Eficiencia del ascensor: ¿Se trata solo del consumo de energía del ascensor?

Una mirada a factores de eficiencia importantes más allá del consumo de energía y el uso de aceite

Los combustibles fósiles todavía se utilizan ampliamente para generar energía, a pesar de las enormes inversiones en fuentes de energía renovables. Para reducir la tasa de calentamiento global, la mejor esperanza de reducir significativamente las emisiones es utilizar la energía disponible de manera más eficiente.

Los ascensores son grandes sistemas de ingeniería, diseñados e instalados para un eje particular en un edificio. Dependiendo de su uso, desde casas privadas hasta edificios de gran altura, los ascensores consumen solo del 2 al 10% de la energía del edificio. Por lo tanto, considerar solo el consumo de energía de los ascensores puede no ser suficiente para reconocer la huella de carbono del sistema completo. Sin embargo, hoy en día, se ha dado al sector la percepción de que solo el consumo de energía y el uso de petróleo son los factores importantes a considerar. Esta percepción ha sido utilizada como herramienta de marketing por las grandes empresas de ascensores para captar el mercado de edificios bajos, que ha estado dominado por los ascensores hidráulicos.

El desarrollo más eficaz en esta área es el uso de un inversor con la máquina de sincronización de imán permanente (PMS) para controlar la velocidad de elevación. El desarrollo también se denomina tecnología "nueva" o "última" y ofrece un consumo de energía operativo considerablemente reducido. Con la introducción de la eficiencia mejorada y las características de control de conducción de las unidades sin cuarto de máquinas (MRL), se ha hecho posible instalar elevadores de tracción en edificios de poca altura. Centrándose en el tema del consumo de energía y utilizándolo como herramienta de marketing, las instalaciones de MRL han logrado ser tendencia en el mercado.

La solución MRL se ha reflejado como siempre proporcionando la solución más eficiente energéticamente, adaptándose perfectamente a cada instalación y siempre regenerando energía y volviéndola a la red. Sin embargo, los beneficios mencionados de la "nueva tecnología" existente no son notables y en su mayoría conducen a un mayor consumo de energía cuando la tecnología MRL se utiliza para ascensores de bajo uso.^{[ 1 ]} donde es posible que nunca se recupere la inversión en la nueva tecnología durante la vida útil del ascensor.^{[ 2 ]} Esto se debe al hecho de que el inversor y sus dispositivos periféricos son costosos y requieren energía para estar activos, incluso cuando el ascensor está en espera.^{[ 3 ]} Por otro lado, se espera que los desarrollos futuros en la tecnología de accionamiento, como los convertidores de matriz, reduzcan o eliminen drásticamente el consumo de energía en espera, y la competencia en el mercado obviamente reducirá los precios de los inversores. A este respecto, las propiedades de las soluciones ambientalmente adecuadas cambiarán a aquellas que son simples, económicas, fáciles de mantener, ofrecen una alta compatibilidad con los sistemas existentes y tienen un bajo consumo en espera. Se espera que encuentren amplias aplicaciones en los próximos años. Además, mientras se concentra en el consumo de energía y el uso de petróleo, siempre se ha olvidado que los ascensores MRL son los sistemas menos seguros con respecto a las instalaciones, el servicio, la robustez frente a las actividades sísmicas y el rescate de pasajeros atrapados.

Análisis del ciclo de vida

El impacto ambiental de los sistemas de ascensores ha comenzado a ganar importancia en el sector de los ascensores debido a la inclinación hacia la utilización óptima de los recursos. El análisis del ciclo de vida (LCA) es el método mediante el cual se determina el impacto ambiental de los ascensores. La vida útil de los ascensores generalmente se estima en 20-25 años. En lo que respecta a la modernización, la reutilización de componentes hidráulicos se vuelve de primordial importancia para el usuario y el medio ambiente. Muchas partes de un ascensor usado no están gastadas y pueden conservarse durante muchas décadas. Porque hay más de tres millones de elevadores hidráulicos en funcionamiento en todo el mundo, reemplazando solo los necesarios y reutilizando otros componentes existentes, en lugar de reemplazarlos todos, se reduce el impacto ambiental y se ahorra dinero.

