Energieeffizienter VVVF-Hydraulikhubantrieb

Sowohl Industrie- als auch Entwicklungsländer stehen vor großen Herausforderungen, um die COXNUMX-Emissionen und die Umweltbelastung zu reduzieren. Während täglich neue energieeffiziente Produkte auf den Markt kommen, wirken von Regierungen festgelegte Energieeffizienznormen und -richtlinien als Katalysatoren, um veraltete und ineffiziente Produkte herauszufiltern. Die Aufzugsbranche ist nicht anders, die in den letzten Jahren energieeffiziente und umweltfreundliche Designs gesehen hat. Die Technologie mit variabler Spannung und variabler Frequenz (VVVF) ist sowohl in Traktions- als auch in hydraulischen Aufzügen seit geraumer Zeit vorhanden und hat sich allmählich durchgesetzt. Einige Fragen sind jedoch noch umstritten. Dieser Artikel untersucht einige Fakten zur Energieeffizienz, Markttrends und den Markt für Hydraulikaufzüge in Europa und Indien, um herauszufinden, wie ein einfacher, kostengünstiger VVVF-Hydraulikaufzugsantrieb die Zukunft von Hydraulikaufzügen gestalten könnte.

Energieeffizienz gehört mittlerweile zu den wichtigsten Parametern, auf die Designer, Hersteller und Verbraucher bei der Produktauswahl achten. Produktmarketing betont den ökologischen Fußabdruck und umweltfreundliche Aspekte, um Werbung attraktiver zu machen. Hinter den ausgeklügelten Produktmarketing-Kampagnen und grünen Labels bleiben jedoch einige grundlegende Fragen, die den Endverbraucher interessieren, noch teilweise unbeantwortet.

Wann ist ein Aufzug energieeffizient?

Die Antwort auf diese Frage wird seit geraumer Zeit diskutiert. Einige Meinungen zu seiner Antwort sind wie folgt:

1. Wenn die Amortisationszeit des Aufzugs drei bis fünf Jahre beträgt.
2. Wenn der Aufzug weniger als 3-5% des Gesamtenergieverbrauchs des Gebäudes verbraucht.
3. Wenn der Aufzug einen niedrigen Betriebs- und Standby-Energieverbrauch hat.

Während Energieverbrauch und Geld normalerweise die einzigen Parameter im Fokus sind, sollten wir nicht vergessen, dass es andere wichtige Parameter gibt, die oft verworfen werden. Um festzustellen, ob ein Aufzug energieeffizient ist, muss eine vollständige Lebenszyklusanalyse (LCA) des Systems mit geeigneten Werkzeugen und statistischen Informationen durchgeführt werden. Eine Ökobilanz berücksichtigt die gesamte Lebensdauer des Produkts (Abbildung 1). Wäre ein Aufzugssystem energieeffizient, wenn es für den Betrieb weniger Strom bräuchte, sein Herstellungsprozess jedoch eine Umweltkatastrophe wäre und für den Transport und die Installation außerordentlich viel Ressourcen benötigt würden? Was ist außerdem, wenn sein Sicherheitsniveau beeinträchtigt ist und es hohe Wartungskosten und Umweltauswirkungen hat? Die in all diese Faktoren investierte Energie – nicht nur geringe Betriebs- und Standby-Kosten – muss berücksichtigt werden.

Wie werden energieeffiziente Aufzüge klassifiziert?

Ungefähr 300,000-350,000 Aufzüge werden jedes Jahr installiert, davon 80,000-100,000 hydraulisch. Der weltweite Aufzugsbestand wird auf etwa neun Millionen Installationen geschätzt, von denen 3.5 bis 3.8 Millionen hydraulisch sind. Während sich Architekten und Ingenieure darauf konzentrieren, moderne Aufzüge energieeffizienter zu machen, darf die Zahl der Altanlagen nicht außer Acht gelassen werden. Eine Reduzierung des Stromverbrauchs um 25 % würde ungefähr 4-5 TWh Strom pro Jahr ergeben, das entspricht dem, was 3,500 Windkraftanlagen in dieser Zeit erzeugen könnten.

