Green Carbody Technologies

Ein CAE-Tool unterstützt den Planer bei der thermisch optimalen Anordnung der Komponenten und der richtigen Dimensionierung des Kühlgeräts.

Die vom deutschen Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderte Innovationsallianz „Green Carbody Technologies“ besteht aus insgesamt fünf Verbundforschungsprojekten, die Themen von der Planung der Produktion bis hin zur Lackierung der Karosserie abdecken. Eines der Verbundprojekte, InnoCaT 4, hat den energie- und ressourceneffizienten Karosseriebau im Lebenszyklus zum Thema. Neben verschiedenen Einzelprojekten steht bei einem der Teilprojekte die energie- und kosteneffiziente Klimatisierung im Karosseriebau im Mittelpunkt. In diesem Teilprojekt untersuchten die Unternehmen Rittal und Friedrich Lütze, wie sich die Klimatisierung von Schaltschränken möglichst energieeffizient realisieren lässt.

Bis zu 2.000 Schaltschränke in der Fertigung

In einer Karosseriebaulinie, die vom Presswerk bis zur Lackierung der Karosserie reicht, kommen in der Regel insgesamt zwischen 1.000 und 2.000 Schaltschränke zum Einsatz. Durch die Verlustleistung der eingebauten Komponenten für die Energieversorgung, Antriebstechnik und Automatisierung entsteht allerdings in den Schaltschränken Wärme, die möglichst effizient abgeführt werden muss. Ja nach Höhe der Verlustleistungen und den Umgebungsbedingungen stehen dazu verschiedene Möglichkeiten zur Kühlung zur Verfügung. Ist die Umgebungstemperatur niedrig und die Verlustleistung gering, reicht teilweise ein einfacher Filterlüfter, der die warme Luft aus dem Schaltschrank abführt. Bei höheren Umgebungstemperaturen / Verlustleistungen kommt man um eine aktive Klimatisierung der Schaltschränke nicht herum. Hier können entweder Kompressor-Kühlgeräte eingesetzt werden, die sich einfach auf dem Schaltschrank montieren lassen, oder Luft-Wasser-Wärmetauscher, die an einen Kühlwasserkreislauf angeschlossen sind. Alle Möglichkeiten stellen im Innern des Schaltschranks kühle Luft zur Verfügung.

Im Rahmen des Verbundforschungsprojekts InnoCaT 4 der Innovationsallianz Green Carbody Technologies untersuchten die Unternehmen Rittal und Friedrich Lütze, wie sich die Klimatisierung von Schaltschränken energieeffizienter realisieren lässt.

Bestandsaufnahme von Schaltschränken

Im Rahmen des Projekts wurden in einer Feldstudie von Rittal etwa 400 bereits installierte Schaltschränke in verschiedenen Anwendungen und unter unterschiedlichen Umgebungsbedingungen analysiert. Auf diese Weise erhielt man eine Bestandsaufnahme, wie in der industriellen Praxis Klimatisierungslösungen typischerweise installiert werden. Gleichzeitig suchte man dabei nach Ansatzpunkten zur Optimierung der Energieeffizienz. Zunächst zeigte sich, dass der Einsatz von flüssigkeitsbasierten Kühlsystemen bislang die Ausnahme darstellt und stattdessen vorwiegend Kompressor-Kühlgeräte bzw. Luft-Luft-Wärmetauscher verwendet werden. Bei dem allgemeinen Aufbau der Schaltschränke zeigten sich zunächst deutliche Verbesserungspotenziale. So waren bislang in den meisten der begutachteten Schaltschränke die Komponenten rein nach der elektrischen Funktionalität angeordnet. Die Planer stellten bei der Anordnung der Komponenten offensichtlich vor allem eine möglichst einfache Installation mit kurzen Kabelwegen und die Übersichtlichkeit des Schaltschranks in den Vordergrund. Auf eine optimale Führung der kühlen Luft achteten sie dagegen kaum. Die Klimatisierung ist in den seltensten Fällen darauf ausgerichtet sogenannte „Hot Spots“ zu vermeiden. Dazu kommt es, wenn Komponenten mit besonders hoher Verlustleistung beispielsweise in unmittelbarer Nähe zueinander angeordnet sind oder von der kühlen Luft nur schlecht erreicht werden. Wenn sich Komponenten zu stark erwärmen, kann es passieren, dass die Elektronik ausfällt und im schlimmsten Fall eine Produktion stillsteht. Ganz allgemein gilt, dass eine geringere Temperatur die Lebensdauer einer elektronischen Komponente erhöht. Nachzuweisen sind solche Hot Spots sehr leicht mit Wärmebildkameras, wie sie bei der Untersuchung eingesetzt wurden.

Schaltschränke mit Kompressor-Kühlgeräten, die etwa die Hälfte der untersuchten Schaltschränke ausmachten, hatten in 19 % der Fälle einen Luftkurzschluss, sodass sich ein Teil der Kühlleistung nicht nutzen ließ. Bei zwei Drittel der Schaltschränke lagen die warmen Komponenten nicht im Luftstrom zwischen Aus- und Einlass des Kühlgeräts. Auch bei der Wartung der Kühlgeräte zeigten sich deutliche Schwachstellen. So war in fast der Hälfte aller Fälle die Filtermatte stark verschmutzt, was zu einer Verminderung der Kühlleistung bzw. zu einem erhöhten Energieverbrauch führt. Auch bei der Auswahl der richtigen Klimatisierungslösung sind Schwächen in der Planung erkennbar. Die Hälfte aller Kompressor-Kühlgeräte ist deutlich überdimensioniert, sodass die Geräte eine Auslastung von maximal 20 % haben. Dies lässt darauf schließen, dass die Verlustleistung im Schrank überschätzt wird, was z. B. durch die Vernachlässigung von Gleichzeitigkeitsfaktoren leicht passiert.

