كفاءة الطاقة في المصاعد

MRL مقابل الهيدروليكي 

بقلم الدكتور ك. فرحات جيليك

1. مقدمة

المصاعد أنظمة هندسية معقدة مصممة ومثبتة خصيصًا لأعمدة المباني الفردية. وحسب استخدامها، فإنها تمثل ما يقرب من 2% إلى 10% من استهلاك الطاقة في المبنى. أما بالنسبة للمصاعد منخفضة الاستخدام، مثل المباني التي يصل ارتفاعها إلى خمسة طوابق، فتتراوح هذه النسبة عادةً بين 2% و3%. بشكل عام، يُعد استهلاك طاقة المصاعد منخفضًا نسبيًا مقارنةً بإجمالي الطلب على الطاقة في المبنى، والذي غالبًا ما يتجاوز 40% من إجمالي الاستخدام. وبالتالي، على سبيل المثال، عند تقييم أداء الطاقة في المبنى، يجب أن يكون التركيز الأساسي على العزل الحراري وأنظمة التدفئة والتبريد والماء الساخن والإضاءة. وبالمثل، فإن معالجة استهلاك طاقة المصاعد التشغيلي وحده لا يكفي لفهم الأداء الكلي للطاقة للمصعد بشكل كامل ويمكن أن يؤدي إلى استنتاجات غير دقيقة. كما أن هذا النهج يُخاطر أيضًا بإعطاء الأولوية للمصاعد بشكل خاطئ بناءً على بيانات غير كاملة، مما قد يُغفل عوامل السلامة الحرجة. 

طُوّرت أساليب حسابية نظرية وهجينة متنوعة لتصنيف المصاعد من حيث أدائها واستهلاكها للطاقة. في البداية، شجعت معايير مثل VDI 4707-1 وISO 25745/1-2 شركات المصاعد على الاستفادة من هذه التصنيفات كأدوات تسويقية، لا سيما في سوق المباني منخفضة الارتفاع. إلا أن المصاعد التي تحمل علامة "A" للطاقة قد تحقق أداءً أقل بكثير عند تقييمها في ظل ظروف واقعية. يتطلب التقييم الدقيق لأداء طاقة المصاعد بيانات موثوقة، تشمل عدد الرحلات وكثافتها، وسرعة السير، وظروف التحميل، واستهلاك الطاقة في وضع الاستعداد، وحمل الثقل الموازن، وجميعها تتأثر بأنماط حركة المصاعد. اليوم، فقدت هذه التصنيفات التلاعبية أهميتها، وحل محلها تحليل دورة الحياة (LCA). 

على الرغم من أن موثوقية نماذج الحسابات هذه موضع شك، إلا أن هناك تصورًا خاطئًا في السوق بأن نسب استهلاك الطاقة للمصاعد تبلغ حوالي 3:2:1 للأنظمة الهيدروليكية، وأنظمة الجر المُسنّن، وأنظمة المصاعد بدون غرفة آلات (MRL) على التوالي. تقدم هذه الورقة معلومات مفصلة حول أداء طاقة المصاعد بناءً على تقييم واقعي.

2. السلامة من الزلازل

تُعد المصاعد من أغلى المعدات في المباني، ولها وظيفة حيوية. ومع ذلك، فهي تحتوي على مكونات ميكانيكية وكهربائية وإلكترونية متنوعة، وهي معرضة بشكل خاص للتلف أثناء الكوارث الطبيعية، وخاصة الزلازل.

أوروبا وآسيا معرضتان بشدة للزلازل؛ لذا، يُعد ضمان استمرار تشغيل المصاعد بعد الزلازل أمرًا بالغ الأهمية لتقليل المخاطر ذات الصلة. يحدد معيار EN 81-77 تدابير إضافية لتعزيز سلامة المصاعد في المناطق الزلزالية. ومع ذلك، فإن تطبيق هذا المعيار وحده لا يضمن السلامة الكاملة في المناطق المعرضة للزلازل. وقد لوحظ هذا أيضًا في عمليات التفتيش الميدانية التي أُجريت بعد زلازل 6 فبراير 2024 في تركيا. على الرغم من أن معيار EN 81-77 يهدف إلى ضمان الاستخدام الآمن والمأمون للمصاعد في المناطق المعرضة للزلازل، إلا أنه يقصر في تطبيق تدابير فعالة لتجنب عيوب مصاعد الجر ذات الأثقال الموازنة، وخاصةً تصميماتها الخالية من غرف الماكينات، والتي تُسبب العديد من المشكلات المتعلقة بالسلامة. لا يمكن تحقيق السلامة المُعززة إلا من خلال إضافة الإضافات اللازمة إلى المعيار، على حساب زيادة التكلفة. لذلك، ينبغي على المكتب الوطني للمعايير في إيران إدراج متطلبات إضافية عند تطبيق معيار IR EN 81-77.

