Schaltschrankkühlung zur Abführung von Wärme

Schaltschrankkühlung lässt elektronische Bauteile länger leben

Bei einer Schaltschrankkühlung mit Ventilator wird die kühle Außen- oder Umgebungsluft gefiltert und dann mittels Ventilatoren im unteren Bereich angesaugt. Im Inneren des Schaltschranks wird die saubere Luft über die wärmeabgebenden Einbauten geführt. Dabei nimmt sie die Abwärme der Komponenten auf. Die erwärmte Luft steigt automatisch auf und wird über ein im oberen Bereich des Schaltschranks eingebautes Auslassgitter nach außen gedrückt. Im Schaltschrank entsteht so ein permanenter Überdruck, der das Eindringen von Staub und Verunreinigungen verhindert. Ein größtmöglicher Abstand zwischen Lufteinlass und Abluftvorrichtung erhöht dabei die Lebensdauer der Bauteile. Die Leistung und die Haltbarkeit der verbauten Teile werden durch das Aufkommen von Staub erheblich beeinflusst. In der Regel sind die im Schaltschrank verbauten Geräte für eine maximale Betriebstemperatur von 50 Grad Celsius ausgelegt. Erhöht sich diese Temperatur sinkt die Lebensdauer und die Leistung nimmt ab. Schon eine geringe Senkung der Temperatur im Inneren bedeutet eine höhere Lebensdauer und eine bessere Leistung. Zur fachgerechten Auslegung und Berechnung der Luftmenge für die Belüftung und Kühlung im Schaltschrank muss die erforderliche Luftmenge berechnet werden. Benötigt werden im Rahmen der Wärmeberechnung dafür die folgenden Werte:

• Watt: Thermische Wärmeabgabe der installierten Geräte im Schaltschrank, auch Verlustleistung genannt.
• Grad Celsius: Maximal zulässige Temperatur im Inneren des Schaltschranks.
• Grad Celsius 2: Maximale Umgebungstemperatur außerhalb des Schaltschranks.
• Luftkonstante: Wird in Kw/h angegeben und bezieht sich auf den abnehmenden/abnehmenden Luftdruck bei steigender Höhe über dem Meeresspiegel.
• HxBxT: Schrankabmessungen, bzw. effektive Oberfläche. Verringert sich, wenn mehrere Schaltschränke nebeneinanderstehen.
• k: Wärmedurchgangskoeffizient in Abhängigkeit des Materials, aus dem der Schaltschrank gefertigt wurde= 5,5 für lackiertes oder beschichtetes Stahlblech, 3,7 für rostfreien Edelstahl, 12 für Aluminium, 3,5 für Kunststoff und Polyester sowie 2,5 bis 3,5 für Holz.
• Qt (Pv): Verlustleistung der eingebauten Komponente.

Zu beachten sind bei der Berechnung außerdem Tag- und Nachttemperaturen sowie Unterschiede in den Temperaturen bedingt durch Jahreszeiten und Klimazonen.

Passive Kühlung im Schaltschrank hat Grenzen

Die passive Schaltschrankkühlung erfolgt allein über die Außenwände und kommt ohne zusätzliche Geräte aus. Sie erfolgt in der Regel über Lüftungsschlitze in den Gehäusewänden. Um einen Hitzestau zu vermeiden, bleibt Anwender häufig nur die Möglichkeit, heiße Komponenten aus dem Schaltschrank nach außen zu verbannen. Doch sind Grenzen gesetzt, um mit der passiven Entwärmung den Schaltschrank zu kühlen. Am besten funktioniert die passive Schaltschrankkühlung, wenn die Außentemperatur deutlich niedriger ist als die Innentemperatur. In der Regel ist die passive Entwärmung nur bei kleinen Schaltschränken möglich. Gegebenenfalls ist die Vergrößerung des Schaltschrankes bei gleichbleibenden Komponenten möglich. Aber auch hier sind schnell die natürlichen Grenzen des Temperaturausgleichs erreicht.

Schaltschrankkühlung mit Lüfter

Die aktive Schaltschrankkühlung kann mittels Luft oder Kühlwasser durchgeführt werden. Dafür müssen zusätzliche Geräte in den Schaltschrank verbaut werden wie Filterlüfter, Kühlgeräte oder Luft/Wasser-Wärmetauscher. Bei Filterlüftern gilt es, den Filter regelmäßig zu reinigen. Dafür muss er abmontiert, ausgewaschen oder gegebenenfalls erneuert werden. Entsprechende Hinweise finden sich in der Bedienungsanleitung der Hersteller. Zu den aktiven Möglichkeiten zählen auch der Einsatz von Luft/Luft-Wärmeübertrager, Luft/Wasser-Wärmeübertrager und Kühlgeräte. Die aktive Kühlung im Schaltschrank hat viele Vorteile, wie:

• Die Sicherstellung der konstanten Lufttemperatur.
• Die verbesserte Leistung der Komponenten.
• Die Einhaltung der gesetzlich vorgeschriebenen IP-Schutzart.
• Die höhere Lebensdauer der elektrischen Komponenten.
• Die Reinhaltung der Luft durch hochwertige Filterlüfter.
• Geringer Platzbedarf und einfache Anbringung.
• Druckstabile und gleichmäßige Kühlung.

