Energieeffizienz von Aufzügen

MRL vs. Hydraulik 

von Dr. K. Ferhat Çelik

1. Einleitung

Aufzüge sind komplexe technische Systeme, die speziell für einzelne Gebäudeschächte entwickelt und installiert werden. Je nach Nutzung verursachen sie etwa 2 bis 10 % des Energieverbrauchs eines Gebäudes. Bei wenig genutzten Aufzügen, beispielsweise in Gebäuden mit bis zu fünf Stockwerken, liegt dieser Anteil typischerweise zwischen 2 und 3 %. Insgesamt ist der Energieverbrauch eines Aufzugs im Vergleich zum Gesamtenergiebedarf eines Gebäudes, der oft 40 % übersteigt, relativ gering. Daher sollte beispielsweise bei der Bewertung der Energieeffizienz eines Gebäudes der Schwerpunkt auf Wärmedämmung, Heiz- und Kühlsystemen, Warmwasser und Beleuchtung liegen. Ebenso reicht die Betrachtung des betriebsbedingten Energieverbrauchs eines Aufzugs allein nicht aus, um dessen Gesamtenergieeffizienz vollständig zu verstehen, und kann zu ungenauen Schlussfolgerungen führen. Ein solcher Ansatz birgt auch das Risiko einer falschen Priorisierung von Aufzügen auf Grundlage unvollständiger Daten und möglicherweise der Überlassung kritischer Sicherheitsfaktoren. 

Es wurden verschiedene theoretische und hybride Berechnungsmethoden entwickelt, um Aufzüge hinsichtlich ihrer Energieeffizienz und ihres Energieverbrauchs zu klassifizieren. Normen wie VDI 4707-1 und ISO 25745/1-2 ermutigten Aufzugsunternehmen zunächst, diese Klassifizierungen als Marketinginstrumente zu nutzen, insbesondere im Niedrighaussegment. Aufzüge mit dem Energielabel „A“ können jedoch unter realistischen Bedingungen tatsächlich eine deutlich geringere Leistung aufweisen. Für eine genaue Bewertung der Energieeffizienz von Aufzügen sind zuverlässige Daten erforderlich, darunter Anzahl und Intensität der Fahrten, Fahrgeschwindigkeit, Auslastung, Standby-Energieverbrauch und Gegengewichtslast, die alle vom Verkehrsaufkommen der Aufzüge beeinflusst werden. Heute haben diese manipulativen Klassifizierungen an Bedeutung verloren und werden durch die Lebenszyklusanalyse (LCA) ersetzt. 

Obwohl die Zuverlässigkeit solcher Berechnungsmodelle fraglich ist, hat sich im Markt die bedauerliche Auffassung herausgebildet, dass das Energieverbrauchsverhältnis von Aufzügen bei hydraulischen, getriebegetriebenen und getriebelosen (MRL) Systemen etwa 3:2:1 beträgt. Dieses Dokument liefert detaillierte Informationen zur Energieeffizienz von Aufzügen auf Basis realistischer Bewertungen.

2. Sicherheit gegen Erdbeben

Aufzüge gehören zu den teuersten Ausstattungselementen in Gebäuden und erfüllen eine wichtige Funktion. Sie enthalten jedoch verschiedene mechanische und elektrische/elektronische Komponenten, die bei Naturkatastrophen, insbesondere Erdbeben, besonders anfällig für Schäden sind.

Europa und Asien sind stark erdbebengefährdet. Daher ist die Gewährleistung der Betriebsbereitschaft von Aufzügen nach Erdbeben entscheidend, um die damit verbundenen Risiken zu minimieren. Die Norm EN 81-77 beschreibt zusätzliche Maßnahmen zur Verbesserung der Aufzugssicherheit in erdbebengefährdeten Gebieten. Die Umsetzung dieser Norm allein garantiert jedoch keine vollständige Sicherheit in erdbebengefährdeten Gebieten. Dies wurde auch bei Feldinspektionen nach den Erdbeben vom 6. Februar 2024 in der Türkei festgestellt. Obwohl die Norm EN 81-77 die sichere Nutzung von Aufzügen in erdbebengefährdeten Gebieten gewährleisten soll, fehlen wirksame Maßnahmen zur Vermeidung der Nachteile von Seilaufzügen mit Gegengewichten, insbesondere ihrer maschinenraumlosen Konstruktion, die zahlreiche sicherheitsrelevante Probleme mit sich bringen. Eine erhöhte Sicherheit kann nur durch die notwendigen Ergänzungen der Norm erreicht werden, was mit höheren Kosten verbunden ist. Daher sollte das nationale Normungsbüro im Iran bei der Umsetzung der IR EN 81-77 zusätzliche Anforderungen berücksichtigen.