Un estudio reciente de Hydroware Elevation Technology AB de Suecia^{[ 4 ]} sobre nuevas instalaciones de ascensores y modernizaciones para ascensores de bajo uso (un promedio de 50 viajes por día) mostró claramente que los ascensores hidráulicos son mucho más ecológicos que los de tracción. En la Figura 1, las comparaciones de impactos ambientales para nuevas instalaciones (hidráulicas y de tracción) muestran que el impacto ambiental total de un elevador hidráulico es un 7% menor que el de un elevador de tracción. En la Figura 2, los impactos ambientales se comparan entre la modernización del elevador hidráulico (categoría de uso 1) y el reemplazo completo de un elevador hidráulico por uno de tracción. Allí, el impacto ambiental con el elevador de tracción es un 43% mayor. Es decir, modernizar un elevador hidráulico de bajo uso con uno de tracción es bastante desfavorable para el medio ambiente. El estudio que se presenta en las Figuras 1 y 2 solo consideró las visitas de servicio regulares, ya que no hubo registros de tasas de falla. Agregar averías y reparaciones probablemente aumentaría aún más el impacto del elevador de tracción. En el LCA, cuando se utilizan 80 años de vida útil del edificio con el supuesto de que el ascensor se moderniza cada 20 años, el ascensor hidráulico también se vuelve más preferible desde el punto de vista medioambiental, incluso en la categoría de uso 3 (300 viajes por día).

En general, los elevadores hidráulicos son mucho más confiables que los elevadores de tracción. Por tanto, su mantenimiento genera un impacto mucho menor. Los elevadores hidráulicos tienen una construcción simple y menos componentes, los cuales funcionan en un ambiente lubricado. Esto extiende el ciclo de vida y permite menos tiempo de inactividad del sistema, lo que resulta en ahorros de costos significativos. Debe recordarse que el costo del mantenimiento de los ascensores es de dos a diez veces mayor que el consumo anual de energía. Además, la pieza de repuesto más cara de una transmisión MRL de tracción es más del 10% del costo total de la transmisión, mientras que este número es aproximadamente el 30% para el elevador hidráulico. A la luz de los resultados y evaluaciones anteriores, cuando la modernización está en cuestión, la sustitución total de un elevador hidráulico por uno de tracción sería desastroso para el medio ambiente.

Sistemas energéticamente eficientes para ascensores hidráulicos

Al lidiar con un mercado más desafiante, los fabricantes de elevadores hidráulicos han comenzado a priorizar la producción de unidades de energía de alta eficiencia energética (nueva generación) que emplean inversores. Sin embargo, la utilización de las unidades de energía de nueva generación aún no ha encontrado suficiente atractivo. Esto se debe a que, mientras se concentra en el marketing para promover soluciones de vanguardia, a menudo se han ignorado las propiedades ventajosas de los elevadores hidráulicos convencionales. Al hacerlo, se han dejado los ingredientes prácticos, confiables y de bajo costo del elevador hidráulico, mientras que se han introducido soluciones más exigentes, poco prácticas y costosas. Por lo tanto, las soluciones se han vuelto primitivas o más bien complicadas y costosas. En muchos casos, una unidad de potencia convencional con la adición de un variador (inversor) se presenta como estado de la técnica. De hecho, simplemente agregar un inversor no conduce necesariamente a un ahorro de energía. Además, emplear el inversor sin justificar su eficiencia del 95% y el consumo de energía en espera solo aumentaría las facturas de energía.

Alternativamente, existen soluciones más exigentes y costosas que, además del inversor, necesitan componentes adicionales como sensores de presión y temperatura, un medidor de flujo, un codificador, una tarjeta de control electrónico, etc. dan y lo poco que varían la temperatura del aceite, generalmente están lejos de satisfacer las necesidades reales del mercado; el tiempo de amortización prolongado (más allá del período de renovación), la dificultad para encontrar técnicos competentes y el aumento de las necesidades de servicio se vuelven pronunciados.

