36 — Rechner

Schaltschrank-Klimatisierung berechnen

Ein Schaltschrank gibt einen Teil seiner Verlustwärme über die Gehäuseoberfläche ab, wie viel, hängt von der wirksamen Fläche ab, und die hängt davon ab, wie der Schrank steht. Erst was darüber hinausgeht, muss aktiv abgeführt werden.

Eingabe

Bezeichnung des Schaltschranks

Erscheint auf dem Ausdruck. Geht nicht in die Rechnung ein.

Verlustleistung im SchrankW

Summe— W

Die tatsächlichen Werte stehen im Datenblatt des Geräts oder im gepflegten Artikelstamm. Die Vorgabe ist ein Beispiel für einen Antriebsschrank, keine Bemessungsgrundlage.

Breitemm

Höhemm

Tiefemm

Aufstellung

Bestimmt die wirksame Oberfläche nach IEC 60890.

Oberseite

Abgedeckt, wenn eine Bühne, ein Kabelboden oder ein weiterer Schrank aufliegt.

Maximale Innentemperatur°C

Die Obergrenze, die im Schrank zulässig ist. Sie ergibt sich aus dem empfindlichsten Einbauteil.

Minimale Innentemperatur°C

Die Untergrenze, die im Stillstand nicht unterschritten werden darf. Maßgeblich ist das Bauteil mit der höchsten Mindestbetriebstemperatur.

Maximale Umgebungstemperatur°C

Der Auslegungsfall, danach wird das Kühlgerät ausgewählt.

Zu erwartende Umgebungstemperatur°C

Der Regelfall. Er bestimmt, wie viel das Gerät tatsächlich arbeitet.

Minimale Umgebungstemperatur°C

Nachts und im Stillstand. Entscheidet über den Bedarf an einer Heizung.

Anzunehmende relative Luftfeuchtigkeit%

Der Feuchtegehalt der Umgebungsluft im Auslegungsfall.

Ergebnis

Erforderliche KühlleistungIm Auslegungsfall: —W
Kühlleistung im Regelfall: —W
Luftstrom eines FilterlüftersFreiblasend, im Auslegungsfall: —m³/h
Wirksame OberflächeNach IEC 60890: —m²
Eigene Wärmeabgabe des Gehäuses: —W
Bewertung Kühlung: —
Taupunkt der UmgebungsluftBei maximaler Temperatur und angenommener Feuchte: —°C
Heizleistung gegen BetauungUm die Innentemperatur im Stillstand auf dem Taupunkt zu halten: —W
Maßgeblich für die Heizleistung: —
Bewertung Betauung: —

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Orientierungshilfe, keine normgerechte Auslegung. Für die Richtigkeit der Ergebnisse übernehmen wir keine Gewähr, maßgeblich sind die anzuwendenden Normen und die Prüfung im Einzelfall.

Berechnet am

Schaltschrank-Klimatisierung berechnen

Bezeichnung des Schaltschranks

Eingaben


Verlustleistung im Schrank: W
Breite: mm
Höhe: mm
Tiefe: mm
Aufstellung
Oberseite
Maximale Innentemperatur: °C
Minimale Innentemperatur: °C
Maximale Umgebungstemperatur: °C
Zu erwartende Umgebungstemperatur: °C
Minimale Umgebungstemperatur: °C
Anzunehmende relative Luftfeuchtigkeit: %

Ergebnis

Erforderliche Kühlleistung: W
Kühlleistung im Regelfall: W
Luftstrom eines Filterlüfters: m³/h
Wirksame Oberfläche: m²
Eigene Wärmeabgabe des Gehäuses: W
Bewertung Kühlung
Taupunkt der Umgebungsluft: °C
Heizleistung gegen Betauung: W
Maßgeblich für die Heizleistung
Bewertung Betauung

Formel

Wärmeabgabe: Q = k · A · ΔT mit k = 5,5 W/(m²·K) für lackiertes Stahlblech
ΔT = Innentemperatur − Umgebungstemperatur
Kühlbedarf = Verlustleistung − Wärmeabgabe
Freistehend: A = 1,8 · H · (B + T) + 1,4 · B · T
Oben abgedeckt: die Deckfläche 1,4 · B · T entfällt
Taupunkt nach Magnus: α = ln(φ/100) + 17,62 · t / (243,12 + t), τ = 243,12 · α / (17,62 − α)
Heizleistung gegen Betauung: P = k · A · (τ − minimale Umgebungstemperatur)

