Los estudios en Europa y la directriz de eficiencia energética VDI 4707

Tras la investigación sobre el consumo de energía de los ascensores, se ha desarrollado una directriz voluntaria que define los procedimientos de medición de la energía de los ascensores.

urs lindegger
Schindler Aufzüge AG, Suiza

RESUMEN

La tendencia hacia la sostenibilidad y la eficiencia energética no se detiene cuando se trata de ascensores. El estudio realizado por la oficina federal de energía de Suiza en 2005 asumió un papel pionero en la investigación del consumo de energía de los ascensores. Dentro del programa Intelligent Energy Europe de la Comisión Europea, el proyecto de ascensores y escaleras mecánicas energéticamente eficientes siguió la investigación.

Teniendo en cuenta todo el trabajo disponible, la asociación de ingenieros alemanes VDI ha desarrollado una guía voluntaria que define los procedimientos de medición de energía y una etiqueta de eficiencia energética que muestra las cifras de energía relevantes de una manera fácilmente comprensible.

1. INTRODUCCIÓN

El calentamiento global y su impacto ambiental es uno de los principales temas a los que nos enfrentamos en la actualidad. La gente quiere ser consciente de la causa, comprender la situación, identificar a los principales contaminadores y finalmente actuar para mejorar.

En 2005, como consecuencia, los ascensores se convirtieron en el centro de atención del instituto federal suizo de energía. Después de algunas discusiones, se decidió que se debe iniciar un proyecto de investigación para medir los ascensores en Suiza y estimar la energía utilizada por todos los ascensores instalados.

Tras el trabajo realizado en Suiza, el proyecto de ascensores y escaleras mecánicas energéticamente eficientes, apoyado por el programa Intelligent Energy Europe de la Comisión Europea, identificó en 2010 la demanda energética de ascensores y escaleras mecánicas en Europa y su potencial de ahorro.

La asociación de ingenieros alemanes VDI, publicó en 2009 una guía para evaluar la eficiencia energética de los ascensores. Esta directriz define una etiqueta energética para ascensores similar a la conocida de otros dispositivos. Por lo tanto, identifica cifras clave como la demanda de reserva y estima una cifra de demanda de energía anual nominal para un ascensor.

2. CUERPO PRINCIPAL

La primera pregunta que alguien podría hacer es: ¿Cuánta energía consume mi ascensor por año? La única forma de responder a esta pregunta sería colocar un contador de energía en el ascensor y medir la energía consumida después de un año. Entonces la respuesta podría ser: el año pasado su ascensor usó 830 kWh. Con el precio de la energía de 0.15 € por kWh de electricidad; esto se traduce en 124.50 €. El año que viene probablemente será lo mismo.

Obviamente, este enfoque no es práctico para obtener una respuesta rápida y se puede usar solo para ascensores ya instalados con patrones de tráfico conocidos. Quizás en el futuro, los ascensores podrían equiparse con medidores de energía individuales, pero esto llevaría años hasta que se pudiera realizar.

Por lo tanto, se tuvieron que inventar métodos para evaluar las demandas de energía de los ascensores. Esos métodos deben ser prácticos. Medios prácticos, debería ser posible realizar una medición de energía en una intervención de una a dos horas en un ascensor individual para el cliente. Evidentemente, no es muy práctico llevar un par de toneladas de carga al sitio del cliente para realizar mediciones con una cabina de ascensor cargada. Afortunadamente, debido al equilibrio del contrapeso en la mayoría de los ascensores, un viaje con un automóvil vacío da como resultado una situación extrema para el sistema de propulsión y esta situación se puede utilizar para analizar el rendimiento energético. Sin embargo, los ascensores equilibrados especiales pueden requerir un automóvil cargado para medir situaciones tan extremas para el sistema de propulsión.

Sabiendo cómo funciona el ascensor durante viajes individuales y haciendo una suposición sobre el tráfico esperado, es posible hacer estimaciones anuales de energía.

Obviamente, esas estimaciones no pueden ser tan precisas como medir el consumo de energía de un ascensor durante un período prolongado. Sin embargo, en la mayoría de los casos, las estimaciones de energía son las únicas formas posibles de dar declaraciones de energía.

El estudio de la oficina federal suiza de energía, el proyecto de investigación Ascensores y escaleras mecánicas energéticamente eficientes, la directriz VDI y el trabajo realizado en ISO / TC178 Ascensores, escaleras mecánicas y pasillos rodantes (WG10 Eficiencia energética) llegaron todos a la misma conclusión de que dos es necesario definir cifras clave:

• Energía para un viaje de referencia

• Energía utilizada cuando está parado (en espera)

En los ascensores instalados, esas dos cifras clave se pueden verificar mediante mediciones.

