Aufzugseffizienz: Geht es nur um den Energieverbrauch des Aufzugs?

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Abbildung 1: Folgenabschätzungen von Hydraulik- und Traktionsaufzügen für Neuanlagen

Ein Blick auf wichtige Effizienzfaktoren jenseits von Energieverbrauch und Ölverbrauch

Fossile Brennstoffe werden trotz massiver Investitionen in erneuerbare Energiequellen immer noch in großem Umfang zur Energieerzeugung genutzt. Um die Rate der globalen Erwärmung zu reduzieren, besteht die beste Hoffnung auf eine signifikante Reduzierung der Emissionen darin, die verfügbare Energie effizienter zu nutzen.

Aufzüge sind große technische Systeme, die für einen bestimmten Schacht in einem Gebäude entwickelt und installiert werden. Aufzüge verbrauchen je nach Nutzung vom Privathaus bis zum Hochhaus nur 2-10% der Gebäudeenergie. Daher reicht es möglicherweise nicht aus, nur den Energieverbrauch von Aufzügen zu berücksichtigen, um den COXNUMX-Fußabdruck des gesamten Systems zu erfassen. Heutzutage wird der Branche jedoch der Eindruck vermittelt, dass nur der Energieverbrauch und der Ölverbrauch die wichtigsten zu berücksichtigenden Faktoren sind. Diese Wahrnehmung wurde von den großen Aufzugsunternehmen als Marketinginstrument verwendet, um den von hydraulischen Aufzügen dominierten Niedrighausmarkt zu erfassen.

Die effektivste Entwicklung in diesem Bereich ist der Einsatz eines Umrichters mit der Permanent-Magnet-Synchronisationsmaschine (PMS) zur Steuerung der Hubgeschwindigkeit. Die Entwicklung wird auch als „neue“ oder „neueste“ Technologie bezeichnet und bietet einen deutlich reduzierten Betriebsenergieverbrauch. Mit der Einführung der verbesserten Effizienz und Antriebssteuerungseigenschaften von maschinenraumlosen Einheiten (MRL) ist es möglich geworden, Schlepplifte in niedrigen Gebäuden zu installieren. Durch die Konzentration auf das Thema Energieverbrauch und deren Nutzung als Marketinginstrument haben sich MRL-Installationen auf dem Markt durchgesetzt.

Die MRL-Lösung hat sich als immer die energieeffizienteste Lösung erwiesen, die perfekt zu jeder Installation passt und immer Energie regeneriert und wieder ins Netz einspeist. Die genannten Vorteile der bestehenden „neuen Technologie“ sind jedoch nicht bemerkenswert und führen meist zu einem höheren Energieverbrauch beim Einsatz der MRL-Technologie für verbrauchsarme Aufzüge,[1] wo sich die Investition für die neue Technologie während der Lebensdauer des Aufzugs möglicherweise nie wieder amortisiert.[2] Dies liegt daran, dass der Wechselrichter und seine Peripheriegeräte teuer sind und Energie benötigen, um aktiv zu sein, auch wenn der Aufzug im Standby ist.[3] Auf der anderen Seite wird erwartet, dass zukünftige Entwicklungen in der Antriebstechnik, wie zum Beispiel Matrixumrichter, den Standby-Energieverbrauch drastisch reduzieren oder eliminieren und der Wettbewerb im Markt die Wechselrichterpreise offensichtlich senken wird. Dabei ändern sich die Eigenschaften umweltgerechter Lösungen hin zu einfachen, kostengünstigen, wartungsfreundlichen, hohen Kompatibilität mit bestehenden Systemen und geringem Standby-Verbrauch. Diese sollen in den kommenden Jahren breite Anwendung finden. Darüber hinaus wurde bei der Konzentration auf den Energieverbrauch und den Ölverbrauch immer vergessen, dass MRL-Aufzüge in Bezug auf Installation, Service, Robustheit gegen seismische Aktivitäten und Rettung eingeschlossener Passagiere die am wenigsten sicheren Systeme sind.

