Sviluppo del codice energetico, seconda parte

Parte prima di questa serie (ELEVATOR WORLD, aprile 2014) ha discusso la storia dello sviluppo del Codice di condotta per l'efficienza energetica degli impianti di ascensori e scale mobili (CoP) per ascensori, scale mobili e marciapiedi mobili a Hong Kong. La CoP è ora incorporata nel volume combinato Codice di condotta per l'efficienza energetica dell'installazione di servizi edili (BEC) pubblicato nel 2012. È stato inoltre evidenziato lo sviluppo parallelo in Europa.

La seconda parte esaminerà alcuni dettagli tecnici e problemi della CoP e delle sue linee guida, insieme a una discussione sul parametro di benchmarking suggerito dal tuo autore circa 10 anni fa e un metodo per risparmiare energia per gli ascensori. Per chiarezza, "CoP" in questo articolo si riferisce alle precedenti edizioni (2000-2011) o alla parte relativa agli ascensori all'interno dell'attuale BEC.

TG sulla CoP^,

Per chiarire le clausole della CoP e suggerire i mezzi per conformarvisi, nel 2012 è stata pubblicata una serie di linee guida tecniche (TG) dal Dipartimento dei servizi elettrici e meccanici di Hong Kong (EMSD). Questo articolo discuterà prima come i requisiti della CoP potrebbero essere soddisfatti in modo semplice, mentre quelle questioni che richiedono considerazioni speciali saranno affrontate in seguito, sezione per sezione.

In pratica, non tutti i tipi di sistemi fissi di trasporto verticale o orizzontale all'interno di un edificio sono coperti dal CoP o dal BEC. Alcuni esempi sono qui riportati, tra cui sistemi di parcheggio meccanizzati per veicoli, montacarichi, montascale, montacarichi a cremagliera e montacarichi per backstage. Le tabelle sono fornite nel CoP per governare il consumo massimo di energia elettrica da parte degli azionamenti per ascensori elettrici e idraulici (in kW) con diverse capacità nominali (in kg) e velocità nominali (in mps) quando la cabina sta trasportando a pieno carico e salendo. Ad esempio, il limite di un ascensore a fune con portata nominale compresa tra 1350 kg (inclusi) e 1600 kg (esclusivo) e velocità nominale tra 4 mps (inclusi) e 5 mps (esclusivo) è 49.4 kW. Quando la portata nominale supera i 5000 kg, sono disponibili formule (invece di cifre prescrittive) per mostrare il limite. In questo caso, gli utenti sono tenuti a eseguire il calcolo in base alle formule per arrivare al limite. Ad esempio, l'equazione per un ascensore con una portata superiore a 5000 kg e con un intervallo di velocità nominale compreso tra 2 mps (incluso) e 2.5 mps (esclusivo) è data da:

 Detto questo, alcuni ascensori sono esentati da tale limite. Esempi sono gli ascensori ad altissima velocità con una velocità nominale non inferiore a 9 mps che servono una zona superiore a 50 piani (più di 175 m tra i piani superiori e più bassi), ascensori con un carico nominale pari o superiore a 5000 kg e una velocità nominale di 3 mps o superiore, ascensori per vigili del fuoco e ascensori navetta sky-lobby che servono solo due fermate principali. Per gli ascensori idraulici, la velocità nominale non è una condizione, perché di solito funzionano lentamente. Ad esempio, la potenza elettrica massima di un ascensore idraulico con carico nominale compreso tra 3000 kg (incluso) e 4000 kg (escluso) è 92.2 kW.