Aufbau eines Schaltschranks auf Basis der aktuellen Forschungsergebnisse von InnoCaT4.

Ansätze zur optimierten Schaltschrank-Klimatisierung

Ausgehend von den Untersuchungen an installierten Schaltschränken haben die Partner in dem Teilprojekt Ansätze erarbeitet, um die Klimatisierung von Schaltschränken energieeffizienter zu realisieren. Dazu bauten sie einen Schaltschrank, wie er bei Volkswagen im Karosseriebau typischerweise im Einsatz ist, originalgetreu im Labor nach, um an diesem Nachbau verschiedene Optimierungsmaßnahmen zu testen. Dabei wird unterschieden zwischen passiven Maßnahmen, die darauf abzielen, die kühle Luft möglichst optimal auszunutzen, und aktiven Maßnahmen, bei denen die Erzeugung der kühlen Luft optimiert wird. Bei den passiven Maßnahmen steht zunächst eine Optimierung der Schaltschrankaufbauten im Mittelpunkt. Über eine Analyse von Temperaturverteilungen im Schaltschrank und den Strömungsverteilungen der kühlen Luft werden Lösungen erarbeitet, die zu einer verbesserten Kühlung der Komponenten führen, ohne dass die Kühlleistung erhöht werden müsste. Ein zentrales Ergebnis ist die Entwicklung eines Konzeptes für eine optimierte Luftführung bzw. -strömung um die Montageebene. Bei diesem Konzept wird die kühle Luft gezielt auf der Rückseite der Montageebene nach unten geführt, um anschließend auf der Vorderseite nach oben über die zu kühlenden Komponenten hinweg wieder zum Einlass des Kühlgeräts zu strömen. Im Labor konnte durch diese Umlaufströmung eine Energieeinsparung bei der Klimatisierung von bis zu 23 % demonstriert werden.

Bei den aktiven Maßnahmen steht die effiziente Erzeugung und Bereitstellung von kühler Luft im Fokus der Untersuchungen. Gerade die oben bereits erwähnte Überdimensionierung bei der Auswahl der Kühlgeräte wirkt sich sehr negativ auf den Energieverbrauch aus. Ziel ist, den Schaltschrankplanern wirkungsvolle Werkzeuge an die Hand zu geben, mit denen sich die Klimatisierung optimal planen lässt. Im Rahmen des Projekts wurden hierzu Projektierungsrichtlinien definiert, die den Planer dabei unterstützen, schon in der Planungsphase die Energieeffizienz zu berücksichtigen.

Aber auch an den Kühlgeräten selbst lassen sich Verbesserungen vornehmen, die zu einer höheren Energieeffizienz beitragen. Drehzahlregelbare Lüftermotoren, optimierte Abstimmung der Komponenten des Kältekreislaufes sowie neue Regelelektroniken sind zentrale Bausteine auf dem Weg zur optimalen Energieeffizienz. Durch den Einsatz von Kühlgeräten, die auf einen maximalen Wirkungsgrad optimiert sind, lassen sich Energieeinsparungen von bis zu 35 % erreichen. Eine weitere Möglichkeit ist der Einsatz von kombinierten Kühlsystemen, die verschiedene Kühlmethoden je nach Bedarf einsetzen. Beispielhaft ist hier ein System, wie es bereits unter anderem aus der Gebäudeklimatisierung unter dem Begriff „free cooling“ bekannt ist, das im Prinzip aus einem Luft-Luft-Wärmetauscher und einem Luft-Wasser-Wärmetauscher besteht. Ist die abzuführende Wärmemenge gering, reicht die Umgebungsluft zum Kühlen aus. Insbesondere bei geringen Umgebungstemperaturen ist die Effizienz einer solchen Luftkühlung sehr hoch. Erst bei steigendem Kühlbedarf bzw. wenn die Umgebungstemperatur sehr hoch ist, wird der Luft-Wasser-Wärmetauscher zugeschaltet und stellt sicher, dass die Schaltschranktemperatur nicht ansteigt.

Softwaretechnische Umsetzung

Um die Energieeffizienz zu erhöhen, ist unter anderem eine stärkere Berücksichtigung der Klimatisierung in der Planungsphase notwendig. Ein idealer Ansatz hierzu ist die Integration der Planung für die Klimatisierung in die Software zur Elektroplanung. In dem Projekt wurde dazu ein Demonstrator entwickelt, der auf der CAE-Software von EPLAN basiert. In mehreren Schritten fragt das Tool wichtige Daten vom Anwender ab – angefangen von den Umgebungsbedingungen bis hin zur Art der verwendeten Komponenten und deren Verlustleistungen. Das CAE-Tool visualisiert z. B. die Verlustleistungen der einzelnen Komponenten, so dass der Planer sofort erkennt, wo Wärme abgeführt werden muss. Thermische Mindestabstände sowie die Anzeige von Lüftungsvektoren aktiver Komponenten sind ebenfalls sichtbar. Thermische und aerodynamische Kollisionsprüfungen helfen dem Planer, Optimierungspotenzial auszuschöpfen. Als Ergebnis lässt sich eine Klimatisierungslösung planen, die den Schaltschrank optimal entwärmt und gleichzeitig möglichst effizient mit der eingesetzten Energie umgeht. Mit der Kombination aktiver und passiver Maßnahmen zur Erhöhung der Energieeffizienz und dem Einsatz optimaler Planung bei der Schaltschrankkühlung lassen sich Energieeinsparungen von 35 % und mehr realisieren.