Schaltschrank-Klimatisierung Effizienz neu definiert

Kühlgerätegeneration Blue e+ liefert auf Hybridverfahren überraschend positive Ergebnisse.
Kühlgerätegeneration Blue e+ liefert auf Hybridverfahren überraschend positive Ergebnisse.

Unter dem Namen Blue e+ bringt Rittal eine neue Kühlgerätegeneration auf den Markt. Der Schaltschrankanbieter setzt hier erstmals auf ein patentiertes Hybridverfahren, und erste Teststellungen bei Audi und Philip Morris liefern überraschend ­positive Ergebnisse.

Seit Januar 2015 befindet sich ein Testgerät der Serie Blue e+ von Rittal im Leistungscheck in der Endkontrolle des Ingolstädter Autobauers. Damit einher geht eine Vergleichsmessung der Neuentwicklung mit zwei weiteren Kühlgeräten aus selbem Hause, wobei die Teststellung jeweils an drei Schaltschränken erfolgt. Verglichen wird Blue e+ mit einem Kühlgerät der aktuellen Serie TopTherm Blue e und einem älteren Kühlgerät. Die Teststellung soll über ein Jahr laufen.

Bereits jetzt bestätigen die ersten Ergebnisse des Feldtests exakt die Leistungsmessungen, die im Vorfeld von der firmeneigenen Entwicklungsabteilung durchgeführt worden waren. Lob kommt auch von Seiten des Kfz-Herstellers: „Im direkten Vergleich mit dem aktuellen TopTherm-Blue-e-Kühlgerät von Rittal und unter gleichen Bedingungen haben wir mit dem neuen Blue-e+-Gerät bisher 75 Prozent Energieeinsparung bei der Kühlung der Produktionssteuerung erzielen können“, erklärt Andreas Korn, Dipl.-Wirtschaftsingenieur (FH), Planung Automatisierungstechnik Ingolstadt bei der Audi AG.

Heat Pipe und Kompressor ­kombiniert

Hauptgrund für die hohe Energieeffizienz der neuen Kühlgeräte-Generation ist ein erstmals eingesetztes, patentiertes Hybridverfahren. Dieses arbeitet mit einer Kombination aus einem klassischen Kompressor-Kühlgerät und einer Heat Pipe (Bild 1). Letztere basiert auf der Verdampfung eines Arbeitsmediums in einem evakuierten Rohr. Der Transport des Dampfes einerseits und der kondensierten Flüssigkeit andererseits geschieht ohne aktive Komponenten und basiert rein auf physikalischen Prinzipien wie Schwerkraft und Kapillarkräften. Da weder ein Kompressor noch eine Pumpe notwendig sind, beschränkt sich der Energiebedarf des Moduls auf die Lüfter. Eine Heat Pipe ist besonders dann interessant, wenn eine Temperaturdifferenz zwischen Schaltschrank-Innenraum und Umgebung besteht. Beispielsweise kann das neue Kühlgerät mit einer Kühlleistung von 1,5 kW alleine 900 W Kühlleistung mit der Heatpipe bereitstellen, wenn die eingestellte Schaltschrank-Innentemperatur 35 °C beträgt und die Außentemperatur bei 20 °C liegt. Besonders eindrucksvoll kann die hohe Energieeffizienz mit der sogenannten Seasonal Energy Efficiency Ratio beschrieben werden.

