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Progettazione del quadro elettrico rispettosa del clima - È possibile far funzionare un quadro elettrico tutto l'anno in modo efficiente dal punto di vista energetico, senza rischiare guasti dovuti alla temperatura?
La risposta è sì, con un cablaggio privo di canaline, un sistema di ventole ed un eventuale raffreddamento supplementare basato sulle esigenze. Lo studio mostra il potenziale della combinazione di vari meccanismi di raffreddamento con un sistema di controllo intelligente e in quale modo questo potenziale possa essere sfruttato per generare efficienza energetica.
Il sistema di cablaggio AirSTREAM per un raffreddamento climatico del quadro elettrico
I quadri elettrici, con i relativi componenti, sono ampiamente utilizzati negli ambienti industriali. Esistono molti modelli standardizzati per quanto riguarda i componenti utilizzati e gli scopi applicativi così come esistono anche molte configurazioni possibili. Inoltre, la distribuzione della temperatura può variare anche in quadri elettrici che sembrano avere componenti identici. Anche fattori come la posizione di un componente possono avere un enorme impatto sulla temperatura individuale a cui è esposto il prodotto.
Non esiste un meccanismo di raffreddamento universale ed efficiente dal punto di vista energetico che garantisca un funzionamento regolare per tutte le applicazioni ed eventualità. Pertanto, è essenziale pensare alla climatizzazione del quadro elettrico durante la fase di progettazione. Gli errori commessi in questa fase si ripercuotono sull'intero ciclo di vita del sistema e sono difficili e costosi da riparare in seguito.
Efficienza energetica nell'industria
Nell'ambito di un accordo di collaborazione di lunga data, Friedrich Lütze GmbH e l'Istituto per l'energia residenziale, termica e l'accumulo di energia (IGTE) dell'Università di Stoccarda stanno lavorando a un concetto di raffreddamento per quadri elettrici basato sulle esigenze e rispettoso dell'ambiente. Oggi c'è una richiesta di maggiore efficienza energetica nell'industria e altri requisiti, come la prevenzione di guasti indotti dalla temperatura stessa, stanno diventando sempre più importanti per gli operatori di sistema.
In seguito alla trasformazione digitale e alla relativa interconnessione di tutte le fasi di produzione, anche il malfunzionamento di un quadro elettrico può avere gravi conseguenze. Si registra inoltre una maggiore pressione politica e pubblica per ridurre le emissioni in ogni fase della produzione. Il calcolo completo dell'impronta di CO2 di un prodotto industriale comprende anche le emissioni generate durante la produzione.
Il seguente esempio mostra come un concetto di raffreddamento stagionale e basato sulle esigenze possa portare a una riduzione del consumo energetico e delle emissioni.
La climatizzazione del quadro elettrico
La maggior parte delle considerazioni sulla climatizzazione nel settore dei quadri elettrici si concentra sui quadri singoli, ma in realtà anche nelle batterie di quadri senza separazioni interne sono altrettanto comuni. Da un punto di vista termodinamico, la posizione di installazione e la separazione spaziale di un quadro elettrico hanno un enorme impatto sul suo clima interno. Se si considerano le combinazioni convenzionali, i sistemi di raffreddamento attivo (unità di condizionamento o scambiatori di calore) sono spesso montati solo su un quadro elettrico ogni due o tre. Se ci si limita a considerare, ad esempio, la perdita di potenza per quadro e la massima potenza frigorifera utile, il funzionamento degli armadi appare possibile. Tuttavia, nella realtà, le cose sono molto diverse.
Il seguente esempio pratico mostra quale potenziale di risparmio energetico spesso non viene sfruttato.
Se diversi quadri elettrici condividono un sistema di raffreddamento attivo (unità di condizionamento o scambiatore di calore), spesso si verifica un problema di distribuzione. Ciò può essere chiaramente dimostrato da una simulazione CFD.
Figura 1 
La Figura 1 mostra la distribuzione della temperatura in una combinazione di due quadri elettrici senza separazioni interne. Entrambi sono stati progettati con il sistema di cablaggio AirSTREAM di Lütze, privo di canaline. Il quadro a destra è dotato di raffreddamento attivo, quello a sinistra no. La situazione iniziale è mostrata nella Figura 1. L'armadio di sinistra funziona con il free cooling, il che significa che la circolazione dell'aria è molto ridotta. L’immagine mostra chiaramente che l'aria fredda non raggiunge il cabinet di sinistra e che ci sono numerosi hot spot nell'area superiore.
Al contrario, la situazione termica del quadro elettrico raffreddato attivamente sulla destra, è ottima perché riceve un raffreddamento adeguato. In questa configurazione, in caso si voglia raffreddare adeguatamente il quadro di sinistra, la potenza di raffreddamento deve essere aumentata in modo significativo. In questo caso, la temperatura dell'aria nel quadro raffreddato attivamente si abbasserebbe notevolmente e ci sarebbe il rischio di formazione di condensa a causa delle grandi differenze di temperatura.