Annahmen und Normbezug

Wirksame Oberfläche nach IEC 60890 in Abhängigkeit von der Aufstellungsart.
k = 5,5 W/(m²·K) gilt für lackiertes Stahlblech. Bei Edelstahl liegt der Wert niedriger, bei Aluminium höher.
Ist die Umgebung wärmer als die zulässige Innentemperatur, ist Filterlüftung wirkungslos. Dann kommt nur ein Kühlgerät infrage.
Der Luftstrom folgt V = 3,1 · Q / ΔT. Der Faktor 3,1 m³·K/(W·h) ist der Kehrwert aus Dichte mal spezifischer Wärmekapazität der Luft, auf die Stunde gerechnet, und gilt für Meereshöhe. Mit der Höhe über NN sinkt die Dichte, der Faktor steigt.
Angegeben ist der freiblasende Luftstrom. Filtermatte, Austrittsgitter und Einbauten erzeugen Gegendruck – der Katalogwert eines Lüfters fällt bei tatsächlichem Gegendruck kleiner aus. Das Gerät ist nach dem Luftstrom im Einbauzustand zu wählen, nicht nach dem freiblasenden.
Maßgeblich ist der Auslegungsfall, also die wärmste angenommene Umgebung. Bei der zu erwartenden Umgebungstemperatur ist die Temperaturdifferenz größer und der nötige Luftstrom deutlich kleiner.
Die abgedeckte Oberseite wird hier vereinfacht gerechnet: die Deckfläche entfällt vollständig. IEC 60890 führt für abgedeckte Flächen eigene Zeilen mit eigenen Faktoren. Die Vereinfachung liegt auf der sicheren Seite. Sie verkleinert die Fläche und vergrößert damit den errechneten Kühlbedarf.
Die Heizleistung ist der Wert, um das Gehäuse im Stillstand auf dem Taupunkt zu halten. Eine Obergrenze. Im Betrieb schaltet ein Hygrostat, und die Verlustleistung der Einbauten heizt mit.
Sonneneinstrahlung, Aufstellung in Nischen und verschmutzte Filter verschlechtern das Ergebnis im Betrieb.

Orientierungshilfe, keine normgerechte Auslegung. Für die Richtigkeit der Ergebnisse übernehmen wir keine Gewähr, maßgeblich sind die anzuwendenden Normen und die Prüfung im Einzelfall.

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Rechenbeispiel

Der Standardfall, mit dem der Rechner startet, einmal durchgerechnet. Ändern Sie oben die Werte, rechnet er sofort neu.

Eingaben

Bezeichnung des Schaltschranks: 0
2 × Frequenzumrichter 7,5 kW: 390 W
2 × Frequenzumrichter 4 kW: 220 W
1 × Netzteil 24 V / 20 A: 55 W
1 × Steuerung mit Baugruppen: 45 W
5 × Schütze und Motorschutz: 40 W
Verlustleistung im Schrank: 750 W
Breite: 1.200 mm
Höhe: 2.000 mm
Tiefe: 600 mm
Aufstellung: Freistehend, allseitig frei
Oberseite: Frei
Maximale Innentemperatur: 35 °C
Minimale Innentemperatur: 5 °C
Maximale Umgebungstemperatur: 30 °C
Zu erwartende Umgebungstemperatur: 25 °C
Minimale Umgebungstemperatur: 5 °C
Anzunehmende relative Luftfeuchtigkeit: 60 %

Ergebnis

Erforderliche Kühlleistung: 544 W
Kühlleistung im Regelfall: 338 W
Luftstrom eines Filterlüfters: 337 m³/h
Wirksame Oberfläche: 7,49 m²
Eigene Wärmeabgabe des Gehäuses: 206 W
Bewertung Kühlung: Der Bedarf liegt im Bereich eines Kühlgeräts. Filterlüftung reicht nicht mehr aus, sobald die Umgebungstemperatur nah an die zulässige Innentemperatur rückt.
Taupunkt der Umgebungsluft: 21,4 °C
Heizleistung gegen Betauung: 675 W
Maßgeblich für die Heizleistung: Der Taupunkt bestimmt die Heizleistung. Gegen Betauung muss weiter geheizt werden, als die Mindestinnentemperatur verlangt.
Bewertung Betauung: Im Betrieb unkritisch, im Stillstand nicht: Kühlt das Gehäuse auf die minimale Umgebungstemperatur ab, liegt es unter dem Taupunkt. Eine Schaltschrankheizung mit Hygrostat verhindert den Niederschlag.

