Pfannenberg empfiehlt eine Zieltemperatur von etwa 35 °C im Schaltschrank

Kondensat als Risikofaktor

Der wahrscheinlichste Grund für einen Wassereintrag in den Schaltschrank, der die Elektronik-Komponenten schädigen könnte, sind nicht externe Faktoren wie Reinigung oder Dachleckagen, sondern eben das Kondensat, das sich schon durch leichte Temperaturschwankungen bildet. Die Zieltemperatur im Schaltschrank sollte deshalb höher liegen als die zu erwartende Umgebungslufttemperatur. Dies ist bei 35 °C eher gegeben als bei deutlich niedrigeren Zieltemperaturen.

Im jeweiligen Anwendungsfall können jedoch auch andere Zielwerte sinnvoll sein. Deshalb sind beispielsweise die Kühlgeräte von Pfannenberg mit einer aktiven Kondensatverdunstung ausgestattet. So können auch sehr niedrige Zieltemperaturen gehalten werden, während das anfallende Kondensat verdunstet und an die Umgebung abgeführt wird. Welche Kühllösung sich am besten für welche Anwendung eignet, ist dementsprechend abhängig von den Anforderungen und Gegebenheiten vor Ort.

Wie entsteht das Kondensat?

Um die Bildung von Kondensat wirkungsvoll verhindern zu können, ist es wichtig, seinen Ursprung zu verstehen. Erst dann lassen sich wirkungsvolle Gegenmaßnahmen einleiten. Nehmen wir als Beispiel einen Schaltschrank mit 2 m Höhe, 1 m Breite und 0,5 m Tiefe, also ein Volumen von 1 m³. Bei einer relativen Luftfeuchtigkeit von 80 % und 30 °C sind hier etwa 22 ml Wasser in der Luft. Kommt es nun zu einem Temperaturabfall auf 15 °C, kann die Luft bei derselben Luftfeuchtigkeit nur noch etwa 11 ml Wasser aufnehmen. Die übrigen 11 ml kondensieren. Das erscheint erstmal nicht viel. Durch die ständige natürliche Luftbewegung konzentriert sich diese Menge allerdings an den kältesten Stellen im Schaltschrank und 1 ml entspricht etwa 10 bis 20 Tropfen. In den meisten Fällen leiten Metalle zudem Wärme besser als beispielsweise Kunststoffe. Aus diesem Grund fühlen sich metallische Oberflächen kühl an – weil die Körperwärme hier schneller abfließt. Nach dem gleichen Prinzip kühlt auch Luft an metallischen Oberflächen ab. Wenn dementsprechend zum Beispiel eine Fertigungshalle über Nacht auf 15 °C abkühlt, die Sonneneinstrahlung die Hallenluft am Morgen aufheizt und durch ein geöffnetes Fenster genug feuchtwarme Außenluft eindringt, dass die relative Luftfeuchtigkeit bei 80 % liegt, kommt es zur Kondensatbildung, sobald diese warme Luft auf die Schaltelemente des noch nicht aktiven Schaltschrankes trifft. In der Natur kennt man diesen Effekt als Morgentau, im Schaltschrank ist er allerdings alles andere als wünschenswert. Glücklicherweise heizen sich schaltende Elemente im Betrieb auf. Im Normalfall werden diese also kein Kondensat ansammeln. Dennoch ist es ratsam, die Applikation genau zu überprüfen.

Kühlen oder heizen

Ein mögliches Mittel gegen Kondensat ist das Herabsetzen der Luftfeuchtigkeit. Beispielsweise kühlt ein aktives Kühlgerät die Luft im Gerät auf etwa 10 bis 15 °C herab und befördert das dabei entstehende Kondensat nach außen.

Wenn kein Kühlgerät angeschlossen ist, ist die beste Lösung zur Vermeidung von Kondensat dagegen eine stabile Mindesttemperatur: Eine Schaltschrankheizung sorgt in diesem Fall dafür, dass die Luft innerhalb des Schaltschrankes nicht unter die Umgebungstemperatur fällt. So wird auch nachts verhindert, dass sich an den kalten Schaltschrankdecken und verbauten Halbleitern Kondensat absetzt. Steigt dann die Temperatur im arbeitenden Schaltschrank, schaltet sich die Heizung automatisch wieder ab. Pfannenberg setzt für diesen Zweck PTC-Elemente ein, die je nach Temperatur automatisch ihren Widerstand und damit ihre Heizleistung regulieren.