Figura 2
La soluzione migliore sarebbe quella di migliorare la distribuzione dell'aria fredda tra i quadri elettrici. La Figura 2 mostra come si può ottenere questo risultato. In questa situazione ottimizzata, in ogni quadro è presente un AirBLOWER (ventilatore di circolazione del sistema di cablaggio AirSTREAM) in grado di generare un flusso d’aria mirato intorno al telaio di cablaggio. Ciò significa che nel quadro a destra è necessaria una potenza di raffreddamento relativamente bassa. Grazie all'abbattimento della stratificazione della temperatura e alla circolazione dell'aria molto più elevata, il clima in entrambi i quadri viene migliorato.
Gli hot spot nel quadro di sinistra, che in precedenza erano presenti, vengono dissipati. E tutto questo con un AirBLOWER in modalità “normale”, che richiede solo 15 W di potenza. Un aspetto particolare è che l'unità di controllo dell'AirBLOWER ha un'uscita supplementare a potenziale zero che può controllare l'unità di raffreddamento attiva impiegata (ad esempio, l'unità di condizionamento o lo scambiatore di calore).
Il vantaggio energetico in un anno di produzione
Figura 3
Il vantaggio energetico di questo concetto di raffreddamento può essere illustrato valutando un intero anno di produzione. La temperatura in un capannone di produzione è soggetta a grandi fluttuazioni stagionali. I livelli di fluttuazione dipendono dalla situazione individuale. Sulla base dell'esperienza passata, per l'esempio che segue, si è ipotizzato un intervallo di temperatura tipico tra i 20 °C e i 35 °C. Questo intervallo di temperatura è distribuito sull'intero anno in base ai valori medi mensili in Germania per l'anno 2020 (fonte: DWD).
La Figura 3 mostra le curve di temperatura risultanti dal modello matematico. I dati meteorologici precedentemente menzionati (clima esterno) sono indicati in nero, la temperatura della sala è indicata in arancione e la temperatura massima nel quadro elettrico è indicata in rosso. Il quadro esaminato è quello mostrato nella Figura 1 a sinistra, inizialmente non dotato di raffreddamento attivo. Per questo quadro si ipotizza una dissipazione di potenza libera di 500 W. Come variabile standard è stata definita una temperatura massima consentita di 40 °C all'interno del quadro elettrico; se questa temperatura viene superata, il calore deve essere rimosso mediante raffreddamento attivo.
La Figura 3 mostra la situazione di partenza, in cui il movimento d'aria all'interno del quadro è minimo. Le barre blu mostrano il fabbisogno medio di raffreddamento aggiuntivo, misurato in Watt al mese. Questa potenza di raffreddamento deve essere immessa nel quadro elettrico in media ogni mese per raggiungere la temperatura stabilita di 40°C.
È evidente che da aprile a novembre è necessario un raffreddamento supplementare.
Secondo la curva di temperatura, il massimo nella sala viene raggiunto in agosto. Dalla simulazione CFD sappiamo che c'è anche una significativa stratificazione della temperatura.
Figura 4
Al contrario, se osserviamo il caso in cui viene utilizzato un AirBLOWER, come mostrato nella Figura 4, è chiaro che si può ottenere un miglioramento significativo per quanto riguarda l'energia richiesta per il raffreddamento. In questo caso, il raffreddamento aggiuntivo è necessario solo nei mesi da giugno a settembre. Anche la quantità di potenza frigorifera richiesta si riduce in modo significativo. In agosto, quando si raggiunge il valore massimo, il fabbisogno di raffreddamento aggiuntivo si riduce da 450 W a 200 W. Le temperature con l'AirBLOWER sono molto più basse anche nei mesi in cui non è richiesto un raffreddamento attivo: in questo caso è possibile utilizzare un funzionamento temporizzato dell'AirBLOWER.
La Figure 3 e 4 mostrano chiaramente gli effetti di un concetto di raffreddamento stagionale.
Il potenziale risparmio di energia e di emissioni è visibile quando lo stato ottimizzato viene confrontato con quello non ottimizzato. Prendiamo il caso di un sistema che funziona su due turni ogni giorno dell’anno. Come rapporto di efficienza energetica (EER) nella generazione del freddo si utilizza un valore di 2, ossia 1 kWh di elettricità per 2 kWh di freddo. Il consumo annuo di energia elettrica per l’applicazione non ottimizzata è di 557 kWh. Il consumo di energia elettrica per lo stato ottimizzato con un AirBLOWER, invece, è di 131 kWh. Ciò corrisponde a una riduzione effettiva delle emissioni del 76%.
Questo esempio di calcolo mostra come una progettazione ecologica dei quadri elettrici possa ridurre i costi operativi e la quantità di energia necessaria per il raffreddamento degli stessi senza aumentare il rischio di guasti termici.
Telestar ha pubblicato anche un articolo su questa soluzione all'interno della rivista Automazione Integrata. Puoi leggere l'articolo completo QUI
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