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Azionamento dell'ascensore idraulico VVVF ad alta efficienza energetica

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Figura 5: Sistema inverter ad anello chiuso

Sia i paesi sviluppati che quelli in via di sviluppo stanno affrontando grandi sfide per ridurre le emissioni di carbonio e l'impatto ambientale. Mentre nuovi prodotti ad alta efficienza energetica stanno colpendo ogni giorno il mercato, le norme e le linee guida sull'efficienza energetica stabilite dai governi funzionano come catalizzatori nel filtrare i prodotti obsoleti e inefficienti. Il settore degli ascensori non è diverso, avendo visto negli ultimi anni progetti efficienti dal punto di vista energetico e rispettosi dell'ambiente. La tecnologia a tensione variabile, frequenza variabile (VVVF) è presente da tempo sia negli ascensori a trazione che in quelli idraulici ed è diventata gradualmente popolare. Tuttavia, diverse questioni sono ancora discutibili. Questo articolo esamina alcuni fatti sull'efficienza energetica, le tendenze del mercato e il mercato degli ascensori idraulici in Europa e in India per scoprire come un azionamento per ascensori idraulici VVVF semplice ed economico potrebbe plasmare il futuro degli ascensori idraulici.

L'efficienza energetica è ora uno dei parametri più importanti che designer, produttori e consumatori considerano durante la selezione di un prodotto. Il marketing del prodotto enfatizza l'impatto ambientale e gli aspetti ecologici per rendere le pubblicità più accattivanti. Tuttavia, dietro le sofisticate campagne di marketing dei prodotti e le etichette verdi, alcune domande fondamentali che interessano l'utente finale rimangono ancora parzialmente senza risposta.

Quando un ascensore è efficiente dal punto di vista energetico?

La risposta a questa domanda è stata dibattuta per molto tempo. Alcune opinioni sulla sua risposta sono le seguenti:

  1. Se il periodo di ammortamento dell'ascensore è compreso tra tre e cinque anni.
  2. Se l'ascensore consuma meno del 3-5% del consumo energetico totale dell'edificio.
  3. Se l'ascensore ha un basso consumo energetico operativo e in standby.

Mentre il consumo di energia e il denaro sono solitamente gli unici parametri a fuoco, non dobbiamo dimenticare che ci sono altri parametri importanti che vengono spesso scartati. Per accertare se un ascensore è efficiente dal punto di vista energetico, è necessario eseguire un'analisi completa del ciclo di vita (LCA) del sistema utilizzando strumenti appropriati e informazioni statistiche. Una LCA prende in considerazione la durata di vita completa del prodotto (Figura 1). Un sistema di ascensore sarebbe efficiente dal punto di vista energetico se avesse bisogno di meno energia per funzionare ma il suo processo di produzione fosse un disastro ambientale, che richiede una quantità straordinaria di risorse per il trasporto e l'installazione? Inoltre, cosa succede se il suo livello di sicurezza è compromesso e ha alti costi di manutenzione e impatto ambientale? L'energia investita in tutti questi fattori, non solo i bassi costi operativi e di standby, deve essere presa in considerazione.

Come vengono classificati gli ascensori ad alta efficienza energetica?

Ogni anno vengono installati circa 300,000-350,000 ascensori, di cui 80,000-100,000 idraulici. Lo stock mondiale di ascensori è di circa nove milioni di installazioni, di cui 3.5-3.8 milioni sono idraulici. Mentre architetti e ingegneri si stanno concentrando sul rendere i moderni ascensori più efficienti dal punto di vista energetico, il numero di vecchie installazioni non dovrebbe essere ignorato. Ridurre il consumo di energia del 25% comporterebbe circa 4-5 TWh di potenza all'anno, l'equivalente di quello che potrebbero generare 3,500 turbine eoliche in quel periodo.

Nuove norme sull'efficienza energetica per il settore degli ascensori, come ISO 25745 Parte 1 e VDI 4707, vengono adottate in modo aggressivo nei paesi sviluppati per rendere i sistemi di ascensori efficienti dal punto di vista energetico. Questi sono applicabili alle installazioni nuove ed esistenti. Ad esempio, la norma sull'efficienza energetica VDI 4707 colloca un ascensore in una classe particolare. A un sistema verrebbe assegnata una classe energetica a seconda del consumo energetico che ha durante il viaggio e lo standby. Inoltre, l'efficienza energetica si basa anche sul tipo di impianto ascensore. Questo tipo di certificazione si basa ampiamente sul consumo di energia e in standby e non considera l'LCA completo del sistema.

