt die Einsparung sogar fast 40 Prozent. Kosten für Service und Wartungsarbeiten sind dabei noch nicht berücksichtigt. Auch hier macht sich die zentrale Versorgung mit Kühlwasser bemerkbar, schließlich muss beim Einsatz des Top Therm Chiller nur ein Kompressor und eine Kühlwasserpumpe gewartet werden.

Auch bei der »klassischen« Lösung des Schaltschrankkühlgeräts lassen sich Ener-gieeinsparungen realisieren. In der Vergangenheit wurden diese überwiegend auf hohe Kühlleistung bei gleichzeitig kompakter Baugröße getrimmt. Rittal hat in den vergangenen Jahren zudem verstärkt in die Forschung und Entwicklung von energiesparenden Kühlgeräten investiert. Bei der Weiterentwicklung von Schaltschrankkühlgeräten legte man in erster Linie Wert auf energie- und leistungsoptimierte Kältekompressoren, die so ausgelegt sind, dass sie im optimalen Betriebspunkt arbeiten. Neben den Kältekompressoren wurden weitere Komponenten optimiert. So liefern elektronisch kommutierte Lüftermotoren, die jetzt zum Einsatz kommen, einen hohen Wirkungsgrad im gesamten Drehzahlbereich.

Auch an der Geometrie des kältetechnischen Aufbaus hat man gearbeitet. Dazu wurden Verflüssiger, Verdampfer, Kühllamellen, Wärmetauscherflächen, Rohrbögen und alle weiteren Kältekomponenten systematisch analysiert und in Richtung Leistungssteigerung angepasst. Als weiterer wesentlicher Schritt sind die Kältemittelmengen und die Regelelektronik ideal ausgelegt: Sie entsprechen exakt der Anwendung und den kältetechnischen Anforderungen an das Gerät und steigern damit ebenfalls die Effizienz des Kühlsystems. Das Ergebnis der Entwicklungsarbeit bei Rittal sind die Energiespar-Kühlgeräte der »Bluee«-Generation mit Kühlleistungen von 500 Watt bis vier Kilowatt. Die Kühlgeräte zeichnen sich durch den besonders effizienten Umgang mit elektrischer Primärenergie und einer damit verbundenen hohen Wirtschaftlichkeit aus. Die Kühlgeräte, die für den Wandanbau und den Dachaufbau erhältlich sind, sparen rechnerisch bis zu 45 Prozent elektrischer Primärenergie gegenüber herkömmlichen Kühlgeräten ein.

Intelligente Lüfterregelung

Optimierungspotenzial liegt auch in der Regelungstechnik verborgen. Eine neue intelligente Regelung (Eco-Mode) sorgt beispielsweise bei »Blue e«-Kühlgeräten und Wärmetauschern dafür, dass der Lüfter nur bedarfsgerecht in Abhängigkeit von der Temperatur im Schaltschrank läuft. Liegt diese um 10 Grad Celsius unter der eingestellten Temperatur, stoppt die Regelung den Lüfter. Um die effektive Schaltschrank-Innentemperatur zu messen, schaltet die Regelung den Lüfter alle zehn Minuten für 30 Sekunden ein und gewährleistet so eine Zirkulation der Luft im Schaltschrank. Auch wenn die Schaltschranktür offen steht, stoppt die Regelung den Lüfter, damit nicht unnötig Energie verschwendet wird.

Die optimierten Kühlgeräte haben bereits im Routinebetrieb ihre Leistungsfähigkeit und Energieeffizienz demonstriert. Ein deutscher Automobilhersteller hat die Rittal-Kühlgeräte der »Blue e«-Generation im Rahmen eines Pilotprojekts in einem Presswerk eingesetzt. Über eine Gesamtdauer von 45 Wochen haben sich die Geräte im täglichen Einsatz unter den rauen Umgebungsbedingungen bewährt. Eindrucksvoll war dabei die sehr hohe Energieeffizienz: Während des Pilotbetriebs lag der Verbrauch an elektrischer Primärenergie für die Kühlgeräte um bis zu 70 Prozent unter dem, der mit herkömmlichen Geräten benötigt wurde. Umgerechnet ließen sich damit die Energiekosten für die Kühlung um mehr als 100 Euro pro Schaltschrank reduzieren.

Die Automobilindustrie hat sich in der Vergangenheit stets als Treiber für Innovatio-nen erwiesen. Dies gilt nicht nur für die Technologien rund ums schnelle und Treibstoff sparende Fahren selbst, sondern auch für die Produktionstechnik. So haben sich über 60 Automobilhersteller, Ausrüster und Zulieferer in Deutschland zur Innovationsallianz »Green Carbody Technologies« zusammengeschlossen. Sie soll neue Technologien, Verfahrensabläufe und Werkzeuge für die Karosseriefertigung erarbeiten. Ziel der vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderten Initiative ist es, bis zu 50 Prozent Energie im Produktionsprozess einzusparen. Koordiniert wird sie von der Volkswagen AG und dem Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik. Rittal erforscht im Rahmen dieser Allianz, welche Kühlkonzepte in Abhängigkeit von bestimmten Umgebungsparametern ein Höchstmaß an Energieeffizienz ermöglichen. Ergebnisse werden für 2012 erwartet.

Eine ähnliche Zielrichtung verfolgt das vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie geförderte Projekt »Maxiem«, das den Energiebedarf von Werkzeugmaschinen senken will. Auch hier ist Rittal als Projektpartner mit seiner Expertise im Bereich Klimatisierung aktiv und erforscht, wie Rückkühler noch effizienter betrieben werden können.

Neue Konzepte

Forschung und Industrie tüftlen weiter an neuen Konzepten zur energiesparenden Kälteerzeugung. So hat Rittal mit dem Schwesterunternehmen Würz Energy auf der Hannover Messe ein autarkes Rechenzentrum vorgestellt, das seine elektrische Energie von zwei redundant aufgebauten Blockheizkraftwerken (BHKW) bezieht. Dabei wird die Abwärme der Kraftwerke zur Kühlung verwendet. Die dazu nötigen Kältemaschinen nutzen einen Adsorptionsprozess, bei dem durch die Anlagerung von Wassermolekülen an Oberflächen von Adsorbermaterialien gekühlt wird. Auf diese Weise lässt sich das Kühlwasser auf Vorlauf-Temperaturen zwischen vier und 20 Grad Celsius bringen. Das System ist sehr energieeffizient und vor allem flexibel einsetzbar: Bei kalten Außentemperaturen kann die Klimatisierung über freie Kühlung arbeiten, während die Abwärme der BHKW dann zum Heizen zur Verfügung steht.Auf einen Blick

-Die Nutzung von Wasser als Kühlmedium zur Schaltschrankkühlung ermöglicht die effiziente Abfuhr der Wärme aus dem Schaltschrank.

-Besonders wirkungsvoll sind hier Lösungen, bei denen das Kühlwasser zentral bereitgestellt wird.

-Bei luftgekühlten Schaltschränken ermöglicht zum Beispiel eine intelligente Steuerung des Lüftermotors weitere Energieeinsparungen.

Erschienen in Ausgabe: 01/2011