Während Mängel der Norm EN 81-77 und ihrer Umsetzung oft als Hauptursache für Schäden genannt werden, liegt das Hauptproblem in der unzureichenden Auswahl des passenden Aufzugstyps anhand der Gebäudeeigenschaften. In Erdbebengebieten ist neben der Bewertung des Risikos von Aufzugsschäden auch die Notfallevakuierung zu berücksichtigen. Faktoren wie Brandgefahr, Gaslecks und Überschwemmungen müssen berücksichtigt werden, um die sichere Rettung eingeschlossener Passagiere zu gewährleisten. Neben den Reparaturkosten durch Aufzugsschäden können Ausfallzeiten zu erheblichen sozialen und wirtschaftlichen Verlusten führen. In einer von sozialen Traumata und anhaltenden Nachbeben geprägten Umgebung nach Erdbeben ist die Betriebsbereitschaft öffentlicher Gebäude und ihrer Aufzüge für ein effektives Notfallmanagement unerlässlich. Um die Herausforderungen nach Erdbeben zu minimieren, sollten Aufzugssysteme mit geringem Schadensrisiko, die einfach und kostengünstig an die Normen IR EN 81-77 angepasst werden können, oberste Priorität haben. Berichte von Feldinspektionen nach mehreren Erdbeben haben bereits deutlich gemacht, dass hydraulische Aufzüge in Erdbebengebieten die sicherste Wahl sind. Dies liegt daran:

• Der Hydraulikzylinder absorbiert Vibrationen und Schwingungen und reduziert so die seismischen Auswirkungen.
• Hydraulische Aufzüge haben keine Gegengewichte, wodurch das damit verbundene Schadensrisiko eliminiert wird.
• Hydraulische Systeme ruhen direkt auf dem Gebäudefundament; daher unterliegen sie geringeren Schwingungen und sind weniger von seismischen Bewegungen betroffen.
• Sie verfügen über eine einfache Struktur mit weniger Komponenten, was sie zuverlässiger macht.
• Sie ermöglichen eine einfachere und sicherere Evakuierung im Falle einer Einklemmung.

Der anfälligste und unsicherste Aufzugstyp für Erdbebengebiete ist dagegen der Typ MRL. Weitere Erläuterungen zu diesem Thema finden Sie in den Referenzen.^[10]. Einige Beispiele für Aufzugsschäden nach einem Erdbeben sind in Abbildung 2 dargestellt.

3. Standby-Energieverbrauch

Durch die Weiterentwicklung elektronischer Steuerungssysteme steigt der Energieverbrauch nicht nur während des Aufzugsbetriebs, sondern auch im Leerlauf. Der Energieverbrauch von Steuerungssystemen im Leerlauf wird als „Standby-Energieverbrauch“ bezeichnet. Der Einbau von Funktionen wie unterbrechungsfreien Stromversorgungen (USV), Türverriegelungssystemen, Antrieben, beleuchteten Drucktastern, Kabinenanzeigen (intern und extern), Warn- und Sicherheitssystemen und ähnlichen elektronischen Komponenten hat den Standby-Strombedarf dieser Systeme deutlich erhöht.

Mit der Einführung von MRL-Aufzügen setzten sich drehzahlgeregelte Antriebe in Seilaufzügen zunehmend durch. Diese Antriebe, kombiniert mit Permanentmagnet-Synchronmotoren (PMS), verbesserten den Fahrkomfort und senkten den Energieverbrauch im Vergleich zu herkömmlichen Seilaufzügen durch den Einsatz kleinerer Motoren um bis zu 50 %.^[1].

Neben MRLs werden auch Antriebe mit variabler Spannung und variabler Frequenz (VVVF) in konventionellen Seilaufzügen mit Maschinenraum und Getriebe eingesetzt. Als Reaktion darauf sind hydraulische Aufzugslösungen mit VVVF-Antrieben als wettbewerbsfähige Alternative auf den Markt gekommen und haben den Wettbewerb im Flachbausegment verschärft. Infolgedessen trägt der Stromverbrauch dieser Antriebe und der zugehörigen Peripheriegeräte erheblich zum Gesamtenergieverbrauch von Aufzügen bei.

Eine Studie der Schweizerischen Agentur für Energieeffizienz (SAFE)^[2]. An 33 verschiedenen Aufzügen wurde festgestellt, dass der Energieverbrauch im Standby-Modus etwa 80 % des Gesamtenergieverbrauchs von Aufzügen ausmacht. Abbildung 3 veranschaulicht den erheblichen Einfluss des Energieverbrauchs im Standby-Modus (orange), der durch den zunehmenden Einsatz elektronischer Komponenten in Aufzugssystemen gestiegen ist. Die Studie zeigt außerdem, dass hydraulische Lösungen mit VVVF-Antrieben genauso energieeffizient sind wie Traktions-MRL-Systeme. Dies liegt daran, dass die mit herkömmlichen mechanischen Steuerventilen verbundenen Energieverluste durch den Einsatz von VVVF-Antrieben in hydraulischen Aufzügen vollständig eliminiert werden.

Eine Masterarbeit von Lees,^[3]. Die Studie untersuchte den Energieverbrauch hydraulischer Aufzüge und kam zu dem Schluss, dass Hydrauliksysteme mit VVVF-Antrieben genauso energieeffizient sind wie MRL-Systeme. Studien zum hydraulischen Regelventil EV40-VVVF von Blain zeigten zudem Energieeinsparungen von bis zu 65 % und machten es zu einer beliebten Wahl für Modernisierungsprojekte.^[7]. Diese Ergebnisse widerlegen die allgemeine Annahme, dass Hydraulikaufzüge mehr Energie verbrauchen als Traktions-MRLs. Lees wies jedoch auch darauf hin, dass der Einsatz von VVVF-Antrieben bei wenig genutzten Aufzügen den Standby-Energieverbrauch erhöhen kann. Daher bleiben konventionelle Hydraulikaufzüge mit mechanischen Ventilen in solchen Fällen eine sinnvolle Option. Dies deutet darauf hin, dass der Energieverbrauch trotz technologischer Fortschritte in bestimmten Szenarien, insbesondere bei wenig genutzten Systemen, immer noch steigen kann.