في حين يُشار غالبًا إلى النقص في معيار EN 81-77 وتطبيقه كأسباب رئيسية للأضرار، فإن المشكلة الرئيسية تكمن في عدم اختيار نوع المصعد المناسب بناءً على خصائص المبنى. في المناطق الزلزالية، بالإضافة إلى تقييم مخاطر تلف المصاعد، من المهم بنفس القدر مراعاة الإخلاء في حالات الطوارئ. يجب مراعاة عوامل مثل مخاطر الحرائق وتسرب الغاز والفيضانات لضمان إنقاذ الركاب المحاصرين بأمان. بالإضافة إلى تكاليف الإصلاح الناتجة عن تلف المصاعد، يمكن أن يؤدي توقف العمل إلى خسائر اجتماعية وتجارية كبيرة. في بيئة ما بعد الزلزال التي تتسم بالصدمات الاجتماعية والهزات الارتدادية المستمرة، يُعد الحفاظ على تشغيل المباني العامة ومصاعدها أمرًا ضروريًا لإدارة فعالة للاستجابة للطوارئ. لذلك، لتقليل التحديات بعد الزلازل، يجب إعطاء الأولوية القصوى لأنظمة المصاعد منخفضة مخاطر التلف والتي يمكن تكييفها بسهولة وبتكلفة معقولة لتتوافق مع معايير IR EN 81-77. وقد أوضحت تقارير عمليات التفتيش الميدانية بعد عدة زلازل أن المصاعد الهيدروليكية هي الخيار الأكثر أمانًا للمناطق الزلزالية. وذلك للأسباب التالية:

• تمتص الأسطوانة الهيدروليكية الاهتزازات والتذبذبات، مما يقلل من التأثير الزلزالي.
• لا تحتوي المصاعد الهيدروليكية على أوزان موازنة، مما يلغي مخاطر الأضرار المرتبطة بها.
• ترتكز الأنظمة الهيدروليكية مباشرة على أساس المبنى؛ وبالتالي، فإنها تتعرض لتذبذبات أصغر وتتأثر بشكل أقل بالحركة الزلزالية.
• إنها تمتلك بنية بسيطة مع مكونات أقل، مما يجعلها أكثر موثوقية.
• أنها توفر إخلاء أسهل وأكثر أمانا في حالة الاحتجاز.

في المقابل، يُعدّ نوع المصاعد الأقل أمانًا والأكثر عرضة للخطر في المناطق الزلزالية هو نوع المصاعد ذات الحمولات القصوى (MRL). للمزيد من المعلومات حول هذا الموضوع، يُرجى مراجعة المراجع.^[10] تظهر بعض الأمثلة على أضرار المصاعد بعد الزلزال في الشكل 2.

3. استهلاك الطاقة في وضع الاستعداد

نتيجةً للتطورات في أنظمة التحكم الإلكترونية، ازداد استهلاك الطاقة، ليس فقط أثناء تشغيل المصعد، بل أيضًا أثناء توقف النظام. تُعرف الطاقة التي تستهلكها أنظمة التحكم في وضع الخمول بـ"استهلاك الطاقة الاحتياطي". وقد أدى دمج ميزات مثل أجهزة الإمداد بالطاقة غير المنقطعة (UPS)، وأنظمة أقفال الأبواب، ومحركات الأقراص، والأزرار المضيئة، وشاشات العرض الداخلية والخارجية في المقصورة، وأنظمة الإنذار والسلامة، وغيرها من المكونات الإلكترونية المماثلة، إلى زيادة كبيرة في كمية الطاقة الاحتياطية اللازمة للحفاظ على تشغيل هذه الأنظمة.

مع إدخال مصاعد MRL، بدأ استخدام محركات السرعة المتغيرة على نطاق واسع في مصاعد الجر. وقد حسّنت هذه المحركات، إلى جانب محركات المغناطيس الدائم المتزامنة (PMS)، جودة الحركة، وخفضت استهلاك الطاقة التشغيلية بنسبة تصل إلى 50% مقارنةً بمصاعد الجر التقليدية، وذلك باستخدام محركات أصغر حجمًا.^[1]

بالإضافة إلى مصاعد الجرّ (MRLs)، تم استخدام محركات متغيرة الجهد والتردد (VVVF) في مصاعد الجرّ التقليدية المجهزة بغرف آلات وأنظمة تروس. ونتيجةً لذلك، دخلت حلول المصاعد الهيدروليكية المزودة بمحركات VVVF السوق كبدائل تنافسية، مما زاد من حدة المنافسة في قطاع المباني منخفضة الارتفاع. ونتيجةً لذلك، أصبحت الطاقة التي تستهلكها هذه المحركات والأجهزة الطرفية المرتبطة بها مساهمًا ملحوظًا في إجمالي استهلاك طاقة المصاعد.

دراسة أجرتها الوكالة السويسرية لكفاءة الطاقة (SAFE)^[2] أفادت دراسةٌ أُجريت على 33 مصعدًا مختلفًا أن استهلاك الطاقة في وضع الاستعداد يُمثل حوالي 80% من إجمالي الطاقة التي تستهلكها المصاعد. يوضح الشكل 3 التأثير الكبير لاستهلاك الطاقة في وضع الاستعداد (البرتقالي)، والذي ارتفع نتيجةً للانتشار الواسع للمكونات الإلكترونية في أنظمة المصاعد. كما تُبرز الدراسة أن الحلول الهيدروليكية المُجهزة بمحركات VVVF تُضاهي أنظمة الجر MRL كفاءةً في استهلاك الطاقة. ويعود ذلك إلى القضاء التام على خسائر الطاقة المرتبطة بصمامات التحكم الميكانيكية التقليدية من خلال استخدام محركات VVVF في المصاعد الهيدروليكية.

أطروحة ماجستير من تأليف ليز،^[3] في دراسةٍ تناولت استهلاك الطاقة في المصاعد الهيدروليكية، خلصت إلى أن الأنظمة الهيدروليكية التي تستخدم محركات VVVF تُضاهي أنظمة MRL كفاءةً في استهلاك الطاقة. كما أظهرت الدراسات التي أُجريت على صمام التحكم الهيدروليكي EV40-VVVF من Blain توفيرًا في الطاقة يصل إلى 65%، مما يجعله خيارًا شائعًا لمشاريع التحديث.^[7] تُشكك هذه النتائج في الاعتقاد السائد بأن المصاعد الهيدروليكية تستهلك طاقةً أكبر من مصاعد الجرّ MRLs. ومع ذلك، أشار ليز أيضًا إلى أن استخدام محركات VVVF في المصاعد منخفضة الاستخدام قد يزيد من استهلاك الطاقة الاحتياطية. ونتيجةً لذلك، تظل المصاعد الهيدروليكية التقليدية المزودة بصمامات ميكانيكية خيارًا عمليًا في مثل هذه الحالات. وهذا يشير إلى أنه على الرغم من التطورات في تكنولوجيا المصاعد، لا يزال استهلاك الطاقة قابلًا للزيادة في بعض الحالات، وخاصةً في الأنظمة منخفضة الاستخدام.

