Maszyny i rozdzielnie stają się w ostatnich latach coraz bardziej skomplikowane, a jednocześnie preferowane jest zmniejszanie ich gabarytów. Na skutek tego stale wzrasta moc tracona powstająca w szafach sterowniczych, przez co wydzielające się ciepło musi być odprowadzane przez aktywną klimatyzację. Wobec tych wyzwań poszukuje się efektywnych koncepcji chłodzenia, które jednocześnie zapewnią trwałe oszczędności energii i będą optymalnie dopasowane do danej aplikacji.

Przy ocenie rozwiązań klimatyzacji nie można pominąć podstaw fizycznych. Opór elektryczny komponentów powoduje, że zawsze wtedy, gdy płynie prąd, część energii elektrycznej przekształca się w energię cieplną. Ponieważ maszyny i rozdzielnie na przestrzeni ostatnich lat stają się coraz bardziej skomplikowane i jednocześnie bardziej kompaktowe, to w przeciętnej szafie sterowniczej w zastosowaniach przemysłowych wzrosła również wartość mocy traconej, która jest przekształcana na ciepło. Dlatego w wielu zastosowaniach nie można się już obejść bez aktywnej klimatyzacji rozdzielni. Klimatyzacja musi niezawodnie odprowadzać powstające ciepło, aby zainstalowane komponenty nie ogrzewały się zbyt silnie i nie powstawały przez to szkody. Ciepło można transportować za pomocą trzech różnych mechanizmów: poprzez promieniowanie ciepła, przewodzenie ciepła i konwekcję. Klimatyzacja ma za zadanie możliwie sprawnie połączyć te trzy procesy w celu zagwarantowania maksymalnej wydajności.

Rys. 1. Centralne chłodzenie wodne, często stosowane w nowoczesnych centrach obliczeniowych, oferuje wiele korzyści w zakresie energooszczędności i kosztów eksploatacji

Koncepcje chłodzenia

Komponenty zainstalowane w szafie sterowniczej oddają ciepło najpierw do powietrza. W najprostszym przypadku wentylatory odprowadzają ciepłe powietrze na zewnątrz i zasysają zimniejsze z zewnątrz. Układ taki jest jednak wystarczający tylko wówczas, gdy temperatura otoczenia jest wystarczająco niska i jednocześnie moc tracona w szafie sterowniczej nie jest duża. Jeżeli niezbędna jest większa moc chłodnicza, to powietrze musi być schładzane przez klimatyzację aktywną. Zastosowanie znajduje tutaj na przykład chłodziarka kompresorowa, która jest zamontowana na lub przy szafie sterowniczej. Energia cieplna powietrza zostaje przy tym oddana do czynnika chłodniczego, który ją odprowadza. Takie klimatyzatory szaf sterowniczych były popularne od lat 80. i jeszcze dziś są często wykorzystywane.

Rys. 2. Klasyczne klimatyzatory szaf sterowniczych można zoptymalizować tak, aby zużywały wyraźnie mniej pierwotnej energii elektrycznej.

Rys. 3. Energooszczędność klimatyzatorów generacji „Blue e” została potwierdzona w projektach pilotażowych

Systemy chłodzenia wodą
Alternatywna możliwość zapewnienia dopływu zimnego powietrza do szafy sterowniczej polega na wykorzystaniu wody jako czynnika chłodniczego. W takim systemie powietrze w szafie sterowniczej nie oddaje już ciepła bezpośrednio do klimatyzatora szafowego, tylko przez wymiennik typu powietrze-woda do obiegu chłodzenia wodnego. Jedna z zalet tej koncepcji wynika z fizycznych właściwościach wody: dzięki jej wysokiej pojemności cieplnej można transportować znacznie większe ilości ciepła niż za pomocą powietrza. Przy typowych temperaturach i prędkościach przepływu taką samą ilość energii cieplnej można przenosić rurą wodną o przekroju zaledwie 1/30 odpowiedniego przewodu wentylacyjnego. Z tego powodu woda jako czynnik chłodniczy jest stosowana w systemach IT już od dawna. Wysokowydajne szafy serwerowe częściowo wytwarzają moce cieplne w dwucyfrowym przedziale kW. Tak duża moc nie da się już efektywnie odprowadzić tylko przez chłodzenie powietrzne.
Woda ma zalety jako czynnik chłodniczy również pod względem efektywności energetycznej. Idealną sytuacją jest, gdy w zastosowaniu w przemyśle woda chłodząca jest już dostępna do procesu produkcji. W tym przypadku można po prostu zainstalować w szafach sterowniczych wymienniki ciepła powietrze-woda i podłączyć do obiegu wody chłodzącej. W wielu jednak przypadkach centralne dostarczanie zimnej wody jest efektywnym rozwiązaniem także wówczas, gdy woda chłodząca jest potrzebna wyłącznie do klimatyzacji szaf sterowniczych. Właśnie w większych rozdzielniach można zastosować tak zwane chillery, które wraz z centralną chłodziarką kompresorową schładzają wodę, a następnie rozprowadzają do poszczególnych szaf sterowniczych.

