Szafy sterownicze są używane są w zasadzie wszędzie, w związku z czym są oferowane w przeróżnych rozmiarach i kształtach oraz w wersjach pozwalających spełnić każde wymagania. Jeśli zostanie ona właściwie dobrana do konkretnych potrzeb, zwykle będzie służyła przez cały okres użytkowania, zapewniając prawidłowe działanie elementów elektrycznych i elektronicznych przy możliwie najniższym zużyciu energii.

Szafa sterownicza to specjalnie skonstruowana obudowa przeznaczona do zamontowania w niej urządzeń elektronicznych i elektrycznych. Szafa taka pełni cztery podstawowe funkcje:

• ƒƒ chroni personel przed niebezpieczeństwem porażenia prądem;
• ƒƒ zabezpiecza urządzenia wewnętrzne przed wpływem środowiska zewnętrznego;
• ƒƒ utrzymuje odpowiednie parametry powietrza wewnętrznego;
• ƒƒ zabezpiecza sprzęt przed uszkodzeniami mechanicznymi.

Systemy klasyfikacji
Już same systemy klasyfikacyjne szaf sterowniczych świadczą o mnogości rozwiązań możliwych do zastosowania. Podstawowe systemy klasyfikacji szaf sterowniczych to NEMA i IP. NEMA jest systemem klasyfikacji ochrony obudów stosowanym w USA, a system klasyfikacji IP dominuje w pozostałych częściach świata. W Polsce zwykle stosowany jest system IP, w którym pierwsza liczba określa stopień ochrony przed wnikaniem ciał obcych i przed dotykiem, druga liczba określa stopień ochrony przed wnikaniem wody. Przykładowo stopień ochrony IP66K oznacza:

• ƒƒ 6(1) – pyłoszczelność i pełną ochronę przed dotykiem;
• ƒƒ 6(2) – ochronę przed silnym strumieniem wody.

Litera K została dodana w klasyfikacji w celu określenia odporności na wysokociśnieniowe strumienie wody. Oznaczenie to pierwotnie stosowane do testów urządzeń stosowanych w pojazdach drogowych, obecnie jest wykorzystywane w branżach wymagających częstego mycia pod wysokim ciśnieniem i wysokiej temperaturze w celu zapewnienia odpowiednich warunków sanitarnych.
Należy pamiętać, że normy NEMA i IP określają tylko w sposób ogólny, jaką funkcjonalność musi mieć dana obudowa, pomijając szczegóły budowy.

Jak dobrać odpowiedni system dla szafy sterowniczej
Mnogość kombinacji poziomów ochrony wiąże się z niebezpieczeństwem niedoszacowania lub zawyżenia wymaganego poziomu ochrony, dlatego przy doborze odpowiednich rozwiązań należy się opierać na sprawdzonych, wiarygodnych rozwiązaniach.
Jednym z wiodących światowych dostawców szaf sterowniczych jest firma Rittal, która oferuje kompletne systemy szaf sterowniczych wyposażonych we własne elementy utrzymania właściwych warunków środowiskowych wewnątrz szaf. Autorskie unikatowe rozwiązania chłodnicze są stale udoskonalane, w celu uzyskania najlepszych efektów przy minimalnym możliwym zużyciu energii.

Warto wspomnieć iż projektanci szaf sterowniczych mogą skorzystać z programu Rittal Therm, który pozwala prawidłowo dobrać powierzchnię szafy sterowniczej, wydajność chłodniczą, a także określić temperatury panujące wewnątrz szafy.

Parametry środowiskowe dotyczące szaf sterowniczych
Dobór szaf sterowniczych i ich systemów utrzymania parametrów środowiskowych, bardzo często jest dokonywany poza zakresem projektów sanitarnych. Jest to dość dziwne, ponieważ utrzymanie takich parametrów jak czystość powietrza, temperatura czy wilgotność leży właśnie w zakresie branży sanitarnej. Co ciekawe – za projekty chłodzenia sprzętu IT w obiektach typu Data Center są odpowiedzialni właśnie projektanci sanitarni. Być może, że do wykluczania projektantów sanitarnych z procesu doboru skłania jakość programu Rittal Therm – tym bardziej warto zapoznać się z jego szerokimi możliwościami.
Warto tu napomknąć iż najczęstszymi przyczynami awarii lub niewłaściwego działania komponentów elektrycznych i elektronicznych w szafach sterowniczych są pył, zbyt wysoka temperatura i kondensacja wilgoci.

