Новости

Lütze и IGTE: Научный подход к климату в шкафах управления

Серия измерений на практике показывает преимущества вентилятора AirBLOWER для охлаждения шкафов управления с учетом потребностей. Благодаря вентиляторной системе, разработанной для системы электропроводки AirSTREAM, климат в шкафу управления является однородным, а температурного расслоения воздуха не образуется.

Кроме того, проведенные практические измерения показывают удивительные вещи: коэффициент одновременности (который учитывает, что в распределительном шкафу никогда все компоненты не работают одновременно и на полную мощность) в одном из исследуемых шкафов управления составил всего 40%. Если эти знания использовать для расчета эффективных потерь тепла в шкафу управления, возникают новые возможности кондиционирования воздуха на основе потребностей, уменьшения конечных затрат на энергию и уменьшение выбросов CO2.


Подробнее о научном подходе к температуре в шкафах управления рассказывают Майкл Бауц (Michael Bautz), продукт-менеджер компании Friedrich Lütze GmbH (Вайнштад) и Вольфганг Хайдеманн (Wolfgang Heidemann) и Даниэль Хааг (Daniel Haag) из Института строительной энергетики, термотехнологий и хранения энергии (IGTE), Университет Штутгарта.

Знание условий эксплуатации имеет решающее значение для проектирования технологии кондиционирования воздуха в шкафах управления. Поскольку они обычно нечеткие, планируются большие резервы безопасности. Практический пример показывает, какой потенциал существует по кондиционированию воздуха с учетом потребностей и как его можно использовать, не угрожая эксплуатационной безопасности системы. В рамках долгосрочного сотрудничества между Lütze и Институтом строительной энергетики, термотехнологий и хранения энергии при Университете Штутгарта, в дополнение к практическим измерениям были проведены детальные теоретические разработки с целью получить очень точные прогнозы ситуации потока и ожидаемых температур для различных условий эксплуатации.

Потенциал тестовых испытаний


В рамках серии испытаний проводилось практическое измерение температуры в шкафах управления. Такие измерения также необходимы для подтверждения теоретических соображений. Далее более подробно объясним результаты этой серии испытаний для одного из исследуемых шкафов управления.

В частности, это монтажный шкаф, который контролирует циклический процесс сборки. В этом шкафу нет кондиционера, есть только естественное охлаждение. Если сложить информацию о номинальной потере тепла всех производителей, то увидим, что в шкафу управления высвобождается тепло, являющееся эквивалентом 500 Вт. Если расчет производится с помощью программного обеспечения для анализа тепла AirTEMP, учитывая пространственное распределение потерь мощности, можно ожидать температуру до 73°C в верхней части воздуха шкафа управления со свободным охлаждением (без кондиционера). Примененный коэффициент одновременности составил 100%.

Прогнозируемые при этих условиях температуры не могут быть подтверждены практическими измерениями. Скорее всего, на практике температуры были значительно ниже. Это связано со значительно более низким коэффициентом одновременности. Однако температуры, измеренные в шкафу управления, все еще были недопустимо высокими. Поэтому на следующем этапе шкаф управления был оснащен вентиляторами AirBLOWER.

Создаем движение воздуха


AirBLOWER создает направленный циркуляционный поток в шкафу управления. Объемный поток до 510 м³/ч проходит сначала за рамкой AirSTREAM, в результате чего воздух в шкафу управления полностью его обтекает. На рисунке 1 представлена итоговая ситуация по движению потока на основе теоретических соображений. Видно, как воздух приводится в движение на всю высоту распределительного шкафа. Это минимизирует мертвые участки потока и разбивает слои воздуха.

Рис. 1. Итоговая ситуация по движению потока на основе теоретических соображений.


Для того чтобы доказать рабочий механизм вентиляторной системы от Lütze, дальнейшие измерения температуры в шкафу управления проводили при использовании вентиляторов AirBLOWER. На рисунке 2 показаны измеренные температуры. AirBLOWER эксплуатировался с 3-точечной стратегией управления. В зависимости от температуры, которую вентилятор регистрирует с помощью своего блока управления и 3 датчиков температуры, AirBLOWER включается при достижении определенных параметров температуры. В верхней части рисунка 2 видно, как сначала повышаются температуры во всех местах измерения.

Рис. 2. Измеренные температуры в шкафу управления

при использовании вентиляторов AirBLOWER.


Поскольку AirBLOWER в этот момент неактивна, охлаждение происходит самостоятельно. Когда, наконец, порог включения AirBLOWER превышен, вентиляторы включаются. Сразу видно, что температура перестает расти во всех точках измерения. Температуры окончательно переходят в квазистационарное состояние.