Neue Energieeffizienznormen für die Aufzugsindustrie, wie ISO 25745 Teil 1 und VDI 4707, werden in den Industrieländern aggressiv übernommen, um Aufzugssysteme energieeffizient zu machen. Diese gelten für Neu- und Bestandsanlagen. Beispielsweise ordnet die Energieeffizienznorm VDI 4707 einen Aufzug in eine bestimmte Klasse ein. Ein System würde in Abhängigkeit vom Stromverbrauch während der Fahrt und im Standby eine Energieklasse erhalten. Darüber hinaus richtet sich die Energieeffizienz auch nach der Art der Aufzugsanlage. Diese Art der Zertifizierung basiert weitgehend auf Strom- und Standby-Verbrauch und berücksichtigt nicht die vollständige Ökobilanz des Systems.

Allgemeiner Markttrend

In der Aufzugsbranche definieren vier Hauptparameter die Markttrends im Großen und Ganzen: Geschäftspolitik großer Unternehmen, Regierungspolitik (in Form von Normen und Vorschriften), Kundenbedürfnisse und technische Fragen. Ein klassisches Beispiel in der Aufzugsindustrie ist der zunehmende Einsatz der VVVF-Technologie, da diese als energieeffizient und umweltfreundlich vermarktet wird und gleichzeitig sanftere Starts sowie Start- und Stoppgenauigkeit bietet. Diese Technologie wird von Regierungsinstituten in Industrieländern in Form neuer Energieeffizienznormen, Zertifizierungen und Energieeffizienzklassifizierungen umfassend unterstützt. Es ist jedoch noch einmal wichtig zu betonen, dass nicht jede auf dem Markt erhältliche VVVF-Lösung als energieeffizientes Produkt angesehen werden kann, da niedrigere Betriebs- und Standby-Energieverbrauchszahlen irreführend sein könnten, insbesondere wenn das Produkt mit solchen Nachteilen ausgestattet ist wie hohe Wartungskosten, kompliziertes Design und exklusive Serviceverträge, von denen oft nur der Hersteller profitiert. Es ist sehr wichtig, das Gesamtbild zu betrachten, bevor Sie zu einem Ergebnis kommen, anstatt sich nur auf einen Teil davon zu konzentrieren.

Indischer Markt für Hydraulikaufzüge

Die Vorteile, die hydraulische Aufzüge auf dem Markt für Flachaufzüge bieten, sind bekannt. Dies geht aus dem im März 4 veröffentlichten E2010-Bericht hervor. Demnach sind von einem Gesamtbestand von 4.8 Millionen Aufzügen in Europa 1.18 Millionen (25%) hydraulisch. Das bedeutet, dass von einer jährlichen Installation von 110,000 bis 120,000 Aufzügen 25,000 bis 30,000 hydraulische Installationen sind. Auch der britische Aufzugsmarkt sieht ein ähnliches Bild vor, wobei rund 21 % der Installationen hydraulisch sind. Allein in Großbritannien müssten in den nächsten fünf bis zehn Jahren schätzungsweise 30,000 hydraulische Aufzüge modernisiert werden, um die Energieeffizienznormen zu erfüllen.

Indien hingegen ist ein sich entwickelnder Markt, wenn es um hydraulische Installationen geht. Vor nicht allzu langer Zeit galten hydraulische Aufzüge aufgrund einiger Mythen in der Aufzugsbranche als Problem. Industriehydraulikkomponenten wurden verwendet, um hydraulische Aufzugsaggregate herzustellen; Fehlkonstruktionen und fehlendes spezifisches technisches Know-how waren hauptsächlich für die Probleme und Ausfälle verantwortlich. Mit der Verfügbarkeit der richtigen Komponenten und des technischen Know-hows hat die Hydraulikaufzugsindustrie jedoch in den letzten acht Jahren eine Zunahme der Anzahl der Installationen verzeichnet. Seine Wachstumsrate beträgt jetzt mehr als 60 % pro Jahr.