Lebenszyklusanalyse

Die Umweltauswirkungen von Aufzugsanlagen gewinnen im Aufzugssektor aufgrund der Neigung zur optimalen Ressourcennutzung zunehmend an Bedeutung. Die Lebenszyklusanalyse (LCA) ist die Methode, um die Umweltauswirkungen von Aufzügen zu bestimmen. Die Lebensdauer von Aufzügen wird im Allgemeinen auf 20-25 Jahre geschätzt. Bei der Modernisierung kommt der Wiederverwendung von Hydraulikkomponenten eine zentrale Bedeutung für den Anwender und die Umwelt zu. Viele Teile eines gebrauchten Aufzugs sind nicht abgenutzt und können viele Jahrzehnte aufbewahrt werden. Da weltweit mehr als drei Millionen hydraulische Aufzüge in Betrieb sind, reduziert der Austausch nur der notwendigen und die Wiederverwendung anderer vorhandener Komponenten, anstatt sie alle zu ersetzen, die Umweltbelastung und spart Geld.

Eine aktuelle Studie von Hydroware Elevation Technology AB aus Schweden[4] zu neuen Aufzugsanlagen und Modernisierungen für wenig genutzte Aufzüge (durchschnittlich 50 Fahrten pro Tag) zeigte deutlich, dass hydraulische Aufzüge deutlich umweltfreundlicher sind als Traktionsaufzüge. In Abbildung 1 zeigen Vergleiche der Umweltauswirkungen von Neuinstallationen (Hydraulik und Traktion), dass die Gesamtumweltauswirkungen eines hydraulischen Aufzugs um 7 % geringer sind als die eines Treibhausaufzugs. In Abbildung 2 werden die Umweltauswirkungen zwischen der Modernisierung eines hydraulischen Aufzugs (Nutzungskategorie 1) und dem vollständigen Austausch eines hydraulischen Aufzugs durch einen Traktionsaufzug verglichen. Darin ist die Umweltbelastung mit dem Schlepplift um 43% höher. Das heißt, die Modernisierung eines hydraulischen Aufzugs mit geringem Verbrauch durch einen Traktionsaufzug ist für die Umwelt eher ungünstig. Die in den Abbildungen 1 und 2 dargestellte Studie berücksichtigte nur die regelmäßigen Servicebesuche, da keine Aufzeichnungen über die Ausfallraten vorlagen. Das Hinzufügen von Pannen und Reparaturen würde die Auswirkungen des Fahrstuhls wahrscheinlich noch verstärken. In der Ökobilanz wird der hydraulische Aufzug bei einer Nutzungsdauer von 80 Jahren unter der Annahme, dass der Aufzug alle 20 Jahre modernisiert wird, auch in der Nutzungskategorie 3 (300 Fahrten pro Tag) umweltfreundlicher.

Im Allgemeinen sind hydraulische Aufzüge viel zuverlässiger als Traktionsaufzüge. Daher erzeugt ihre Wartung viel weniger Auswirkungen. Hydraulische Aufzüge haben eine einfache Konstruktion und weniger Komponenten, die alle in einer geschmierten Umgebung arbeiten. Dies verlängert den Lebenszyklus und ermöglicht weniger Systemausfallzeiten, was zu erheblichen Kosteneinsparungen führt. Es ist zu beachten, dass die Kosten für die Aufzugswartung zwei- bis zehnmal höher sind als der jährliche Energieverbrauch. Außerdem macht das teuerste Ersatzteil eines Traktions-MRL-Antriebs mehr als 10 % der gesamten Antriebskosten aus, während diese Zahl beim hydraulischen Aufzug etwa 30 % beträgt. Angesichts der vorstehenden Ergebnisse und Bewertungen wäre der vollständige Austausch eines hydraulischen Aufzugs durch einen Traktionsaufzug im Falle einer Modernisierung katastrophal für die Umwelt.

