كفاءة المصعد: هل كل شيء يتعلق باستهلاك الطاقة للمصعد؟

نظرة على عوامل الكفاءة المهمة بخلاف استهلاك الطاقة واستخدام الزيت

لا يزال الوقود الأحفوري يستخدم على نطاق واسع لتوليد الطاقة ، على الرغم من الاستثمارات الضخمة في مصادر الطاقة المتجددة. لتقليل معدل الاحتباس الحراري ، فإن أفضل أمل لتقليل الانبعاثات بشكل كبير هو استخدام الطاقة المتاحة بشكل أكثر كفاءة.

المصاعد هي أنظمة هندسية كبيرة ، تم تصميمها وتركيبها لعمود معين في المبنى. اعتمادًا على استخدامها ، من المنازل الخاصة إلى المباني الشاهقة ، تستهلك المصاعد 2-10٪ فقط من طاقة المبنى. لذلك ، قد لا يكون اعتبار استهلاك الطاقة فقط للمصاعد كافيًا للتعرف على البصمة الكربونية للنظام الكامل. ومع ذلك ، فقد تم إعطاء القطاع اليوم تصورًا مفاده أن استهلاك الطاقة واستخدام النفط فقط هما العاملان المهمان اللذان يجب أخذهما في الاعتبار. تم استخدام هذا التصور كأداة تسويقية من قبل شركات المصاعد الكبيرة لفهم سوق المباني المنخفضة ، والتي سيطرت عليها المصاعد الهيدروليكية.

التطور الأكثر فعالية في هذا المجال هو استخدام العاكس مع آلة تزامن المغناطيس الدائم (PMS) للتحكم في سرعة الرفع. يُطلق على التطوير أيضًا اسم التكنولوجيا "الجديدة" أو "الأحدث" ويوفر استهلاكًا تشغيليًا للطاقة بشكل كبير. من خلال تقديم كفاءة وحدات بدون غرفة ماكينات (MRL) المحسّنة وخصائص التحكم في القيادة ، أصبح من الممكن تركيب مصاعد الجر في المباني منخفضة الارتفاع. مع التركيز على قضية استهلاك الطاقة واستخدامها كأداة تسويقية ، تمكنت تركيبات MRL من الاتجاه في السوق.

لقد انعكس حل MRL كما هو الحال دائمًا في توفير الحل الأكثر كفاءة في استخدام الطاقة ، والذي يناسب كل تركيب بشكل مثالي ويقوم دائمًا بإعادة توليد الطاقة وإعادتها إلى الشبكة. ومع ذلك ، فإن الفوائد المذكورة من "التكنولوجيا الجديدة" الحالية ليست ملحوظة وتؤدي في الغالب إلى زيادة استهلاك الطاقة عند استخدام تقنية MRL للمصاعد منخفضة الاستخدام ،^[1] حيث قد لا يتم استرداد الاستثمار في التكنولوجيا الجديدة أبدًا خلال عمر المصعد.^[2] هذا بسبب حقيقة أن العاكس والأجهزة الطرفية باهظة الثمن وتتطلب طاقة لتكون نشطة ، حتى عندما يكون المصعد في وضع الاستعداد.^[3] من ناحية أخرى ، من المتوقع أن التطورات المستقبلية في تقنية القيادة ، مثل محولات المصفوفة ، ستقلل بشكل كبير أو تقضي على استهلاك الطاقة الاحتياطية ، ومن الواضح أن المنافسة في السوق ستخفض أسعار العاكس. في هذا الصدد ، ستتغير خصائص الحلول المناسبة بيئيًا إلى تلك التي تتسم بالبساطة ، وغير المكلفة ، وسهلة الصيانة ، وتوفر توافقًا عاليًا مع الأنظمة الحالية وتستهلك احتياطيًا منخفضًا. ومن المتوقع أن تجد تطبيقات واسعة في السنوات القادمة. بالإضافة إلى ذلك ، مع التركيز على استهلاك الطاقة واستخدام النفط ، فقد نسي دائمًا أن مصاعد MRL هي أقل الأنظمة أمانًا فيما يتعلق بالتركيبات والخدمة والمتانة ضد الأنشطة الزلزالية وإنقاذ الركاب المحاصرين.

