Wärmemanagement in Schaltschränken

Thermoelektrische versus Kompressions-Klimaanlagen

14. August 2017, 10:17 Uhr | Alfred Goldbacher

Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Stromversorgung eines TEM bzw. einer Kompressions-Klimaanlage

Thermoelektrische Systeme arbeiten mit Gleichstrom. Durch die Wahl einer Serien- oder Parallel-Konfiguration für den inneren Aufbau eines TEM können diese an einer Vielzahl von Gleichspannungen betrieben werden. Sehr häufig findet man 24 und 48 V(DC).  Da sie Gleichstrom brauchen, wird die Umwandlung von Wechsel- in Gleichstrom oft über ein Netzteil realisiert. 

Der Betrieb an Gleichstrom bietet verschiedene Vorteile gegenüber Wechselstrom. TEMs pumpen Wärme mit einer Rate, die proportional zur angelegten Spannung ist.  Wenn der Kühlungsbedarf niedrig ist, verbraucht das TEM deshalb auch weniger Energie, um die Temperatur im Sollbereich zu halten.  Wenn mehr gekühlt werden muss, verbraucht das TEM mehr Energie. Diese Art der Steuerung ermöglicht die effiziente Nutzung der Energie und verringert das Ein- und Ausschalten der Stromversorgung bei Ein-Aus- bzw. Zweipunktreglern. Darüber hinaus wird die Solltemperatur nicht mehr überschritten und eine genauere Temperaturregelung erreicht, da die TEMs in Abhängigkeit der Stromflussrichtung wärmen oder kühlen können.

Die unterschiedlichen Versorgungsnetze in den verschiedenen geografischen Regionen setzen voraus, dass die AC-Kompressoren und -Lüfter mit den entsprechenden Spannungen und Frequenzen laufen. Dadurch erhöht sich die Anzahl der Bauteile, die erforderlich sind, um jede Region zu unterstützen, und macht das Gerät anfällig für mögliche Brownouts (Spannungsabfall). Netzteile können allerdings an einem universellen Bereich von Eingangsspannungen und -frequenzen betrieben werden. So kann die Kühlanlage auch in geografischen Bereichen mit begrenzt zuverlässiger Stromversorgung funktionieren und den Betrieb eines TEM während eines Brownouts aufrecht erhalten.

Im Heizmodus verbraucht ein thermoelektrisches System weniger Strom als eine Kompressionsanlage.  Dadurch dass mit demselben thermoelektrischen Gerät gekühlt und geheizt werden kann, erfordert das TEM weniger Teile und verhindert schnelles Ein- und Ausschalten durch das thermische Überschwingen ‚konkurrierender‘ Kühl- und Heizkomponenten. Dies wird durch die Umkehr der Stromflussrichtung zum TEM erreicht. Das Endergebnis ist ein hoher Grad an Regelgenauigkeit, Energieeffizienz und Zuverlässigkeit. Eine Kompressionsanlage ist normalerweise mit einer separaten Heizkomponente ausgestattet, weil Kompressoren nicht in Umkehrrichtung betrieben werden können.

Herkömmliche Kompressionskälteanlagen werden normalerweise mit Wechselstrom versorgt. Die Kompressoren von heute sind effizienter als noch vor zehn Jahren. Im Dauerbetriebszustand bei maximaler Nennwärmelast können sie die energieeffizienteste Wahl sein. Unter diesen Bedingungen verbraucht eine gut ausgelegte Kompressionsanlage 30 % bis 35 % weniger Strom als ein gleichwertiges thermoelektrisches System.

Bei vielen Schaltschrankanwendungen, insbesondere bei solchen in abgesetzten und Außenumgebungen, herrschen Umgebungsbedingungen, die sich im Tages- und Jahresverlauf ständig verändern. Kompressionssysteme sind entweder ganz ein- oder ausgeschaltet, ohne einen Zustand dazwischen. Es gibt keine proportionale Regelung, weshalb immer die volle Spannung anliegen muss.  Darüber hinaus beträgt der Anlaufstrom bei einer Kompressionsanlage häufig das Dreifache des Stroms für den Dauerbetrieb – und dafür müssen die Schaltungen ausgelegt sein. Wenn man die Nichtproportionalität, die wiederholte EIN-AUS-Ansteuerung und die hohe Leistungsaufnahme beim Anlauf zusammennimmt, bleibt vom Effizienzgewinn im Dauerbetrieb nicht viel übrig.  

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  1. Thermoelektrische versus Kompressions-Klimaanlagen
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