Energieeffiziente Systeme für hydraulische Aufzüge

Angesichts eines schwierigeren Marktes haben die Hersteller von Hydraulikaufzügen begonnen, der Produktion energieeffizienter (neuer Generation) Aggregate, die Wechselrichter verwenden, Priorität einzuräumen. Der Einsatz der Triebwerke der neuen Generation hat jedoch noch nicht genügend Anklang gefunden. Dies liegt daran, dass bei der Konzentration auf das Marketing zur Förderung modernster Lösungen die vorteilhaften Eigenschaften herkömmlicher hydraulischer Aufzüge oft ignoriert wurden. Auf diese Weise wurden praktische, zuverlässige und kostengünstige Bestandteile des hydraulischen Aufzugs belassen, während anspruchsvollere, unpraktische und teure Lösungen eingeführt wurden. Somit sind Lösungen entweder primitiv geworden oder eher kompliziert und kostspielig. Als Stand der Technik wird in vielen Fällen ein konventionelles Aggregat mit Zusatz eines Antriebs (Wechselrichter) vorgestellt. Tatsächlich führt das bloße Hinzufügen eines Wechselrichters nicht unbedingt zu Energieeinsparungen. Darüber hinaus würde der Einsatz des Wechselrichters, ohne seinen Wirkungsgrad von 95 % und den Standby-Energieverbrauch zu rechtfertigen, nur die Energiekosten erhöhen.

Alternativ gibt es anspruchsvollere und kostspieligere Lösungen, die neben dem Wechselrichter zusätzliche Komponenten wie Druck- und Temperatursensoren, einen Durchflussmesser, einen Encoder, eine elektronische Steuerkarte usw. benötigen. Anwendung solcher Systeme, egal wie gut die Fahreigenschaften sind sie geben und wie wenig sie die Öltemperatur verändern, entsprechen im Allgemeinen nicht den tatsächlichen Marktbedürfnissen; verlängerte Amortisationszeit (über den Renovierungszeitraum hinaus), Schwierigkeiten bei der Suche nach kompetenten Technikern und erhöhter Wartungsbedarf werden deutlich.

Es wird auch angenommen, dass die effizientesten Geräte regeneratives Bremsen verwenden, um elektrische Energie in das Gebäude zurückzuspeisen. Die Investition in einen regenerativen Antrieb für einen Aufzug mit geringer bis mittlerer Nutzung könnte jedoch für die Umwelt unklug sein und die Investition während der Lebensdauer nicht amortisieren. Das bedeutet, dass die eingesetzten Geräte und der Aufwand zur Steigerung der Energieeffizienz einen größeren Einfluss auf die Umwelt haben, als der Gewinn durch das energieeffiziente System. Wenn die Investition daher nicht kosteneffizient ist, ist es unwahrscheinlich, dass sie umweltfreundlich ist.

Energieeffizientes Aufzugsdesign

Abgesehen von energieeffizienten Hydrauliksystemen werden herkömmliche hydraulische Aufzüge aufgrund der im Wesentlichen niedrigen Kosten, der einfachen Einrichtung, der einfachen Wartung und der hohen Zuverlässigkeit immer noch in großem Umfang für den Markt für niedrige Aufzüge mit geringer Nutzung verwendet. Wenn die folgenden Punkte gut berücksichtigt wurden, werden konventionelle hydraulische Aufzüge mit niedriger Steigung und geringem Verbrauch energieeffizienter als jedes andere Aufzugssystem.

  • Korrektes Aufzugsdesign: Motorleistungsgröße und Hubkapazität
  • Leichtes Auto und Schlinge oder Verwendung von Gegengewicht (CW)
  • Richtige Aggregatgröße und Flüssigkeitstyp
  • Geringer Druckabfall im Hydrauliksystem
  • Auswahl des Regelventils
  • Richtige Belüftung im Maschinenraum

Das Thema lässt sich besser verstehen, wenn man einen typischen 630-kg-Aufzug untersucht (Abbildung 3). In Tabelle 1 sind technische Details des Aufzugs angegeben. Dominierende Faktoren für die Baugröße eines 16.5-kW-Motors sind hier das Kabinengewicht und die Aufzugsgeschwindigkeit. Für einen Aufzug mit sechs Haltestellen ist eine Geschwindigkeit von 0.8 mps (157 fpm) im Allgemeinen nicht üblich, es sei denn, der Verkehr ist sehr stark.

