Energieeffiziente Modernisierung hydraulischer Antriebe

Tony Aschwanden und Conradin Jost
Bucher Hydraulics AG, Schweiz

Dieses Papier wurde präsentiert bei  Luzern 2010, Internationaler Kongress für vertikale Transporttechnologien und erstmals im IAEE-Buch veröffentlicht Aufzugstechnik 18, herausgegeben von A. Lustig. Es handelt sich um einen Nachdruck mit Genehmigung der International Association of Elevator Engineers  (Website: www.elevcon.com). Dieses Dokument ist ein exakter Nachdruck und wurde von ELEVATOR WORLD nicht bearbeitet. 

Schlüsselwörter: Energieeffizienz, Energieeinsparungtion, Modernisierung, intelligente Hydraulik, Elektronisch gesteuertes Hydraulikventil, hydraulische Invertertechnologie, Standby-Verbrauch

ABSTRACT

Modernisierung und Energieeffizienz sind zwei der bestimmenden Zukunftsthemen in der Aufzugsbranche. Bucher Hydraulics hat die Zeichen der Zeit von Beginn an erkannt und kann bereits heute ausgereifte und bewährte Produkte anbieten. Mit einem besseren Verständnis des Bedarfs an der Modernisierung werden jedoch neue Produkte von Bucher Hydraulics entwickelt. Das heißt, optimiert in der Energieeffizienz mit besonderem Augenmerk auf das beste Preis-Leistungs-Verhältnis. Das Ergebnis ist eine sogenannte „Compact VF“-Lösung, die auch mit „Multikit“ für eine schrittweise Modernisierung der hydraulischen Aufzugsanlage kombiniert werden kann. Dies wird dazu beitragen, den Energieverbrauch für über 1.2 Millionen ältere hydraulische Aufzüge in Betrieb (in der Regel älter als 20 Jahre) erheblich zu senken, und zwar bei minimaler Kostenbelastung für den Endbesitzer.

1 EINFÜHRUNG

Sicherheit und Barrierefreiheit sind seit vielen Jahren die Hauptthemen in der Aufzugsbranche. Seit der Einführung des „Kyoto-Protokolls“ rücken Umweltthemen zunehmend in den Fokus. Größte Anstrengungen wurden auf die Energieeffizienz der Aufzugsanlage unternommen und die meisten Hersteller haben interessante Lösungen erfunden, um den Energieverbrauch erheblich zu senken. Auch Bucher Hydraulics ist sich dieses Trends von Anfang an bewusst und setzt ihn um
große Anstrengungen zur Entwicklung energieeffizienter hydraulischer Antriebssysteme unternommen. Um den Energieverbrauch der derzeit installierten Aufzüge zu senken, ist die Modernisierung daher der Schlüssel zum Erfolg. Oft wird vergessen, dass ein erheblicher Teil der installierten Aufzugsanlagen, die älter als 20 Jahre sind, hydraulische Aufzüge sind. Daher kommt für eine ökologisch sinnvolle Modernisierung nur ein energieeffizientes Hydraulikaggregat in Betracht. Hinzu kommt, dass die meisten Aufzüge im Wohnsektor installiert werden, wo besondere Marktanforderungen gelten. Das heisst; begrenzter Anwendungsbereich (z. B. Fahrt, Nutzlast, Geschwindigkeit usw.), normalerweise geringe Nutzungsintensität und letztendlich sehr kostensensibel; daher wird eine schrittweise Modernisierung bevorzugt, um die Kosten über mehrere Jahre zu verteilen. In diesem Beitrag wird der Aufzugsmarkt für energetische Modernisierung analysiert und mögliche Potenziale aufgezeigt. Darüber hinaus wird zum besseren Verständnis der Technik eine kurze Einführung in den Stand der Technik hydraulischer Antriebe gegeben. Der letzte Teil zeigt die Produktentwicklung eines energieeffizienten Aggregats mit dem Namen „Compact VF“, das aufgrund des besten Preis-Leistungs-Verhältnisses die oben beschriebene große Nachfrage erfüllt. Darüber hinaus kann diese Lösung mit „Multikit“ für eine schrittweise Modernisierung kombiniert werden.