También se cree que el equipo más eficiente utiliza la rotura regenerativa para devolver energía eléctrica al edificio. Sin embargo, la inversión de propulsión regenerativa para un ascensor de uso bajo a medio podría ser imprudente para el medio ambiente y no podría devolver la inversión durante la vida útil. Esto significa que el equipo utilizado y el esfuerzo invertido para aumentar la eficiencia energética tendrán un impacto en el medio ambiente mayor que el que se obtiene con el sistema de eficiencia energética. Por lo tanto, si la inversión no es rentable, es poco probable que sea ecológica.

Diseño de ascensores energéticamente eficientes

Aparte de los sistemas hidráulicos energéticamente eficientes, los elevadores hidráulicos convencionales todavía se utilizan ampliamente en el mercado de ascensores de poca altura y de bajo uso debido a su costo sustancialmente bajo, fácil instalación, mantenimiento simple y alta confiabilidad. Si los puntos a continuación se han considerado bien, los elevadores hidráulicos convencionales de poca altura y bajo uso se vuelven más eficientes energéticamente que cualquier otro sistema de elevación.

• Diseño correcto del elevador: tamaño de potencia del motor y capacidad de elevación
• Coche ligero y cabestrillo, o uso de contrapeso (CW)
• Tamaño correcto de la unidad de potencia y tipo de fluido
• Caída de presión baja en el sistema hidráulico
• Selección de la válvula de control
• Correcta ventilación en la sala de máquinas

El tema puede entenderse mejor investigando un elevador típico de 630 kg (Figura 3). En la Tabla 1, se dan los detalles técnicos del ascensor. Aquí, los factores dominantes para el tamaño de un motor de 16.5 kW son el peso de la cabina y la velocidad del ascensor. Para un ascensor de seis paradas, una velocidad de 0.8 mps (157 fpm) no es, en general, habitual, a menos que haya mucho tráfico.

Una de las primeras mejoras en el Diseño I es la velocidad, porque en los edificios de poca altura, la alta velocidad del ascensor no proporciona una ventaja sustancial para mejorar el tráfico. Cuando la velocidad del elevador se reduce a 0.63 mps (124 fpm), una velocidad de 0.8 mps no mejora mucho el tiempo del ciclo, pero reducir la velocidad a 0.63 mps reduce el tamaño del motor en un 21% (Tabla 2).

Las diferencias de tiempo de viaje entre pisos consecutivos y los tiempos máximos de viaje ascendente son de solo 0.3 y 4.2 s. Estos tiempos se pueden disolver fácilmente en los tiempos de apertura de la puerta y de espera en el piso, y al aumentar la velocidad de desplazamiento hacia abajo. Los detalles del Diseño II se pueden ver en la Tabla 3.

Dado que el recorrido descendente se gestiona mediante la fuerza gravitacional en los elevadores hidráulicos, el equilibrio de tráfico requerido se puede lograr aumentando la velocidad descendente (hasta 1 mps [197 fpm]) y disminuyendo la velocidad ascendente sin necesidad de energía adicional. De esta forma, la potencia del motor, el tamaño y el consumo de energía se pueden reducir considerablemente. Esto se muestra en la Tabla 3 como Diseño III, que reduce la potencia del motor en un 44% en comparación con el Diseño I.

Los ascensores hidráulicos generalmente no poseen CW. Esto se debe a que el CW hace que el sistema de ascensor sea más complejo, aumenta los costos de instalación y elimina las ventajas de que el ascensor sea simple y fácil de instalar y mantener. Otras razones para no usar el CW son el área de la cabina de retención y los altos niveles de seguridad. En los ascensores de tracción, se utiliza un CW para compensar el peso del automóvil y el 40-50% de la carga útil.