Formel

Wärmeabgabe: Q = k · A · ΔT mit k = 5,5 W/(m²·K) für lackiertes Stahlblech
ΔT = Innentemperatur − Umgebungstemperatur
Kühlbedarf = Verlustleistung − Wärmeabgabe
Freistehend: A = 1,8 · H · (B + T) + 1,4 · B · T
Oben abgedeckt: die Deckfläche 1,4 · B · T entfällt
Taupunkt nach Magnus: α = ln(φ/100) + 17,62 · t / (243,12 + t), τ = 243,12 · α / (17,62 − α)
Heizleistung gegen Betauung: P = k · A · (τ − minimale Umgebungstemperatur)

Annahmen und Normbezug

Wirksame Oberfläche nach IEC 60890 in Abhängigkeit von der Aufstellungsart.
k = 5,5 W/(m²·K) gilt für lackiertes Stahlblech. Bei Edelstahl liegt der Wert niedriger, bei Aluminium höher.
Ist die Umgebung wärmer als die zulässige Innentemperatur, ist Filterlüftung wirkungslos. Dann kommt nur ein Kühlgerät infrage.
Der Luftstrom folgt V = 3,1 · Q / ΔT. Der Faktor 3,1 m³·K/(W·h) ist der Kehrwert aus Dichte mal spezifischer Wärmekapazität der Luft, auf die Stunde gerechnet, und gilt für Meereshöhe. Mit der Höhe über NN sinkt die Dichte, der Faktor steigt.
Angegeben ist der freiblasende Luftstrom. Filtermatte, Austrittsgitter und Einbauten erzeugen Gegendruck – der Katalogwert eines Lüfters fällt bei tatsächlichem Gegendruck kleiner aus. Das Gerät ist nach dem Luftstrom im Einbauzustand zu wählen, nicht nach dem freiblasenden.
Maßgeblich ist der Auslegungsfall, also die wärmste angenommene Umgebung. Bei der zu erwartenden Umgebungstemperatur ist die Temperaturdifferenz größer und der nötige Luftstrom deutlich kleiner.
Die abgedeckte Oberseite wird hier vereinfacht gerechnet: die Deckfläche entfällt vollständig. IEC 60890 führt für abgedeckte Flächen eigene Zeilen mit eigenen Faktoren. Die Vereinfachung liegt auf der sicheren Seite. Sie verkleinert die Fläche und vergrößert damit den errechneten Kühlbedarf.
Die Heizleistung ist der Wert, um das Gehäuse im Stillstand auf dem Taupunkt zu halten. Eine Obergrenze. Im Betrieb schaltet ein Hygrostat, und die Verlustleistung der Einbauten heizt mit.
Sonneneinstrahlung, Aufstellung in Nischen und verschmutzte Filter verschlechtern das Ergebnis im Betrieb.

Häufige Fragen

Woher bekomme ich die Verlustleistung?

Aus den Datenblättern der Einbauten. Frequenzumrichter, Netzteile und Transformatoren dominieren; Schütze und Klemmen fallen kaum ins Gewicht. Als Grobwert gilt für Umrichter etwa 3 % der Bemessungsleistung.

Reicht ein Filterlüfter?

Nur wenn die Umgebungstemperatur unter der zulässigen Innentemperatur liegt. Ein Lüfter kann nicht unter Umgebungstemperatur kühlen. Andernfalls braucht es ein Kühlgerät oder einen Luft-Wasser-Wärmetauscher.

Warum steigt der nötige Luftstrom so schnell?

Weil die Temperaturdifferenz im Nenner steht. Bei 10 K Unterschied genügt die halbe Luftmenge wie bei 5 K; bei 2 K braucht es die zweieinhalbfache. Nähert sich die Umgebungstemperatur der zulässigen Innentemperatur, geht der Luftstrom gegen unendlich – und genau dort hört Filterlüftung auf, eine Möglichkeit zu sein.

Warum ist die Aufstellung so wichtig?

Eine an die Wand gestellte oder in einer Reihe eingebaute Seite gibt kaum noch Wärme ab. Zwischen freistehend und beidseitig eingereiht liegen leicht 40 % der wirksamen Fläche. Dasselbe gilt für eine abgedeckte Oberseite. Eine aufliegende Bühne oder ein Kabelboden nimmt die Deckfläche aus der Rechnung.

Warum drei Umgebungstemperaturen?

Weil drei verschiedene Fragen dahinterstehen. Nach der maximalen Temperatur wird das Kühlgerät ausgewählt, sonst reicht es am heißesten Tag nicht. Die zu erwartende Temperatur sagt, wie viel das Gerät tatsächlich arbeitet. Und die minimale Temperatur entscheidet, ob eine Heizung nötig ist, dieser Fall wird am häufigsten übersehen.

Wozu die Luftfeuchtigkeit?

Aus Temperatur und relativer Feuchte ergibt sich der Taupunkt. Kühlt das Gehäuse im Stillstand unter diesen Wert ab, schlägt sich Wasser an den Bauteilen nieder. Das ist der Grund, aus dem in einer ungeheizten Anlage im Winter Korrosion auftritt, obwohl die Kühlung im Sommer ausreichend war.

Rechnen ist der einfache Teil.

Die Formel liefert eine Zahl. Die Auslegung einer Anlage verlangt darüber hinaus Verlegeart, Häufung, Selektivität, Normenlage und den Blick auf den Bestand. Genau das übernehmen wir.

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