تحليل دورة الحياة

بدأ التأثير البيئي لأنظمة المصاعد يكتسب أهمية في قطاع المصاعد بسبب الميل نحو الاستخدام الأمثل للموارد. تحليل دورة الحياة (LCA) هو الطريقة التي يتم من خلالها تحديد التأثير البيئي للمصاعد. يتم تقييم عمر المصاعد بشكل عام من 20 إلى 25 عامًا. عندما يتعلق الأمر بالتحديث ، تصبح إعادة استخدام المكونات الهيدروليكية ذات أهمية قصوى للمستخدم والبيئة. العديد من أجزاء المصعد المستخدم غير مهترئة ويمكن الاحتفاظ بها لعقود عديدة. نظرًا لوجود أكثر من ثلاثة ملايين مصعد هيدروليكي يعمل في جميع أنحاء العالم ، فإن استبدال المكونات الضرورية فقط وإعادة استخدام المكونات الأخرى الحالية ، بدلاً من استبدالها جميعًا ، يقلل من التأثير البيئي ويوفر المال.

دراسة حديثة أجرتها Hydroware Elevation Technology AB السويدية^[4] في تركيبات المصاعد الجديدة والتحديثات للمصاعد منخفضة الاستخدام (بمعدل 50 رحلة في اليوم) أظهر بوضوح أن المصاعد الهيدروليكية أكثر صداقة للبيئة من المصاعد التي تعمل بالجر. في الشكل 1 ، تُظهر مقارنات التأثيرات البيئية للمنشآت الجديدة (الهيدروليكية والجر) أن التأثير البيئي الإجمالي للمصعد الهيدروليكي أقل بنسبة 7٪ من تأثير مصعد الجر. في الشكل 2 ، تمت مقارنة التأثيرات البيئية بين تحديث المصعد الهيدروليكي (فئة الاستخدام 1) والاستبدال الكامل للمصعد الهيدروليكي بآخر سحب. وبالتالي ، فإن التأثير البيئي لمصعد الجر أعلى بنسبة 43٪. أي أن تحديث المصعد الهيدروليكي منخفض الاستخدام بجر واحد هو أمر غير مواتٍ للبيئة. الدراسة الواردة في الشكلين 1 و 2 نظرت فقط في زيارات الخدمة المنتظمة ، حيث لم تكن هناك سجلات لمعدلات الفشل. من المحتمل أن تؤدي إضافة الأعطال والإصلاحات إلى زيادة تأثير مصعد الجر بشكل أكبر. في LCA ، عند استخدام 80 عامًا من عمر المبنى مع افتراض تحديث المصعد كل 20 عامًا ، يصبح المصعد الهيدروليكي أيضًا أكثر تفضيلًا من الناحية البيئية ، حتى في فئة الاستخدام 3 (300 رحلة في اليوم).

بشكل عام ، تعتبر المصاعد الهيدروليكية أكثر موثوقية من مصاعد الجر. لذلك ، فإن صيانتها تولد تأثيرًا أقل بكثير. تتميز المصاعد الهيدروليكية ببناء بسيط ومكونات أقل ، وكلها تعمل في بيئة مشحمة. يؤدي ذلك إلى إطالة دورة الحياة ويقلل من أوقات تعطل النظام ، مما يؤدي إلى توفير كبير في التكاليف. يجب أن نتذكر أن تكلفة صيانة المصعد أعلى بمرتين إلى 10 مرات من الاستهلاك السنوي للطاقة. بالإضافة إلى ذلك ، فإن أغلى قطعة غيار لمحرك الجر MRL هي أكثر من 30٪ من إجمالي تكلفة القيادة ، في حين أن هذا الرقم يمثل حوالي 6٪ للمصعد الهيدروليكي. في ضوء النتائج والتقييمات المذكورة أعلاه ، عندما يكون التحديث قيد البحث ، فإن الاستبدال الكامل للمصعد الهيدروليكي بجر واحد سيكون كارثيًا على البيئة.

