Für den Wärmetransport aus einem Schaltschrank stehen prinzipiell drei physikalische Grundprinzipien zur Verfügung: Wärmeleitung, Wärmeströmung (Konvektion) und Wärmestrahlung. Bei der Wärmeleitung kommt es darauf an, Materialien zu verwenden, die eine gute Wärmeleitfähigkeit haben. Wärmeströmung basiert darauf, dass Wärmeenergie an einer Grenzfläche an ein Medium (in der Regel Luft) abgegeben wird, das dann weitertransportiert wird.
Die Menge der an das Medium abgegebenen Wärme ist direkt proportional zur Oberfläche – ein Effekt, den man durch die Rippenstruktur von Kühlkörpern ausnutzt. Mittel der Wahl, um warme Luft von den zu kühlenden Komponenten abzutransportieren, sind Lüfter. Die noch nicht erwähnte Möglichkeit des Wärmetransports – die Wärmestrahlung – ist sehr stark von der Temperatur des Körpers abhängig und spielt daher eigentlich nur bei höheren Temperaturen eine wichtige Rolle.

Durch den Einsatz einer oder die Kombination aller drei Wirkmechanismen lässt sich die entstehende Wärme aus einem Schaltschrank abtransportieren. Selbstverständlich soll der Transport der Energie von einer Wärmequelle zu einer Wärmesenke möglichst effizient von statten gehen. Als Wärmesenke (bzw. als Quelle für kalte Luft) dient dabei in der Regel ein Klimagerät, das an die Wände oder Türen des Schaltschranks angebaut wird oder auf dem Schaltschrank montiert wird. Eine wichtige Voraussetzung für eine effiziente Schaltschrank-Klimatisierung ist die richtige Anordnung der Komponenten innerhalb des Schaltschranks. Grundlage sind die Angaben, die in den Gerätehandbüchern der Hersteller vorgegeben sind (etwa Mindestabstände zu anderen Komponenten bzw. zur Schaltschrankwand).

Bild 1: Kühlung von Schaltschränken in der Automobilindustrie

Ferner ist darauf zu achten, dass:

• keine Leitungen die Lüftungsgitter abdecken,
• die kühle Luft den Schaltschrank von unten nach oben durchströmt (das ist der Regelfall). Aus klimatechnischer Sicht ist daher ein einzelliger Antriebsverband empfehlenswert.

Strömungswege beachten

Der Führung der Kaltluft vom Klimagerät in den Schaltschrank hinein und innerhalb des Schaltschranks kommt eine entscheidende Bedeutung zu. Eine entsprechende Kühlleistung nützt nichts, wenn die kalte Luft nicht an den zu kühlenden Komponenten ankommt. Die benötigte Ausführung der Kühlgeräte richtet sich dabei hauptsächlich nach den Schrankabmessungen, dem Raumangebot in der Schrankumgebung sowie der Anordnung der zu kühlenden Komponenten im Schrank.

Der Kaltluftstrom sollte also immer von unten nach oben erfolgen. Die Kaltluft sollte stets unterhalb der aktiven Komponenten, die die Wärme produzieren, in den Schaltschrank eintreten.
Wenn dies durch die Anordnung des Klimageräts nicht direkt möglich ist, weil zum Beispiel das Klimagerät weiter oben eingebaut werden muss, kann ein Luftleitblech dafür sorgen, dass die Kaltluft zunächst in den Bodenbereich unterhalb der zu kühlenden Komponenten geleitet wird.
Prinzipiell ist die Anbringung des Kühlgeräts in der Schaltschranktür der Anbringung an einer Seitenwand vorzuziehen. Ansonsten besteht die Gefahr, dass der Umrichterverband seitlich mit Kaltluft angeströmt wird und die Kaltluft zu einem gewissen Anteil ungenutzt unterhalb des Umrichterverbandes vorbeiströmt.
Außerdem kann im Schaltschrank eine Zirkulationsströmung entstehen, die erwärmte Luft aus dem Schrankbereich oberhalb der aktiven Komponenten in den Bodenbereich des Schranks transportiert. Eine solche Rückströmung lasst sich mit Abschottungen zwischen dem Umrichterverband und den Schrankwänden vermeiden. Kühlgeräte, lassen sich besonders platzsparend auf einem Schaltschrank anbringen.
Da in diesem Fall aber die kalte Luft von oben in den Schaltschrank eintritt, sollte ein Luftkanalsystem eingebaut werden, das dafür sorgt, dass die kalte Luft den Umrichterverbänden gezielt zugeführt wird. Daher muss man schon bei der Projektierung der Anlagen berücksichtigen, dass ein Luftkanalsystem die Kühlleistung verringert. Luftfeuchte und Kondensat Bei der Verwendung eines Klimageräts fällt unweigerlich Kondensat an.

Seine Menge hängt unter anderem von der relativen Luftfeuchte und der Lufttemperatur im Schaltschrank ab. Wenn das Kühlgerät nicht mit einer automatischen Kondensatverdampfungseinrichtung ausgestattet ist, muss das Kondensat gesammelt bzw. abgeleitet werden. Ein Schalter, der beim Öffnen der Schaltschranktür das Klimagerät kurzzeitig abschaltet, kann verhindern dass übermäßig viel Kondensat entsteht. Ansonsten würde bei geöffneter Tür stetig neue Luft mit relative hoher Luftfeuchte in den Schaltschrank gelangen.

Ein Thermostat im Schaltschrank ist üblicherweise auf eine Temperatur von 35 °C eingestellt. Diese Temperatur stellt einen guten Kompromiss zwischen Lebensdauer, Kühlleistung und Kondensatanfall dar. Eine niedrigere Solltemperatur kann eventuell dazu führen, dass der Taupunkt unterschritten wird, sodass sich verstärkt Kondensat bildet.
Ist der Temperaturunterschied zwischen Innen- und Außentemperatur zu groß, kann es außerdem dazu kommen, dass sich auf den Elektronikkomponenten Kondensat niederschlägt, sobald die Schaltschranktür geöffnet wird.

Von der Checkliste bis zur Computersimulation

Die oben genannten Aspekte behandeln nur die wichtigsten Punkte, die bei der Planung der Klimatisierung zu beachten sind. Um während der Planung die Schaltschrankentwärmung umfassend zu berücksichtigen, kann eine Checkliste eingesetzt werden, wie sie in dem „Projektierungshandbuch Schaltschrank-Entwärmung“ (siehe Tipp) zu finden ist. Computerbasierte Planungshilfen können ebenfalls bereits in einem frühen Projektstadium den Weg zum richtigen Klimatisierungskonzept aufzeigen (etwa die Projektierungssoftware Rittal Therm).

elektrofachkraft.de-Tipp: Wissenwertes zur Schaltschrank-Klimatisierung

Das „Projektierungshandbuch Schaltschrank-Entwärmung“ von Rittal ist auf Initiative der Autoindustr ie entstanden. Die rund 80 Seiten umfassende Projektierungsrichtlinie basiert auf den Erfahrungswerten der beteiligten Firmen (u. a. Audi, Daimler, Siemens) im Bereich Schaltschrank-Klimatisierung sowie den Ergebnissen von Computersimulationen (CFD-Analysen) zur Temperaturentwicklung in Schaltschränken. ISBN-Nummer 978-3-937889-74-0.

Autor: Dipl.-Ing. (FH) Michael Maage,
Herr maage ist Gruppenleiter ISS International Sales, Support, Rittal System Climatisation, Herborn