2 MARKTANALYSE

Es wurden zahlreiche Marktanalysen durchgeführt, um den Modernisierungsbedarf älterer Aufzugsanlagen zu ermitteln. Eine sehr umfassende Analyse hat die Organisation Intelligent European Energy mit dem sogenannten „E4-Projekt“ durchgeführt. In Zusammenarbeit mit vier Universitäten und der European Lift Association (ELA) wurde eine umfassende Bewertung des europäischen Aufzugsmarktes erstellt, die das Potenzial für energieeffiziente Aufzugsanlagen untersucht.      Die

2.1 Fakten und Zahlen

Es ist eine Herausforderung, sich einen klaren Überblick über den weltweiten Aufzugsmarkt zu verschaffen, und es gibt zahlreiche Statistiken, die dieses Thema abdecken. Eine verlässliche Quelle für Europa ist die ELA-Statistik aus dem Jahr 2009, die die meisten industrialisierten europäischen Länder abdeckt. Tabelle 1 zeigt, dass ca. Über 4.5 Millionen Liftanlagen sind in Betrieb. Nach einer realistischen Schätzung handelt es sich bei 50 % der Bauten um Hydraulikanlagen und mehr als die Hälfte davon ist älter als 20 Jahre, also ca. 1.2 Millionen hydraulische Aufzüge haben echten Modernisierungsbedarf. Eine detaillierte Zuordnung der Aufzugsarten gibt Abbildung 1.

2.2 Leitlinien und Ziele für energieeffiziente Aufzugsanlagen

Die EU drängt die Branche dazu, den Gesamtenergieverbrauch in allen Bereichen bis 20 um 2020 % zu senken. In diesem Zusammenhang werden die Anfang 4707 umgesetzte VDI 2009 und die Vorarbeiten für einen ISO-Code (25745-1) erhebliche Auswirkungen auf die Aufzugsbranche haben. Darüber hinaus empfiehlt die europäische EPB-Richtlinie (Energieeffizienz von Gebäuden – Richtlinie 2002/91/EG), die derzeit überarbeitet wird, nationalen Regierungen und Behörden, einen Zertifizierungsprozess und dessen Überarbeitung zu organisieren, um ein gutes Energiemanagement zu fördern. Dazu gehören natürlich Gebäudesanierungen und die Einführung neuer und alternativer Energiesysteme und -lösungen.

2.3 Marktstruktur

Aufzugsbesitzer sind sich in den meisten Fällen nicht darüber im Klaren, dass sie in ihren Objekten über ausgereifte Aufzugsanlagen verfügen und daher besteht ein großer Mangel an Informationen über die Möglichkeiten einer energetischen Modernisierung. Hersteller können energieeffiziente Lösungen nach den neuesten Richtlinien entwickeln und auch fördern, aber sie werden niemals eine so enge Beziehung zum Eigentümer haben wie Aufzugsinstallateure oder Serviceunternehmen. Daher ist es sehr wichtig, dass diese Gruppe Endnutzer über die Möglichkeit einer energieeffizienten Modernisierung informiert. Darüber hinaus ist es auch eine Wachstumschance in einem Markt wie oben beschrieben mit einem Potenzial von 1.2 Millionen Aufzügen. Um die energetische Modernisierung zu beschleunigen, können benannte Stellen und Marktüberwachungsbehörden Informationen über das Energieeinsparpotenzial bei Bestandsimmobilien der Eigentümer einholen bzw. berechnen. Abbildung 2 zeigt die typische Marktstruktur in der Aufzugsbranche.

3 Stand der Technik hydraulischer Antriebe

Die Aufzugsparte von Bucher Hydraulics führte vor 30 Jahren das einzigartige elektronisch gesteuerte Hubventil „LRV“ ein. Dieses Hubventil ist nach wie vor der Maßstab für eine äußerst zuverlässige hydraulische Steuerung und bietet unübertroffenen Fahrkomfort, neuestes Update in Sachen Sicherheit und Energieeffizienz. Der nächste Entwicklungsschritt ist das „intelligente“ Ventil namens „iValve“ mit Selbsteinstellfunktion und Optionen für Fernzugriff und Zustandsüberwachung.

3.1 Elektronisch gesteuertes Hubventil

Die guten Gene dieses elektronisch gesteuerten Hubventils führten zu mehreren unvergleichlichen Entwicklungen im hydraulischen Antriebsmarkt. All diese Anstrengungen wurden unternommen, um die Effizienz zu steigern und unabhängig von den Umgebungsbedingungen einen perfekten Fahrkomfort zu gewährleisten. Die folgende Beschreibung zeigt, wie diese Vorteile technisch erreicht werden können.