Para el viaje de referencia, la energía se medirá mientras el automóvil vacío viaja desde el piso más bajo hasta el piso más alto y viceversa.

La potencia de reserva se mide cuando el ascensor está parado. Sin embargo, se discutió mucho cuándo y cómo se mide esto. Una mirada más cercana muestra que el valor de la energía de reserva no es constante: los ascensores apagan la luz del automóvil, los ventiladores, eliminan la fuerza de las puertas, cargan las baterías de emergencia, se detienen para cargar el enlace de CC del convertidor de frecuencia de los variadores,….

En lugar de considerar todos los efectos y pasar por alto algunos efectos desconocidos, es más práctico medir el valor de la energía de reserva algunos minutos después de un viaje terminado.

3. RESULTADOS

Hasta el momento, se han medido alrededor de 100 ascensores en los dos estudios públicos. Los datos de las Figuras 1-2 provienen de un elevador de tracción modernizado de 630 kg, 1 m / s que da servicio a 5 pisos en una escuela con un desnivel de 12.6 m.

La curva de potencia (Figura 1) muestra un viaje de referencia desde el piso más bajo hasta el más alto y viceversa.

Dado que el coche está vacío, la bajada tiene que levantar el contrapeso y consume hasta 6 kW. Los analizadores de potencia son los instrumentos preferidos para medir tales curvas de potencia con altos cambios de potencia dinámicos y corrientes que no son sinusoidales. Si no se utiliza un equipo adecuado, el esfuerzo de medición no tiene valor, ya que la idea fundamental detrás de las mediciones es la siguiente: cuando diferentes personas con diferentes instrumentos miden el mismo ascensor, todos tienen que terminar con valores casi idénticos.

La energía es potencia a lo largo del tiempo, por lo que la curva de potencia registrada se puede integrar para obtener una curva de energía (Figura 2):

La energía utilizada para este viaje de ida y vuelta de 67 segundos es de 22 Wh. Suponiendo el precio de 0.15 € por kWh de electricidad; este viaje de referencia en un edificio residencial europeo cuesta 0.0033 €. Esto demuestra que usar las escaleras en lugar del ascensor no ahorra mucha energía.

Los ascensores EN81 también tienen un interruptor principal para la iluminación del automóvil y los circuitos dependientes. Durante el viaje de referencia, el valor de potencia medido en este punto es constantemente de 96W, ya que este valor resulta varonil de la luz del coche. Considerando el tiempo de disparo de 67 segundos, se utiliza 1.8Wh de energía adicional en este circuito durante el disparo de referencia.

La potencia de reserva de 120 W en el interruptor principal del circuito de alimentación se ha medido 5 minutos después del último disparo. Si el ascensor está equipado con iluminación tradicional, la luz de la cabina seguirá encendida 5 minutos después de un viaje y agregará 96 W adicionales a la energía de reserva. Desafortunadamente, los estudios en Europa mostraron que muchos ascensores tienen las luces del automóvil encendidas las 24 horas del día.

Apagar la luz de la cabina inmediatamente ahorraría energía, pero reduciría significativamente la vida útil de las lámparas (incandescentes o fluorescentes) y, por lo tanto, tendría un impacto negativo en la evaluación general del ciclo de vida ambiental de un ascensor.

Los valores comunes para apagar la luz del automóvil se encuentran en el área de 15 a 30 minutos. Este parámetro se puede modificar fácilmente en el software del controlador, pero requiere un conocimiento detallado del producto y tal vez incluso una herramienta especial. Las personas que realizan las mediciones de energía no conocen este producto detallado y tendrían que esperar un tiempo desconocido hasta que finalmente se apague la luz del automóvil. A menudo, y especialmente, los ascensores individuales en edificios residenciales no se pueden poner fuera de servicio durante mucho tiempo. Por lo tanto, la definición de medir el modo de espera 5 minutos después del último viaje es práctica. Esta incertidumbre en el comportamiento de la luz del coche y de los valores de standby en general, conduce a cifras de standby más elevadas. Dado que los cálculos de energía utilizan esas cifras, producirán un resultado pesimista.

Por suerte, las nuevas tecnologías ofrecen soluciones que permiten apagar las luces del coche tantas veces como se desee. Entre estas tecnologías se encuentran los LED y las lámparas fluorescentes compactas con gran resistencia al apagado.