أنظمة موفرة للطاقة للمصاعد الهيدروليكية

من خلال التعامل مع سوق أكثر تحديًا ، بدأ مصنعو المصاعد الهيدروليكية في إعطاء الأولوية لإنتاج وحدات الطاقة الموفرة للطاقة (الجيل الجديد) التي تستخدم محولات. ومع ذلك ، فإن استخدام وحدات توليد الطاقة الجديدة لم يلق استحسانًا كافيًا بعد. هذا لأنه ، مع التركيز على التسويق للترويج لأحدث الحلول ، غالبًا ما يتم تجاهل الخصائص المفيدة للمصاعد الهيدروليكية التقليدية. من خلال القيام بذلك ، تم ترك المكونات العملية والموثوقة والمنخفضة التكلفة للمصعد الهيدروليكي ، في حين تم تقديم حلول أكثر تطلبًا وغير عملية ومكلفة. وهكذا ، أصبحت الحلول إما بدائية أو معقدة ومكلفة إلى حد ما. في كثير من الحالات ، يتم تقديم وحدة طاقة تقليدية مع إضافة محرك (العاكس) كأحدث ما توصلت إليه التقنية. في الواقع ، فإن مجرد إضافة العاكس لا يؤدي بالضرورة إلى توفير الطاقة. علاوة على ذلك ، فإن استخدام العاكس دون تبرير كفاءته بنسبة 95 ٪ واستهلاك الطاقة الاحتياطية لن يؤدي إلا إلى زيادة فواتير الطاقة.

بدلاً من ذلك ، توجد حلول أكثر تطلبًا وتكلفة ، والتي ، إلى جانب العاكس ، تحتاج إلى مكونات إضافية مثل مستشعرات الضغط ودرجة الحرارة ، ومقياس التدفق ، وجهاز التشفير ، وبطاقة التحكم الإلكترونية ، وما إلى ذلك. تطبيق هذه الأنظمة ، بغض النظر عن جودة الركوب يعطون ومدى ضآلة اختلاف درجة حرارة الزيت ، وعادة ما يكونون بعيدين عن تلبية احتياجات السوق الحقيقية ؛ وقت الدفع الممتد (بعد فترة التجديد) ، وصعوبة العثور على فنيين أكفاء واحتياجات الخدمة المتزايدة.

يُعتقد أيضًا أن أكثر المعدات كفاءة تستخدم التكسير التجديدي لتغذية الطاقة الكهربائية مرة أخرى في المبنى. ومع ذلك ، فإن الاستثمار في المحرك المتجدد للمصعد منخفض إلى متوسط ​​الاستخدام قد يكون غير حكيم بالنسبة للبيئة ولن يكون قادرًا على سداد الاستثمار خلال فترة الخدمة. وهذا يعني أن المعدات المستخدمة والجهد المبذول لزيادة كفاءة الطاقة سيكون لهما تأثير أكبر على البيئة مما يكتسبه النظام الموفر للطاقة. لذلك ، إذا لم يكن الاستثمار فعالاً من حيث التكلفة ، فمن غير المرجح أن يكون صديقًا للبيئة.

تصميم مصعد موفر للطاقة

بصرف النظر عن الأنظمة الهيدروليكية الموفرة للطاقة ، لا تزال المصاعد الهيدروليكية التقليدية مستخدمة على نطاق واسع لسوق المصاعد منخفضة الاستخدام والمنخفضة الارتفاع بسبب التكلفة المنخفضة إلى حد كبير وسهولة الإعداد والصيانة البسيطة والموثوقية العالية. إذا تم النظر جيدًا في النقاط أدناه ، فإن المصاعد الهيدروليكية التقليدية منخفضة الارتفاع وقليلة الاستخدام تصبح أكثر كفاءة في استخدام الطاقة من أي نظام رفع آخر.