Per le scale mobili, l'energia elettrica consumata dall'azionamento quando la scala mobile non trasporta carico e viaggia alla velocità nominale è regolata da una tabella con diverse larghezze nominali (600, 800 e 1,000 mm), alzate verticali (in m) e velocità nominale. Altre tre condizioni sono imposte in termini di funzione di una scala mobile: servizio non pubblico, servizio pubblico e servizio pesante. Ad esempio, il limite di una scala mobile di servizio non pubblico con una larghezza nominale di 1,000 mm, un dislivello tra 5 mps (inclusi) e 6.5 mps (esclusivo) e un intervallo di velocità tra 0.6 mps (inclusi) e 0.75 mps (esclusivo) è 3.23 kW. Hong Kong è una metropoli estremamente densamente popolata, dove la metropolitana è molto congestionata nelle ore di punta. Le scale mobili pesanti sono necessarie per servire le stazioni della metropolitana, che sono definite nel CoP come segue:

• Funzionamento ininterrotto per un periodo non inferiore a 20 ore. al giorno, sette giorni alla settimana con un carico di frenata alternato del 100% a pieno carico per 1 ora. e almeno il 50% del carico di frenata per l'ora successiva
• Non meno di quattro gradini piatti ad ogni pianerottolo
• Flessione massima della struttura portante della scala mobile non superiore a 1/1,500 della distanza tra i supporti.
• Carico frenante dato moltiplicando il numero di gradini visibili per 120 kg.
• Diametro della ruota della catena non inferiore a 100 mm.

I marciapiedi mobili con inclinazione fino a 6° sono disciplinati in termini di lunghezza, larghezza, velocità nominale, servizio non pubblico e servizio pubblico. Ad esempio, la potenza elettrica massima consentita di un trasportatore passeggeri di servizio non pubblico con una larghezza di 1,000 mm, un intervallo di lunghezza compreso tra 16 m (inclusi) e 20 m (esclusivo) e un intervallo di velocità tra 0.6 mps (inclusi) e 0.75 mps (esclusivo) è di 4.703 kW. Se la larghezza è 1,000-1,400 mm, il limite si ottiene per interpolazione delle cifre trovate all'interno della tabella.

La disponibilità della modalità di parcheggio dell'ascensore e l'accensione/spegnimento automatico della ventilazione dell'ascensore e dell'aria condizionata durante il minimo sono semplici e non è necessario discuterne qui. Per il condizionatore, il CoP richiede che una volta spento, non possa essere riacceso immediatamente, anche quando un passeggero entra nella cabina dell'ascensore.

È noto che in alcune città l'illuminazione dell'auto viene spenta anche quando l'ascensore è fermo. Il tuo autore non supporta tale idea, perché il consumo energetico delle lampade, (normalmente solo poche decine di Watt) all'interno dell'auto è solitamente trascurabile, rispetto al consumo totale a vuoto dell'intero ascensore. Inoltre, la maggior parte degli impianti sono ancora del tipo a scarica (tubi fluorescenti, lampade fluorescenti compatte, ecc.), che non si prestano ad essere accesi e spenti frequentemente in quanto la loro durata è inversamente proporzionale al numero di cicli di accensione/spegnimento. Tuttavia, le lampade a LED stanno diventando sempre più popolari. Se venissero mai ampiamente applicati all'illuminazione delle auto, questa sarebbe un'altra considerazione.

L'ultimo punto da discutere prima di passare a questioni speciali è la fornitura di impianti di misurazione. I parametri elettrici, comprese tensioni, correnti, fattore di potenza totale, distorsione armonica totale, consumo energetico e richiesta massima (in kVA) di ascensori, scale mobili e tappeti mobili, devono essere misurati in conformità con il CoP. Un contatore permanente in rete dotato di ogni installazione è perfetto per questo, poiché il proprietario e l'appaltatore della manutenzione possono monitorare continuamente le prestazioni dell'ascensore da remoto. Ma, se questo è troppo costoso, l'accantonamento per la misurazione è ammissibile. Sugli ascensori è possibile dotare un armadio elettrico o una scatola di giunzione per facilitare il pronto collegamento e la successiva rimozione di un dispositivo di misurazione. Tali azioni di connessione/rimozione non devono pregiudicare il normale funzionamento dell'ascensore con qualsiasi arresto o interruzione. Per scale mobili e marciapiedi mobili, le piastre di piano o le porte di ispezione devono essere aperte per il collegamento/rimozione. Gli interruttori di sicurezza sono necessari per interrompere il funzionamento delle scale mobili e dei marciapiedi mobili una volta aperte queste piastre o porte.