Die gesamte (einschließlich Personen- und Nicht-Passagier-) Installation von hydraulischen Aufzügen macht fast 8 % der Gesamtzahl der jährlich installierten Aufzüge aus. In Indien wird in den nächsten fünf Jahren mit schätzungsweise 20,000 bis 25,000 neuen Hydraulikanlagen gerechnet. Dies ist eine konservative Schätzung, die nur Großstädte sowie Städte der Tier 1 und 2 berücksichtigt. In den Tier-20,000- und Tier-1-Städten werden in den nächsten Jahren mehr als 2 Parksysteme benötigt, um die Parküberlastung zu verringern. Da hydraulische Aufzüge diesen Markt weiter erobern, ist die Idee, energieeffiziente Produkte zu verwenden, nicht mehr optional; Vielmehr steht es auf der Liste der „Must-Have“-Funktionen.

Ist eine VVVF-Hydrauliklösung besser als eine herkömmliche Hydrauliklösung?

Die Antwort auf diese Frage sollte sowohl logisch als auch analytisch sein. Um zu entscheiden, welche Hydrauliklösung (mechanische Steuerung, elektronische Servosteuerung oder VVVF-Steuerung) für eine bestimmte Anwendung am besten geeignet ist, sollte Folgendes berücksichtigt werden:

1) Eine mechanisch-hydraulische Steuerung bietet eine einfache, zuverlässige und kostengünstige Lösung. Bei hohen Temperatur- und Lastschwankungen ist es jedoch wenig geeignet. Da Schwankungen der Öltemperatur die Ölviskosität ändern, können mechanische Ventileinstellungen bei extremen Temperatur- und Lastschwankungen nicht die erforderliche Hubqualität liefern. Zweitens sind die meisten mechanischen Ventile normale Magnetventile, die typischerweise ein/aus sind. Wenn kein geschlossenes System mit Echtzeit-Feedback vorhanden ist, liefern die Ventile einen voreingestellten Durchfluss, ohne den tatsächlichen Bedarf des Systems zu kennen. Mechanische Ventile sind eine gute Option für Hebebühnen mit geringem Verbrauch (weniger als 150 Fahrten pro Tag), bei denen Temperatur- und Lastschwankungen nicht extrem sind und eine einfache, zuverlässige und kostengünstige Lösung von größter Bedeutung ist.

2) Eine elektronische Servosteuerungslösung bietet aufgrund der elektronischen Regelung mit geschlossenem Regelkreis einen deutlichen Vorteil gegenüber einer mechanischen Ventillösung. Es verfügt über Proportionalmagnete, die von einer elektronischen Karte gesteuert werden, die auf die Echtzeitsignale der Durchfluss-, Temperatur- und manchmal Drucksensoren reagiert. Somit kann das System die Leistung dynamisch an die Anforderungen anpassen und große Temperatur- und Druckschwankungen ausgleichen. Eine elektronische Ventillösung ist eine gute Option sowohl für mäßig genutzte als auch für stark beanspruchte Aufzüge (mehr als 160 Fahrten pro Tag), bei denen Temperatur- und Lastschwankungen groß sind und Fahrkomfort, Anfahr- und Stoppgenauigkeit im Vordergrund stehen ( B. Krankenhäuser, Einkaufszentren, Geschäftsgebäude).

3) Die VVVF-Steuerung kann als Hybridlösung betrachtet werden, die die Vorteile von mechanischen und elektronischen Ventilen kombiniert. Als Closed- oder Open-Loop erhältlich, gleicht das System nicht nur Temperatur- und Druckänderungen aus, sondern macht das Regelventil auch nahezu verstellungsfrei. Es ist eine energieeffiziente Lösung, die auch dort effektiv eingesetzt werden kann, wo kein hoher Anlaufstrom (vom Motor benötigt) zur Verfügung steht. Die vom Wechselrichter in der Startphase aufgenommene Leistung ist viel geringer als bei einer herkömmlichen Installation, und im Vergleich zu Nicht-VVVF-Installationen können insgesamt Energieeinsparungen von mehr als 30 % erzielt werden. Diese Lösung ist am besten für Standorte geeignet, an denen die Anzahl der Zyklen pro Tag über 160 liegt; Änderungen der Öltemperatur und -belastung sind hoch; hoher Anlaufstrom ist nicht verfügbar; Fahrkomfort, Anfahr- und Stoppgenauigkeit sind wichtig, unabhängig von Temperatur- und Lastwechsel; und/oder Betriebs- und Standby-Energieeinsparungen sind von größter Bedeutung.

