Kühlwasser im Schaltschrank

Kühlwasser im Schaltschrank

Noch in den 1990er-Jahren galt die Installation einer Wasserkühlung in Schaltanlagen und Schaltschränken eher als exotisch. Mittlerweile hat sich die Technologie bewährt. Flüssigkeitsbasierte Kühlsysteme bieten je nach Anwendung Vorteile gegenüber luftbasierten Lösungen.

Um die Wärmeenergie aus dem Schaltschrank abzuführen, stehen verschiedene Konzepte zur Verfügung. Neben der klassischen Methode, mit Kompressorkühlgeräten gekühlte Luft als Medium einzusetzen, haben flüssigkeitsbasierte Kühlsysteme in den vergangenen Jahren immer mehr an Bedeutung gewonnen. Wasser hat als Kühlmedium Vorteile: Die Wärmekapazität pro Volumeneinheit ist deutlich höher, so dass sich auch große Wärmemengen problemlos abführen lassen. Wenn Kühlwasser beispielsweise in einer Produktionsanlage zentral zur Verfügung steht, lassen sich Schaltanlagen direkt an den existierenden Kühlwasserkreislauf anschließen. Benötigt werden dann nur noch Luft-Wasser-Wärmetauscher für die jeweiligen Schaltschränke. Eine zentrale Bereitstellung des Kühlwassers ist in den meisten Fällen deutlich effizienter als die Verwendung einzelner Kühlgeräte. Für den Fall, dass kein externes Kühlwasser zur Verfügung steht, können separate Rückkühlanlagen eingesetzt werden. Durch die Verwendung nur eines Kompressors und einer Pumpe lässt sich je nach Anwendung eine beträchtliche Menge Energie einsparen. Zusätzlich verringert sich der Wartungsaufwand. Rückkühlanlagen lassen sich sowohl alleinstehend für die Prozess- und Maschinenkühlung als auch in Kombination mit Luft-Wasser-Wärmetauschern bei der Schaltschrankklimatisierung einsetzen. Ebenso finden sie im IT-Bereich zur rackbasierten Server-Kühlung Anwendung. Nachteilig war bislang, dass Rückkühlanlagen nicht in vollem Leistungsumfang standardisiert zur Verfügung standen, sondern überwiegend kundenindividuell gefertigt wurden.

Modulares Konzept mit wenigen Komponenten

Einen neuen Ansatz verfolgt Rittal mit seiner Rückkühlerserie TopTherm Chiller. Hierbei wurde die Modulbauweise mit nur wenigen Komponenten in den Vordergrund gestellt: Basismodul ist das TS8-Schaltschranksystem. Hinzu kommen Wasser- und Kältemodul sowie ein Elektromodul mit integrierter Steuerung. Das Wassermodul als offenes System besteht aus Tank , Pumpe und Regelungstechnik. Das Kältemodul setzt sich aus Kompressor, Verflüssiger und Verdampfer zusammen. Beide werden separat voneinander vorgefertigt.Für den Kunden bedeutet dies geringere Kosten und kürzere Lieferzeiten. Auch das Ersatzteilmanagement wird einfacher, da der Service aufgrund weniger standardisierter Komponenten beim Endkunden deutlich schneller reagieren kann. Bei einem Defekt muss nur das entsprechende Modul ausgetauscht werden. Die Auslegung von Rückkühlanlagen orientiert sich im Wesentlichen an den geforderten Kälteleistungen und den Randbedingungen am Aufstellort. Das Gehäuse der TopTherm-Chiller ist in zwei Basisbreiten erhältlich, mit 800 und 1200mm. Höhe und Tiefe sind mit 2000 und 800mm immer gleich. 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 32 beziehungsweise 40kW möglich (2x16 und 2x20kW). Damit stehen dem Betreiber mit zwei Baugrößen sieben unterschiedliche Kälteleistungen zur Verfügung.

Mehr Flexibilität bei der Luftführung

Ziel ist insgesamt, die Lieferzeiten zu reduzieren und die Anforderungen der Kunden aufgrund der Flexibilität trotzdem abdecken zu können. Benötigt der Anwender bei gleicher Leistung eine größere Pumpe, so wird anstelle einer Pumpe von 2,5 bar eine entsprechend größere mit 4,5bar eingesetzt. Und wenn zusätzlich ein präziserer Temperaturwert verlangt wird, steht optional ein Kältemodul mit einer Heißgas-Bypassregelung für eine Genauigkeit von ±0,5°C zur Verfügung. Ähnlich ist es, wenn eine Steuerspannung 24 VDCverlangt wird. Hierzu stehen ebenfalls entsprechende Module optional zur Verfügung. Mehr Flexibilität bezieht sich auch auf die Luftführung. Die Luftansaugung kann nicht nur in der Rückwand, sondern auch als Option seitlich bestellt werden. Der Luftaustritt befindet sich oben. Zu den serienmäßig integrierten Funktionen und Komponenten gehört beispielsweise der Wasserbypass, der die Pumpe schützt, falls der Verbraucherkreislauf abgesperrt wird. Weitere Serienkomponenten sind der Strömungswächter und eine bifrequente Ausführung mit 400V/50Hz und 460V/60Hz – eine wichtige Voraussetzung für den weltweiten Einsatz. Bei der ebenfalls integrierten Temperaturregelung hat der Anwender zwei Möglichkeiten: Er kann entweder einen festen Temperaturwert einstellen oder auf die Regelung hinsichtlich eines Referenzwertes umschalten. In der Rückkühlanlage wird auch ein neues Kältemittel eingesetzt. Dieses zweikomponentige Medium mit der Bezeichnung R410A kann im Vergleich zu anderen Mischungen aufgrund der höheren Wärmekapazität deutlich mehr Wärme bei kleinerem Volumen transportieren. Damit fällt auch der Kompressor etwas kleiner aus.

Eco-Mode-Steuerung spart Energie

Um die Kühlleistung der Rückkühlanlagen entsprechenden Schaltschränken zur Verfügung zu stellen, sind Luft-Wasser-Wärmetauscher in den einzelnen Schaltschränken einfach an den Kühlwasserkreislauf anzuschließen. Mit Durchflussreglern und Ventilen ist sichergestellt, dass jeder Schaltschrank mit einer ausreichenden Menge Kühlwasser versorgt wird. Für erhöhte Sicherheit sorgen Leckagesensoren, die Fehlermeldungen im Display anzeigen, an entsprechende Überwachungseinheiten weiterleiten und Magnetventile schließen. Um die Energieeffizienz des gesamten Kühlsystems weiter zu erhöhen, hat Rittal die aktuellen Luft-Wasser-Wärmetauscher weiterentwickelt. Sämtliche Komponenten wurden auf hohe Energieeffizienz getrimmt. Bei den Comfort-Geräten mit Kühlleistungen von 500 bis 5.000 W wird eine neue Regelung eingesetzt. Diese schaltet den Lüfter bedarfsgerecht in Abhängigkeit von der Temperatur im Schaltschrank aus oder an. Die neuen Geräte mit dieser Eco-Mode-Regelung haben standardmäßig einen Türendschalter, der den Lüfter ausschaltet, sobald die Schaltschranktür geöffnet wird. Ferndiagnose und ein Master-Slave-Betrieb mehrerer Luft-Wasser-Wärmetauscher sind nun ebenfalls möglich. Damit kann beispielsweise dafür gesorgt werden, dass die Kühlung in einer ganzen Schaltschrankreihe möglichst effizient abläuft. Außerdem lassen sich alle Lüfter gleichzeitig abschalten, wenn eine Tür in der Schaltschrankreihe geöffnet wird.