Distorsione armonica totale (THD)

La qualità dell'energia elettrica è al giorno d'oggi una delle principali preoccupazioni dell'industria. L'argomento trattato è solitamente la qualità della tensione di alimentazione di un sistema o di un dispositivo, che può essere descritta da un insieme di parametri,^{[2 e 3]} Compreso:

• Fluttuazioni di tensione (aumento o diminuzione)
• Buchi di tensione
• Squilibrio di tensione
• Variazioni della frequenza di rete
• Tensioni indotte a bassa frequenza
• Componenti CC nelle reti CA
• Fenomeni irradiati a bassa frequenza
• Armoniche e interarmoniche

Standard internazionali^{[4 e 5]} sono disponibili sulla qualità dell'alimentazione. Mentre la preoccupazione è sulla tensione, i lettori potrebbero aver sentito molto di più sulle armoniche di corrente. Come mai? Mezzo secolo fa, tutti gli apparecchi elettrici (come motori e lampade ad incandescenza) erano di natura resistiva, induttiva o capacitiva. Questi dispositivi sono considerati passivi, il che significa che le forme d'onda di corrente da essi disegnate hanno la stessa forma delle forme d'onda di tensione ad essi applicate. La tensione CA è solitamente di 50 o 60 Hz in frequenza (f₀) e generato con forma intrinsecamente sinusoidale dalla centrale. "Sinusoidale" si riferisce a una forma d'onda che può essere descritta in modo univoco dalla seguente equazione:

I dispositivi elettronici stavano diventando molto popolari alla fine degli anni '1960. Al giorno d'oggi, è abbastanza difficile (sebbene non impossibile) trovare un dispositivo che sia ancora puramente resistivo, induttivo o capacitivo. I dispositivi elettronici (a stato solido) sono di natura attiva, il che significa che le loro forme d'onda di corrente e tensione sono significativamente differenti (non più sinusoidali, come mostrato nella Figura 1). Per analizzare la sua forma scomoda, possiamo usare l'equazione di Fourier, che ci dice che qualsiasi forma d'onda periodica, f(t), di qualsiasi forma può essere rappresentato da una combinazione di un numero infinito di forme d'onda sinusoidali:

Qui, n è chiamato il "numero armonico", e il fondamentale si riferisce a n = 1 (cioè, generalmente 50 o 60 Hz). Per ciascuno n, c'è una grandezza A_n e un corrispondente sfasamento ø_n. Qui, A potrebbe essere sia in tensione che in corrente. In altre parole, l'esistenza di componenti a frequenza più alta viene utilizzata per descrivere forme d'onda che non sono puramente sinusoidali. Mentre la preoccupazione è sulla tensione, il problema riguarda la corrente. The source la tensione proveniente dall'impianto di generazione è generalmente sinusoidale, ma la potenza deve essere trasmessa all'utenza attraverso cavi che costituiscono sia la rete di trasmissione che quella di distribuzione. Tali cavi hanno resistenza, induttanza e capacità. L'effetto dell'induttanza aumenta all'aumentare della frequenza. La corrente assorbita da un dispositivo elettronico, se in possesso di armoniche, determina l'esistenza di cadute di tensione sui cavi alle rispettive frequenze più alte. Sempre utilizzando l'equazione di Fourier, la forma d'onda di tensione risultante nel punto di accoppiamento comune (come il punto di alimentazione di un edificio vicino al dispositivo) non è più sinusoidale (Figura 2). In altre parole, la corrente con armoniche sostanziali assorbita da un dispositivo attivo può portare a una forma d'onda di bassa tensione nel punto di alimentazione, che è dannosa per tutti gli altri dispositivi collegati a un punto di accoppiamento comune. Ecco perché le armoniche di corrente devono essere mitigate.