Aunque los CW no son preferibles para su uso en ascensores hidráulicos, con el fin de reducir el consumo de energía, pueden usarse, siempre que se cumpla con un nivel de seguridad suficiente. De esta manera, el tamaño de la potencia del motor se puede reducir aún más (Figura 4). En los elevadores hidráulicos, el peso del CW se selecciona de modo que la presión mínima en el sistema no descienda por debajo de la presión mínima de trabajo de la válvula. Por lo tanto, el peso del CW de un elevador hidráulico es siempre mucho menor que el de un elevador de tracción. En la Tabla 4, los resultados de un elevador hidráulico con CW se muestran como Diseño IV. Como se ve en la Tabla 4, el uso de un CW de 648 kg reduce el diámetro del ariete a 90 mm y la potencia del motor a 8 kW (51% menos que el Diseño I). Además, la potencia del motor se puede reducir a 6.5 ​​kW utilizando un cilindro de tracción (Figura 2). En el Diseño V, la potencia del motor se reduce (5.1 kW) en un 69% con respecto al Diseño I utilizando el CW y aplicando el equilibrio del tráfico (aumentando la velocidad de desplazamiento hacia abajo y disminuyendo la velocidad de desplazamiento hacia arriba).

Uso de material compuesto: fibra de carbono

Otra mejora para reducir la potencia del motor es reducir el peso del automóvil y el bastidor del automóvil (soporte). El uso de materiales compuestos podría reducir el peso del portador en un 75% utilizando el mismo volumen de material compuesto que el acero. Además del peso del portador, otro elemento que influye en la potencia del motor es el peso del ariete. El peso del ariete puede ser bastante grande, especialmente para viajes largos y elevadores de carga pesados. Para evitar que el ariete se pandee, se utilizan diámetros de ariete grandes y paredes gruesas, que aumentan la presión del sistema. Mediante el uso de material compuesto ligero con alta resistencia al pandeo, el pistón y el peso total del cilindro se pueden reducir en un 80-90%, se pueden utilizar diámetros de pistón más pequeños y se pueden reducir los caudales de la bomba y la potencia del motor. Esta situación se muestra en el Diseño VI usando un pistón compuesto (fibra de carbono) de 80 x 5 mm (3.1 x 0.2 pulg.) Y una bomba de 95 lpm (25 gpm) (Tabla 5).

En la Figura 5 se muestra el primer prototipo de un cilindro hidráulico de fibra de carbono desarrollado por Blain Hydraulics. El objetivo del trabajo es ofrecer al sector un cilindro ligero con propiedades mecánicas mejoradas. Es posible que la longitud crítica de pandeo de las tuberías compuestas se pueda aumentar dos veces o más mediante el uso de resinas adecuadas y técnicas de fabricación correctas. Esto dará como resultado el uso de elevadores hidráulicos, incluso en edificios de mediana altura, sin la necesidad de utilizar cilindros pesados ​​y de gran diámetro.

El Diseño VI muestra que la utilización de un portador y cilindro compuestos (fibra de carbono) (sin emplear un CW) podría reducir la potencia del motor en un 58% (Tabla 5). Además del Diseño VI, la aplicación de equilibrio de tráfico (Diseño VII) reduce aún más el tamaño del motor, a 5 kW. Estos resultados muestran contribuciones positivas del uso de materiales compuestos; es decir, 70% de reducción en la potencia del motor sin usar un CW y reducir el consumo de energía a un nivel de elevación de tracción MRL.