Eine der ersten Verbesserungen in Design I ist die Geschwindigkeit, denn in niedrigen Gebäuden bietet eine hohe Aufzugsgeschwindigkeit keinen wesentlichen Vorteil für die Verbesserung des Verkehrs. Wenn die Aufzugsgeschwindigkeit auf 0.63 mps (124 fpm) reduziert wird, verbessert eine Geschwindigkeit von 0.8 mps die Zykluszeit nicht viel, aber eine Reduzierung der Geschwindigkeit auf 0.63 mps verringert die Motorgröße um 21% (Tabelle 2).

Fahrzeitunterschiede zwischen aufeinanderfolgenden Stockwerken und maximale Auffahrzeiten betragen nur 0.3 und 4.2 s. Diese Zeiten lassen sich in Türöffnungs- und Etagenwartezeiten sowie durch Erhöhung der Abfahrgeschwindigkeit leicht auflösen. Details zu Design II sind in Tabelle 3 zu sehen.

Da die Abwärtsfahrt in hydraulischen Aufzügen durch die Schwerkraft gesteuert wird, kann der erforderliche Verkehrsausgleich durch Erhöhen der Abwärtsgeschwindigkeit (bis zu 1 mps [197 fpm]) und Verringern der Aufwärtsgeschwindigkeit ohne zusätzliche Energie erreicht werden. Auf diese Weise können Motorleistung, Baugröße und Energieverbrauch erheblich reduziert werden. Dies ist in Tabelle 3 als Design III dargestellt, wodurch die Motorleistung im Vergleich zu Design I um 44% reduziert wird.

Hydraulische Aufzüge besitzen in der Regel keine CWs. Dies liegt daran, dass das CW das Aufzugssystem komplexer macht, die Installationskosten erhöht und die Vorteile einer einfachen und einfachen Installation und Wartung des Aufzugs beseitigt. Weitere Gründe für die Nichtbenutzung des CW sind die Beibehaltung der Kabinenfläche und das hohe Sicherheitsniveau. In Traktionsaufzügen wird ein CW verwendet, um das Kabinengewicht und 40-50% der Nutzlast auszugleichen.

Obwohl CWs für den Einsatz in hydraulischen Aufzügen nicht vorzuziehen sind, können sie aus Gründen der Reduzierung des Energieverbrauchs verwendet werden, sofern ein ausreichendes Sicherheitsniveau eingehalten wird. Auf diese Weise kann die Motorleistung weiter reduziert werden (Abbildung 4). Bei hydraulischen Aufzügen wird das Gewicht des CW so gewählt, dass der Mindestdruck im System den Mindestarbeitsdruck des Ventils nicht unterschreitet. Daher ist das Gewicht des CW eines hydraulischen Aufzugs immer viel geringer als das eines Schlepplifts. In Tabelle 4 sind die Ergebnisse eines hydraulischen Aufzugs mit einem CW als Design IV dargestellt. Wie aus Tabelle 4 ersichtlich, reduziert die Verwendung eines 648 kg schweren CW den Stempeldurchmesser auf 90 mm und die Motorleistung auf 8 kW (51 % weniger als bei Design I). Darüber hinaus kann die Motorleistung durch den Einsatz eines Zugzylinders auf 6.5 kW reduziert werden (Bild 2). In Design V wird die Motorleistung im Vergleich zu Design I um 5.1% (69 kW) reduziert, indem das CW verwendet und die Verkehrsbalance angewendet wird (Erhöhung der Abwärtsfahrgeschwindigkeit und Verringerung der Aufwärtsfahrgeschwindigkeit).