Tendenza generale del mercato

Nel settore degli ascensori, quattro parametri principali definiscono in generale le tendenze del mercato: politiche commerciali delle grandi aziende, politiche governative (sotto forma di norme e regolamenti), esigenze dei clienti e questioni tecniche. Un classico esempio nel settore degli ascensori è l'uso crescente della tecnologia VVVF, poiché viene commercializzata come efficiente dal punto di vista energetico e rispettosa dell'ambiente, offrendo avviamenti più fluidi e precisione di avvio e arresto. Questa tecnologia è ampiamente supportata dagli istituti governativi nei paesi sviluppati sotto forma di nuove norme sull'efficienza energetica, certificazioni e classificazione dell'efficienza energetica. Tuttavia, è importante sottolineare ancora una volta il fatto che non tutte le soluzioni VVVF disponibili sul mercato possono essere considerate un prodotto efficiente dal punto di vista energetico, poiché i numeri di consumo energetico in esercizio e in standby inferiori potrebbero essere fuorvianti, soprattutto quando il prodotto presenta tali inconvenienti come alti costi di manutenzione, progettazione complicata e contratti di servizio esclusivi che spesso avvantaggiano solo il produttore. È molto importante guardare il quadro completo prima di giungere a una conclusione, piuttosto che concentrarsi solo su una parte di esso.

Mercato indiano degli ascensori idraulici

I vantaggi offerti dagli ascensori idraulici nel mercato degli ascensori bassi sono ben noti. Lo si può vedere nel rapporto E4 pubblicato nel marzo 2010. Secondo esso, su un totale di 4.8 milioni di ascensori in Europa, 1.18 milioni (25%) sono idraulici. Ciò significa che da un'installazione annuale di 110,000-120,000 ascensori, 25,000-30,000 sono installazioni idrauliche. Anche il mercato degli ascensori del Regno Unito proietta un quadro simile, con circa il 21% degli impianti idraulici. Solo nel Regno Unito, nei prossimi 30,000-10 anni, dovrebbero essere modernizzati circa XNUMX ascensori idraulici per soddisfare le norme sull'efficienza energetica.

L'India, d'altra parte, è un mercato in via di sviluppo quando si tratta di installazione idraulica. Non molto tempo fa, gli ascensori idraulici erano considerati un problema a causa di alcuni miti nel settore degli ascensori. I componenti idraulici industriali sono stati utilizzati per realizzare centraline oleodinamiche per ascensori; progettazione errata e l'assenza di competenze tecniche specifiche sono stati i principali responsabili dei problemi e dei guasti. Tuttavia, con la disponibilità dei componenti giusti e del know-how tecnico, l'industria degli ascensori idraulici ha visto un aumento del numero di installazioni negli ultimi otto anni. Il suo tasso di crescita è ora superiore al 60% annuo.

L'installazione di ascensori idraulici totale (inclusi passeggeri e non) rappresenta quasi l'8% del numero totale di ascensori installati annualmente. Si prevede che l'India avrà circa 20,000-25,000 nuove installazioni idrauliche nei prossimi cinque anni. Questa è una stima prudente, che tiene conto solo delle città metropolitane e di livello 1 e 2. Sono necessari più di 20,000 sistemi di parcheggio nelle città di livello 1 e 2 per ridurre la congestione dei parcheggi nei prossimi anni. Poiché gli ascensori idraulici creano ulteriori incursioni in questo mercato, l'idea di utilizzare prodotti ad alta efficienza energetica non è più facoltativa; piuttosto, è nell'elenco delle funzionalità "must-have".

Una soluzione idraulica VVVF è migliore di una soluzione idraulica convenzionale?

La risposta a questa domanda dovrebbe essere logica, oltre che analitica. Per decidere quale soluzione idraulica (controllo meccanico, servocomando elettronico o controllo VVVF) è più adatta per una particolare applicazione, è necessario considerare quanto segue:

1) Un sistema di controllo idraulico meccanico offre una soluzione semplice, affidabile ed economica. Tuttavia, non è molto adatto quando le variazioni di temperatura e carico sono elevate. Poiché le variazioni della temperatura dell'olio modificano la viscosità dell'olio, le regolazioni meccaniche della valvola potrebbero non riuscire a fornire la qualità di corsa richiesta quando le variazioni di temperatura e carico sono estreme. In secondo luogo, la maggior parte delle valvole meccaniche sono normali elettrovalvole, che sono tipicamente on/off. In assenza di un sistema ad anello chiuso con feedback in tempo reale, le valvole erogano un flusso preregolato senza conoscere la reale necessità del sistema. Le valvole meccaniche sono buone opzioni per ascensori a basso utilizzo (meno di 150 corse al giorno), dove le variazioni di temperatura e carico non sono estreme e una soluzione semplice, affidabile ed economica è di primaria importanza.