Abbildung 3 zeigt in einer vereinfachten Übersicht das Funktionsprinzip des elektronisch gesteuerten Hubventils LRV von Bucher Hydraulics während einer UP-Fahrt.

Die relevantesten Komponenten:

• Eine hochentwickelte digitale Elektronik berechnet unter allen Bedingungen eine gleichmäßige Fahrkurve

• B Kontaktlose Rückmeldung des aktuellen Öldurchflusses. Aufgrund des berührungslosen „Hall-Prinzips“ arbeitet es über die gesamte Lebensdauer wartungsfrei

• C Proportionalventil, das den Bypass-Ölfluss steuert, was letztendlich zu einer korrekten Durchflussrate für den Zylinder (Z) führt.

Der ganze Aufwand bei der Konstruktion hat ein Hauptziel: unübertroffenen Fahrkomfort unabhängig von Last und Temperatur. Darüber hinaus ist der Wirkungsgrad des Antriebs im Vergleich zu herkömmlichen mechanischen Ventilblöcken bereits deutlich höher. Je nach Anwendungsfall ist ein bis zu 30 % geringerer Energieverbrauch im Vergleich zu mechanischen Ausführungen das Ergebnis der elektronisch gesteuerten Ventiltechnik. Dadurch entsteht natürlich 30 % weniger Wärme, was alle Interessenten sehr zu schätzen wissen. Ein letzter Vorteil ist, dass viele Anwendungen keinen Ölkühler erfordern, wie dies bisher beim Betrieb mit herkömmlichen mechanischen Ventilblöcken der Fall war.

Abbildung 4 zeigt in einem eindrucksvollen Vergleich die hohe Genauigkeit und das Fahrverhalten der elektronisch gesteuerten Ventiltechnik im Vergleich zu einem mechanischen Ventil.

WICHTIG: Auf der x-Achse wird die Motorlaufzeit angezeigt. Das bedeutet, dass die zurückgelegte Strecke für eine Fahrt gleich bleibt, die Fahrzeit jedoch bei Verwendung eines mechanischen Ventils deutlich variieren kann.

Daraus ergibt sich ein enormer Vorteil für das elektronisch gesteuerte Ventil. Bis zu 30 % Energieeinsparung allein durch den Einsatz dieser hochentwickelten Technologie dürfte Grund genug sein. Ganz zu schweigen von weiteren geldsparenden Fakten, wie z. B. weniger Ausfallzeiten aufgrund sich ändernder Betriebsbedingungen (z. B. sich ändernde Umgebungstemperatur oder Nutzlast). Dies verhindert unplanmäßige Serviceeingriffe, die bei mechanischen Ventilen notwendig wären, um die mechanischen Einstellungen an diese neuen Bedingungen anzupassen.

Die Grafiken zeigen deutlich das Energieeinsparpotenzial von bis zu 30 % allein durch eine präzise und „pünktliche“ Ausführung im obersten Stockwerk. Dies wird dadurch gewährleistet, dass die Fahrkurve immer gleich ist, egal ob Sie mit voller oder leerer Kabine oder mit heißem oder kaltem Öl fahren. Daher führen Sie die Installation einfach mit den werkseitig voreingestellten Parametern aus und der Installateur kann die Zeitsteuerung für die Verzögerungssignale auf seine bevorzugten Zeitsequenzen einstellen.

Es kommt zu keinen Abweichungen aufgrund veränderter Betriebsbedingungen!

• immer der gleiche Startpunkt

• immer der gleiche Kriechweg

• immer die gleiche Beschleunigungs-/Verzögerungssteigung

• immer die gleiche Geschwindigkeit

• Immer eine ruhige Fahrt ohne Ruckeln

Und nicht zuletzt kann, wie bereits erwähnt, in vielen Fällen aufgrund der Energieeinsparung von bis zu 30 % auf einen Ölkühler verzichtet werden.

3.2 Frequenzgesteuerte hydraulische Antriebe

Durch den Einsatz eines Frequenzumrichters zur Drehzahlregelung der Hydraulikpumpe erhöht sich der Wirkungsgrad des hydraulischen Antriebs deutlich. Dadurch wird der Wärmeverlust im Vergleich zu den guten Werten des elektronisch gesteuerten Ventils weiter reduziert.