من المتوقع أن تُسدد الأنظمة الموفرة للطاقة استثماراتها بمرور الوقت من خلال خفض فواتير الطاقة. وتعتمد سرعة استرداد التكاليف على عوامل مختلفة، منها تكلفة الطاقة، واستخدام المصعد، وكفاءة النظام، وتكلفة الاستثمار الأولية، وتواتر وتكاليف الصيانة. غالبًا ما تتضمن الأنظمة عالية الكفاءة نظام الكبح المتجدد، الذي يُعيد الكهرباء إلى المبنى بدلًا من تبديدها كحرارة. ورغم فعالية هذه التقنية، إلا أنها تتطلب استثمارًا أوليًا كبيرًا، مما يجعلها مناسبة بشكل أساسي للمصاعد عالية الاستخدام. أما بالنسبة للمصاعد منخفضة إلى متوسطة الاستخدام، فسيكون دمج وحدة متجددة (محركات متجددة) غير عملي بيئيًا واقتصاديًا، إذ من غير المرجح استرداد الاستثمار خلال عمر خدمة النظام. في مثل هذه الحالات، قد يكون للموارد والطاقة المستخدمة في تصنيع وتركيب المعدات الموفرة للطاقة تأثير بيئي أكبر من الفوائد المكتسبة من انخفاض استهلاك الطاقة. وبالتالي، إذا لم يكن الاستثمار فعالًا من حيث التكلفة، فمن غير المرجح أن يحقق كفاءة طاقة حقيقية.

تتوفر في السوق أيضًا أنظمة تحكم في المصاعد مصممة للاستخدام الأمثل للطاقة خلال فترات الاستعداد. في هذه الأنظمة، ينخفض ​​استهلاك الطاقة تدريجيًا عند توقف المصعد عن العمل لفترة معينة. في المرحلة الأولى، تُخفت أضواء العربة وتُطفأ مؤشرات الاتجاه على الطوابق وشاشات العربة والأزرار ذات الإضاءة المزدوجة. في المرحلة الثانية، تُطفأ مكونات إضافية مثل وحدة تحكم الباب وإلكترونيات المقصورة ومراوح العاكس والأزرار ذات الإضاءة المزدوجة على الطوابق. تستغرق إعادة تنشيط النظام من هذا الوضع عادةً حوالي 30 ثانية. ومع ذلك، فإن المصدرين الرئيسيين لاستهلاك الطاقة في وضع الاستعداد هما محرك VVVF وجهاز UPS، واللذان لا يُطفآن عادةً لتجنب تقليل عمر المحرك ولأسباب تتعلق بالسلامة. توضح الجداول 1 و2 و3 استهلاك الطاقة لوحدة تحكم المصعد ومحركاته وأجهزة UPS.

4. ما هو نوع المصعد الأفضل لتوفير الطاقة؟

تشترك جميع المصاعد في مكونات مشتركة، مثل العربات، والأبواب، والإضاءة، ومراوح التهوية، وأجهزة السلامة، وأجهزة التحكم الآلي. ونظرًا لأن هذه العناصر أساسية في كلٍّ من المصاعد الهيدروليكية والجر، فإن هذه المناقشة تركز تحديدًا على كفاءة الطاقة في أنظمة الدفع.

يتألف أكثر من 90% من مخزون المباني العالمي من مبانٍ يقل عدد طوابقها عن ستة طوابق. لذلك، فإن المنافسة الرئيسية في السوق تكمن في الواقع في استخدام كل من المصاعد الهيدروليكية والجر. أنظمة مصاعد MRL، التي طرحتها شركات المصاعد الكبرى لأول مرة عام 1995، تُقدم الآن على نطاق واسع من قبل معظم مصنعي المصاعد. آلات الجر PMS بدون تروس، التي توفر عزم دوران عالي وسرعة منخفضة مع التخلص من الحاجة إلى تروس تخفيض، حسّنت كفاءة النظام بشكل كبير. حجم آلات PMS الصغير ووزنها الخفيف وميزاتها الديناميكية الفريدة - مثل الثبات العالي والدقة وعزم الدوران الأقوى عند السرعات المنخفضة والتحكم الدقيق في موضع الدوار - جعلها مثالية لأنظمة قيادة المصاعد. مهدت هذه التطورات الطريق لتطوير مصاعد MRL. تُستخدم مصاعد MRL، حيث توضع وحدة القيادة داخل العمود، في تركيبات المصاعد منخفضة إلى متوسطة الارتفاع، وهي تزداد شعبية.

أدى إدخال مصاعد MRL إلى تحسين كفاءة الطاقة التشغيلية وخصائص التحكم في محركات الجر بشكل واضح، مما أتاح تركيبها في المباني منخفضة الارتفاع. ومع ذلك، تم تجاهل العديد من القضايا الحرجة خلال عملية تبني صناعة المصاعد لمصاعد MRL بحماس.

