Leistungsgeregelte Schaltschrankkühlung »Sechsmal effizienter als ein herkömmliches Kühlgerät«

Dr. Thomas Steffen, Geschäftsführer Forschung und Entwicklung, Rittal, Herborn
Dr. Thomas Steffen, Geschäftsführer Forschung und Entwicklung, Rittal, Herborn

In seiner neuen Schaltschrank-Kühlgeräteserie »Blue e+« reizt Rittal nicht nur die Möglichkeiten passiver Kühlung aus. Die Serie ist auch mehrspannungsfähig: praktisch alle weltweit üblichen Netzspannungen und Frequenzen können mit einem Gerät betrieben werden. Dr. Thomas Steffen, Geschäftsführer Forschung und Entwicklung erklärt die Verbesserungen für den Kunden.

Herr Dr. Steffen, Herzstück Ihres neuen Schaltschrank-Kühlgerätes Blue e+ ist ein patentiertes Hybridverfahren aus Heat Pipe und Kompressor. Wo genau liegen die Verbesserungen gegenüber bisherigen Marktstandards?

Dr. Thomas Steffen: Mit der neuen Produktlinie Blue e+ bringt Rittal die derzeit wirtschaftlichste Schaltschrank-Kühlgeräteserie auf den Markt. Das Herzstück der Weltneuheit ist die patentierte Integration einer Heat Pipe in den klassischen Kompressorkältekreislauf. Sie ermöglicht eine passive Kühlung von Schaltschränken.

Falls diese Kühlung nicht ausreichen sollte, verfügen die neuen Blue e+-Geräte zusätzlich über ein herkömmliches aktives Kühlsystem mit Kompressor. Dabei ist das aktive Kühlsystem stufenlos regelbar und lässt sich somit genau auf die individuellen Anforderungen einstellen.

Dieses Hybridsystem aus Heat Pipe und drehzahlgeregeltem Kompressor hat dabei einen enorm positiven Effekt auf den Energieverbrauch. Aktuelle Messungen bei Teststellungen in der Automobilindustrie wie etwa bei der Audi AG in Ingolstadt bestätigen Energieeinsparungen um bis zu 75 Prozent gegenüber bisherigen Rittal-Kühlgeräten.

Herkömmliche Kühlgeräte arbeiten gewöhnlich mit einer Zweipunktregelung, die den Kompressionskältekreislauf bei Bedarf an- und ausschalten. Das heißt: Das System kühlt so lange unter Volllast, bis die gewünschte Temperatur erreicht ist, und wird dann komplett ausgeschaltet.

Steigt die Temperatur erneut, muss der Motor unter höchster Leistung wieder anlaufen, was neben einem hohen Energieverbrauch auch eine enorme Belastung für Motor, Lüfter und sonstige Bauteile bedeutet. Zudem werden zu kühlende Schaltschrank-Komponenten dadurch einem permanenten thermischen Stress ausgesetzt.

In welchen Einsatzbereichen ist die größte Energieeinsparung zu erwarten?

Bei einem Delta T von nur 15°C zwischen Umgebungstemperatur und Schaltschranktemperatur sind die Geräte in der Lage, alleine über die Heat Pipe circa 60 % der Wärmelast passiv abzuführen.  Da Schaltschrankkühlgeräte überwiegend nur im Teillastbetrieb arbeiten, können somit die meisten Schaltschränke auch bei einem kleinere Delta T mit sehr geringem Energieaufwand gekühlt werden.

Wirkungsgrade zwischen 5-10 sind hier eher die Regel als die Ausnahme.  Bei 15 % Last arbeitet das Blue e+ Gerät passiv, also im reinen Heat-Pipe-Modus. Damit ist es sechsmal effizienter als ein herkömmliches Kühlgerät.

Bei 65 % Auslastung arbeiten beide Systeme miteinander, das Gerät ist dann immer noch rund viermal effizienter als ein herkömmliches. Selbst bei Volllast und einem Delta T von 0°C ergibt sich immer noch ein Effizienzvorteil gegenüber herkömmlichen Kühlgeräten.

Durch den Einsatz von drehzahlgeregelten DC-Motoren sowohl bei den Lüftern als auch beim Kompressor wird die Kühlleistung dem aktuellen Bedarf angepasst, sodass auch die Energieeffizienz der reinen Kompressor-Kühlung gesteigert werden konnte. Ihr Wirkungsgrad steigt gegenüber den modernsten bisherigen Systemen je nach Gerätetyp noch einmal um 7 - 30 %.

Wo lag der größte Hebel für den Effizienzsprung?

Die Kunst liegt in der richtigen Regelstrategie und -technik für den Hybridbetrieb. Diese ist auch entscheidend für die hohe Energieeinsparung.

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 auch die Lebensdauer des Kompressors verlängern, denn diese hängt in erster Linie von der Anzahl der Einschaltvorgänge ab.  