Verwendung von Verbundmaterialien: Kohlefaser

Eine weitere Verbesserung zur Reduzierung der Motorleistung besteht darin, das Gewicht von Auto und Autorahmen (Träger) zu reduzieren. Die Verwendung von Verbundmaterialien könnte das Trägergewicht um 75 % reduzieren, indem das gleiche Volumen an Verbundmaterial wie bei Stahl verwendet wird. Neben dem Trägergewicht ist ein weiteres Element, das die Motorleistung beeinflusst, das Gewicht des Stößels. Das Gewicht des Stößels könnte ziemlich groß sein, insbesondere bei langen Fahrstrecken und schweren Lastenaufzügen. Um ein Ausknicken des Stößels zu verhindern, werden große Stößeldurchmesser und dicke Wände verwendet, die den Systemdruck erhöhen. Durch die Verwendung von leichtem Verbundmaterial mit hoher Knickfestigkeit konnten das Stößel- und das Gesamtzylindergewicht um 80-90% reduziert, kleinere Stößeldurchmesser verwendet und die Pumpendurchflussraten und die Motorleistung reduziert werden. Diese Situation ist in Design VI unter Verwendung eines 80 × 5 mm (3.1 × 0.2 Zoll)-Kompositkolbens (Kohlenstofffaser) und einer 95-l/min-(25-gpm-)Pumpe gezeigt (Tabelle 5).

Der erste Prototyp eines von Blain Hydraulics entwickelten hydraulischen Kohlefaserzylinders ist in Bild 5 dargestellt. Ziel der Arbeiten ist es, der Branche einen Leichtbauzylinder mit verbesserten mechanischen Eigenschaften anzubieten. Es ist möglich, dass die kritische Knicklänge von Verbundrohren durch Verwendung geeigneter Harze und korrekter Herstellungstechniken um das Doppelte oder mehr erhöht werden kann. Dies wird dazu führen, dass hydraulische Aufzüge auch in mittelhohen Gebäuden verwendet werden können, ohne dass schwere Zylinder mit großem Durchmesser verwendet werden müssen.

Design VI zeigt, dass die Verwendung von Trägern und Zylindern aus Verbundwerkstoff (Kohlefaser) (ohne Verwendung eines CW) die Motorleistung um 58 % reduzieren könnte (Tabelle 5). Zusätzlich zu Design VI reduziert die Anwendung von Traffic Balancing (Design VII) die Motorgröße weiter auf 5 kW. Diese Ergebnisse zeigen positive Beiträge der Verwendung von Verbundmaterialien; das heißt, eine Reduzierung der Motorleistung um 70 % ohne Verwendung eines CW und eine Reduzierung des Energieverbrauchs auf ein MRL-Fahrstuhlniveau.

Ein Regelventil der neuen Generation

Es gibt viele Möglichkeiten, ein Regelventil mit einem Wechselrichter zu verbinden, um ein Ventil der neuen Generation zu erhalten. Die wichtigste Frage ist, wie man eine kostengünstige und einfache Lösung mit guter Fahrqualität bietet. Da Blain und Yaskawa EU die Marktbedürfnisse kennen und die wirklich notwendigen Anforderungen evaluierten, entwickelten sie ein Steuerventil der neuen Generation, EV4-vvvf (Abbildung 6). Es handelt sich um eine Hybridlösung, die den Wechselrichter nur für Aufwärtsfahrten nutzt und somit die energieeffizienteste und kostengünstigste Lösung bietet. Es hat keine Schnittstellen zu seinen Peripheriegeräten und benötigt keine Sensoren zur Lastkompensation. Da die Aufwärtsbewegung vom Umrichter gesteuert wird, wurden Aufwärtsmagnetventile und Einstellungen vom Ventil entfernt, was sowohl die Ventil- als auch die Systemeinrichtung erheblich vereinfacht. Um die Anschaffungskosten zu senken und die Systemanforderungen weiter zu vereinfachen, wurde eine Steuerung mit offenem Regelkreis implementiert. Somit entfällt die Notwendigkeit eines teuren Tauchmotor-Encoders oder eines Encoders im Hubwerk. All diese Verbesserungen ermöglichen eine Amortisationsdauer von zwei bis vier Jahren über 50 Zyklen pro Tag. Der eigentliche Vorteil des Systems liegt in der exklusiven L1000H Yaskawa Wechselrichter-Software, die die Bedienung des Systems erleichtert, positive Fahreigenschaften bietet und den Energieverbrauch priorisiert.[5]