THD è un parametro utile per descrivere la gravità della distorsione armonica, applicabile sia alla tensione che alla corrente. Le loro definizioni, adottate anche nel BEC, sono le seguenti:

Qui, V1 e I1 si chiamano fondamentali. Nel CoP, le tabelle danno limiti di THD per ascensori, scale mobili e tappeti mobili. Ad esempio, se la corrente fondamentale di un ascensore, a pieno carico e in salita, è compresa tra 40 A (compreso) e 80 A (escluso), il THD non deve superare il 35%. Sebbene le due equazioni siano state insegnate in quasi tutte le scuole di ingegneria elettrica del mondo, posso assicurare ai miei lettori che sono poco pratiche. Nessuno strumento mai costruito sulla Terra può misurare una tensione o una corrente per fornire un valore accurato di THD basato sulle due equazioni. Il problema arriva con il termine infinito. Pertanto, nel TG, THD è misurabile solo fino alla 31a armonica (n = 31).

Fattore di potenza totale

Il Fattore di Potenza Totale (TPF) è il rapporto tra la potenza attiva della fondamentale (in kW) e la potenza apparente che contiene la fondamentale e tutte le componenti armoniche (in kVA). Il "metodo dei due wattmetri" è una tecnica standard con cui misurare la potenza attiva totale di qualsiasi sistema trifase a tre fili. Il wattmetro 1 misura la corrente della linea 1, e la tensione tra le linee 1 e 2. Il wattmetro 2 misura la corrente della linea 3 e la tensione tra le linee 3 e 2. I valori di potenza attiva dei due wattmetri, sommati, danno il totale Potenza attiva. A volte (in particolare, quando le tre fasi non sono bilanciate), un wattmetro può dare un grande valore positivo, mentre l'altro può dare un valore basso o addirittura negativo. La somma è sempre la risposta corretta, e questa è la bellezza di questo metodo. Qualsiasi linea può essere qualsiasi fase, indipendentemente dalla sequenza delle fasi.

Ci sono due problemi con le unità di sollevamento esistenti. Innanzitutto, molto spesso, ci sono solo tre fili collegati all'azionamento dalle tre fasi (nessun filo neutro). In secondo luogo, è molto difficile ottenere un'alimentazione totalmente bilanciata per il convertitore (cioè, non tutte e tre le tensioni e le correnti di linea sono uguali). Fortunatamente, il "metodo dei due wattmetri" è abbastanza preciso, indipendentemente dal bilanciamento della tensione o dalle correnti. Quanto alla potenza apparente, questa è stata tradizionalmente definita in un sistema trifase dalla seguente equazione:

Se le tensioni e le correnti non sono bilanciate, quali due fasi dovrebbero essere selezionate per la tensione di linea e quale fase dovrebbe essere selezionata per la corrente di linea? Una soluzione è offerta almeno nel TG, anche se il background accademico non è abbastanza forte. La media di tre tensioni di linea viene trattata come VL, e la media di tre correnti di linea è trattata come IL.

Un ultimo punto del TPF da menzionare è che è possibile misurare il TPF per gli ascensori a trazione e idraulici in loco, ma impossibile per le scale mobili e i marciapiedi mobili, perché la condizione imposta è che la scala mobile o il nastro trasportatore debbano azionare il freno (a pieno carico) quando il Viene misurato il TPF. È possibile posizionare carichi fittizi all'interno di una cabina dell'ascensore ma non sui gradini delle scale mobili. Se su tutti i gradini visibili di una scala mobile vengono applicati carichi fittizi pari al carico del freno, non può iniziare a correre verso l'alto. Se è consentito scorrere verso il basso, i carichi fittizi andranno in frantumi sul pianerottolo inferiore ben prima che qualsiasi misurazione possa essere completata. Dopotutto, la scala mobile non sta guidando a pieno carico se lasciata scendere con un carico fittizio su ogni gradino visibile. Quindi, il TG guida i progettisti o i consulenti a stimare il TPF mediante calcoli teorici, mentre gli esperimenti reali potrebbero essere condotti solo in una fabbrica (non in loco).