• تصميم المصعد الصحيح: حجم قوة المحرك وقدرة الرفع
• سيارة خفيفة الوزن وحمالة ، أو استخدام ثقل الموازنة (CW)
• الحجم الصحيح لوحدة الطاقة ونوع السائل
• انخفاض الضغط المنخفض في النظام الهيدروليكي
• اختيار صمام التحكم
• التهوية الصحيحة في غرفة الآلة

يمكن فهم الموضوع بشكل أفضل من خلال التحقيق في مصعد نموذجي يبلغ وزنه 630 كجم (الشكل 3). في الجدول 1 ، يتم إعطاء التفاصيل الفنية للمصعد. هنا ، العوامل المهيمنة لحجم محرك 16.5 كيلو واط هي وزن السيارة وسرعة المصعد. بالنسبة لمصعد بستة توقفات ، فإن السرعة البالغة 0.8 م / ث (157 إطارًا في الدقيقة) بشكل عام ليست معتادة ، ما لم تكن حركة المرور كثيفة للغاية.

إحدى التحسينات الأولى في التصميم الأول هي السرعة ، لأنه في المباني منخفضة الارتفاع ، لا توفر سرعة المصعد العالية ميزة كبيرة لتحسين حركة المرور. عندما يتم تقليل سرعة المصعد إلى 0.63 ميجابت في الثانية (124 إطارًا في الدقيقة) ، فإن السرعة البالغة 0.8 ميجا في الثانية لا تحسن من وقت الدورة كثيرًا ، ولكن تقليل السرعة إلى 0.63 ميجا في الثانية يقلل من حجم المحرك بنسبة 21٪ (الجدول 2).

إن الفروق الزمنية بين الطوابق المتتالية وأوقات السفر القصوى هي 0.3 و 4.2 ثانية فقط. يمكن حل هذه الأوقات بسهولة في أوقات فتح الباب والانتظار على الأرض ، ومن خلال زيادة سرعة السير. يمكن رؤية تفاصيل التصميم الثاني في الجدول 3.

نظرًا لأن السفر لأسفل تتم إدارته بواسطة قوة الجاذبية في المصاعد الهيدروليكية ، يمكن تحقيق توازن حركة المرور المطلوب عن طريق زيادة السرعة المنخفضة (تصل إلى 1 ميجا في الثانية [197 إطارًا في الدقيقة]) وتقليل السرعة دون الحاجة إلى طاقة إضافية. بهذه الطريقة ، يمكن تقليل طاقة المحرك وحجمه واستهلاكه للطاقة بشكل كبير. يظهر هذا في الجدول 3 كـ Design III ، مما يقلل من قوة المحرك بنسبة 44٪ مقارنةً بالتصميم الأول.

المصاعد الهيدروليكية بشكل عام لا تمتلك CWs. هذا لأن CW يجعل نظام المصعد أكثر تعقيدًا ، ويزيد من تكاليف التركيب ويزيل مزايا كون المصعد بسيطًا وسهل التركيب والخدمة. الأسباب الأخرى لعدم استخدام CW هي الاحتفاظ بمنطقة المقصورة ومستويات عالية من الأمان. في مصاعد الجر ، يتم استخدام CW لموازنة وزن السيارة و 40-50٪ من الحمولة الصافية.

على الرغم من أن CWs ليست مفضلة للاستخدام في المصاعد الهيدروليكية ، من أجل تقليل استهلاك الطاقة ، يمكن استخدامها ، بشرط استيفاء مستوى أمان كافٍ. بهذه الطريقة ، يمكن تقليل حجم طاقة المحرك بشكل أكبر (الشكل 4). في المصاعد الهيدروليكية ، يتم اختيار وزن CW بحيث لا يقل الضغط الأدنى في النظام عن أدنى ضغط عمل للصمام. لذلك ، فإن وزن CW للمصعد الهيدروليكي دائمًا ما يكون أصغر بكثير من وزن مصعد الجر. في الجدول 4 ، تظهر نتائج المصعد الهيدروليكي باستخدام CW في التصميم الرابع. كما هو موضح في الجدول 4 ، يؤدي استخدام 648 كجم CW إلى تقليل قطر الكبش إلى 90 مم وقوة المحرك إلى 8 كيلو واط (51٪ أقل من التصميم الأول). علاوة على ذلك ، يمكن تقليل قوة المحرك إلى 6.5 كيلوواط باستخدام أسطوانة من نوع السحب (الشكل 2). في التصميم V ، يتم تقليل قوة المحرك (5.1 كيلو واط) بنسبة 69٪ فيما يتعلق بالتصميم الأول باستخدام CW وتطبيق توازن حركة المرور (زيادة سرعة السير وتقليل سرعة السير).