سلامة المصاعد

السلامة هي الأولوية القصوى في تطبيقات المصاعد. تُعرف مصاعد MRLs بأنها الأقل أمانًا في السوق. يُمثل ترك غرف الآلات الآمنة ووضع نظام القيادة ضمن ارتفاع السقف تراجعًا في معايير السلامة في صناعة المصاعد. لذلك، تتطلب مصاعد MRLs مكونات إضافية لتلبية معايير السلامة في ظروف العمل الأقل أمانًا. ويزيد ازدياد تعقيد المكونات من خطر الأعطال أثناء التركيب والصيانة. ومع اتساع نطاق تطبيقات MRLs، ازدادت تقارير الحوادث المتعلقة بها عالميًا. لا تزال قواعد السلامة الخاصة بمصاعد MRLs موضع شك، وتتطلب لوائح ومراجعات أكثر صرامة. ومع ذلك، غالبًا ما تعتمد هذه التطورات على تأثير شركات المصاعد الكبرى، التي تُعطي الأولوية لخفض التكلفة على تطبيق ميزات أمان إضافية في هذه الأنظمة. والجدير بالذكر أن مصاعد MRLs أثبتت أنها الأقل متانة في المناطق الزلزالية، كما هو موثق من خلال تحقيقات المواقع بعد الزلازل المختلفة. ينبغي على الدول المعرضة لمخاطر الزلازل العالية، مثل تركيا وإيران وجزء كبير من آسيا، إعطاء الأولوية للسلامة على استهلاك الطاقة وتجنب استخدام مصاعد MRLs في المناطق الزلزالية. هذا مهمٌّ بشكلٍ خاصّ لأنّ المصاعد ليست السبب الرئيسيّ لاستهلاك الطاقة. ولذلك، تُعفى المصاعد من توجيه التصميم البيئيّ في الاتحاد الأوروبي.

من ناحية أخرى، تُعد المصاعد الهيدروليكية الأكثر متانة وأمانًا بين جميع أنواع المصاعد. تقع غرفة آلاتها الآمنة في مكان مناسب في الطابق السفلي أو الأرضي بالقرب من عمود المصعد، مما يسمح بتركيب آمن وفعال. بفضل عمل جميع مكوناتها في بيئة مُشحمة، تتميز المصاعد الهيدروليكية بموثوقية عالية وعمر خدمة يتجاوز 30 عامًا. كما أنها الأكثر مرونة في مواجهة الزلازل، حيث تُثبّت أسطواناتها الهيدروليكية في أساس المبنى. والأهم من ذلك، تعمل الأسطوانة كمخمد، مما يحمي نظام المصعد بأكمله من التلف. وقد أثبتت العديد من دراسات مواقع ما بعد الزلازل، بما في ذلك الدراسة الأخيرة في تركيا، متانة المصاعد الهيدروليكية في المناطق الزلزالية.

على الرغم من أن المصاعد الهيدروليكية مزودة بصمامات تحكم موفرة للطاقة ومتوافقة مع أنظمة التفريغ ذات السعة القصوى (MRLs)، إلا أن السؤال الرئيسي هو لماذا يظل استخدامها العالمي أقل بكثير من أنظمة التفريغ ذات السعة القصوى؟ ويعود السبب الرئيسي إلى هيمنة شركات المصاعد الكبيرة التي تروّج لحلول أنظمة التفريغ ذات السعة القصوى، في حين أن شركات الهيدروليك صغيرة الحجم نسبيًا. وقد أعاق هذا الوجود المحدود قدرة قطاع الهيدروليك على المنافسة وحماية حصته السوقية.

ثانيًا، مع تراجع حصة المصاعد الهيدروليكية في السوق، تراجعت خبرة القطاع في الأنظمة الهيدروليكية. وقد ساهم هذا التراجع في المعرفة في ارتفاع أسعار المصاعد الهيدروليكية مقارنةً بحلول MRL، على الرغم من قدرتها على توفير الطاقة و/أو السلامة. وقد أدى نقص الخبرة في التصميم والتركيب الهيدروليكي إلى زيادة في تركيبات المصاعد الهيدروليكية سيئة التنفيذ وذات الجودة المتدنية، مما أضرّ أكثر بسمعة الأنظمة الهيدروليكية وقلّل من طلبها في السوق.

أخيرًا، يعتمد سوق المصاعد العالمي بشكل كبير على شركات المصاعد الكبرى، التي تتبنى غالبًا سياسات أسعار منخفضة صارمة لتأمين المشاريع. وتعوض هذه الشركات انخفاض التكاليف الأولية بإيرادات من عقود الخدمة طويلة الأجل، مما يُضعف وضع الشركات الصغيرة في قطاع الهيدروليك.

إجمالي استهلاك الطاقة

إن التركيز حصريًا على استهلاك الطاقة التشغيلي للصمامات الميكانيكية، بالإضافة إلى استهلاك الزيت، واستخدام هذه القضايا كأداة تسويقية، يُعد نهجًا مشكوكًا فيه إلى حد ما، تروج له شركات المصاعد الكبرى للاستحواذ على سوق المباني منخفضة الارتفاع. ونتيجةً لذلك، يُصوَّر حل المصاعد منخفضة الارتفاع (MRL) على أنه الخيار الأكثر كفاءة في استخدام الطاقة، وهو مناسب تمامًا لجميع المنشآت، وقادر على تجديد الطاقة وإعادة تغذيتها إلى الشبكة. ومع ذلك، فإن الفوائد المزعومة للمصاعد منخفضة الارتفاع ليست دائمًا واقعية، وقد تؤدي إلى زيادة استهلاك الطاقة، لا سيما في المصاعد منخفضة الاستخدام.^[4] حيث قد لا يتم استرداد الاستثمار في تقنية MRL أبدًا طوال عمر المصعد.^[5] ويرجع ذلك إلى أن وحدات التحكم MRL تتطلب المزيد من المكونات الإلكترونية والكهربائية - مثل محركات الأقراص ومراوح تبريد المحركات وأجهزة UPS ودوائر الأمان والأجهزة الطرفية الأخرى - والتي تعد مكلفة وتستهلك طاقة إضافية حتى عندما يكون المصعد في حالة سكون.^[1] لذلك فإن استهلاك الطاقة للمصاعد يرتبط ارتباطًا مباشرًا باستخدامها. 