Energieeffiziente Systeme amortisieren sich voraussichtlich im Laufe der Zeit durch niedrigere Energiekosten. Die Amortisationszeit hängt von verschiedenen Faktoren ab, darunter den Energiekosten, der Aufzugsnutzung, der Systemeffizienz, den anfänglichen Investitionskosten sowie der Häufigkeit und den Kosten der Wartung. Hocheffiziente Systeme verfügen häufig über eine Rekuperationsbremse, die Strom in das Gebäude zurückspeist, anstatt ihn als Wärme abzuleiten. Diese Technologie ist zwar effektiv, erfordert aber eine erhebliche Anfangsinvestition und ist daher vor allem für Aufzüge mit sehr hoher Nutzung sinnvoll. Bei Aufzügen mit geringer bis mittlerer Nutzung ist der Einbau einer Rekuperationseinheit (Regenerationsantriebe) ökologisch und wirtschaftlich unpraktisch, da sich die Investition innerhalb der Lebensdauer des Systems wahrscheinlich nicht amortisiert. In solchen Fällen können die für die Herstellung und Installation energieeffizienter Geräte aufgewendeten Ressourcen und Energie größere Umweltauswirkungen haben als die Vorteile des reduzierten Energieverbrauchs. Ist eine Investition also nicht kosteneffizient, ist es unwahrscheinlich, dass sie echte Energieeffizienz erreicht.

Auf dem Markt sind auch Aufzugssteuerungssysteme erhältlich, die für eine optimale Energienutzung während der Standby-Zeiten ausgelegt sind. Bei diesen Systemen wird der Energieverbrauch schrittweise reduziert, wenn der Aufzug eine bestimmte Zeit im Leerlauf ist. In der ersten Stufe werden die Kabinenbeleuchtung gedimmt und die Fahrtrichtungsanzeiger auf den Etagen, die Kabinendisplays und die doppelt beleuchteten Taster ausgeschaltet. In der zweiten Stufe werden zusätzliche Komponenten wie die Türsteuerung, die Kabinenelektronik, Wechselrichterlüfter und doppelt beleuchtete Taster auf den Etagen abgeschaltet. Die Reaktivierung des Systems aus diesem Modus dauert typischerweise etwa 30 s. Die Hauptquellen des Standby-Energieverbrauchs sind jedoch der VVVF-Antrieb und die USV-Anlage, die im Allgemeinen nicht abgeschaltet werden, um die Lebensdauer des Antriebs nicht zu verkürzen und aus Sicherheitsgründen. Die Tabellen 1, 2 und 3 zeigen den Energieverbrauch der Aufzugssteuerung, der Antriebe und der USV-Anlagen.

4. Welcher Aufzugstyp eignet sich am besten zum Energiesparen?

Alle Aufzüge verfügen über gemeinsame Komponenten wie Kabinen, Türen, Beleuchtung, Ventilatoren, Sicherheitseinrichtungen und automatische Steuerungen. Da diese Elemente sowohl bei Seil- als auch bei Hydraulikaufzügen Standard sind, konzentriert sich diese Diskussion speziell auf die Energieeffizienz der Antriebssysteme.

Mehr als 90 % des weltweiten Gebäudebestands bestehen aus Gebäuden mit weniger als sechs Stockwerken. Der größte Wettbewerb auf dem Markt findet daher dort statt, wo sowohl hydraulische als auch Traktionsaufzüge eingesetzt werden können. MRL-Aufzugssysteme, die erstmals 1995 von großen Aufzugsunternehmen eingeführt wurden, werden heute von den meisten Aufzugsherstellern angeboten. Getriebelose PMS-Traktionsmaschinen, die ein hohes Drehmoment und eine niedrige Geschwindigkeit liefern und dabei ohne Untersetzungsgetriebe auskommen, verbessern die Systemeffizienz erheblich. Ihre kompakte Größe, das geringere Gewicht und die einzigartigen dynamischen Eigenschaften – wie hohe Stabilität, Präzision, stärkeres Drehmoment bei niedrigen Geschwindigkeiten und genaue Rotorpositionsregelung – machen die PMS-Maschinen ideal für Aufzugsantriebssysteme. Diese Fortschritte ebneten den Weg für die Entwicklung von MRL-Aufzügen. MRLs, bei denen sich die Antriebseinheit im Schacht befindet, werden für Aufzugsanlagen mit niedriger bis mittlerer Höhe eingesetzt und erfreuen sich zunehmender Beliebtheit.

Die Einführung von MRL-Aufzügen hat die Energieeffizienz und die Steuerungseigenschaften von Traktionsantrieben deutlich verbessert und ermöglicht so den Einbau in niedrige Gebäude. Bei der begeisterten Akzeptanz von MRL-Aufzügen in der Aufzugsindustrie wurden jedoch einige kritische Punkte übersehen.