استخدام المواد المركبة: ألياف الكربون

هناك تحسين آخر لتقليل قوة المحرك وهو تقليل وزن السيارة وهيكل السيارة (الناقل). يمكن أن يؤدي استخدام المواد المركبة إلى تقليل الوزن الحامل بنسبة 75٪ باستخدام نفس حجم المادة المركبة مقارنة بالفولاذ. بالإضافة إلى الوزن الحامل ، هناك عنصر آخر يؤثر على قوة المحرك وهو وزن الكبش. يمكن أن يكون وزن ذاكرة الوصول العشوائي كبيرًا نوعًا ما ، خاصةً لمسافات السفر الطويلة ومصاعد الشحن الثقيلة. لمنع التواء الكبش ، يتم استخدام أقطار كبيرة وجدران سميكة ، مما يزيد من ضغط النظام. باستخدام مادة مركبة خفيفة ذات قوة ربط عالية ، يمكن تقليل الكبش وأوزان الأسطوانة الكلية بنسبة 80-90٪ ، ويمكن استخدام أقطار الكبش الأصغر ، ويمكن تقليل معدلات تدفق المضخة وطاقة المحرك. يظهر هذا الموقف في التصميم السادس باستخدام 80 × 5 مم (3.1 × 0.2 بوصة) من ذاكرة الوصول العشوائي المركبة (ألياف الكربون) ومضخة 95 لترًا في الدقيقة (25 جالونًا في الدقيقة) (الجدول 5).

يظهر النموذج الأول لأسطوانة ألياف الكربون الهيدروليكية التي طورتها شركة Blain Hydraulics في الشكل 5. والهدف من العمل هو تزويد القطاع بأسطوانة خفيفة الوزن بخصائص ميكانيكية محسنة. من الممكن زيادة طول الانثناء الحرج للأنابيب المركبة مرتين أو أكثر باستخدام الراتنجات المناسبة وتقنيات التصنيع الصحيحة. سيؤدي ذلك إلى استخدام المصاعد الهيدروليكية ، حتى في المباني المتوسطة الارتفاع ، دون الحاجة إلى استخدام أسطوانات ثقيلة وكبيرة القطر.

يوضح التصميم السادس أن استخدام الناقل المركب (ألياف الكربون) والأسطوانة (بدون استخدام CW) يمكن أن يقلل من قوة المحرك بنسبة 58 ٪ (الجدول 5). بالإضافة إلى التصميم السادس ، يؤدي تطبيق موازنة حركة المرور (التصميم السابع) إلى تقليل حجم المحرك بشكل أكبر ، إلى 5 كيلو واط. تظهر هذه النتائج مساهمات إيجابية لاستخدام المواد المركبة ؛ أي 70٪ من انخفاض قوة المحرك دون استخدام CW وتقليل استهلاك الطاقة إلى مستوى مصعد MRL للجر.

صمام تحكم من الجيل الجديد

يمكن أن يكون هناك العديد من الطرق لإدخال صمام تحكم بعاكس للحصول على صمام من الجيل الجديد. السؤال الأهم هو كيفية تقديم حل غير مكلف وبسيط بجودة ركوب جيدة. من خلال معرفة احتياجات السوق وتقييم المتطلبات الضرورية حقًا ، طور Blain و Yaskawa EU صمام تحكم من الجيل الجديد ، EV4-vvvf (الشكل 6). إنه حل هجين يستخدم العاكس فقط للرحلات الأعلى ، وبالتالي ، يقدم الحل الأكثر كفاءة في استخدام الطاقة وأقل تكلفة. لا تحتوي على واجهات مع أجهزتها الطرفية ولا تتطلب أجهزة استشعار لتعويض الحمل. نظرًا لأنه يتم التحكم في الحركة الصعودية بواسطة العاكس ، فقد تمت إزالة ملفات لولبية أعلى وتعديلات من الصمام ، مما يبسط إلى حد كبير إعداد كل من الصمام والنظام. لتقليل التكلفة الأولية وتبسيط متطلبات النظام بشكل أكبر ، تم تنفيذ التحكم في الحلقة المفتوحة. وبالتالي ، تم التخلص من الحاجة إلى جهاز تشفير محرك غاطس مكلف أو جهاز تشفير في الرافعة. تتيح كل هذه التحسينات فترات استرداد من سنتين إلى أربع سنوات تزيد عن 50 دورة في اليوم. تأتي الفائدة الحقيقية للنظام من برنامج العاكس L1000H Yaskawa الحصري ، الذي يسهل استخدام النظام ، ويوفر خصائص سفر إيجابية ويعطي الأولوية لاستهلاك الطاقة.^[5]