Parametro di benchmark delle prestazioni energetiche degli ascensori

Esaminando il consumo energetico massimo consentito nella CoP del BEC di Hong Kong, nonché l'energia specifica consumata durante una corsa di riferimento di cabina dell'ascensore vuota secondo VDI 4707 e ISO 25745 europei, i lettori possono concludere che attualmente, quasi tutta l'energia i codici disponibili si concentrano solo sull'efficienza energetica degli azionamenti degli ascensori. Forse non è ben noto che il controller di supervisione intelligente di un sistema di ascensori sia effettivamente responsabile dell'efficienza energetica complessiva. Nel settore dell'automazione degli edifici, è comunemente noto come "buona manutenzione". Una discussione su questo problema va oltre lo scopo di questo articolo, ma vorrei citare la seguente analogia.

Per una stanza che ha utilizzato solo 3 ore. al giorno, che approccio consuma più energia: una lampada efficiente al 90% che funziona 24 ore. al giorno o una lampada efficiente all'87% che funziona solo per 3 ore? L'autore ha promosso l'inclusione del controllo di supervisione nella considerazione dell'efficienza energetica per quasi un decennio, ma il problema è la mancanza di un parametro universalmente accettabile che possa occuparsi sia degli azionamenti degli ascensori che del dispacciatore. Un parametro di benchmark chiamato J/kg – m è stata proposta dal tuo autore una decina di anni fa.^{[6 e 7]} Per coincidenza, apparentemente ha la stessa dimensione dell'energia di marcia specifica di VDI 4707, ma il concetto è totalmente diverso. Quest'ultima cifra è ottenuta misurando l'energia consumata da un ascensore vuoto che esegue un ciclo di riferimento.

J/kg – m (citato anche in Guida CIBSE D: Sistemi di trasporto negli edifici 2010) si occupa del funzionamento quotidiano quando la cabina dell'ascensore è sotto carico normale. Il parametro può riflettere le prestazioni energetiche di un ascensore o di un banco di ascensori, tenendo conto sia del consumo di potenza dell'azionamento del motore, sia dell'intelligenza dei controlli di supervisione. J/kg – m è ora raccomandato nel TG come una buona pratica ingegneristica emergente. Sono necessari tre parametri per valutare J/kg – m: energia totale (E_T) consumato entro un determinato periodo di tempo (T), carico auto (W) e distanza percorsa (D). Durante T, un N numero di viaggi da freno a freno è effettuato dalla cabina dell'ascensore, ogni viaggio porta W running D, indipendentemente dal senso di marcia. Un percorso da freno a freno inizia quando il freno viene rilasciato e termina quando il freno viene nuovamente applicato.

 Alcune misurazioni precedenti hanno indicato che un ascensore molto efficiente dal punto di vista energetico e il relativo controllo di supervisione intelligente potrebbero raggiungere i 30 J/kg – m (più basso è, meglio è). Si consiglia vivamente ai lettori di implementare questo parametro sulle proprie installazioni in modo da poter creare un database sostanziale. Per 24 ore. giorno, J/kg – m potrebbe assumere un valore enorme durante le ore non di punta, perché una certa quantità di energia deve essere consumata mentre il traffico è estremamente basso (piccolo W e piccoli D). Pertanto, la media di una serie di finestre in esecuzione, (diciamo, con T = 2 ore) e un intervallo incrementale in esecuzione (diciamo 15 min.) darà un risultato equo.

Metodo di regolazione del contrappeso

Un metodo per risparmiare energia è stato sviluppato e testato con successo in base al parametro proposto.^{[7 e 9]} Al momento, l'impostazione del contrappeso si basa esclusivamente su considerazioni di sicurezza, dove è disponibile una buona trazione sia a vuoto che a pieno carico. Di solito, questa impostazione è il 50% della capacità nominale della cabina dell'ascensore. Il metodo suggerito consente un riaggiustamento dell'impostazione del contrappeso, entro un intervallo di sicurezza (ad esempio, 40-60%, a seconda del tipo di disposizione delle funi).