Aufzugssicherheit

Sicherheit hat bei Aufzugsanwendungen oberste Priorität. MRLs gelten als die unsichersten Aufzüge auf dem Markt. Die Platzierung des Antriebssystems im Schachtkopf stellt für die Aufzugsbranche einen Sicherheitsrückschritt dar, da sichere Maschinenräume nicht mehr benötigt werden. Daher benötigen MRLs zusätzliche Komponenten, um die Sicherheitsstandards unter den weniger sicheren Arbeitsbedingungen zu erfüllen. Die zunehmende Komplexität der Komponenten erhöht das Risiko von Ausfällen bei Installation, Wartung und Instandhaltung. Mit der zunehmenden Verbreitung von MRL-Anwendungen haben auch die Meldungen über MRL-bedingte Unfälle weltweit zugenommen. Die Sicherheitsvorschriften für MRLs sind weiterhin fragwürdig und erfordern strengere Vorschriften und Überarbeitungen. Diese Fortschritte hängen jedoch oft vom Einfluss großer Aufzugsunternehmen ab, die Kostensenkungen gegenüber der Implementierung zusätzlicher Sicherheitsfunktionen in solchen Systemen priorisieren. Insbesondere haben sich MRLs in Erdbebengebieten als die am wenigsten langlebigen Aufzüge erwiesen, wie Untersuchungen nach verschiedenen Erdbeben belegen. Länder mit hohem Erdbebenrisiko, wie die Türkei, der Iran und große Teile Asiens, sollten Sicherheit vor Energieverbrauch stellen und den Einsatz von MRLs in Erdbebengebieten vermeiden. Dies ist besonders wichtig, da Aufzüge nicht den größten Beitrag zum Energieverbrauch leisten. Aus diesem Grund sind Aufzüge in der Europäischen Union von der Ökodesign-Richtlinie ausgenommen.

Hydraulische Aufzüge hingegen sind die langlebigsten und sichersten Aufzugstypen. Ihr sicherer Maschinenraum kann bequem im Keller oder im Erdgeschoss in der Nähe des Aufzugsschachts untergebracht werden, was eine sichere und effiziente Installation ermöglicht. Da alle Komponenten in einer geschmierten Umgebung betrieben werden, zeichnen sich hydraulische Aufzüge durch hohe Zuverlässigkeit und eine Lebensdauer von über 30 Jahren aus. Zudem sind sie erdbebensicher, da ihre Hydraulikzylinder im Gebäudefundament verankert sind. Besonders wichtig ist dabei die Dämpferfunktion des Zylinders, die das gesamte Aufzugssystem vor Schäden schützt. Zahlreiche Untersuchungen nach Erdbeben, darunter die jüngste in der Türkei, haben die Robustheit hydraulischer Aufzüge in Erdbebengebieten bestätigt.

Obwohl hydraulische Aufzüge über energieeffiziente, MRL-kompatible Steuerventile verfügen, stellt sich die Frage, warum ihre weltweite Nutzung deutlich geringer ist als die von MRLs. Der Hauptgrund dafür ist die Dominanz großer Aufzugsunternehmen, die MRL-Lösungen anbieten, während Hydraulikunternehmen vergleichsweise klein sind. Diese geringe Präsenz beeinträchtigt die Wettbewerbsfähigkeit der Hydraulikbranche und die Sicherung ihres Marktanteils.

Zweitens hat mit dem Marktanteilsverlust hydraulischer Aufzüge auch das Branchen-Know-how im Bereich hydraulischer Systeme abgenommen. Dieser Wissensverlust hat dazu geführt, dass Angebote für hydraulische Aufzüge teurer geworden sind als MRL-Lösungen, obwohl diese potenziell energieeffizienter und/oder sicherer sind. Der Mangel an Fachwissen in hydraulischer Konstruktion und Installation hat zu einer Zunahme schlecht ausgeführter und minderwertiger hydraulischer Aufzugsinstallationen geführt, was den Ruf hydraulischer Systeme weiter schädigt und ihre Nachfrage auf dem Markt verringert.

Schließlich wird der globale Aufzugsmarkt maßgeblich von großen Aufzugsunternehmen bestimmt, die häufig eine aggressive Niedrigpreispolitik verfolgen, um sich Projekte zu sichern. Diese Unternehmen gleichen die niedrigeren Anschaffungskosten durch Einnahmen aus langfristigen Serviceverträgen aus, was kleinere Akteure im Hydrauliksektor zusätzlich benachteiligt.

