Lütze та IGTE: Науковий підхід до клімату у шафах керування

Серія вимірювань на практиці показує переваги вентилятора AirBLOWER для охолодження шаф керування з урахуванням потреб. Завдяки вентиляторній системі, яка розроблена до системи електропроводки AirSTREAM, клімат у шафі керування є однорідним, а температурного розшарування повітря не утворюється. Крім того, проведені практичні вимірювання показують дивовижні речі: коефіцієнт одночасності (який враховує, що в розподільній шафі ніколи всі компоненти не працюють одночасно і на повну потужність) в одній з досліджуваних шаф керування становив лише 40%. Якщо ці знання використати для розрахунку ефективних втрат тепла в шафі керування, виникають нові можливості щодо кондиціонування повітря на основі потреб, зменшення кінцевих витрат на енергію та зменшення викидів CO2.


Докладніше про науковий підхід до температури у шафах керування розповідають Майкл Бауц (Michael Bautz), продукт-менеджер компанії Friedrich Lütze GmbH (Вайнштад) та Вольфганг Хайдеманн (Wolfgang Heidemann) та Даніель Хааг (Daniel Haag) з Інституту будівельної енергетики, термотехнологій та зберігання енергії (IGTE), Університет Штутгарта.

Знання умов експлуатації має вирішальне значення для проєктування технології кондиціонування повітря в шафах керування. Оскільки вони зазвичай нечіткі, плануються великі резерви безпеки. Практичний приклад показує, який потенціал існує щодо кондиціонування повітря з урахуванням потреб і як його можна використовувати, не загрожуючи експлуатаційній безпеці системи. В рамках довгострокової співпраці між Lütze та Інститутом будівельної енергетики, термотехнологій та зберігання енергії при Університеті Штутгарта, на додаток до практичних вимірювань були проведені детальні теоретичні розробки з метою отримати дуже точні прогнози ситуації потоку та очікуваних температур для різних умов експлуатації.

Потенціал тестових випробувань


В рамках серії випробувань проводилося практичне вимірювання температури у шафах керування. Такі вимірювання також необхідні для підтвердження теоретичних міркувань. Далі більш детально пояснимо результати цієї серії випробувань для однієї з досліджуваних шаф керування.

Зокрема, це монтажна шафа, яка контролює циклічний процес складання. У цій шафі немає кондиціонера, є лише природнє охолодження. Якщо скласти інформацію про номінальну втрату тепла всіх виробників, то побачимо, що у шафі керування вивільняється тепло що є еквівалентом 500 Вт. Якщо розрахунок проводиться за допомогою програмного забезпечення для аналізу тепла AirTEMP, беручи до уваги просторовий розподіл втрат потужності, можна очікувати температуру до 73°C у верхній частині повітря шафи керування з вільним охолодженням (без кондиціонера). Застосований коефіцієнт одночасності становив 100%.

Прогнозовані за цих умов температури не можуть бути підтверджені практичними вимірами. Швидше за все, на практиці температури були значно нижчими. Це пов’язано зі значно нижчим коефіцієнтом одночасності. Однак температури, виміряні в шафі керування, все ще були неприпустимо високими. Тому на наступному етапі шафа керування була оснащена вентиляторами AirBLOWER.

Створюємо рух повітря


AirBLOWER створює спрямований циркуляційний потік в шафі керування. Об’ємний потік до 510 м³/год проходить спочатку за рамкою AirSTREAM, в результаті чого повітря в шафі управління повністю її обтікає. На малюнку 1 представлено підсумкову ситуацію щодо руху потоку на основі теоретичних міркувань. Видно, як повітря приводиться в рух на всю висоту розподільної шафи. Це мінімізує мертві ділянки потоку і розбиває шари повітря.

Мал. 1. Підсумкова ситуація щодо руху потоку на основі теоретичних міркувань.


Для того, щоб довести робочий механізм вентиляторної системи від Lütze, подальші вимірювання температури у шафі керування проводили за умови використання вентиляторів AirBLOWER. На малюнку 2 показані виміряні температури. AirBLOWER експлуатувався із 3-точковою стратегією управління. Залежно від температури, яку вентилятор реєструє за допомогою свого блоку управління та 3 датчиків температури, AirBLOWER вмикається при досягненні певних параметрів температури. У верхній частині малюнка 2 видно, як спочатку підвищуються температури у всіх місцях вимірювання.

Мал. 2. Виміряні температури у шафі керування

за умови використання вентиляторів AirBLOWER.


Оскільки AirBLOWER в цей момент неактивна, охолодження відбувається самотужки. Коли, нарешті, поріг вмикання AirBLOWER перевищений, вентилятори вмикаються. Одразу видно, що температура перестає зростати в усіх точках вимірювання. Температури остаточно переходять у квазістаціонарний стан.