Abhängig von der Aufzugsnutzung kann der EV4-vvvf Energieeinsparungen von bis zu 65 % erzielen. Dies liegt daran, dass kein Flüssigkeits-Bypass mehr auftritt, die Fahrzeit verkürzt wird und der Anlaufstrom des Motors nicht mehr hoch ist. Aus diesem Grund reduziert EV4-vvvf den Temperaturanstieg um 50% und ermöglicht den Betrieb des Systems bei hoher Aufzugsnutzung ohne das Problem der Ölheizung.

Hydraulische Aufzüge aus Verbundwerkstoff und mit EV4-vvvf können den Energieverbrauch gegenüber Bauart I um 70-80 % senken. In Tabelle 6 sind äquivalente Motorleistungen für die Bauarten I, II, III und IV bei 50 % Energie angegeben Einsparungen werden durch EV4-vvvf erzielt. 

Schlussfolgerungen

Die Auffassung, dass hydraulische Aufzüge ineffizient und umweltgefährdend seien, entspricht nicht der Realität. CWs werden normalerweise nicht für hydraulische Aufzüge verwendet, da sie das Aufzugssystem komplexer machen, die Installationskosten erhöhen und die Vorteile der einfachen und einfachen Installation und Wartung von hydraulischen Aufzügen zunichte machen. Andererseits könnten die CW- und andere Konstruktionsmethoden verwendet werden, um den Energieverbrauch auf das Niveau der MRL-Traktionsaufzüge zu senken. Um das Leistungsniveau von 16.5 kW auf das äquivalente Leistungsniveau von 3 kW zu reduzieren, werden verschiedene Mittel wie CWs, der Ausgleich des Aufzugsverkehrs, der Einsatz von Verbundwerkstoffen und energieeffiziente hydraulische Ventilsysteme gezeigt. Darüber hinaus wird unterstrichen, dass bei 20-jährigen Modernisierungsintervallen die Umweltbilanz von Hydraulikaufzügen mit geringer Nutzung deutlich besser ist als die von Treibscheibenaufzügen.

Als Alternative zum CW kann der Verbundzylinder verwendet werden, der die Knickfestigkeit um das Doppelte oder mehr erhöht. Auf diese Weise kann die Servicehöhe der Hydraulikaufzüge auf bis zu 40 m erhöht werden. Verbundzylinder sind derzeit teuer und nur für spezielle Anwendungen erschwinglich. Die innovativen Entwicklungen in der Verbundtechnologie schreiten jedoch schnell voran, und es wird erwartet, dass in naher Zukunft Verbundträger und -zylinder vermehrt von der Hydraulikaufzugsindustrie eingesetzt werden.

Referenzen
[1] Almeida, AT „Energieeffizienz von Aufzügen und Fahrtreppen“, 4. Europäischer Aufzugskongress (2010).
[2] Celik, KF „Standby-Energieverbrauch bei Aufzügen mit geringer Nutzung“, ELEVATOR WORLD India, Bd. 2 (3. Quartal 2009), S.58.
[3] Nipkow, J. „Elektrizitätsverbrauch und Einspar-Potenziale bei Aufzügen“, SAFE (2005).
[4] www.hydroware.de/lib/get/file.php?id=155f9221554af7
[5] Celik, KF „Design and Control of Electronic Elevator Valves“, Elevator Technology 17: Proceedings of Elevcon 2008 (2008), S. 34-45.

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