Hoher Wirkungsgrad bei Kühlung wird immer wichtiger

Hersteller von Schaltschrankkühlungen haben in den letzten Jahren vermehrt in neue Produkte investiert. Die Entwicklung hat sich dabei vor allem auf die Effizienz der Lüftungsmotoren sowie die optimale Luftverteilung im Schaltschrank konzentriert. Weitere Kriterien sind häufig ein geringer Geräuschpegel, ein hoher Druckaufbau, eine hohe Luftleistung und ein hoher Wirkungsgrad. Je nach Hersteller gibt es Ventilatoren, die die Luft in axialer, radialer oder diagonaler Richtung bewegen. Bei einem der führenden Hersteller gibt es verschiedene Ausführungen für Lüfter zu finden. Damit reagiert das Unternehmen auf die wachsenden Anforderungen der Kunden hinsichtlich einer effizienten und leistungsstarken Kühlen von Schaltschränken und Serverracks. Zur werkzeuglosen Montage eigenen sich Filterlüfter, die standardmäßig mit der Schutzart IP 54 ausgestattet sind. Optional können Kunden dieses Modell aber auch mit einer EMV-Schirmung erhalten. Je nach Anforderung können Schaltschrankkühlungen entweder

1) Als komplette Lüftereinheit zur werkzeuglosen Montage mit Luftleistungen von 20 m³/h bis 900 m³/h,

2) Als komplette Lüftereinheit zur werkzeuglosen Montage in Flächen mit Luftleistungen von 20 m³/h bis 900 m³/h, oder

3) Als energieeffiziente Ausführung mit Tachosignal zur Regelung und Überwachung des Ventilators mit Luftleistungen von 55 m³/h bis 900 m³/h gewählt werden.

Vor allem Lüftereinheiten ohne Montageaufwand sind bei Kunden beliebt

Sie überzeugen durch eine Reihe von Vorteilen wie beispielsweise:

• Schnelle Montage am Schrank ohne Werkzeug mit nur wenigen Handgriffen.
• Schneller Wechsel der Luftförderrichtung durch Drehen des Lüftermoduls.
• Schneller Filtermattenwechsel durch Lamellengittermechanik.
• Elektroanschluss über Federzugklemme ohne Werkzeug.
• Höhere Energieeffizienz durch druckstabile Diagonallüfter.
• Effektive Vorbeugung von Hotspots.
• Individuelle Positionierung des Spannungsanschlusses.
• Konstante Luftleistung im eingebauten Zustand und bei verschmutzter Filtermatte.
• Diagonale Ausblasrichtung nach außen sorgt für gleichmäßige Luftverteilung.
• Geringe Einbautiefe.
• Reduzierte Wartungsintervalle.
• Strömungstechnisch optimierte Luftführung.
• Kostengünstige Möglichkeit der Kühlung.

Homogenes Klima im Schaltschrank verhindert Hotspots

Während sich im Schaltschrank immer kleinere Bauteile und Leistungselektronik versteckt, ist das Problem der Wärmeverlustleistung parallel nicht automatisch geringer geworden. Der Wärmestress für die Bauteile führt zu kürzerer Lebensdauer und verringert die Leistung der Komponenten. Kunden wünschen sich vor allem eine klein dimensionierte Kühlereinheit und eine effiziente Kühlleistung. Ein typischer Fehler zeigt sich häufig bei der Überdimensionierung von Kühleinheiten und dass diese zwar leistungsfähig aber auch energiehungrig sind. Strömungsoptimierte Kühler sorgen dafür, dass es nicht zu den extrem hohen Temperatur- und Wärmenestern, den sogenannten Hot Spots, im Schaltschrank kommen kann. Luftstillstand im Schaltschrank muss auf jeden Fall verhindert werden, denn die Luftzirkulation ist wesentliche Voraussetzung für die gleichmäßige Wärmeverteilung. Umso effizienter die Wärme an die Umgebung abgegeben werden kann, umso niedriger das Risiko für Hot Spots. Neben den Hot Spots, also Stellen im Schaltschrank an denen besonders hohe Temperaturen entstehen können, gibt es auch das Risiko der Wärmenester. Ein Grund mehr für den Einsatz von effizienter Kühlung im Schaltschrank und Serverrack. Durch die steigende Verlustleistung der elektrischen Komponenten bei schlechter Kühlung kommt es häufig zur Bildung gefährlicher Wärmenester. Stehen mehrere wärmeproduzierende Komponenten räumlich dicht, dann können sich die Wärmeprobleme multiplizieren. Schnell sind lokale Temperaturen von bis zu 100 Grad Celsius möglich. Wärmenester ergeben sich durch die erneute Ansaugung von bereits abgegebener Warmluft. Das betrifft vor allem die oberen Bereiche im Schaltschrank, während die Komponenten im unteren Gehäuseteil ausreichend gekühlt werden. Die sogenannten Kaltganghausung verhindert, dass die abgegebene Warmluft über Zwischenräume zurück in den gekühlten Innenbereich des Schaltschranks gelangt. Beim Einbau der Schaltschranklüftung muss auf diese technische Besonderheit Rücksicht genommen werden. Das Einstellen der korrekten Temperatur für die Luft im sogenannten Kalten Gang verhindert das Bilden von Wärmenestern.

Schaltschrankkühlung sorgt für mehr Leistung und höhere Lebensdauer

Schon ein Grad weniger im Inneren des Schaltschranks kann deutlich die Effizienz der Komponenten steigern. Die Wohlfühltemperatur für Hardware in Rechenzentren liegt einer Expertise von BITKOM zufolge zwischen 22 und 27 Grad Celsius. Neben der Auswirkung auf die Effizienz ist die Schaltschrankkühlung auch aus umweltbezogenen Aspekten sinnvoll, denn desto länger die Komponenten im Betrieb sind, umso weniger Hardware muss produziert und angeschafft werden.