Розчинення температурних шарів


Коливання температури, які все ще існують до кінця вимірювального циклу, зумовлені поведінкою системи, що залежить від часу. Робочий механізм вентилятора AirBLOWER особливо вражає, коли враховуються температури у верхній і нижній частині вільного обсягу повітря шафи керування. Криві температури зображені в нижній частині малюнка 2. Ці показники доводять, що ввімкнення AirBLOWER повністю виключає залежність від висоти температурного розшарування в шафі керування. Наявність спрямованого циркуляційного потоку означає, що значна частина повітря шафи керування змішується й охолодження компонентів покращується.

Визначення коефіцієнта одночасності


При використанні AirBLOWER середня температура у вільному обсязі повітря становить 30°C. Якщо теоретично розглянути AirTEMP та припустити коефіцієнт одночасності 100%, температура становила б близько 37°C. Переваги вентиляторної системи AirBLOWER тут знову яскраво проявляються. З теоретичної точки зору, максимальна температура в шафі керування з вільним охолодженням на 36 К вище, ніж при роботі з AirBLOWER. Якщо повітря добре перемішується, як це відбувається при роботі з AirBLOWER, середня температура у вільному обсязі повітря є хорошим еталонним значенням для втрат тепла, що виділяються в шафі керування. Це може бути виправдано тим, що через відсутність активного охолодження втрати тепла повинні повністю розсіюватися через стінки розподільної шафи.

Сучасна невідповідність між теоретичними міркуваннями та практичними вимірюванням, а також той факт, що розглянута система синхронізується з часом, приводить до висновку, що коефіцієнт одночасності повинен відрізнятися від 100%. Фактичний присутній коефіцієнт одночасності може бути визначений з високою точністю на основі проведених практичних вимірювань та теоретичних міркувань. Для цього у теоретичних міркуваннях коефіцієнт одночасності знижується до досягнення температури 30°С у вільному обсязі повітря. Цей підхід призводить до коефіцієнта одночасності лише у 40%. Таким чином, ефективні втрати тепла, що є визначальним для конструкції системи кондиціонування, зменшені з 500 Вт до 200 Вт. Яким чином це впливає на прогнозування клімату в шафі керування, показано нижче.

Контролюйте клімат у шафі


На мал. 3а та 3b наведено теоретичні міркування щодо робочих станів вільного охолодження та роботи з AirBLOWER з коефіцієнтами одночасності 100% та 40%. Номінальна втрата тепла відповідно до інформації виробника передбачалася в кожному випадку. Незалежно від застосовуваного коефіцієнта одночасності, вражає те, що AirBLOWER розчиняє температурні шари й навіть цілі зони гарячих точок. Якщо розглянути випадок вільного охолодження, стає зрозумілим, який вплив мають коефіцієнт одночасності, а отже, і передбачуваний розподіл втрат тепла. З коефіцієнтом одночасності 100%, гарячі точки формуються майже над кожним компонентом. З коефіцієнтом одночасності 40%, все ще існує значне розшарування температури при вільному охолодженні, але більшість гарячих точок зникли. Якщо за таких умов також встановлено AirBLOWER, клімат у шафі керування надійно контролюється.

Мал. 3а. Теоретичні міркування щодо робочих станів вільного охолодження

та роботи з AirBLOWER.



Мал. 3b. Теоретичні міркування щодо робочих станів вільного охолодження

та роботи з AirBLOWER.


Завдяки однорідним температурам повітря при помірному рівні температури (30°С у вільному обсязі повітря), термін служби компонентів збільшується, а ймовірність відмов системи зменшується. При безперервній роботі споживання енергії AirBLOWER становить в середньому 20 Вт. У порівнянні з кондиціонером ці витрати мізерні.

Не забувайте про температуру навколишнього середовища


Вплив температури навколишнього середовища слід розглядати як останню ключову змінну при розрахунку терморегуляції в конструкції шафи. Під час проведених вимірювань температури була виміряна температура навколишнього середовища, що становила +25°C. Цей фактор також було прийнято для показаних теоретичних міркувань. Залежно від ситуації монтажу, в спекотні літні дні може спостерігатися температура навколишнього середовища до +40°C. Це підвищення температури навколишнього середовища додається безпосередньо до температури всередині шафи керування. А отже літні температури можуть бути на 15 К вищими, ніж ті, що мали місце під час вимірювань. У такому випадку тим більш важливо розбити температурні шари в шафі керування за допомогою AirBLOWER.

Використовуючи систему з AirBLOWER, можна збільшити перехідну область, в якій система може працювати без кондиціонера. Однак з певної межі тепловитрат та в залежності від очікуваної температури навколишнього середовища без кондиціонера вже не можна обійтися. Але і тут AirBLOWER може мати допоміжний ефект, максимально зменшивши час роботи блоку кондиціонування. Крім того, енергомістке охолодження може бути розподілене найкращим чином. Отже, досягти охолодження шаф керування, що базується на потребах, можна завдяки тому, що внаслідок гомогенізації внутрішньої температури вводиться лише фактично необхідна холодопродуктивність. Наступним кроком буде подальша детальна оцінка потенціалу розробки з огляду на зменшення експлуатаційних витрат та викидів CO2. Подальші практичні випробування та теоретичні міркування в цьому напрямку вже заплановані.
LUTZE