Temperatura
Zbyt wysoka temperatura w szafach jest w chwili obecnej wrogiem numer jeden dla komponentów elektronicznych. Właściwie każdy element elektroniczny ma określony zakres optymalnych temperatur pracy oraz maksymalną dopuszczalną temperaturę pracy. Przekroczenie o 10 K maksymalnej dopuszczalnej temperatury pracy sprawia, że żywotność podzespołów elektronicznych spada o połowę. Brak dostatecznego odprowadzania ciepła może skutkować także wyłączeniem urządzeń, co grozi przerwami w produkcji, komunikacji lub świadczeniu usług.
Gęstość upakowania elementów w szafach sterowniczych w ostatnim czasie mocno wzrosła, co doprowadziło do wzrostu strat ciepła wewnątrz obudów. Postawiło to nowe wyzwania przed producentami tego typu sprzętu oraz projektantami systemów.

Rys. 1. Metody odprowadzania ciepła z szaf: a) odprowadzanie ciepła przez obudowę z dodatkową recyrkulacją wewnętrzną powietrza (Twew > Tzew); b) odprowadzanie ciepła przez we tylatory filtrujące (Twew > Tzew); c) odprowadzanie ciepła przez wymienniki ciepła powietrze/powietrze (Twew > Tzew); d) odprowadzanie ciepła przez wymienniki powietrze/woda lub powietrze/czynnik chłodniczy

Według firmy Rittal, w większości szaf sterowniczych temperatura wewnętrzna szafy powinna być ustawiona na 35°C. Jeśli ustawi się tę temperaturę zbyt nisko, poza zwiększonym zużyciem energii przez wentylatory i klimatyzatory, pojawia się realne, a często niedoceniane ryzyko kondensacji wilgoci na podzespołach elektrycznych i elektronicznych.
Oczywistym jest fakt, że przy nastawie 35°C, musimy być pewni odpowiedniego przewiewu powietrza przez szafę lub odpowiedniej cyrkulacji wewnątrz szafy, tak aby nie tworzyły się lokalne strefy przegrzania. Najczęściej stosowane metody odprowadzania ciepła z szaf przedstawiono na rysunku 1.

Obieg powietrza w szafach sterowniczych
W systemach szaf sterowniczych firmy Rittal, zwraca się szczególną uwagę na przepływy powietrza wewnątrz szafy. Przy ich projektowaniu stosowane są symulacje z wykorzystaniem programów typu CFD.
Wypełniając szafy sprzętem, należy przewidzieć wolne przestrzenie wentylacyjne, pozwalające na przepływ powietrza chłodzącego przez każdy element elektroniczny i elektryczny. Oczywiście każdy komponent elektryczny w szafie musi być zamontowany według wytycznych danego producenta.
Na rysunku 2. przedstawiono dosyć innowacyjny system firmy Rittal rozprowadzania powietrza z klimatyzatora dachowego systemem kanałów powietrznych zamontowanych wewnątrz szafy sterowniczej.

Rys. 2. System rozprowadzania powietrza z klimatyzatora dachowego firmy Rittal poprzez kanały powietrzne zamontowane wewnątrz szafy sterowniczej

Czystość powietrza
Jak wspominaliśmy już, czystość powietrza ma istotny wpływ na funkcjonowanie elementów wewnętrznych szaf sterowniczych. W obudowach wentylowanych powietrzem zewnętrznym istnieje pewne niebezpieczeństwo osadzania się brudu czy pyłu na stykach elektrycznych i elementach obudowy. Dlatego też powietrze nawiewane do szafy musi być odpowiednio filtrowane, a sama szafa sterownicza powinna działać na wewnętrznym nadciśnieniu. Firma Rittal zaleca, aby w miarę możliwości stosować wentylatory filtrujące w wersji nawiewnej.
W przypadku bardziej zanieczyszczonych pomieszczeń przemysłowych najlepszym zabezpieczeniem jest stosowanie szczelnych obudów zgodnie z klasyfikacją IP. Jeśli istnieje konieczność stosowania dodatkowego chłodzenia szaf sterowniczych najlepiej zrobić to wymiennikami powietrze/woda lub odpowiednio zabezpieczonymi klimatyzatorami typu dachowego, ściennego lub drzwiami chłodzącymi.