Der Ölfluss wird hauptsächlich in beide Richtungen (AUF und AB) durch die Pumpendrehzahl gesteuert, die durch die individuelle Drehzahl des angeschlossenen Motors bestimmt wird. Der Ventilkörper besteht wiederum aus den entscheidenden Elementen der elektronisch gesteuerten Technik. Eine stufenlose Geschwindigkeitsregelung ist nur in Kombination mit dem bereits im vorherigen Kapitel erläuterten Funktionsprinzip des elektronischen LRV-Ventils möglich.

Abbildung 5 zeigt eindrucksvoll, dass der Wärmeverlust durch den Einsatz von Invertertechniken drastisch reduziert werden kann (rechte Skizze). Ein weiterer wichtiger Vorteil; Die geringe Menge der verbleibenden Wärmeableitung kann über ein kleines Kabel vom Wechselrichter an einen Bremswiderstand weitergeleitet werden – weitaus kostengünstiger als eine Verschlauchung/Rohrleitung mit erforderlichen Ausschnitten in der Gebäudestruktur zum Anschluss eines herkömmlichen Ölkühlers. Um die Erwärmung des Motorraums weiter zu reduzieren, können die Bremswiderstände im Aufzugsschacht montiert werden.

Bei erhöhtem Verkehrsaufkommen verzichten Sie auf den Einbau eines Kühlers, sondern auf die hydraulische Invertertechnik! Neben dem effizienteren Antrieb werden Sie weitere Vorteile zu schätzen wissen:

• weniger Lärmemissionen

• Keine Verzögerungen, wenn die Fahrt beginnt

• Keine Stromspitzen beim Motorstart

4 BEST PRACTISE: LÖSUNGEN FÜR ENERGIEEFFIZIENTE MODERNISIERUNG

Die neueste Produktentwicklung von Bucher Hydraulics kombiniert die frequenzgesteuerte AUF-Fahrt-Fahrt und die elektronisch gesteuerte AB-Fahrt-Fahrt mit den Vorteilen beider Lösungen, die in den vorherigen Kapiteln ausführlich erläutert wurden. Diese Lösung wird die Lücke zwischen dem elektronisch gesteuerten Hubventil und dem vollfrequenzgesteuerten hydraulischen Antrieb schließen.

4.1 Kompaktes VF-Aggregat

Hauptanwendungsgebiete für dieses Produkt sind Installationen mit geringer Nutzungsintensität wie Wohngebäude mit bis zu 6 Etagen, bei denen Energieeffizienz im Vordergrund steht und das beste Preis-Leistungs-Verhältnis gefragt ist. Die meisten weltweit installierten Aufzüge gehören zur Nutzungskategorie 1 (nach VDI 4707) mit einer durchschnittlichen Fahrzeit von bis zu 0.3 h/Tag, was ca. 200 Fahrten pro Tag.

Auffahrt:

Durch die effektive Geschwindigkeitsregelung der Motor-Pumpen-Kombination beim Beschleunigen und Abbremsen der Fahrkurve trägt das frequenzgeregelte Antriebsaggregat dazu bei, den Energieverbrauch während der Aufwärtsfahrt zu reduzieren. Darüber hinaus kann bei der Anwendung mit Frequenzumrichter der Strom durch Reduzierung der Drehzahl bei höherer Kabinenbelastung begrenzt werden. Besonders vorteilhaft bei Modernisierungen, bei denen höchste Kabinenlast mit begrenztem Stromanschluss abgedeckt werden kann.

Bei Aufzügen mit geringer Nutzungsintensität hat der Frequenzumrichter aufgrund seines Standby-Verbrauchs einen gewissen Nachteil. Andererseits gibt es Bestrebungen der verschiedenen Hersteller der Frequenzumrichter, den Energieverbrauch im Standby-Modus zu reduzieren, um die negativen Auswirkungen zu reduzieren.

Abwärtsfahrt:

Die AB-Fahrtfahrt erfolgt wie mit dem elektronisch gesteuerten Ventil LRV-1. Die Regelung des Ölflusses mit dem LRV-1 ermöglicht eine komfortable und reproduzierbare Nivelliergenauigkeit von +/- 3mm. Gemäß der neuen EN81-2/A3 wird es vorgeschrieben, bei allen unterschiedlichen Temperatur- und Lastbedingungen innerhalb von +/- 10 mm anzuhalten, was mit einem mechanischen Ventil schwer zu erreichen wäre.