2) Una soluzione di servocontrollo elettronico offre, in virtù del controllo elettronico ad anello chiuso, un netto vantaggio rispetto a una soluzione di valvola meccanica. Dispone di solenoidi proporzionali controllati da una scheda elettronica che reagisce in tempo reale ai segnali provenienti dai sensori di flusso, temperatura e, talvolta, pressione. Pertanto, il sistema può variare dinamicamente le prestazioni in base alle esigenze, compensando ampie variazioni di temperatura e pressione. Una soluzione con valvola elettronica è una buona opzione per ascensori sia di moderato che di alto utilizzo (più di 160 corse al giorno), dove le variazioni di temperatura e carico sono elevate e il comfort di viaggio, la precisione di partenza e di arresto sono di primaria importanza ( ad es. ospedali, complessi commerciali, edifici commerciali).

3) Il controllo VVVF può essere visto come una soluzione ibrida, che unisce i vantaggi delle valvole meccaniche ed elettroniche. Disponibile come circuito chiuso o aperto, il sistema non solo compensa le variazioni di temperatura e pressione, ma rende anche quasi libera la regolazione della valvola di controllo. È una soluzione ad alta efficienza energetica che può essere applicata anche efficacemente soprattutto dove non è disponibile un'elevata corrente di spunto (richiesta dal motore). La potenza assorbita dall'inverter in fase di avviamento è molto inferiore rispetto a un'installazione convenzionale e si possono ottenere risparmi energetici totali di oltre il 30% rispetto alle installazioni non VVVF. Questa soluzione è ottimale per le località in cui il numero di cicli giornalieri è superiore a 160; le variazioni di temperatura e carico dell'olio sono elevate; non è disponibile un'alta corrente di spunto; comfort di guida, precisione di partenza e di arresto sono importanti, indipendentemente dalle variazioni di temperatura e carico; e/o il risparmio energetico operativo e in standby sono di primaria importanza.

Che cos'è una soluzione VVVF idraulica ideale?

La Figura 4 mostra i sei criteri importanti che dovrebbero essere tenuti a mente durante la selezione di una soluzione VVVF. Parametri quali semplicità, sicurezza, economicità, affidabilità e bassi costi di servizio dovrebbero essere ponderati allo stesso modo dell'efficienza energetica (basso consumo di energia in esercizio e in standby). Non bisogna inoltre dimenticare che i costi di assistenza e manutenzione negli ascensori superano di gran lunga l'investimento e il risparmio energetico per l'intera durata del sistema. Per etichettare correttamente un sistema come efficiente dal punto di vista energetico, un LCA dovrebbe essere l'indicatore principale.

Soluzioni idrauliche VVVF disponibili

Esistono molti tipi di soluzioni idrauliche VVVF disponibili sul mercato, da semplici a complicate, da convenienti a costose. Sono generalmente classificati in anello aperto o chiuso, a seconda della tecnica utilizzata per controllare l'azionamento.

La Figura 5 mostra una soluzione inverter ad anello chiuso. In esso, la scheda elettronica e l'inverter vengono aggiornati con i dati in tempo reale provenienti da encoder (fissato sul motore), sensori di flusso, pressione e temperatura. Il controllore quindi intraprende un'azione correttiva, a seconda della variazione che registra rispetto ai parametri predefiniti. Un tale sistema non è solo complicato, ma anche costoso e difficile da mantenere. In secondo luogo, un sistema a circuito chiuso può innescare vibrazioni a frequenze più basse mentre cerca di correggere costantemente la corsa. Rinnovare un impianto esistente significa cambiare non solo l'intera valvola di controllo e azionamento, ma anche il motore e, a volte, la pompa, che spesso rendono il lavoro complicato e costoso. In termini di efficienza energetica e investimento iniziale, l'applicazione di tali sistemi può essere giustificata solo per ascensori ad alto utilizzo (più di 700 cicli/giorno).