اعتمادًا على استخدام المصعد ، يمكن أن يوفر EV4-vvvf توفيرًا للطاقة يصل إلى 65٪. وذلك لأن تجاوز السوائل لم يعد يحدث ، ويتم تقصير وقت السفر ولم يعد تيار بدء تشغيل المحرك مرتفعًا. ولهذا السبب ، تقلل EV4-vvvf زيادة درجة الحرارة بنسبة 50٪ وتسمح بتشغيل النظام باستخدامات عالية للمصاعد دون مشكلة تسخين الزيت.

المصاعد الهيدروليكية المصنوعة من مادة مركبة وباستخدام EV4-vvvf يمكن أن تقلل من استهلاك الطاقة بنسبة 70-80٪ فيما يتعلق بالتصميم الأول. في الجدول 6 ، يتم إعطاء قوى المحرك المكافئة للتصميمات I و II و III و IV في حالة 50٪ من الطاقة يتم تحقيق التوفير من خلال EV4-vvvf. 

استنتاجات

التصور الذي تم إنشاؤه ضد المصاعد الهيدروليكية غير فعال وخطير بيئيًا لا يعكس الواقع. عادةً لا تُستخدم CWs للمصاعد الهيدروليكية ، لأنها تجعل نظام المصعد أكثر تعقيدًا ، وتزيد من تكلفة التركيب وتزيل مزايا المصاعد الهيدروليكية كونها بسيطة وسهلة التركيب والخدمة. من ناحية أخرى ، يمكن استخدام CW وطرق التصميم الأخرى لخفض استهلاك الطاقة إلى مستوى مصاعد MRL للجر. لتقليل مستوى الطاقة من 16.5 كيلو واط إلى مستوى الطاقة المكافئ البالغ 3 كيلو واط ، باستخدام وسائل مختلفة مثل CW ، يتم عرض موازنة حركة مرور المصعد ، واستخدام المواد المركبة وأنظمة الصمامات الهيدروليكية الموفرة للطاقة. علاوة على ذلك ، تم التأكيد على أنه عند النظر في فترات تحديث مدتها 20 عامًا ، يكون الأداء البيئي للمصاعد الهيدروليكية منخفضة الاستخدام أفضل بكثير من مصاعد الجر.

كبديل لـ CW ، يمكن استخدام الأسطوانة المركبة ، التي تزيد من قوة الالتواء مرتين أو أكثر. بهذه الطريقة ، يمكن زيادة ارتفاع خدمة المصعد الهيدروليكي حتى 40 مترًا. في الوقت الحاضر ، تعتبر الأسطوانات المركبة باهظة الثمن ويمكن أن تكون ميسورة التكلفة فقط للتطبيقات الخاصة. ومع ذلك ، فإن التطورات المبتكرة في التكنولوجيا المركبة تتقدم بسرعة ، ومن المتوقع أنه في المستقبل القريب ، سيتم استخدام الناقلات والأسطوانات المركبة بشكل أكبر في صناعة المصاعد الهيدروليكية.

مراجع حسابات
[1] ألميدا ، في "كفاءة الطاقة للمصاعد والسلالم المتحركة" ، المؤتمر الأوروبي الرابع للمصاعد (4).
[2] Celik ، KF "استهلاك الطاقة في وضع الاستعداد في المصاعد منخفضة الاستخدام ،" ELEVATOR WORLD India، المجلد. 2 (الربع الثالث 3) ص 2009.
[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)، p.34-45.