قبل اختيار نظام MRL، يجب مقارنة استهلاك الطاقة اليومي لوحدة تحكم المصعد بأنماط الاستخدام المتوقعة. بالإضافة إلى ذلك، ولخفض التكاليف، تستخدم العديد من أنظمة MRL الآن محركات غير متزامنة مع علب تروس بدلاً من محركات PMS غير المتزامنة الأكثر تكلفة. ومع ذلك، مع زيادة نسبة التروس، تنخفض كفاءة النظام بسبب فقدان كبير للطاقة في آلية التروس. تعجز هذه الأنظمة عن تحقيق وفورات كبيرة في الطاقة والأداء العالي اللذين توفرهما محركات PMS.

المصاعد منخفضة الاستخدام

لا تُعد مصاعد MRLs موفرة للطاقة للمصاعد المنزلية أو تلك المستخدمة لأغراض خاصة مع أقل من 100 عملية تشغيل يوميًا - ومن المحتمل أن يتوسع هذا العدد إلى ما يصل إلى 300 عملية تشغيل يوميًا، اعتمادًا على كفاءة وحدة التحكم في نظام MRL. في مثل هذه التطبيقات، تُعد المصاعد الهيدروليكية ذات الصمامات الميكانيكية الخيار الأفضل، ليس فقط بسبب انخفاض استهلاكها للطاقة ولكن أيضًا بسبب ميزات السلامة الفائقة وسهولة التركيب. في الإعدادات منخفضة الاستخدام، غالبًا ما يتجاوز استهلاك الطاقة الاحتياطية لمصاعد MRLs استهلاك المصاعد الهيدروليكية التي تستخدم الصمامات الميكانيكية. بالإضافة إلى ذلك، فإن انخفاض موثوقية مصاعد MRLs مقارنة بالأنظمة الهيدروليكية يجعلها أقل ملاءمة، لا سيما عند النظر في خطر الاحتجاز. من ناحية أخرى، يمكن للمصاعد الهيدروليكية توفير آلية إنقاذ ذاتية داخل المقصورة، وهي ميزة أمان مهمة للفلل والمصاعد المصممة لكبار السن.

المصاعد متوسطة وعالية الاستخدام

يمكن تصنيف المصاعد التي تُجري ما بين 200 و500 عملية تشغيل يوميًا على أنها متوسطة الاستخدام. في مثل هذه المستويات من الاستخدام، يُقدم كلٌّ من أنظمة MRL والأنظمة الهيدروليكية المُدارة بـ VVVF (مثل Blain EV40-VVVF) أداءً مُماثلاً في استهلاك الطاقة. ومع ذلك، يتأثر عمر المحرك بعدد عمليات التشغيل. تُحقق الحلول الهيدروليكية، التي تستخدم المحرك في الاتجاه الصاعد فقط، أقصى قدر من توفير الطاقة، وتُضاعف عمر المحرك بشكل فعال مقارنةً بأنظمة MRL. كبديل، يُمكن أيضًا استخدام صمامات إلكترونية مؤازرة (مثل Blain's SEV07) في هذه الفئة، وذلك وفقًا لمتطلبات أداء الطاقة.^[6] الصمامات الإلكترونية، التي توفر ما يصل إلى 30% من الطاقة، فعّالة بشكل خاص في منطقة الانتقال بين فئات الاستهلاك المنخفض والعالي. ولأنها لا تتطلب محرك VVVF والأجهزة الطرفية المرتبطة به، فإنها توفر استهلاكًا أقل للطاقة الاحتياطية وهدرًا أقل للطاقة.

تُصنّف المصاعد التي تُشغّل أكثر من 500 مصعد يوميًا ضمن فئة الاستخدام الكثيف، حيث تُعدّ أنظمة MRL وصمامات التحكم المُدارة بـ VVVF خياراتٍ فعّالة. في هذه الفئة، على الرغم من قدرة الأنظمة الهيدروليكية المُدارة بـ VVVF على تقليل توليد الحرارة بنسبة تصل إلى 50%، إلا أن التهوية الجيدة في غرفة الماكينة تظل ضرورية. بالنسبة للأنظمة التي تتجاوز 1,100 مصعد يوميًا، قد يلزم اتخاذ تدابير إضافية، مثل مبرد زيت صغير السعة، إلى جانب التهوية الكافية لضمان الأداء الأمثل للحلول الهيدروليكية المُدارة بـ VVVF. في مثل هذه الاستخدامات الكثيفة، يُمكن تفضيل مصاعد الجرّ عندما يكون توفير الطاقة هو الهدف الأساسي. ومع ذلك، بالنسبة للتطبيقات التي تُعطي الأولوية للسلامة والموثوقية، كما هو الحال في المناطق الزلزالية أو حيث يكون التشغيل بدون أعطال أمرًا بالغ الأهمية، تظل المصاعد الهيدروليكية الخيار الأمثل.