Im Vergleich zum bekannten frequenzgeregelten Aggregat von Bucher Hydraulics wird beim Compact VF die Wärmeabgabe nicht über den Bremswiderstand an die Luft, sondern an das Öl übertragen. Aus diesem Grund wird diese Lösung bei geringer Reisenachfrage bevorzugt. Der große Vorteil ist die Einsparung zusätzlicher Kosten, da der Frequenzregler weder eine Bremswiderstandsfunktion noch einen Encoder zur Erfassung der Motordrehzahl benötigt. Aufgrund dieser reduzierten Komplexität erfolgt die Installation schnell und einfach.

Abbildung 6 zeigt eindrucksvoll, dass der Energieverlust durch den Einsatz von Invertertechnik nur bei der AUF-Fahrt drastisch reduziert werden kann. Dies führt zu einer Reduzierung des Energiebedarfs beim Fahren um bis zu 40 % im Vergleich zu einem mechanischen Ventil.

4.2 Schrittweise Modernisierung mit Multikit

In einer Zeit, in der sich viele Neuinstallationen verzögern und neue Code-Anforderungen gefordert werden, ist es wichtig, über Modernisierungslösungen nachzudenken. Für viele Aufzugsbesitzer sind teure Wartung, verschwenderischer Energieverbrauch und schlechter Fahrkomfort ein Problem. Um solche Anlagen zu modernisieren, hat Bucher Hydraulics einen Schritt-für-Schritt-Modernisierungsbausatz entwickelt, der die Aufzugssteuerung mit dem Hydraulikaggregat verbindet. Mit dem Multikit kann das Aggregat innerhalb kürzester Zeit und bei optimalem Preis-Leistungs-Verhältnis auf die neueste Antriebstechnik umgerüstet werden.

Das Modernisierungsset beinhaltet die elektronische Schnittstellenplatine mit Weitbereichseingängen für elektrische Signale von 12V bis 230V AC oder DC. Dies ermöglicht es, die vorhandene Aufzugssteuerung beizubehalten und somit die Austauschzeit und -kosten zu minimieren. Darüber hinaus enthält der Modernisierungssatz alle mechanischen Komponenten und elektrischen Verkabelungen für die Installation sowie eine ausführliche Dokumentation für eine einfache Inbetriebnahme.

Abbildung 7 zeigt das Ergebnis einer Modernisierung, bei der ein vorhandenes Ventil durch ein elektronisch gesteuertes Ventil und einen Frequenzumrichter ersetzt wurde, um eine Compact VF-Lösung zu erhalten. Alternativ kann das komplette Aggregat ausgetauscht werden, sei es ein Compact VF oder eines der anderen Bucher Standard-Aggregate wie Compact, Comfort oder Economy Line.

5 ABSCHLUSS

Die Analyse des markierten Aufzugs hat ergeben, dass mehr als 1.2 Millionen hydraulische Aufzüge in Europa älter als 20 Jahre sind und ein großes Potenzial für eine erhebliche Reduzierung des Energieverbrauchs durch Modernisierung besteht. Dieser Umstand steht auch im Einklang mit den Zielen der Europäischen Kommission, den Energieverbrauch bis zum Jahr 20 um 2020 % zu senken.

Bucher Hydraulics hat deshalb den „Compact VF“ mit der Möglichkeit entwickelt, den Fahrbedarf um bis zu 40 % zu reduzieren. Mit dieser kostenoptimierten Lösung lässt sich ein konkurrenzloses Preis-Leistungs-Verhältnis erzielen. Um den Aufzugsbesitzern die Möglichkeit zu geben, die Modernisierungskosten über mehrere Jahre zu verteilen, ermöglicht das „Multikit“ daher eine schrittweise Modernisierung auch in Kombination mit der Compact VF-Technologie, um den Energieverbrauch erheblich zu senken.

6-REFERENZEN

De Almeida, A., (2010). E4-Energy Efficient Elevators and Escalators, Bericht für Intelligent Energy Europe, Brüssel

Verein Deutscher Ingenieure, (2009). VDI 4707 Blatt 1 Aufzüge Energieeffizienz, Richtlinie, Düsseldorf

Chartron, M., (2009) Interesse an Energieeffizienz in Aufzügen steigt, Newsletter ELA European Lift Association, Brüssel

Bucher Hydraulics, (2010) Produktbeschreibungen: LRV, VF-LRV, Multikit, technische Dokumentation, Neuheim Schweiz