Gesamtenergieverbrauch

Die ausschließliche Fokussierung auf den Energieverbrauch mechanischer Ventile und den Ölverbrauch als Marketinginstrument ist ein eher fragwürdiger Ansatz großer Aufzugsunternehmen, um den Markt für niedrige Gebäude zu erobern. Daher wurde die MRL-Lösung als die energieeffizienteste Option dargestellt, die sich perfekt für jede Anlage eignet und Energie zur Rückspeisung ins Netz regenerieren kann. Die behaupteten Vorteile von MRLs entsprechen jedoch nicht immer der Realität und können zu einem höheren Energieverbrauch führen, insbesondere bei wenig genutzten Aufzügen.^[4]. wobei sich die Investition in die MRL-Technologie während der Lebensdauer des Aufzugs möglicherweise nie amortisiert.^[5]. Dies liegt daran, dass MRL-Steuerungen mehr elektronische und elektrische Komponenten erfordern – wie etwa Antriebe, Antriebslüfter, USV-Geräte, Sicherheitsschaltungen und andere Peripheriegeräte –, die teuer sind und zusätzliche Energie verbrauchen, selbst wenn der Aufzug stillsteht.^[1]. Der Energieverbrauch von Aufzügen steht daher in direktem Zusammenhang mit ihrer Nutzung. 

Vor der Auswahl eines MRL-Systems sollte der tägliche Energieverbrauch der Aufzugssteuerung mit dem erwarteten Nutzungsverhalten verglichen werden. Um Kosten zu sparen, verwenden viele MRL-Antriebssysteme mittlerweile Asynchronmotoren mit Getriebe anstelle der teureren getriebelosen PMS-Motoren. Mit zunehmender Übersetzung sinkt jedoch die Systemeffizienz aufgrund erheblicher Leistungsverluste im Getriebemechanismus. Diese Systeme erreichen nicht die erheblichen Energieeinsparungen und die hohe Leistung von PMS-Motoren.

Aufzüge mit geringer Nutzung

MRLs sind nicht energieeffizient für Privataufzüge oder Spezialaufzüge mit weniger als 100 Starts pro Tag – je nach Steuerungseffizienz des MRL-Systems können bis zu 300 Starts pro Tag möglich sein. Für solche Anwendungen sind hydraulische Aufzüge mit mechanischen Ventilen die bessere Wahl, nicht nur wegen ihres geringeren Energieverbrauchs, sondern auch aufgrund ihrer besseren Sicherheitsfunktionen und der einfachen Installation. Bei geringer Nutzung übersteigt der Standby-Energieverbrauch von MRLs häufig den von hydraulischen Aufzügen mit mechanischen Ventilen. Zudem sind MRLs im Vergleich zu hydraulischen Systemen weniger zuverlässig und daher weniger geeignet, insbesondere im Hinblick auf das Einklemmrisiko. Hydraulische Aufzüge hingegen können über einen Selbstrettungsmechanismus im Fahrkorb verfügen, ein wichtiges Sicherheitsmerkmal für Villen und Aufzüge für ältere Nutzer.

Aufzüge für mittlere und hohe Nutzung

Aufzüge mit 200 bis 500 Starts pro Tag werden als mittlere Nutzung eingestuft. Für diese Nutzung bieten sowohl MRL-Systeme als auch VVVF-hydraulische Systeme (wie das Blain EV40-VVVF) einen vergleichbaren Energieverbrauch. Die Lebensdauer des Antriebs wird jedoch von der Anzahl der Starts beeinflusst. Hydraulische Lösungen, die den Antrieb nur in Aufwärtsrichtung nutzen, maximieren die Energieeinsparungen und verdoppeln die Lebensdauer des Antriebs im Vergleich zu MRL-Systemen. Alternativ können in dieser Kategorie je nach Energieeffizienzanforderungen auch servoelektronische Ventile (wie das SEV07 von Blain) eingesetzt werden.^[6]. Elektronische Ventile, die bis zu 30 % Energie einsparen können, sind besonders im Übergangsbereich zwischen niedrigen und hohen Verbrauchskategorien effektiv. Da elektronische Ventile keinen VVVF-Antrieb und die dazugehörigen Peripheriegeräte benötigen, bieten sie einen geringeren Standby-Energieverbrauch und geringere Energieverluste.

Aufzüge mit mehr als 500 Starts pro Tag fallen in die Kategorie der stark beanspruchten Aufzüge. Hier bieten sich sowohl MRL-Systeme als auch VVVF-gesteuerte Regelventile an. Obwohl VVVF-gesteuerte Hydrauliksysteme die Wärmeentwicklung um bis zu 50 % reduzieren können, ist eine ausreichende Belüftung des Maschinenraums weiterhin erforderlich. Bei Systemen mit mehr als 1,100 Starts pro Tag können neben einer ausreichenden Belüftung zusätzliche Maßnahmen wie ein Ölkühler mit kleiner Kapazität erforderlich sein, um eine optimale Leistung der VVVF-gesteuerten Hydrauliklösungen zu gewährleisten. Bei solch extrem hoher Beanspruchung können Seilaufzüge die bessere Wahl sein, wenn Energieeinsparungen das oberste Ziel sind. Für Anwendungen, bei denen Sicherheit und Zuverlässigkeit im Vordergrund stehen, wie beispielsweise in Erdbebengebieten oder wo ein störungsfreier Betrieb entscheidend ist, bleiben Hydraulikaufzüge jedoch die bessere Wahl.