Una válvula de control de nueva generación

Puede haber muchas formas de conectar una válvula de control con un inversor para obtener una válvula de nueva generación. La cuestión más importante es cómo ofrecer una solución económica y sencilla con buena calidad de marcha. Conociendo las necesidades del mercado y evaluando los requisitos realmente necesarios, Blain y Yaskawa EU desarrollaron una válvula de control de nueva generación, EV4-vvvf (Figura 6). Es una solución híbrida que utiliza el inversor solo para viajes ascendentes y, por lo tanto, ofrece la solución más económica y energéticamente eficiente. No tiene interfaces con sus dispositivos periféricos y no requiere sensores para la compensación de carga. Dado que el recorrido ascendente es controlado por el inversor, se eliminaron los solenoides ascendentes y los ajustes de la válvula, lo que simplifica considerablemente la configuración tanto de la válvula como del sistema. Para reducir el costo inicial y simplificar aún más los requisitos del sistema, se ha implementado el control de bucle abierto. Por lo tanto, se eliminó la necesidad de un codificador de motor sumergible costoso o un codificador en el polipasto. Todas estas mejoras permiten una amortización de entre dos y cuatro años en más de 50 ciclos por día. El beneficio real del sistema proviene del exclusivo software inversor L1000H Yaskawa, que facilita el uso del sistema, proporciona características de viaje positivas y prioriza el consumo de energía.^{[ 5 ]}

Dependiendo del uso del ascensor, el EV4-vvvf puede proporcionar ahorros de energía de hasta un 65%. Esto se debe a que ya no se produce la derivación de fluido, el tiempo de recorrido se acorta y la corriente de arranque del motor ya no es alta. Debido a eso, EV4-vvvf reduce el aumento de temperatura en un 50% y permite que el sistema funcione con altos usos de ascensor sin el problema del calentamiento del aceite.

Los ascensores hidráulicos fabricados con material compuesto y que utilizan EV4-vvvf pueden reducir el consumo de energía en un 70-80% con respecto al Diseño I. En la Tabla 6, se dan las potencias equivalentes del motor para los Diseños I, II, III y IV en el caso del 50% de la energía. El ahorro se obtiene mediante EV4-vvvf. 

Conclusiones

La percepción que se ha creado de que los ascensores hidráulicos son ineficientes y peligrosos para el medio ambiente no refleja la realidad. Los CW normalmente no se utilizan para ascensores hidráulicos, porque hacen que el sistema de ascensores sea más complejo, aumentan el costo de instalación y eliminan las ventajas de que los ascensores hidráulicos sean simples y fáciles de instalar y mantener. Por otro lado, el CW y otros métodos de diseño podrían utilizarse para reducir el consumo de energía al nivel de los elevadores de tracción LMR. Para reducir el nivel de potencia de 16.5 kW al nivel de potencia equivalente de 3 kW, se muestran diferentes medios como CW, equilibrando el tráfico de ascensores, utilizando materiales compuestos y sistemas de válvulas hidráulicas energéticamente eficientes. Además, se subraya que, cuando se consideran intervalos de modernización de 20 años, el desempeño ambiental de los elevadores hidráulicos de bajo uso es mucho mejor que el de los elevadores de tracción.

Como alternativa al CW, se puede utilizar el cilindro compuesto, que aumenta la resistencia al pandeo dos veces o más. De esa manera, la altura de servicio del elevador hidráulico se puede aumentar hasta 40 m. En la actualidad, los cilindros compuestos son costosos y solo pueden ser asequibles para aplicaciones especiales. Sin embargo, los desarrollos innovadores en la tecnología de compuestos están progresando rápidamente, y se espera que en un futuro próximo, la industria de los elevadores hidráulicos emplee más portadores y cilindros de compuestos.

Referencias
[1] Almeida, AT “Eficiencia energética de ascensores y escaleras mecánicas”, IV Congreso Europeo de Ascensores (4).
[2] Celik, KF “Consumo de energía en espera en ascensores de bajo uso,” ELEVATOR WORLD India, vol. 2 (3er Trimestre 2009), p.58.
[3] Nipkow, J. “Elektrizitätsverbrauch und Einspar-Potenziale bei Aufzügen”, SAFE (2005).
[4] www.hidroware.de/lib/get/file.php?id=155f9221554af7
[5] Celik, KF “Diseño y control de válvulas de ascensor electrónicas”, Tecnología de ascensores 17: Actas de Elevcon 2008 (2008), p.34-45.