Viene prima condotta una serie di esperimenti per sviluppare un database di consumo energetico di un particolare ascensore in termini di carico (0/20/40/60/80/100%), zona (basso/medio/alto), direzione (alto /down), distanza percorsa (uno/due... salto al suolo/corsa completa) e impostazione del contrappeso (40/45/50/55/60%).

Quando l'ascensore è in funzionamento normale, i dati di ogni viaggio da freno a freno, inclusi tempo, carico dell'auto, direzione, distanza percorsa e zona, vengono registrati da un server centrale. Ad esempio, ogni due settimane viene eseguita una simulazione al computer per trovare l'impostazione ottimale del contrappeso per le ultime due settimane che corrisponda al consumo energetico minimo. Se il modello di traffico rimane più o meno lo stesso, l'impostazione ottimale del contrappeso potrebbe garantire il minor consumo energetico dell'ascensore per le prossime due settimane. Dopo un anno, il profilo energetico totale del particolare ascensore è noto e l'impostazione potrebbe essere più intelligente, anche con una previsione accurata.

Conclusione

In questa serie è stata introdotta la storia dello sviluppo del codice energetico relativo agli ascensori e alle scale mobili a Hong Kong e il loro sviluppo parallelo in Europa. Sono stati inoltre discussi dettagli tecnici e questioni all'interno del codice energetico di Hong Kong. È stato proposto e spiegato un parametro di benchmarking generico per confrontare le prestazioni energetiche di diversi tipi di ascensori, indipendentemente dal loro aumento, carico e velocità. Statisticamente, è possibile fornire un'indicazione corretta dell'efficienza energetica di un particolare ascensore o gruppo di ascensori occupandosi sia degli azionamenti che dei controlli di supervisione. Viene anche menzionata una tecnica per risparmiare energia per gli ascensori mediante la regolazione dell'impostazione del contrappeso.

Attualmente, i codici energetici non sono ancora ampiamente adottati in tutto il mondo (al contrario dei codici di sicurezza). L'autore spera che questi articoli possano aiutare gli ingegneri a redigere o migliorare i codici energetici, o ad implementarli in un modo migliore facendo riferimento alle esperienze di Hong Kong e dell'Europa.

Riferimenti
[1] EMSD, Technical Guidelines on Code of Practice for Energy Efficiency of Building Services Installation, 2012.
[2] Dugan RC, McGranaghan MF, Santoso S. e Beaty HW, Qualità dei sistemi di alimentazione elettrica, 3a edizione, McGraw-Hill Professional, 2012.
[3] Fuchs EF e Masoum MAA, Power Quality in Power Systems and Electrical Machines, Elsevier Academic Press, Boston, 2008.
[4] IEEE, Pratiche raccomandate e requisiti per il controllo delle armoniche nei sistemi di alimentazione elettrica, Standard 591, 1992.
[5] IEC, Compatibilità elettromagnetica – Parte 3-2: Limiti per le emissioni di corrente armonica, 2001.
[6] Quindi A., Cheng G., Suen W. e Leung A., "Valutazione delle prestazioni degli ascensori in due numeri", ELEVATOR WORLD, vol. LIII, n. 1, gennaio 2005, p. 102-105.
[7] Lam DCM, So ATP e Ng TK "Soluzioni di conservazione dell'energia per ascensori e scale mobili dell'Autorità per gli alloggi di Hong Kong", Tecnologia degli ascensori 16: Atti ELEVCON 2006, IAEE, Helsinki, giugno 2006, p. 190-199.
[8] Chartered Institution of Building Services Engineers (CIBSE), CIBSE Guide D: Transportation Systems in Buildings 2010, p. 13-5.
[9] Quindi, A. e Wong, CTC, "Implementazione della regolazione del contrappeso per ottenere risparmi energetici", Tecnologia degli ascensori 19: Atti di ELEVCON 2012, IAEE, Miami, maggio 2012, p. 185-192.