Dabei wird die Energy Efficiency Ratio (EER), die als Quotient aus bereitgestellter Kühlleistung und eingesetzter elektrischer Leistung definiert ist, dahingehend erweitert, dass die Umgebungsbedingungen mit einbezogen werden. Liegt die herkömmliche EER bei effizienten Kühlgeräten wie denen von Rittal bei etwa 2, so kann die Seasonal EER zum Beispiel in Mitteleuropa bei Werten von mehr als 10 liegen. Hintergrund dieser hohen Effizienz ist die Tatsache, dass die Spitzenkühlleistung eines Kühlgeräts nur an wenigen Tagen im Jahr benötigt wird. Oftmals wird also die Kühlleistung der Heat Pipe schon ausreichen, sodass der Bedarf an elektrischer Energie sehr gering ist. Des Weiteren fällt die Energieeffizienz der reinen Kompressor-Kühlung innerhalb der neuen Geräteserie sehr hoch aus. Zum Einsatz kommen DC-Motoren sowohl bei den Lüftern als auch beim Kompressor. Mit der Inverter-Technologie, bei der über eine Spannungsregelung die Drehzahl von Kompressor und Lüfter eingestellt werden kann, lässt sich exakt die Kühlleistung zur Verfügung stellen, die aktuell benötigt wird. Der Energiebedarf sinkt dadurch gegenüber einer herkömmlichen Lösung deutlich. Zusammen mit der Hybridtechnologie führt das dazu, dass die EER der neuen Kühlgerätegeneration bei etwa 5 liegen wird. Die sehr hohe Energieeffizienz ist besonders für den Endanwender von Interesse. Die Investition in ein solch energieeffizientes Kühlgerät amortisiert sich innerhalb weniger Monate durch die eingesparten Kosten für elektrische Energie. Das Blue-e+-Gerät ist bei Teillast von 15 Prozent im reinen Heat-Pipe-Modus sechs Mal effizienter als ein herkömmliches Gerät. Bei Teillast von 65 Prozent arbeiten beide Systeme im Hybrid-Modus viermal effizienter als herkömmliche Geräte.

Verbesserte Lebensdauer-­Kennwerte

Die Regelungstechnik in den neuen Kühlgeräten wurde einer grundlegenden Überarbeitung unterzogen. Durch die drehzahlvariablen Antriebe der Lüfter und des Kompressors lassen sich moderne Regelungsstrategien realisieren, die im Vergleich zur klassischen Zwei-Punkt-Regelung deutlich effizienter sind. Wenn die vorgegebene Schaltschrank-Innentemperatur erreicht ist, verringert der Inverter automatisch die Drehzahl des Kompressors und senkt damit die Kühlleistung. Die Regelelektronik misst ständig, wie viel Kühlleistung zur Verfügung gestellt werden muss, und kann dadurch das System auf einen optimalen Wert regeln. Mit dieser leistungsgeregelten Kühlung lässt sich nicht nur Energie sparen – auch die Lebensdauer des Kompressors wird länger, denn diese hängt in erster Linie von der Anzahl der Einschaltvorgänge ab. Mit der Drehzahlregelung werden diese sehr selten, sodass der Verschleiß minimiert wird. Auch für die Komponenten im Schaltschrank bringt diese Regelung , bei der die Temperatur konstant gehalten wird, Verbesserungen mit sich. Die ständigen Temperaturschwankungen bei der klassischen Zwei-Punkt-Regelung verursachen nämlich thermischen Stress in den Komponenten, der bei der modernen Regelung entfällt. Dadurch steigt auch die Lebensdauer der verbauten Komponenten.

Dies ist etwa im Maschinenbau eine der wichtigsten Anforderungen. Mit Blue e+ lassen sich, wie aktuelle Messungen bei der Kapp Werkzeugmaschinen GmbH zeigen, jetzt thermische Belastungen durch Temperaturschwankungen um 95 Prozent gegenüber herkömmlich geregelten Kühlgeräten reduzieren. „Dieses Ergebnis hat mich wirklich überrascht und auch beeindruckt. Mit der Temperaturgenauigkeit der neuen Blue-e+-Kühlgeräte können wir den thermischen Stress für unsere Steuerungen signifikant senken und erhöhen damit automatisch die Lebensdauer unserer Anlagen. Ein absolutes Plus für uns im Maschinenbau“, sagt Alfred Tenner, Leiter der Abteilung Messen, Steuern, Regeln bei Kapp.