Kondensacja wilgoci
Odpowiednia wentylacja i klimatyzacja w większości przypadków jest wystarczającym rozwiązaniem dla zabezpieczenia wewnętrznych elementów szaf. Jednak gdy wilgotność jest wysoka, nie potrzeba dużej różnicy temperatur pomiędzy powietrzem zewnętrznym a powierzchniami elementów wewnętrznych szafy sterowniczej, aby wewnątrz obudowy utworzył się kondensat.
Doświadczenia eksploatacyjne dotyczące szaf sterowniczych zewnętrznych oraz instalowanych wewnątrz w zmiennych zmiennych warunkach temperatury i wilgotności dowodzą, że regulowanie temperatury nie zawsze zapobiega kondensacji wilgoci. Kondensacja wilgoci na elementach elektrycznych, elektronicznych czy wyświetlaczach jest nazywana ukrytym wrogiem elektroniki. Wilgoć powstająca wewnątrz obudów powoduje zwarcia, korozję, wycieki wody z obudów, ryzyko porażenia prądem, a także zanieczyszczenie biologiczne przez pleśń i inne organizmy.
Stosowana przez firmę Rittal reguła utrzymania wewnątrz szaf temperatury 35°C skutecznie zapobiega wykraplaniu wilgoci. Dzięki takiej nastawie elementy znajdujące się tuż przy nawiewie chłodnego powietrza nie są za bardzo przechładzane, a dodatkowo klimatyzator pozwala osuszać wewnętrzne powietrze w przypadku, gdy wilgoć wniknie przez nieszczelności, przepusty kablowe czy uchylone drzwi.
Bardzo ciekawym rozwiązaniem firmy Rittal stosowanym w klimatyzatorach typu „Blue e”, jest aktywne elektroniczne odparowanie kondensatu wykroplonego na chłodnicy klimatyzatora. Oczywistym jest, że szafy sterownicze, w których istnieje ryzyko wykroplenia wilgoci muszą być wyposażone w grzałki elektryczne sterowane termostatami lub/i higrostatami.

Rys. 3. Klimatyzator Rittal Blue e +

Systemy chłodzone wodą
Odprowadzanie ciepła z szaf sterowniczych za pomocą wymienników staje się ostatnio coraz bardziej popularne. Główną zaletą tego rozwiązania stanowi fakt, że ciepło nie jest oddawane do tego samego pomieszczenia, ale zostaje przesłane przez medium chłodnicze do chillera, z reguły zainstalowanego w innym pomieszczeniu. W ofercie firmy Rittal możemy znaleźć urządzenia chłodzone wodą typu przyściennego, naściennego i do zabudowy dachowej.
Istnieje wiele zakładów przemysłowych z takich branż jak przemysł samochodowy, tworzyw sztucznych czy przemysł spożywczy, w których funkcjonują centralne obiegi wody chłodniczej, dzięki czemu medium to mamy dostępne praktycznie w każdej części zakładu.
Badania przeprowadzone przez firmę Rittal wykazały, że systemy chłodzone wodą zużywają około 40% energii mniej niż autonomiczne klimatyzatory szaf sterowniczych. Oczywiście każdy przypadek należy traktować indywidualnie, ale zawsze warto rozważyć oba alternatywne rozwiązania, szczególnie wtedy, gdy woda układu chłodniczego służy na przykład za dolne źródło dla pomp ciepła.

Maciej ŻUK – konsultant HVAC

Rittal Sp. z o.o.
The Park Warsaw – Budynek 3
ul. Krakowiaków 48
02-255 Warszawa
www.rittal.pl