Растворение температурных слоев


Колебания температуры, которые все еще существуют до конца измерительного цикла, обусловлены поведением системы, зависящем от времени. Рабочий механизм вентилятора AirBLOWER особенно поражает, когда учитываются температуры в верхней и нижней части свободного объема воздуха шкафа управления. Кривые температуры изображены в нижней части рисунка 2. Эти показатели доказывают, что включение AirBLOWER полностью исключает зависимость от высоты температурного расслоения в шкафу управления. Наличие направленного циркуляционного потока означает, что значительная часть воздуха шкафа управления смешивается и охлаждение компонентов улучшается.

Определение коэффициента одновременности


При использовании AirBLOWER средняя температура в свободном объеме воздуха составляет 30°C. Если теоретически рассмотреть AirTEMP и предположить коэффициент одновременности 100%, температура составила бы около 37°C. Преимущества вентиляторной системы AirBLOWER здесь снова ярко проявляются. С теоретической точки зрения, максимальная температура в шкафу управления со свободным охлаждением на 36 К выше, чем при работе с AirBLOWER.

Если воздух хорошо перемешивается, как это происходит при работе с AirBLOWER, средняя температура в свободном объеме воздуха является хорошим эталонным значением для потерь тепла, выделяемых в шкафу управления. Это может быть оправдано тем, что из-за отсутствия активного охлаждения потери тепла должны полностью рассеиваться через стенки распределительного шкафа.

Современное несоответствие между теоретическими соображениями и практическими измерениями, а также тот факт, что рассматриваемая система синхронизируется со временем, приводит к выводу, что коэффициент одновременности должен отличаться от 100%.

Фактический присутствующий коэффициент одновременности может быть определен с высокой точностью на основе проведенных практических измерений и теоретических соображений. Для этого в теоретических рассуждениях коэффициент одновременности снижается до достижения температуры 30°С в свободном объеме воздуха. Этот подход приводит к коэффициенту одновременности только в 40%. Таким образом, эффективные потери тепла, является определяющим для конструкции системы кондиционирования, уменьшены с 500 Вт до 200 Вт. Каким образом это влияет на прогнозирование климата в шкафу управления, показано ниже.

Контролируйте климат в шкафу


На рис. 3а и 3b приведены теоретические рассуждения о рабочем состоянии свободного охлаждения и работе с AirBLOWER с коэффициентами одновременности 100% и 40%. Номинальная потеря тепла согласно информации производителя предусматривалась в каждом случае. Независимо от применяемого коэффициента одновременности, поражает то, что AirBLOWER растворяет температурные слои и даже целые зоны горячих точек. Если рассмотреть случай свободного охлаждения, становится понятным, какое влияние имеют коэффициент одновременности, а следовательно, и предполагаемое распределение потерь тепла. С коэффициентом одновременности 100%, горячие точки формируются почти над каждым компонентом. С коэффициентом одновременности 40%, все еще существует значительное расслоение температуры при свободном охлаждении, но большинство горячих точек исчезли. Если при таких условиях также установлен AirBLOWER, климат в шкафу управления надежно контролируется.


Рис. 3а. Теоретические рассуждения о рабочих состояниях свободного охлаждения и работы с AirBLOWER.


Рис. 3а. Теоретические рассуждения о рабочих состояниях свободного охлаждения и работы с AirBLOWER.


Благодаря однородным температурам воздуха при умеренном уровне температуры (30°С в свободном объеме воздуха), срок службы компонентов увеличивается, а вероятность отказов системы уменьшается. При непрерывной работе потребление энергии AirBLOWER составляет в среднем 20 Вт. По сравнению с кондиционером эти расходы мизерные.

Не забывайте о температуре окружающей среды


Влияние температуры окружающей среды следует рассматривать как последнюю ключевую переменную при расчете терморегуляции в конструкции шкафа. В ходе проведенных измерений температуры была измерена температура окружающей среды, которая составляла +25°C. Этот фактор также было принято для показанных теоретических соображений. В зависимости от ситуации монтажа, в жаркие летние дни может наблюдаться температура окружающей среды до +40°C. Это повышение температуры окружающей среды добавляется непосредственно к температуре внутри шкафа управления. Следовательно, летние температуры могут быть на 15 К выше, чем те, которые имели место во время измерений. В таком случае тем более важно разбить температурные слои в шкафу управления с помощью AirBLOWER.

Используя систему с AirBLOWER, можно увеличить переходную область, в которой система может работать без кондиционера. Однако с определенного предела теплопотерь и в зависимости от ожидаемой температуры окружающей среды без кондиционера уже нельзя обойтись. Но и здесь AirBLOWER может иметь вспомогательный эффект, максимально уменьшив время работы блока кондиционирования. Кроме того, энергоемкое охлаждение может быть распределено лучшим образом. Итак, достичь охлаждения шкафов управления, основанный на потребностях, можно благодаря тому, что в результате гомогенизации внутренней температуры вводится только фактически требуемая холодопроизводительность. Следующим шагом будет дальнейшая детальная оценка потенциала разработки с учетом уменьшения эксплуатационных расходов и выбросов CO2. Дальнейшие практические испытания и теоретические рассуждения в этом направлении уже запланированы.
LUTZE