Es wird erwartet, dass zukünftige Entwicklungen in der Antriebstechnologie den Standby-Energieverbrauch und die Antriebskosten senken werden. In diesem Fall dürften umweltfreundliche Lösungen, die sicherer, einfacher, kostengünstiger und wartungsfreundlicher sind und eine hohe Kompatibilität mit bestehenden Systemen bieten, in den kommenden Jahren breite Anwendung finden. Aus dieser Perspektive sind MRLs am wartungsintensivsten, am wenigsten sicher und aufwändig zu installieren und zu warten. Dies liegt daran, dass sie im Schachtkopf installiert werden und mehr Komponenten benötigen, um ausreichende Sicherheit zu gewährleisten, die unter unsicheren Installations- und Betriebsbedingungen nicht gewährleistet werden kann. Demgegenüber bieten hydraulische Aufzüge im Flachbaumarkt die sichersten und langlebigsten Eigenschaften hinsichtlich Ausfallsicherheit, Installation und Wartung.

5. Verwendung von Gegengewichten bei hydraulischen Aufzügen

Es ist bekannt, dass der geringere Energieverbrauch eines Seilaufzugs auf das Gegengewicht zurückzuführen ist. Hydraulische Aufzüge kommen in der Regel ohne Gegengewichte aus und sind daher einfacher zu installieren, kostengünstiger und sicherer (insbesondere in Erdbebengebieten), allerdings auf Kosten einer höheren Motorleistung. Um die Motorleistung zu reduzieren, sind leichtere Kabinen und ein leichterer Kabinenrahmen wichtig. Durch die Verwendung von Verbundwerkstoffen für Kabine und Rahmen können Kabinen um etwa 70 % leichter hergestellt werden. Obwohl die Anschaffungskosten für die Herstellung von Verbundwerkstoffen derzeit noch hoch sind, vereinfacht die Integration von Kabine und Rahmen die Installation, und die Verwendung kleinerer Motoren reduziert den Energieverbrauch erheblich.

Andererseits können hydraulische Aufzüge, obwohl dies nicht empfohlen wird, unter geeigneten Bedingungen (in erdbebensicheren Regionen) mit Gegengewicht gebaut werden, wodurch erhebliche Energieeinsparungen erzielt werden können. Tabelle 4 zeigt die Motorleistung eines hydraulischen Aufzugs für acht Personen mit und ohne Gegengewicht. Es zeigt sich, dass durch die Reduzierung von zwei Dritteln des Kabinengewichts (durch ein Gegengewicht) die Motorleistung um 2 % reduziert werden kann.

Abbildung 4 zeigt eine weitere Konfiguration des Gegengewichts für hydraulische Aufzüge, bei der das Gegengewicht auf einem Zugzylinder platziert ist. Dadurch können Zylinder und Pumpen mit kleinerem Durchmesser verwendet werden. Eine solche Konfiguration kann die Motorleistung und die Pumpenförderleistung um bis zu 40 % reduzieren. Die Konstruktion verhindert außerdem ein Schwingen des Gegengewichts im Schacht.

6. Vergleich der Umweltauswirkungen mittels Ökobilanz

Die Ökobilanz (LCA) ist eine Methode zur Bewertung der Umweltauswirkungen von Produkten. Bei Aufzügen bietet die LCA eine umfassende Methode zur Bewertung der Nachhaltigkeit, indem sie die gesamte Energie- und Umweltbilanz über den gesamten Lebenszyklus – von der Rohstoffgewinnung bis zur Entsorgung – berücksichtigt. Der LCA-Ansatz bietet eine genauere Darstellung des ökologischen Fußabdrucks eines Aufzugs. Die ausschließliche Fokussierung auf den Energieverbrauch von Aufzügen und die Zuweisung von Energieeffizienzklassen sind dagegen häufig Marketingstrategien großer MRL-Hersteller und sollten nicht hochgeschätzt werden. Die tatsächliche Energieeffizienz von Aufzügen kann nur durch Messungen an Anlagen ermittelt werden.

Hydraulische Aufzüge verfügen über einen größeren Motor und kein Gegengewicht. Dadurch verbrauchen sie keine Energie in Abwärtsrichtung und fahren mit ihrem eigenen Gewicht nach unten. Der Verzicht auf ein Gegengewicht vereinfacht die Installation und erhöht die Zuverlässigkeit. Zudem sind sie sicherer und kostengünstiger, was sich positiv auf die Ökobilanz auswirkt.

Die Ergebnisse einer Ökobilanzstudie für Aufzüge mit vier Haltestellen und einer Tragfähigkeit von 450 kg in den Nutzungskategorien 1, 2 und 3 (mit 50 bis 300 Starts pro Tag) wurden von ITAINNOVA, dem Technologieinstitut von Aragon, veröffentlicht.^[8]. wie in Abbildung 5 dargestellt. Diese Ergebnisse vergleichen einen MRL-Traktionsaufzug und einen herkömmlichen hydraulischen Aufzug. Es ist zu beachten, dass MRL-Aufzüge zwar häufiger korrektive Wartung benötigen, das Verfahren „Produktkategorieregeln für Aufzüge“, das die Anwendung der Ökobilanz auf Aufzüge beschreibt, jedoch nur die regelmäßige Wartung berücksichtigt und die korrektive Wartung (zusätzliche Reparaturen, die bei auftretenden Problemen erforderlich sind) nicht berücksichtigt. Mit anderen Worten: Wäre die korrektive Wartung in die Ökobilanz einbezogen worden, wären die Ergebnisse für den MRL-Aufzug ungünstiger ausgefallen. Laut der Ecoindicator ReCiPe-Methode sind die Umweltauswirkungen hydraulischer Aufzüge über eine Lebensdauer von 22 Jahren durchweg geringer (Abbildung 6).