Was ist eine ideale hydraulische VVVF-Lösung?

Abbildung 4 zeigt die sechs wichtigen Kriterien, die bei der Auswahl einer VVVF-Lösung beachtet werden sollten. Parameter wie Einfachheit, Sicherheit, Wirtschaftlichkeit, Zuverlässigkeit und geringe Servicekosten sollten ebenso gewichtet werden wie die Energieeffizienz (geringer Betriebs- und Standby-Stromverbrauch). Außerdem darf nicht vergessen werden, dass die Wartungs- und Instandhaltungskosten bei Aufzügen die Investitions- und Energieeinsparungen über die gesamte Systemlebensdauer bei weitem übersteigen. Um ein System korrekt als energieeffizient zu kennzeichnen, sollte eine Ökobilanz der primäre Indikator sein.

Verfügbare VVVF-Hydrauliklösungen

Es gibt viele Arten von VVVF-Hydrauliklösungen auf dem Markt, von einfach bis kompliziert und kostengünstig bis teuer. Sie werden grob in offene oder geschlossene Regelkreise unterteilt, abhängig von der Technik, die zur Steuerung des Antriebs verwendet wird.

Abbildung 5 zeigt eine Wechselrichterlösung mit geschlossenem Regelkreis. Darin werden die elektronische Karte und der Umrichter mit Echtzeitdaten von Encoder (am Motor befestigt), Durchfluss-, Druck- und Temperatursensoren aktualisiert. Der Controller ergreift dann Korrekturmaßnahmen, abhängig von der Abweichung, die er gegenüber vordefinierten Parametern registriert. Ein solches System ist nicht nur kompliziert, sondern auch teuer und schwer zu warten. Zweitens kann ein Closed-Loop-System Vibrationen bei niedrigeren Frequenzen auslösen, da es ständig versucht, den Weg zu korrigieren. Eine bestehende Anlage zu renovieren bedeutet nicht nur das komplette Regelventil und den Antrieb auszutauschen, sondern auch den Motor und manchmal auch die Pumpe, was die Arbeit oft kompliziert und teuer macht. Hinsichtlich Energieeffizienz und Anfangsinvestition ist der Einsatz solcher Systeme nur bei stark frequentierten Aufzügen (mehr als 700 Zyklen/Tag) zu rechtfertigen.

Eine Open-Loop-Wechselrichtersteuerung wie die für den Blain EV4^[1]. bietet praktische Vorteile, da das System einfach, benutzerfreundlich, kostengünstig und wartungsfreundlich bleibt. Wie in Abbildung 6 zu sehen ist, ist das Steuerventil weder mit dem Umrichter noch mit einer elektronischen Karte verbunden, sondern wird einfach an die Aufzugssteuerung angeschlossen. Der Umrichter ist mit der Aufzugssteuerung, dem Temperatursensor und dem Motor verbunden und benötigt keinen teuren Druck- und Durchflusssensor. Mit Hilfe der eingebetteten Software kann es die Last berechnen, die aktuelle Temperatur vom Temperatursensor auslesen sowie Öl- und Pumpenleistungsdaten verarbeiten, um Motordrehzahlen (Referenzfrequenzen) in Hertz für die Voll-, Nivellierungs-, Inspektions- und sekundären Volldrehzahlen zu erhalten . Zusätzlich werden die Temperaturregelverstärkung und die Leck-Referenzfrequenzen für Leer- und Beladungskabinendrücke berechnet. Dadurch wird bei der Bergfahrt weniger Energie verbraucht, was die Effizienz des Systems erhöht und zudem die Ölerwärmung reduziert. Die Verwendung des Wechselrichters reduziert auch den Anlaufstrom des Motors und die Größe des Stromzählers. Der Umrichter ist so programmiert, dass er entweder im Modus mit konstanter Drehzahl (wo die Leistung unabhängig von Last- und Temperaturschwankungen gehalten wird) oder im Energiesparmodus (bei dem der Umrichter die volle Drehzahl bei einer Erhöhung der Last reduziert) läuft, wodurch weniger Strom verbraucht wird , aber die Beschleunigungs- und Verzögerungswinkel während der Fahrt in einem komfortablen Bereich halten. Es kann Korrekturmaßnahmen ergreifen, indem es das Motordrehmoment in festen Intervallen erfasst und die korrekte Leistung durch Vergleich mit den vorprogrammierten Parametern neu berechnet.