Erste Ergebnisse bei Ihrem Testkunden Audi haben eine Energieeinsparung bis zu 75 Prozent gegenüber älteren Rittal-Geräten ergeben. Wie sähe der Vergleich mit Geräten anderer Herstellern aus?

Da die bisherigen Kühlgeräte der Serie Rittal TopTherm Blue e bislang zu den effizientesten Geräten im Markt zählten, liegen die Energieeinsparungen der neuen Blue e+ Geräte im Vergleich zu Wettbewerbsgeräten noch drüber.

Wann lohnt sich der Austausch von Altgeräten?

Über unseren neuen Energie-Effizienz-Rechner auf der Rittal Website lässt sich sehr schnell errechnen, wie viel Energie sich durch die neuen Kühlgeräte einsparen lässt.

In der Regel haben sich in einem Zeitraum von wenigen Monaten die Neugeräte amortisiert.

Da sich die Preise gegenüber bisherigen je nach Geräten nicht oder nur wenig ändern, ergibt sich durch die Energieeinsparung für Kunden ein Gesamtkostenvorteil, sodass wir mit einer raschen Ablösung der bisherigen Serien beim Bau neuer Maschinen und Anlagen rechnen, teilweise sogar mit einem Austausch bereits im Feld befindlicher Geräte.

Sie bieten für Blue e+ auch eine App an, mit der mobil mit dem Gerät kommuniziert werden kann, via NFC. Warum Echtzeitanbindung?

Um mit übergeordneten Systemen zu kommunizieren, stehen bei den Geräten der Serie Blue e+ mehrere Möglichkeiten zur Auswahl. Neu ist eine NFC-Anbindung (Near Field Communication), mit der sich die wichtigsten Daten mit einem Smartphone übertragen las-sen. Ideal geeignet ist diese Möglichkeit, um mit der passenden Smartphone-App Set-up-Daten an eine ganze Reihe von Kühlgeräten zu übertragen.

Gleichzeitig lassen sich auch Auswertungen – zum Beispiel aus der Temperaturregelung – ganz einfach auf dem Smartphone visualisieren und speichern. Über die integrierte USB-Schnittstelle lässt sich ein PC anschließen, auf dem in der Diagnosesoftware RiDiag alle Daten aus dem Kühlgerät ausführlich dargestellt und ausgewertet werden können.

Mit einem optionalen Add-on-Modul ist auch die Echtzeitanbindung beispielsweise an eine SPS möglich. Als Protokolle stehen dazu CAN und Ethernet/Profinet zur Verfügung. Gerade im Umfeld der Diskussionen zum Thema Industrie 4.0 ist solch eine Echtzeitanbindung von großer Bedeutung. 

Blue e+ ist mehrspannungsfähig von 110 V einphasig bis 480 V dreiphasig bei Netzfrequenzen von 50 oder 60 Hz. War das eine Kundenanforderung, auf die sie reagiert haben?

Die Basis für die Erstellung des Lastenheftes und somit entscheidend für die Entwicklung der neuen Geräte war eine weltweit durchgeführte Kundenbefragung. Wir haben dabei die zukünftigen Anforderungen an Kühlgeräte bei insgesamt 64 Kunden aus Nord- und Südamerika, Asien und Europa aus allen wichtigen Branchen analysiert.

Das Ergebnis: Neben Energieeffizienz, einfacher Bedienung und Montage gehörte die Mehrspannungsfähigkeit zu den wichtigsten Anforderungen. So sind jetzt sämtliche Blue e+ Geräte mehrspannungsfähig und können mit praktisch allen weltweit üblichen Netzspannungen und Frequenzen betrieben werden.

Der mögliche Eingangsspannungsbereich geht von 110 V (einphasig) bis 480 V (dreiphasig) bei Netzfrequenzen von 50 Hz oder 60 Hz. Möglich wird diese Mehrspannungsfähigkeit durch die eingesetzte Inverter-Technologie. Der große Vorteil, der insbesondere bei Maschinenbauern von Interesse ist, die ihre Maschinen weltweit vertreiben, ist der geringere Logistikaufwand. Das Kühlgerät ist immer das gleiche, egal ob die Maschine nach Japan, in die USA oder innerhalb Europas ausgeliefert werden soll.

Außerdem erhalten alle neuen Kühlgeräte ein UL-Listing, was die Abnahme einer Maschine auf dem US-amerikanischen Markt deutlich vereinfacht.

Wie wird der Markt das neue Produkt annehmen? Spielt Energieeffizienz inzwischen dieselbe Rolle wie Verfügbarkeit?

Die Reaktionen auf unsere Weltneuheit waren auf der Hannover Messe sehr positiv. Auch das Echo aus bislang zahlreichen Teststellungen in der Automobilindustrie und im Maschinenbau zeigt das hohe Interesse an unserer Neuentwicklung.

Energieeffizienz und Verfügbarkeit zählen auch weiterhin zu den Topthemen der Industrie.