Bei einer Modernisierung belasten hydraulische Aufzüge die Umwelt immer weniger als neue MRL-Traktionsaufzüge. Dies liegt daran, dass die meisten Komponenten des bestehenden Hydrauliksystems wie Zylinder, Tank, Anschlüsse usw. für Modernisierungen wiederverwendet werden können. Tatsächlich führt die Modernisierung eines hydraulischen Aufzugs mit einer Traktions-MRL zu einer geringeren Umweltbelastung (siehe Abbildungen 5 und 6). Legt man in der Ökobilanz eine Gebäudelebensdauer von 80 Jahren zugrunde und geht davon aus, dass der Aufzug alle 20 Jahre modernisiert wird, ist der hydraulische Aufzug selbst in der Nutzungskategorie 3 (300 Starts/Tag) umweltfreundlicher.^[9].

Hydraulische Aufzüge sind im Allgemeinen wesentlich zuverlässiger als Traktionsaufzüge, was bedeutet, dass ihre Wartung die Ökobilanz wesentlich geringer beeinflusst. Ihre einfache Konstruktion mit weniger Komponenten und einem vollständig geschmierten System trägt dazu bei, ihre Lebensdauer zu verlängern und Systemausfallzeiten zu reduzieren, was zu erheblichen Kosteneinsparungen führt. Es ist wichtig zu beachten, dass die Wartungskosten für Aufzüge zwei- bis zehnmal höher sein können als der jährliche Energieverbrauch. Darüber hinaus macht die teuerste Komponente eines Traktions-MRL-Antriebssystems über 10 % der Gesamtaufzugskosten aus, während dieser Anteil bei hydraulischen Aufzügen nur etwa 30 bis 6 % beträgt. Basierend auf diesen Erkenntnissen haben konventionelle hydraulische Aufzüge mit einem mechanischen Steuerventil in niedrigen Gebäuden (mit bis zu 8 Starts pro Tag) im Vergleich zu Traktions-MRL-Aufzügen eine geringere Gesamtumweltbelastung, einschließlich des Gesamtenergieverbrauchs.

7. Auswahl des hydraulischen Steuerventils

Auf dem Markt sind mechanische, elektronische und VVVF-gesteuerte Aufzugssteuerventile erhältlich. VVVF-gesteuerte Ventile sind die energieeffizientesten und können den Energieverbrauch bei mittlerer und hoher Nutzung um bis zu 65 % und die Wärmeentwicklung um 50 % senken.^[7]. Trotz ihrer geringeren Effizienz sind mechanische Regelventile am weitesten verbreitet. Dies liegt daran, dass sie aufgrund ihrer deutlich geringeren Kosten, der einfachen Einstellung und der hohen Zuverlässigkeit derzeit die beste Option für Anwendungen mit geringer Nutzung (z. B. für Aufzüge in Wohngebäuden) darstellen. Darüber hinaus ist die Amortisationszeit für VVVF-gesteuerte Ventile bei Anwendungen mit weniger als 350 Starts pro Tag relativ lang. Einige hybride VVVF-gesteuerte Regelventillösungen, wie beispielsweise das Smart EV40-vvvf von Blain, sind jedoch zu angemessenen Preisen erhältlich und bieten Amortisationszeiten von zwei bis vier Jahren für Aufzüge mit mehr als 200 Starts pro Tag.^[7]. Diese Hybridlösungen nutzen den VVVF-Antrieb nur während der Aufwärtsfahrt und stellen damit die energieeffizienteste Option für Aufzüge mit geringer Nutzung dar. Wird zudem ein energieeffizienter Antrieb wie der Yaskawa GA700 eingesetzt und nach 10 Minuten Leerlauf abgeschaltet, können hybride VVVF-Lösungen für geringere Nutzungen von 130 Starts pro Tag implementiert werden. Hybride VVVF-gesteuerte Regelventile mit einem energieeffizienten Antrieb scheinen die ideale Wahl für Aufzugsanwendungen mit geringer Nutzung zu sein. Wichtig ist, dass regenerative Antriebe aufgrund ihrer inakzeptabel langen Amortisationszeiten im Allgemeinen für Anwendungen mit geringer Nutzung ungeeignet sind, da sie nur minimale Energierückgewinnung bei hohen Kosten ermöglichen.

8. Der SMART EV40-VVVF

Blain Hydraulics nutzte IoT-Technologie und eingebettete Systeme, um Umgebungsdaten zu erfassen, zu versenden und zu verarbeiten. Das zuvor entwickelte Produkt EV4-VVVF entwickelte sich zur Smart-EV40-VVVF-Lösung (Abbildung 5). Das Smart-EV40-VVVF ist ein Hybridsystem mit folgenden Vorteilen:

• Verwendet einen Standard-GA700-Yaskawa-Antrieb
• Bietet hohe Fahrqualität
• Bietet einfache Diagnose über eine Schnittstellenkarte
• Bietet bis zu 65 % Energieeinsparung und 50 % Wärmereduzierung
• Der Aufzugsbetrieb kann über ein Smartgerät mit WLAN-Konnektivität überwacht, aufgezeichnet und angepasst werden.
• Verfügt über eine einfache Verkabelung mit dem Antrieb und der Aufzugssteuerung
• Verfügt über um 60 % reduzierte Eingabeparameter.
• Es sind keine zusätzlichen Druckschalter erforderlich.
• Bypass- und Nivellierungszeiten werden reduziert, was die Energieeinsparung weiter verbessert.
• Wird mit einem integrierten Sicherheitsventil gegen unbeabsichtigte Kabinenbewegungen geliefert.