Un controllo inverter ad anello aperto come quello per Blain EV4[1] offre vantaggi pratici, poiché il sistema rimane semplice, intuitivo, economico e di facile manutenzione. Come si vede in Figura 6, la valvola di controllo non si interfaccia con l'inverter né con una scheda elettronica, ed è semplicemente collegata al controller dell'ascensore. L'inverter è collegato al controller dell'ascensore, al sensore di temperatura e al motore e non necessita di un costoso sensore di pressione e flusso. Con l'aiuto del software integrato, può calcolare il carico, leggere la temperatura attuale dal sensore di temperatura ed elaborare i dati sulle prestazioni dell'olio e della pompa per ottenere le velocità del motore (frequenze di riferimento) in Hertz per le velocità complete, di livellamento, di ispezione e secondarie. . Inoltre, vengono calcolati il ​​guadagno del controllo della temperatura e le frequenze di riferimento delle perdite per le pressioni dell'auto vuota e carica. Di conseguenza, viene consumata meno energia durante la salita, il che aumenta l'efficienza del sistema e riduce anche il riscaldamento dell'olio. L'utilizzo dell'inverter riduce anche la corrente di avviamento del motore e le dimensioni del contatore di energia elettrica. L'inverter è programmato per funzionare in modalità a velocità costante (dove l'uscita viene mantenuta indipendente dal carico e dalle variazioni di temperatura) o in modalità di risparmio energetico (dove l'inverter riduce la velocità massima con un aumento del carico), consumando così meno energia , ma mantenendo gli angoli di accelerazione e decelerazione durante la marcia in una zona confortevole. Può intraprendere azioni correttive catturando la coppia del motore a intervalli fissi e ricalcolando l'uscita corretta confrontandola con i parametri preprogrammati.

L'installazione di un tale sistema è facile, poiché la valvola di controllo è semplificata non avendo controlli nella direzione verso l'alto. Fornire il tipo di olio e i dati dell'ascensore una corsa di apprendimento con una cabina vuota è sufficiente per l'autoapprendimento dell'inverter e configurarsi in modo completamente automatico durante l'installazione iniziale. In secondo luogo, un tale design consente di rinnovare un'installazione esistente semplicemente sostituendo alcuni componenti nella valvola di controllo e aggiungendo un inverter, rendendolo un azionamento VVVF. La soluzione è stata progettata intenzionalmente per essere compatibile con le versioni precedenti, rendendola conveniente per i lavori di ristrutturazione. Il controllo della discesa è intenzionalmente mantenuto meccanico, poiché gli ascensori idraulici scendono per gravità e il controllo dell'inverter non è richiesto per l'80% dell'installazione.

In alcune soluzioni inverter, l'energia generata dal sistema (conversione dell'energia potenziale in energia cinetica in discesa) viene bruciata in un resistore, che impedisce il riscaldamento dell'olio idraulico. Alcuni hanno un sistema rigenerativo, che tende a convertire l'energia potenziale immagazzinata nell'olio in energia elettrica, che viene poi immessa in rete. Tali soluzioni sembrano interessanti nelle brochure di marketing e nella teoria; tuttavia, il loro costo di implementazione (con alcuni tempi di ammortamento di oltre 30 anni), la complessità e l'utilizzo pratico e la difficoltà di garantire loro l'infrastruttura disponibile superano i loro vantaggi.

Risparmio energetico

I consulenti e gli architetti di ascensori devono spesso affrontare importanti questioni riguardanti il ​​tempo di ammortamento e il risparmio energetico da parte degli utenti finali. Mentre il numero di cicli che l'ascensore effettua in un giorno è un importante fattore decisivo per il risparmio energetico, è altrettanto importante sapere quanto segue:

La Figura 7 mostra il risparmio energetico rispetto al numero di cicli giornalieri e alla durata dell'ammortamento. In esso, è possibile effettuare un chiaro confronto tra diverse situazioni, come l'elevato consumo energetico in standby dell'inverter rispetto al numero di cicli al giorno e i periodi di ammortamento stimati. Come mostrato, quando un inverter con un consumo energetico in standby di 26 W funziona in modalità di risparmio energetico, si ottiene un risparmio energetico del 44%, con un periodo di ammortamento di tre anni.

Conclusione

Il rendimento energetico degli ascensori è solo uno dei tanti parametri per la valutazione degli ascensori ecologici; una LCA completa è il metodo corretto per accertare se l'ascensore è efficiente dal punto di vista energetico. I sistemi idraulici VVVF di nuova generazione non dovrebbero avere solo le caratteristiche vantaggiose degli ascensori idraulici convenzionali, ma anche essere in grado di compensare le variazioni di carico e di temperatura dell'olio e avere un consumo energetico minimo in standby. Il software di sistema dovrebbe offrire diverse modalità operative come la modalità a velocità costante, la modalità di risparmio energetico, ecc. in modo che gli utenti possano selezionare un metodo di funzionamento appropriato per soddisfare le esigenze individuali.

Referenze
[1] Dott. K. Ferhat Celik. Elevcon 2012. "Un metodo di compensazione del carico e della temperatura per ascensori idraulici ecologici mediante inverter".
[2] Dott. K. Ferhat Celik. 2° Simposio sulle tecnologie degli ascensori e delle scale mobili, settembre 2012. "Ascensori idraulici verdi economicamente efficienti".
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