Die Installation eines solchen Systems ist einfach, da das Steuerventil dadurch vereinfacht wird, dass es keine Steuerungen in Aufwärtsrichtung hat. Die Angabe der Ölsorte und der Aufzugsdaten genügt eine Lernfahrt mit leerer Kabine, damit sich der Wechselrichter bei der Erstinstallation vollautomatisch selbst einlernt und konfiguriert. Zweitens ermöglicht ein solches Design die Renovierung einer bestehenden Installation, indem nur wenige Komponenten im Regelventil ausgetauscht und ein Wechselrichter hinzugefügt wird, wodurch es zu einem VVVF-Antrieb wird. Die Lösung ist bewusst abwärtskompatibel konzipiert, was sie bei Renovierungsarbeiten wirtschaftlich macht. Die Abwärtssteuerung wird absichtlich mechanisch gehalten, da hydraulische Aufzüge aufgrund der Schwerkraft absenken und für 80 % der Installation keine Invertersteuerung erforderlich ist.

Bei einigen Umrichterlösungen wird die vom System erzeugte Energie (Umwandlung von potentieller Energie in kinetische Energie bei der Abwärtsfahrt) in einen Widerstand gebrannt, der eine Erwärmung des Hydrauliköls verhindert. Einige verfügen über ein regeneratives System, das dazu neigt, die im Öl gespeicherte potentielle Energie in elektrische Energie umzuwandeln, die dann ins Netz eingespeist wird. Solche Lösungen sehen in Marketingbroschüren und in der Theorie ansprechend aus; jedoch übersteigen ihre Implementierungskosten (mit teilweise Amortisationszeiten von mehr als 30 Jahren), die Komplexität und der praktische Nutzen sowie die Schwierigkeit, die verfügbare Infrastruktur für sie sicherzustellen, ihre Vorteile.

Energiesparen

Aufzugsberater und Architekten werden häufig mit wichtigen Fragen bezüglich Amortisationszeit und Energieeinsparungen durch Endverbraucher konfrontiert. Während die Anzahl der Zyklen, die der Aufzug pro Tag macht, ein wichtiger Entscheidungsfaktor für die Energieeinsparung ist, ist es ebenso wichtig, Folgendes zu wissen:

Abbildung 7 zeigt die Energieeinsparungen in Bezug auf die Anzahl der Zyklen pro Tag und die Amortisationsdauer. Darin kann ein klarer Vergleich zwischen verschiedenen Situationen, wie z. Wie gezeigt, werden beim Betrieb eines Wechselrichters mit einem Standby-Energieverbrauch von 26 W im Energiesparmodus 44 % Energie eingespart, bei einer Amortisationszeit von drei Jahren.

Fazit

Die Energieeffizienz von Aufzügen ist nur einer von vielen Parametern für die Bewertung von umweltfreundlichen Aufzügen; Eine vollständige Ökobilanz ist die richtige Methode, um festzustellen, ob der Aufzug energieeffizient ist. VVVF-Hydrauliksysteme der neuen Generation sollen nicht nur die vorteilhaften Eigenschaften herkömmlicher hydraulischer Aufzüge aufweisen, sondern auch in der Lage sein, Last- und Öltemperaturschwankungen auszugleichen und einen minimalen Standby-Stromverbrauch zu haben. Die Systemsoftware sollte verschiedene Betriebsmodi wie Konstantgeschwindigkeitsmodus, Energiesparmodus usw. bieten, damit der Benutzer eine geeignete Betriebsmethode für seine individuellen Bedürfnisse auswählen kann.

Referenzen
[1] Dr. K. Ferhat Celik. Elevcon 2012. „Eine Methode zur Last- und Temperaturkompensation für umweltfreundliche Hydraulikaufzüge durch Wechselrichter.“
[2] Dr. K. Ferhat Celik. 2. Symposium für Aufzugs- und Fahrtreppentechnologien, September 2012. „Wirtschaftlich effiziente grüne Hydraulikaufzüge.“