Klimawechsel mit Spareffekt

Ralf Schneider

In einem typischen Schaltschrank in der Industrie sind neben der Niederspannungsverteilung häufig auch Komponenten für die Antriebstechnik untergebracht. Moderne Frequenzumrichter, Servoverstärker oder Gleichrichter setzen einen Teil der zugeführten elektrischen Energie in Wärme um. Die hohe Integrationsdichte der Komponenten kann dabei zu Verlustleistungen führen, die leicht über 1 kW pro Schaltschrank liegen. Um diese in Wärme umgesetzte Verlustleistung abzuführen, sind Investitionen in energieeffiziente Kühlsysteme notwendig.

In den vergangenen Jahren hat Rittal verstärkt in die Forschung und Entwicklung von energiesparenden Kühlgeräten investiert. Dabei wurde besonders auf das optimale Zusammenwirken aller für die Kälteleistung verantwortlichen Komponenten geachtet. An erster Stelle stehen energie- und leistungsoptimierte Kältekompressoren, die spezifisch auf den bei der Anwendung gewünschten Betriebspunkt (Kühlleistung, Innen- und Außenkreislauf) eingestellt sind, da hier die Effizienz am höchsten ist.

Auch auf scheinbar unwesentliche Details wurde bei der Entwicklung geachtet: So kommen beispielsweise elektronisch kommutierte Lüftermotoren zum Einsatz, die mit einer elektronischen Regelung einen hohen Wirkungsgrad im gesamten Drehzahlbereich erreichen. Die Motoren haben einen dynamisch gewuchteten Rotor mit mehrpoligen Magneten. Die Rotorlage wird über Hallsensoren erfasst. Präzisionskugellager sorgen für eine hohe Lebensdauer und geringe Geräuschentwicklung. Auch die Geometrie des kältetechnischen Aufbaus ist optimiert. 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 Kühlgeräte der Serie Cool Efficiency mit Kühlleistungen von 500 W bis 4 kW. 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 % elektrischer Primärenergie gegenüber herkömmlichen Kühlgeräten ein.

Wenn eine Schaltanlage gleich mehrere Schaltschränke umfasst, sind zentrale Rückkühlanlagen eine Alternative, die ebenfalls zur Effizienzsteigerung beitragen können. Statt in jeden Schaltschrank ein eigenes Klimagerät einzubauen, werden Luft-Wasser-Wärmetauscher – wie sie Rittal beispielsweise für die TS-8-Schaltschrankserie anbietet – verwendet, die die Wärmeenergie auf einen Kühlwasserkreislauf übertragen. Steht in der Produktionsstätte eine zentrale Kühlwasserversorgung zur Verfügung, können so die einzelnen Kompressorkühlgeräte eingespart werden. Dies ist sowohl mit einer Reduktion der Investitionskosten als auch mit niedrigeren Betriebskosten verbunden. Interessant ist hierbei auch die Möglichkeit, die Wärme des Kühlwassers an anderer Stelle zum Heizen zu verwenden.

Für den Fall, dass kein externes Kühlwasser zur Verfügung steht, stehen Rückkühlanlagen – wie die neu entwickelten TopTherm Chiller – zur Verfügung. Diese sind in einem Standard-TS-8-Schaltschrank aufgebaut und mit Kühlleistungen von 8 kW bis zu 40 kW erhältlich. Eine zentrale Bereitstellung des Kühlwassers ist in den meisten Fällen deutlich effizienter als die Verwendung einzelner Kühlgeräte. Durch die Verwendung nur eines Kompressors und einer Pumpe lässt sich je nach Anwendung eine beträchtliche Menge Energie einsparen.

Die TopTherm Chiller bestehen aus einem Kälte-, einem Steuer- und einem Wassermodul, das das Kühlwasser an die Verbraucher verteilt. Der modulare Aufbau sorgt für eine hohe Servicefreundlichkeit und für kurze Lieferzeiten, da die einzelnen Module je nach Anforderungen lediglich in den Schaltschrank eingebaut werden müssen. Der Kunde erhält ein komplettes System, das nur noch anzuschließen ist. Da der TopTherm Chiller in einem Standard-Schaltschrank untergebracht ist, lässt es sich nahtlos in eine bestehende Schaltanlage integrieren. Die Luft-Wasser-Wärmetauscher in den einzelnen Schaltschränken lassen sich dann einfach an den Kühlwasserkreislauf anschließen. Mit entsprechenden Durchflussreglern und Ventilen wird sichergestellt, dass jeder Schaltschrank mit einer ausreichenden Menge Kühlwasser versorgt wird.

Auf keinen Fall sollte bei einer Schaltanlage vergessen werden, die Energiekosten beider Kühllösungen – mit Kühlgeräten bzw. Luft-Wasser-Wärmetauschern und einer Rückkühlanlage – miteinander zu vergleichen. Da sowohl die Investitionskosten als auch die Betriebs- und Energiekosten von Anlage zu Anlage variieren, muss ein entsprechender Vergleich für jede Anlage neu durchgeführt werden. Am Beispiel einer typischen Schaltanlage mit 16 TS-8-Schaltschränken lassen sich aber die Einsparpotenziale eindrucksvoll demonstrieren. In den Schaltschränken sollen bei acht Stück eine Verlustleistung von 2300 W, bei zwei eine Verlustleistung von 900 W und bei sechs eine Verlustleistung von 800 W auftreten. Bei der Klimatisierung durch einzelne TopTherm-Kühlgeräte sind acht Kühlgeräte mit einer Kühlleistung von 2,5 kW und acht Kühlgeräte mit einer Kühlleistung von 1 kW notwendig. Alternativ dazu soll die Kühlung über einen zentralen Rückkühler und Luft-Wasser-Wärmetauscher erfolgen. Für diese Variante müssen neben dem TopTherm Chiller mit 25 kW noch acht Luft-Wasser-Wärmetauscher mit einer Kühlleistung von 3,4 kW und acht Luft-Wasser-Wärmetauscher mit einer Kühlleistung von 1,15 kW vorgesehen werden. Die Investitionskosten für die beiden Varianten sind in diesem Beispiel mit etwa 18 000 Euro fast gleich.

Um die Energiekosten zu berechnen, geht man davon aus, dass die Anlage 3000 Stunden pro Jahr in Betrieb ist und die durchschnittliche Einschaltdauer der Kühlung 70 % beträgt. Als Strompreis werden 12 Cent pro kWh angenommen. Bei dieser Beispielrechnung zeigt sich ein gravierender Unterschied zwischen den beiden Varianten. Während die Energiekosten für die Variante mit einzelnen Kühlgeräten mehr als 4500 Euro betragen, liegen diese für die Variante mit dem TopTherm Chiller mit knapp 2800 Euro deutlich darunter. Die Einsparungen pro Jahr inklusive der Investitionskosten betragen bereits 3 % – legt man die reinen Energiekosten zu Grunde, sind es sogar fast 40 %.

Nicht berücksichtigt sind in dieser Vergleichsrechnung die Kosten für Service und Wartungsarbeiten. Auch hier macht sich die zentrale Versorgung mit Kühlwasser bemerkbar. Wenn ein TopTherm Chiller eingesetzt wird, muss natürlich auch nur ein Kompressor und eine Kühlwasserpumpe gewartet werden.

Online-Info www.cav.de/0910486