من المتوقع أن تُخفّض التطورات المستقبلية في تكنولوجيا المحركات استهلاك الطاقة الاحتياطية وتكلفة المحركات. في هذه الحالة، من المتوقع أن تجد خصائص الحلول الصديقة للبيئة، والتي تتميز بالأمان والبساطة وانخفاض التكلفة وسهولة الصيانة والتوافق العالي مع الأنظمة الحالية، تطبيقات واسعة في السنوات القادمة. بناءً على ذلك، تتطلب المصاعد ذات الحمولات القصوى (MRLs) صيانة مكثفة، وهي الأقل أمانًا، ويصعب تركيبها وصيانتها. ويعود ذلك إلى تركيبها في حيز السقف، واحتوائها على مكونات أكثر لتوفير مستوى كافٍ من الأمان، وهو ما لا يمكن ضمانه في ظروف التركيب والخدمة غير الآمنة. في المقابل، تتميز المصاعد الهيدروليكية بخصائص الأمان والمتانة العالية ضد الأعطال والتركيب والصيانة في سوق المباني منخفضة الارتفاع.

5. استخدام ثقل الموازنة مع المصاعد الهيدروليكية

من المعروف أن انخفاض استهلاك الطاقة في مصعد الجرّ ناتج عن ثقل الموازنة. لا يستخدم المصعد الهيدروليكي عادةً ثقلًا موازنة، وبالتالي فهو أسهل في التركيب وأقل تكلفة وأكثر أمانًا (خاصةً في المناطق الزلزالية) على حساب زيادة قوة المحرك. لتقليل قوة المحرك بالكيلوواط، من المهم أن تكون السيارة وهيكلها أخف وزنًا. يُمكّن استخدام المواد المركبة في السيارة والهيكل من إنتاج سيارات أخف وزنًا بنسبة 70% تقريبًا. على الرغم من أن التكلفة الأولية لتصنيع المركبات مرتفعة حاليًا، إلا أن دمج السيارة والهيكل سيبسط عملية التركيب، كما أن استخدام محركات أصغر حجمًا يُقلل استهلاك الطاقة بشكل كبير.

من ناحية أخرى، مع أنه ليس من المفضل استخدام ثقل موازن، إلا أنه يمكن تصنيع المصاعد الهيدروليكية باستخدام ثقل موازن في ظروف مناسبة (في المناطق الخالية من الزلازل) لتحقيق توفير كبير في الطاقة. يوضح الجدول 4 قوة محرك مصعد هيدروليكي لثمانية أشخاص مع أو بدون ثقل موازن. يتضح أنه بتقليل ثلثي وزن العربة (باستخدام ثقل موازن)، يمكن تقليل قوة المحرك بنسبة 2%.

يوضح الشكل 4 تصميمًا آخر لثقل الموازنة للمصاعد الهيدروليكية، حيث يُوضع الثقل على مكبس سحب. ويمكن من خلال ذلك استخدام مكبس ومضخات ذات قطر أصغر. ويُقلل هذا التصميم من قوة المحرك ومعدل تدفق المضخة بنسبة تصل إلى 40%. كما يمنع هذا التصميم تأرجح ثقل الموازنة في العمود.

6. مقارنة الأثر البيئي حسب دورة الحياة

تحليل دورة الحياة (LCA) منهجية تُستخدم لتقييم الأثر البيئي للمنتجات. في حالة المصاعد، يوفر تحليل دورة الحياة وسيلة شاملة لتقييم الاستدامة من خلال مراعاة إجمالي أداء الطاقة/التأثير طوال عمرها الافتراضي، بدءًا من استخراج المواد الخام وحتى التخلص منها. يوفر نهج تحليل دورة الحياة تمثيلًا أدق للبصمة البيئية للمصعد. في المقابل، يُعد التركيز حصريًا على استهلاك الطاقة للمصاعد وتحديد فئات أداء الطاقة استراتيجيات تسويقية غالبًا ما تستخدمها كبرى شركات تصنيع المصاعد ذات المخلفات الصناعية (MRL)، ولا ينبغي أن تُعطى أهمية كبيرة. لا يمكن تحديد الأداء الفعلي للطاقة للمصاعد إلا من خلال القياسات في المنشآت.

تتميز المصاعد الهيدروليكية بمحرك أكبر وبدون ثقل موازن. في المقابل، لا تستهلك المصاعد أي طاقة في الاتجاه الهبوطي، بل تهبط بثقلها. يُسهّل عدم وجود ثقل موازن تركيب المصاعد بموثوقية عالية، كما أنها أكثر أمانًا وفعالية من حيث التكلفة، وهي مزايا إضافية تُضاف إلى دورة حياة المنتج (LCA).

تم الإبلاغ عن نتائج دراسة دورة الحياة للمصاعد ذات الأربع محطات العاملة بسعة 450 كجم، مع فئات الاستخدام 1 و2 و3 (تتراوح من 50 إلى 300 بداية في اليوم)، من قبل ITAINNOVA، المعهد التكنولوجي في أراغون،^[8] كما هو موضح في الشكل 5. تُقارن هذه النتائج بين مصعد MRL الجرّ والمصعد الهيدروليكي التقليدي. تجدر الإشارة إلى أنه على الرغم من أن مصاعد MRL تتطلب صيانة تصحيحية بشكل أكثر تكرارًا، إلا أن إجراء "قواعد فئة المنتج للمصاعد"، الذي يوضح كيفية تطبيق تحليل دورة الحياة (LCA) على المصاعد، لا يأخذ في الاعتبار سوى الصيانة الدورية ولا يأخذ في الاعتبار الصيانة التصحيحية (الإصلاحات الإضافية اللازمة عند ظهور الأعطال). بمعنى آخر، لو أُدرجت الصيانة التصحيحية في تحليل دورة الحياة، لكانت النتائج أقل ملاءمة لمصعد MRL. ووفقًا لطريقة Ecoindicator ReCiPe، فإن نتائج الأثر البيئي للمصاعد الهيدروليكية أقل باستمرار على مدار عمر افتراضي يبلغ 22 عامًا (الشكل 6).