Grundsätzlich ist die Klimatisierung eines Schaltschranks eine einfache Aufgabe, sie muss allerdings richtig angegangen werden. Wie beschrieben ist dabei „kälter“ nicht zwangsläufig gleich „besser“– sklavisch nur einen Faktor zu berücksichtigen, wird nicht jedem Instrument gerecht. Der wohltemperierte Schaltschrank entsteht dementsprechend durch eine feine Abstimmung aller relevanten Faktoren. ik

Details zu den Klimatisierungslösungen von Pfannenberg:

Verschiedene Klimatisierungslösungen im Überblick

Filterlüfter sind langfristig eine kostengünstige Lösung für die Schaltschrankklimatisierung. Voraussetzung ist, dass die Umgebungsluft deutlich kühler ist als die angestrebte Schaltschranktemperatur. Nur dann besteht ein ausreichend hohes Kühlpotenzial. Da die Filterlüfter zudem permanent die, womöglich verschmutzte, Umgebungsluft ansaugen, ist eine funktionierende Filtertechnik unerlässlich. Bei besonders anspruchsvollen Anwendungen kommen deshalb Filterlösungen zum Einsatz, die gegen extreme Umgebungsbedingungen und selbst gegen Strahlwasser verlässlich abschirmen.

Luft-/Luft-Wärmetauscher sind ebenfalls auf eine niedrigere Außentemperatur angewiesen. Im Vergleich zu den Filterlüftern haben sie aber den Vorteil, dass die Luftkreisläufe getrennt sind. Es wird also keine Außenluft in den Schaltschrank gesogen. Stattdessen wälzen die internen Lüfter die Schaltschrankluft um. Gekühlt wird die umzuwälzende Luft mit der getrennt im Wärmetauscher laufenden Außenluft. Dadurch können Luft-/Luft Wärmetauscher aktive Kühllösungen unterstützen.

Eine weitere Option sind aktive Kühlgeräte, die ebenfalls mit getrennten Luftkreisläufen arbeiten. Hier wird die Luft aktiv über einen Kühlkreislauf abgekühlt. Dadurch besteht ein hohes Kühlpotenzial, das auch bei sommerlichen Temperaturen stabil bleibt. Eine Sonderform davon sind drehzahlgeregelte Kühlgeräte. Diese können sich über eine intelligente Regelung der verbauten Komponenten auf die Wärmelast des Schaltschrankes einstellen. Der Vorteil liegt darin, dass damit immer nur genau so viel gekühlt wird, wie benötigt. Daraus resultieren längere Standzeiten sowie eine höhere Energieeffizienz. In Kombination mit einer Zieltemperatur von etwa 35 °C lässt sich so effizient und schonend kühlen, was sich auch hier positiv auf die Lebenserwartung der elektronischen Komponenten auswirkt.

Luft-/Wasser-Wärmetauscher nutzen hingegen kaltes Wasser für die Klimatisierung. Hierdurch ist eine hohe Kühlleistung möglich, die völlig unabhängig von den jeweiligen äußeren Verhältnissen ist. Zudem nimmt die Kühleinheit keine Umgebungsluft auf. Deshalb können Luft-/Wasser-Wärmetauscher auch in sehr stark verschmutzten Umgebungen verwendet werden. Zunächst fallen bei dieser Lösung zwar höhere Investitionskosten für die Verrohrung und die Kaltwasseraufbereitung (Rückkühlanlagen) an, langfristig zahlen sie sich aber häufig aus. Denn die eigentliche Kühlleistung erfolgt nicht mehr am Schaltschrank, sondern am andernorts aufgestellten Rückkühler, weshalb die gesamte Kühlleistung aller Klimageräte gebündelt werden kann. Da große Kühlgeräte physikalisch effizienter sind als kleine, ist die Energiebilanz der Kühlleistung zu den Kosten somit deutlich besser. Dadurch amortisieren sich entsprechende Investitionen über die Zeit. Und steht bereits kaltes Wasser, beispielsweise als Werkzeugkühlung, zur Verfügung, können Luft-/Wasser-Wärmetauscher eine sehr kosteneffiziente Alternative darstellen.