Abbildung 7 und Abbildung 8 zeigen die Anschlüsse der Smart-EV40-VVVF-Lösung bzw. einige Eingabemenüs der Anwendungssoftware.

9. Schlussfolgerungen

Um eine optimale Energieeffizienz von Aufzügen zu erreichen, müssen Standby-Energieverbrauch und Nutzungsmuster sorgfältig berücksichtigt werden. Neben Traktions-MRL-Aufzügen mit VVVF-Antrieben haben sich auch hydraulische Aufzüge mit VVVF-Antrieben als energieeffiziente Lösungen etabliert und bieten eine vergleichbare Energieeffizienz. Die Effizienz dieser Systeme nimmt jedoch bei geringer Nutzung ab, sodass einfachere Aufzüge mit deutlich geringerem Standby-Energiebedarf vorteilhafter sind. Daher sind hydraulische Aufzüge mit mechanischen Ventilen für wenig genutzte Aufzüge in Wohngebäuden und Wohnungen nach wie vor die beste Wahl. Sie zeichnen sich durch geringen Energieverbrauch, Erschwinglichkeit, einfache Installation, einfache Wartung und hohe Zuverlässigkeit aus und stellen damit die ideale Lösung für solche Anwendungen dar.

Die Smart-EV40-VVVF-Lösung von Blain nutzt IoT und digitale Technologien, um Systemschwächen zu beheben und die Benutzerfreundlichkeit zu verbessern. Dank einer benutzerfreundlichen mobilen App lässt sich das System schnell einrichten, während der Aufzugsbetrieb über ein per WLAN verbundenes Smartgerät überwacht, aufgezeichnet und angepasst werden kann. Neben einem reibungslosen und überlegenen Fahrkomfort bietet der Smart-EV40-VVVF kürzere Bypass- und Nachnivellierungszeiten, wodurch sowohl die Gesamtfahrzeit als auch der Energieverbrauch reduziert werden.

Es ist wichtig zu betonen, dass bei Aufzugsanwendungen die Sicherheit Vorrang vor der Energieeffizienz haben muss. In erdbebengefährdeten Gebieten sollten bei Hochhäusern bei Bedarf Seilaufzüge mit Maschinenraum installiert werden. MRL-Systeme sollten ohne zusätzliche Sicherheitsmaßnahmen vermieden werden. Für niedrige Gebäude in Erdbebengebieten sollten hydraulische Aufzüge aufgrund ihrer überlegenen Haltbarkeit und Dämpfungseigenschaften, die die Auswirkungen seismischer Erschütterungen wirksam abmildern, die erste Wahl sein. Da der Energieverbrauch von Aufzügen in niedrigen Gebäuden gering ist, ist es besser, erdbebensicheren Aufzugssystemen den Vorzug vor Energieeffizienz zu geben. Dieser Ansatz gewährleistet den Gebäudebetrieb, ermöglicht eine einfache und sichere Evakuierung der Passagiere und trägt dazu bei, soziale, wirtschaftliche und menschliche Verluste zu vermeiden.

Referenzen

[1] HM Sachs, „Möglichkeiten zur Verbesserung der Energieeffizienz von Aufzügen“, American Council for an Energy Efficient Economy, April 2005. 

[2] J. Nipkow, „Elektrizitätsverbrauch und Einspar-Potenziale bei Aufzügen“, SAFE, 2005, Zürich. 

[3] G. Lees, „Eine Studie über die tatsächliche Leistung im Verhältnis zum theoretischen Stromverbrauch eines hydraulischen Systems mit variabler Frequenz und wie sie dem Benutzer zugutekommt“, Masterarbeit, University College Northampton, April 2005. 

[4] Almedia AT, Energieeffizienz von Aufzügen und Fahrtreppen, 4. Europäischer Aufzugskongress, 2010. 

[5] Celik KF, „Standby-Energieverbrauch bei Aufzügen mit geringer Nutzung“, ELEVATOR WORLD India, Bd. 2, S. 58, 2009. 

[6] Celik KF, „Design und Steuerung elektronischer Steuerventile“, Elevator Technology 17, Proc. Of Elevcon, S. 34-45, 2008 

[7] Celik KF, „Eine Last- und Temperaturkompensationsmethode für umweltfreundliche hydraulische Aufzüge mittels Wechselrichtern“, Proceedings of Elevcon, IAEE, Miami, 2012. 

[8] ITAINNOVA, Instituto Technologico de Aragon, Lebenszyklusanalyse für hydraulische und Traktionsaufzüge, Oktober 2017. 

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

[10] F. Celik, „Aufzugssicherheit in seismischen Regionen“, EW, August 2005, S. 140.