September 2023
Waar laat de buitenkast zijn warmte?
Hogere buitentemperaturen door klimaatverandering werken ook in op kwetsbare elektronica in buitenkasten. Ontwerpers van nieuwe kasten hebben in deze tijd dan ook te maken met zwaardere eisen ten aanzien van koeling om de buitenkasten toekomstbestendig te maken. Maar ook de bestaande buitenkasten zullen in bepaalde gevallen moeten worden aangepast door bijvoorbeeld actieve koeling toe te voegen.
Buitenkasten – of outdoor behuizingen – beschermen kritische elektronica behorende bij onder andere telecommunicatie, laadinfrastructuren, verkeerssystemen en energieverdeling tegen externe invloeden. Om deze bescherming te garanderen, moeten de kasten zijn afgestemd op de heersende omstandigheden ter plekke.
Theo Gerritzen, business development manager bij Rittal: ‘We zien dat door de klimaatverandering de buitentemperaturen hoger worden en ook sterker wisselen. Dit kan leiden tot problemen bij elektronica in kasten die voorheen aan passieve koeling voldoende hadden. De vraag is nu: welke maatregelen je kunt nemen om problemen te voorkomen bij zowel bestaande als nieuwe kasten?’
Bestaande kasten
Het ontwerp van bestaande kasten is gebaseerd op de informatie die op dat moment beschikbaar was. Een deel van de gegevens blijft onveranderd, zoals het geïnstalleerd verliesvermogen en de warmte die componenten ontwikkelen. Wat verandert, is de warmteontwikkeling door de stijgende buitentemperaturen en de wisseling hiervan. Deze veranderingen verhogen het risico van falen van de elektronica.
‘Natuurlijk is er een bepaalde ontwerpruimte genomen waardoor er niet direct gevaar dreigt, maar áls temperaturen inderdaad blijven stijgen kan dit leiden tot uitval van apparatuur’, geeft Gerritzen aan. ‘De levensduur van elektronische componenten halveert immers bij elke temperatuurverhoging van 10 K in vergelijking met de maximaal toegestane bedrijfstemperatuur. Andersom leidt het tot een verdubbeling van de uitvalhoeveelheid.’
Wanneer dit gevaar dreigt bij bestaande kasten met passieve koeling is het zaak om het koelend vermogen te vergroten door het bijplaatsen van een ventilator. Zo eenvoudig als dit er op papier uitziet, zoveel extra aandacht is er in de praktijk nodig. Zo moet de omgevingslucht geschikt zijn voor een ventilator en zullen er extra openingen nodig zijn om buitenlucht binnen te laten. Deze openingen laten echter ook ongedierte toe. Daarnaast vereist een ventilator extra onderhoud én moet er worden gekeken of de geluidsbelasting van deze ventilator past in de omgeving (weiland of woonwijk) waar de kast staat.
‘Passieve koeling heeft de voorkeur, omdat het de noodzaak van extra componenten voorkomt’
Aandachtspunten
Dezelfde vragen gelden bij het ontwerpen van een nieuwe kast, maar in dat geval kan de ontwerper al direct rekening houden met hogere buitentemperaturen. Enkelwandige kasten bieden relatief weinig extra bescherming tegen warmte, maar zijn te verbeteren door toevoeging van een dubbel uitgevoerd dak. Bij dubbelwandige kasten ontstaat een schoorsteeneffect waardoor de temperatuurverschillen in de kast aanzienlijk minder groot zullen zijn, wat een nog betere situatie oplevert. Ook de kleur (licht/donker) en het materiaal van de kast hebben invloed. En de afnemer kan een bijdrage leveren door te kiezen voor een locatie in de schaduw waar direct zonlicht de kast niet kan bereiken.
Passieve koeling
Voor de koeling zelf kan bij een nieuwe kast in eerste instantie worden getracht voldoende passieve koeling te bereiken. Bijvoorbeeld door een groter uitstralend oppervlak te ontwerpen of luchtverplaatsing te stimuleren door de kast deels in de schaduw en deels in de zon te plaatsen. Gerritzen: ‘Passieve koeling heeft de voorkeur, omdat het de noodzaak van extra componenten voorkomt die onderhoud vragen en geluid maken.’
Hij vervolgt: ‘Houd ook rekening met de IP-beschermingsklasse. Veel enkelwandige IP66-kasten hebben voor buitenopstellingen zonder aanvullende maatregelen een te hoge beschermklasse. Mooi stof- en waterdicht, maar niet luchtdicht en dus een verhoogd risico van condensvorming bij sterk wisselende temperaturen. Je kunt voor een buitenkast beter kiezen voor beschermklasse IP55, zodat deze kunnen ‘ademen’ en het risico van condensvorming afneemt. Uiteraard op voorwaarde dat de bekabeling juist wordt ingevoerd en de bodemplaten en extra wartels IP55-dicht blijven.’
Nieuwe technieken
Voor het actief koelen van buitenkasten zijn inmiddels ook nieuwe oplossingen ontwikkeld. Een typisch outdoor-koelaggregaat omvat twee gescheiden koelcircuits: een klassiek koudemiddelcircuit (compressiesysteem) en aanvullend een heat pipe die is geïntegreerd in de condensor en verdamper.
In beide koudemiddelcircuits zijn de afzonderlijke componenten verbonden door leidingen, waarin het milieuvriendelijke koudemiddel R134a circuleert (ODP = 0). Het tweede koudemiddelcircuit werkt zonder compressor, expansieventiel en overige regelcomponenten en is als heat pipe in de verdamper en condensor geïntegreerd. Het koudemiddel binnenin de heat pipe onttrekt warmte-energie aan de aangezogen kastlucht, verdampt en stijgt gasvormig in de buis naar de condensor. Hier koelt hij weer af – als de buitentemperatuur lager is dan de temperatuur in de kast – , condenseert en geeft daarbij de vrijgekomen warmte af aan de omgeving. Het opnieuw vloeibaar geworden koudemiddel stroomt door de zwaartekracht terug en kan beginnen aan een nieuwe koelcyclus.
Gerritzen: ‘Deze oplossing heeft een extreem lage CO2-voetprint, een laag geluidsniveau en kan een belangrijke bijdrage leveren aan de hoge eisen waar de huidige en toekomstige generaties buitenkasten aan moeten voldoen’.