في حالة التحديث، يكون تأثير المصاعد الهيدروليكية على البيئة أقل من أي مصعد جر جديد آخر من نوع MRL. ويرجع ذلك إلى إمكانية إعادة استخدام معظم مكونات النظام الهيدروليكي الحالي، مثل الأسطوانة والخزان والموصلات، وغيرها، لأغراض التحديث. في الواقع، يؤدي تحديث المصعد الهيدروليكي باستخدام مصعد جر MRL إلى تأثير بيئي أسوأ (انظر الشكلين 5 و6). في تحليل دورة الحياة (LCA)، عند استخدام عمر افتراضي للمبنى يبلغ 80 عامًا مع افتراض تحديث المصعد كل 20 عامًا، يصبح المصعد الهيدروليكي أيضًا أكثر ملاءمة للبيئة حتى مع فئة الاستخدام 3 (300 عملية تشغيل يوميًا).^[9]

بشكل عام، تُعد المصاعد الهيدروليكية أكثر موثوقية بكثير من مصاعد الجر، مما يعني أن صيانتها أقل تأثيرًا بكثير على دورة حياة المنتج (LCA). يساعد تصميمها البسيط، بمكوناتها الأقل ونظامها المُشحم بالكامل، على إطالة عمرها الافتراضي وتقليل وقت تعطل النظام، مما يؤدي إلى توفير كبير في التكاليف. من المهم ملاحظة أن تكاليف صيانة المصاعد يمكن أن تكون أعلى من استهلاك الطاقة السنوي بما يتراوح بين مرتين وعشر مرات. بالإضافة إلى ذلك، يُشكل أغلى مكون في نظام دفع الجر MRL أكثر من 10% من إجمالي تكلفة المصعد، بينما لا يتجاوز ذلك في المصاعد الهيدروليكية حوالي 30% إلى 6%. بناءً على هذه النتائج، فإن المصاعد الهيدروليكية التقليدية المزودة بصمام تحكم ميكانيكي في المباني منخفضة الارتفاع (مع ما يصل إلى 8 عملية تشغيل يوميًا) لها تأثير بيئي إجمالي أقل، بما في ذلك إجمالي استهلاك الطاقة، مقارنةً بمصاعد الجر MRL.

7. اختيار صمام التحكم الهيدروليكي

تتوفر في السوق صمامات تحكم في المصاعد، ميكانيكية وإلكترونية، وأخرى تعمل بتقنية VVVF. من بينها، تُعد صمامات VVVF الأكثر كفاءة في استخدام الطاقة، حيث تُقلل استهلاك الطاقة بنسبة تصل إلى 65%، وتُقلل توليد الحرارة بنسبة 50% للاستخدامات المتوسطة والعالية.^[7] على الرغم من انخفاض كفاءتها، تُعدّ صمامات التحكم الميكانيكية الأكثر استخدامًا. ويعود ذلك إلى أنها الخيار الأنسب حاليًا للتطبيقات منخفضة الاستخدام (مثل المصاعد المنزلية والسكنية)، نظرًا لانخفاض تكلفتها بشكل ملحوظ، وسهولة تعديلها، وموثوقيتها العالية. علاوة على ذلك، فإن فترة استرداد تكاليف الصمامات التي تعمل بتقنية VVVF طويلة نسبيًا في التطبيقات التي يقل عدد مرات تشغيلها عن 350 مرة يوميًا. ومع ذلك، تتوفر بعض حلول صمامات التحكم الهجينة التي تعمل بتقنية VVVF، مثل Blain's Smart EV40-vvvf، بأسعار معقولة، وتوفر فترات استرداد تتراوح بين سنتين وأربع سنوات للمصاعد التي يزيد عدد مرات تشغيلها عن 200 مرة يوميًا.^[7] تستخدم هذه الحلول الهجينة محرك VVVF فقط أثناء الصعود، مما يجعلها الخيار الأكثر كفاءة في استخدام الطاقة للمصاعد منخفضة الاستخدام. بالإضافة إلى ذلك، عند استخدام محرك موفر للطاقة مثل Yaskawa GA700 وإيقافه بعد 10 دقائق من وقت الخمول، يمكن تطبيق حلول VVVF الهجينة لمستويات استخدام أقل تصل إلى 130 عملية تشغيل يوميًا. تبدو صمامات التحكم الهجينة التي تعمل بمحرك VVVF الموفر للطاقة الخيار الأمثل لتطبيقات المصاعد منخفضة الاستخدام. من المهم ملاحظة أن المحركات المتجددة غير مناسبة عمومًا للتطبيقات منخفضة الاستخدام نظرًا لفترات الاسترداد الطويلة غير المقبولة، حيث إنها تسترد الحد الأدنى من الطاقة مع تكبد تكاليف عالية.

8. SMART EV40-VVVF

استفادت شركة Blain Hydraulics من تقنية إنترنت الأشياء (IoT) والأنظمة المدمجة لجمع البيانات من البيئة وإرسالها والتعامل معها، وطوّرت منتج EV4-VVVF المُصمم سابقًا إلى حل Smart-EV40-VVVF (الشكل 5). يُعد Smart-EV40-vvvf نظامًا هجينًا يوفر المزايا التالية:

• يستخدم محرك GA700 Yaskawa القياسي
• يوفر جودة ركوب عالية
• يوفر تشخيصًا سهلاً عبر لوحة واجهة
• يوفر ما يصل إلى 65% من توفير الطاقة و50% من خفض الحرارة
• يمكن مراقبة عملية المصعد وتسجيلها وتعديلها بواسطة جهاز ذكي باستخدام اتصال Wi-Fi.
• يتميز بسهولة التوصيل باستخدام محرك الأقراص ووحدة التحكم في الرفع
• يتميز بمعلمات إدخال تم تخفيضها بنسبة 60%.
• ليست هناك حاجة إلى مفاتيح ضغط إضافية.
• يتم تقليل أوقات التجاوز والتسوية، مما يؤدي إلى تحسين توفير الطاقة بشكل أكبر.
• يتم تسليمها مع صمام أمان متكامل ضد حركة السيارة غير المقصودة.