Rys. 4. Niezależne centrum obliczeniowe zasilane w energię z elektrociepłowni blokowych, których ciepło odlotowe jest jednocześnie używane do chłodzenia

Porównanie

Firma Rittal w przykładowej aplikacji porównała ze sobą koszty obu opisanych wyżej wariantów – centralnego agregatu chłodzącego i klimatyzatorów szaf sterowniczych. Uwzględniono przy tym zarówno koszty inwestycji, jak i eksploatacji. Jako przykład założono typową rozdzielnię z 16 szafami sterowniczymi TS 8. Koszty inwestycji dla obu komponentów klimatyzacji są prawie takie same i wynoszą około 18 tys. euro. W kalkulacji kosztów energii między obydwoma wariantami widać jednak poważną różnicę. Podczas gdy roczne koszty energii dla wariantu z osobnymi chłodziarkami wynoszą prawie 5,4 tys. euro, to dla wariantu z agregatem TopTherm tylko 3,2 tys. euro. Oszczędności w pierwszym roku wraz z kosztami inwestycji wynoszą 5%, a jeżeli przyjąć za podstawę tylko koszty energii, to oszczędność wyniesie prawie 40%. Nie uwzględniono przy tym kosztów serwisowania i konserwacji. Również tutaj przewagę ma centralne zasilanie w wodę chłodzącą. W przypadku zastosowania agregatu TopTherm, konserwacji musi być poddawana tylko jedna sprężarka i jedna pompa zimnej wody.

Klimatyzatory „Blue e”

Nie w każdej jednak sytuacji istnieje możliwość zastosowania systemu z agregatem centralnym. Mimo wykazanej przewagi takiego układu, również w „klasycznym” rozwiązaniu z klimatyzatorem szafy sterowniczej można uzyskać oszczędności energii. Firma Rittal w ostatnich latach prowadziła intensywne badania i pracowała nad rozwojem energooszczędnych urządzeń do chłodzenia szaf sterowniczych. W pierwszej kolejności położono nacisk na zoptymalizowane pod względem energetycznym i wydajnościowym kompresory chłodnicze, aby pracowały one w optymalnym punkcie roboczym. Poza kompresorami chłodniczymi zmodernizowano również inne komponenty: stosowane obecnie silniki wentylatorów z elektroniczną komutacją mają bardzo wysoką sprawność w całym zakresie obrotów. Pracowano również nad geometrią konstrukcji chłodniczej. W tym celu przeanalizowano skraplacze, parowniki, płytki chłodzące, łuki rurowe oraz wszystkie pozostałe komponenty i zmodyfikowano je w celu zwiększenia wydajności. Kolejnym ważnym krokiem jest odpowiednie dopasowanie ilości czynnika chłodniczego i elektroniki regulującej. W urządzeniu odpowiadają one dokładnie danej aplikacji i technicznym wymaganiom chłodzenia, tym samym zwiększając również wydajność całego systemu. Wynikiem tych prac rozwojowych są energooszczędne klimatyzatory generacji „Blue e” z mocami chłodniczymi od 500 W do 4 kW. Nowe klimatyzatory dostępne do zabudowy ściennej i dachowej oszczędzają do 45% pierwotnej energii elektrycznej w porównaniu z tradycyjnymi urządzeniami chłodniczymi.
Wykorzystano także znaczny potencjał oszczędności drzemiący w obszarze technika regulacji. Nowe inteligentne sterowniki Eco-Mode w urządzeniach „Blue e” i wymiennikach ciepła zarządzają pracą wentylatorów odpowiednio do potrzeb, w zależności od temperatury w szafie sterowniczej. Jeżeli jest ona o 10OC niższa od ustawionej, sterownik wyłącza wentylator. Do efektywnego mierzenia temperatury wewnętrznej szaf sterowniczej regulator co dziesięć minut włącza wentylator na 30 sekund, zapewniając cyrkulację powietrza w szafie. Aby niepotrzebnie nie marnować energii, sterownik zatrzymuje wentylator również wówczas, gdy drzwi szafy sterowniczej są otwarte.

Zastosowania
Działanie zoptymalizowanych urządzeń chłodniczych „Blue e” firmy Rittal zostało już sprawdzone w praktyce przemysłowej. Niemiecki producent samochodów zainstalował je w ramach projektu pilotażowego w swojej prasowni (rys. 3). Klimatyzatory były testowane łącznie przez 45 tygodni w codziennej eksploatacji, w surowych warunkach otoczenia. Podczas pracy pilotażowej zużycie pierwotnej energii elektrycznej było nawet o 70% niższe w porównaniu z zapotrzebowaniem tradycyjnych urządzeń. Dzięki temu w przeliczeniu możliwe było zredukowanie kosztów energii dla chłodzenia o ponad 100 euro na szafę sterowniczą.

Wytwarzanie chłodu z ciepła

Instytucje badawcze i przemysł stale pracują nad nowymi koncepcjami energooszczędnego wytwarzania zimna. Również Rittal wraz z afiliowaną firmą Würz Energy opracował niezależne centrum obliczeniowe, które jest zasilane w energię z dwóch redundantnych elektrociepłowni blokowych (BHKW) (rys. 4). Ciepło odlotowe elektrowni wykorzystuje się przy tym do chłodzenia. Niezbędne do tego urządzenia chłodnicze InveSor stosują proces adsorpcji, w którym chłodzenie następuje przez odkładanie molekuł wody na powierzchniach materiałów adsorpcyjnych. Umożliwia to zmianę temperatury dopływu wody chłodzącej z 4OC na 20OC. System jest bardzo wydajny energetycznie, a przede wszystkim elastyczny – przy niskich temperaturach zewnętrznych klimatyzacja może pracować na swobodnym chłodzeniu, podczas gdy ciepło odlotowe elektrociepłowni jest dostępne do ogrzewania. Trwające przedsięwzięcia badawcze w firmach i przemyśle pokazują, że w zakresie zarządzania energią cieplną nadal istnieje duży potencjał oszczędności, który może być wykorzystany w przyszłości.

Opracowano
na podstawie materiałów
firmy Rittal