يوضح الشكل 7 والشكل 8 توصيلات حل Smart-EV40-VVVF وبعض قوائم الإدخال لبرنامج التطبيق، على التوالي.

9. الاستنتاجات

يجب مراعاة أنماط استهلاك الطاقة الاحتياطية واستخدامها بعناية لتحقيق كفاءة طاقة مثالية في المصاعد. في حين طُرحت مصاعد الجر MRL المزودة بمحركات VVVF كحلول موفرة للطاقة، اكتسبت المصاعد الهيدروليكية المجهزة بمحركات VVVF حضورًا قويًا في السوق، موفرةً كفاءة طاقة مماثلة. مع ذلك، تنخفض كفاءة هذه الأنظمة مع انخفاض الاستخدام، حيث تصبح المصاعد البسيطة ذات متطلبات الطاقة الاحتياطية الأقل بكثير أكثر فائدة. لذلك، بالنسبة للمصاعد المنزلية والسكنية منخفضة الاستخدام، تظل المصاعد الهيدروليكية المزودة بصمامات ميكانيكية خيارًا أفضل. فهي تتميز بانخفاض استهلاك الطاقة، وسعرها المناسب، وسهولة تركيبها، وسهولة صيانتها، وموثوقيتها العالية، مما يجعلها حلاً مثاليًا في هذه التطبيقات.

يستخدم حل Smart-EV40-VVVF من Blain إنترنت الأشياء والتطورات في التكنولوجيا الرقمية لمعالجة نقاط ضعف النظام وتحسين سهولة الاستخدام. بفضل تطبيق جوال سهل الاستخدام، يُمكن إعداد النظام بسرعة، بينما يُمكن مراقبة تشغيل المصعد وتسجيله وتعديله باستخدام جهاز ذكي متصل بشبكة Wi-Fi. بالإضافة إلى توفير تجربة قيادة سلسة وعالية الجودة، يُوفر Smart-EV40-VVVF أوقات تجاوز وإعادة تسوية أقصر، مما يُقلل من إجمالي وقت السفر واستهلاك الطاقة.

من المهم التأكيد على أهمية السلامة في تطبيقات المصاعد، لا سيما في المباني الشاهقة، على حساب كفاءة الطاقة. في المناطق المعرضة للزلازل، يجب تركيب مصاعد جرّ مزودة بغرف آلات عند الضرورة. يجب تجنب أنظمة MRL ما لم تُتخذ تدابير سلامة إضافية. بالنسبة للمباني منخفضة الارتفاع في المناطق الزلزالية، تُعدّ المصاعد الهيدروليكية الخيار الأمثل نظرًا لمتانتها الفائقة وخصائصها التخميدية، مما يُخفف بفعالية من تأثير الهزات الزلزالية. ونظرًا لانخفاض استهلاك الطاقة في المباني منخفضة الارتفاع، يُفضّل إعطاء الأولوية لأنظمة المصاعد الآمنة زلزاليًا على كفاءة الطاقة. يضمن هذا النهج استمرار تشغيل المباني، ويُسهّل إخلاء الركاب بسهولة وأمان، ويُساعد على منع الخسائر الاجتماعية والتجارية والبشرية.

مراجع حسابات

[1] HM Sachs، "فرص تحسين كفاءة استخدام الطاقة في المصاعد"، المجلس الأمريكي للاقتصاد الموفر للطاقة، أبريل/نيسان 2005. 

[2] جي نيبكو، "Electrizitätsverbrauch und Einspar-Potenziale beä Aufzügen"، SAFE، 2005، زيورخ. 

[3] G. Lees، "دراسة الطاقة الفعلية بالنسبة لاستهلاك الطاقة النظري لنظام هيدروليكي بمحرك تردد متغير وكيف يستفيد منه المستخدم"، أطروحة ماجستير، كلية جامعة نورثامبتون، أبريل 2005. 

[4] Almedia AT، كفاءة الطاقة في المصاعد والسلالم المتحركة، المؤتمر الأوروبي الرابع للمصاعد، 4. 

[5] Celik KF، "استهلاك الطاقة الاحتياطية في المصاعد منخفضة الاستخدام"، ELEVATOR WORLD India، المجلد 2، ص 58، 2009. 

[6] سيليك كيه إف، "تصميم وتحكم صمامات التحكم الإلكترونية"، مجلة تكنولوجيا المصاعد، المجلد 17، وقائع مؤتمر إليفكون، الصفحات 34-45، 2008 

[7] Celik KF، "طريقة تعويض الحمل ودرجة الحرارة للمصاعد الهيدروليكية الخضراء باستخدام العاكسات"، وقائع Elevcon، IAEE، ميامي، 2012. 

[8] ITAINNOVA، المعهد التكنولوجي في أراغون، تقييم دورة حياة الرافعات الهيدروليكية والجر، أكتوبر 2017. 

[9] hydroware.de/lib/get/file.php?id=155f9221554af7 

[10] ف. سيليك، "سلامة المصاعد في المناطق الزلزالية"، إي دبليو، أغسطس 2005، ص 140.