4. DISCUSSION

El siguiente paso es: Tome las cifras de los viajes individuales medidos y utilícelas para hacer la estimación de energía anual del ascensor. Nuevamente, la energía anual utilizada por los ascensores se puede dividir en dos partes:

• Energía utilizada para mover el coche.

• Energía utilizada para permanecer quieto (Standby-Energy)

Para estimar la energía utilizada para mover el automóvil, se deben tomar las medidas de energía del viaje de referencia.

En el caso más simple, se puede medir un viaje de referencia con una cabina vacía de un elevador de tracción balanceada al 50%. Dado que a menudo no existen otras mediciones con diferente carga y distancia de viaje, se deben hacer suposiciones e interpolaciones. La Figura 3 ilustra los supuestos para obtener un modelo matemático simple:

• La energía para un viaje de referencia se utiliza solo para levantar el contrapeso (punto 1).

• Bajar el contrapeso no requiere energía (punto 2). Para los sistemas de propulsión regenerativa, se podría considerar un valor negativo.

• Un automóvil equilibrado no usa energía para moverse (Punto 3)

• Un automóvil con carga completa utiliza la misma energía para un viaje de referencia que un automóvil vacío (puntos 4 y 5).

Las otras condiciones de carga y distancias de viaje se pueden interpolar linealmente. Continuar

Para comparar la precisión del modelo simplificado, se podrían realizar más mediciones con diferentes condiciones de carga y distancias de viaje. Cada condición de carga teórica y cada distancia de viaje se pueden medir y poner en una matriz (Figura 4).

La energía para moverse de un piso a otro podría incluso depender de los pisos específicos. Para una condición de carga única, se podría crear una matriz (Figura 5).

Incluso haciendo todo este esfuerzo, aún permanece la mayor incertidumbre para estimar la energía anual. Así es como los pasajeros usan el ascensor. Por tanto, el modelo simplificado propuesto es un buen compromiso entre esfuerzo y precisión.

El viaje promedio usa una carga promedio en el automóvil y recorre una distancia promedio. Para un ascensor de tracción residencial europeo al 50% equilibrado, se puede suponer un patrón de tráfico simple (Tabla 1): 

El viaje de ida y vuelta promedio (viaje de ida y vuelta = dos viajes) utiliza, por lo tanto:

100% * 50% + 50% * 30% + 50% * 10% = 70% energía del disparo de referencia.

Para ascensores individuales en edificios residenciales europeos, la distancia media de viaje se puede considerar como la mitad del aumento.

Dado que el viaje de referencia contiene dos viajes y la distancia promedio del viaje es la mitad de la subida, la energía utilizada para un viaje promedio es ¼ de la energía del viaje promedio de ida y vuelta.

La demanda de energía anual de un elevador de tracción balanceada al 50% se puede estimar de acuerdo con la fórmula:

E_{viajes y} = ¼ norte * E_reftrip * 0.7 (1)

E_{viajes y} energía anual para viajar

E_reftrip energía utilizada para el viaje de referencia

n número de viajes por año

La demanda de energía de reserva se puede calcular de la siguiente manera:

E_{en espera} = P_{en espera} *t_{en espera} (2)

t_{en espera} = 365 días * (24 horas - t_{viajes y}) (3)

E_{en espera} energía anual para el modo de espera

P_{en espera} energía de reserva

t_{viajes y} época del año en que el ascensor 

viajes

t_{en espera} época del año en que el ascensor 

se queda quieto

5. CONCLUSIONES

Los estudios en Suiza, en la Unión Europea y VDI 4707 utilizaron modelos matemáticos similares para estimar la demanda de energía de los ascensores.

Las estimaciones de 2005 para Suiza mostraron que los aproximadamente 150,000 ascensores del país consumían alrededor de 300 GWh al año, lo que equivale al 0.5 % de la demanda eléctrica nacional. Sorprendentemente, más del 50 % de esa energía se destinaba únicamente al modo de espera. A menudo, los ascensores nuevos tienen mayor consumo en modo de espera que los antiguos. Los ascensores modernos incorporan numerosos componentes electrónicos que consumen energía en modo de espera para cumplir con los requisitos actuales de seguridad, accesibilidad y confort.

El proyecto europeo de ascensores y escaleras mecánicas energéticamente eficientes estimó un consumo total de electricidad de 18,4TWh para los ascensores. 6,7TWh están en el sector residencial, 10,9TWh en el sector terciario y solo 810GWh en el sector industrial. El proyecto también estimó el potencial de ahorro considerando las Mejores Tecnologías Disponibles (MTD) (Figura 6):

El primer escenario de BAT muestra lo que sería posible cuando todos los ascensores existentes utilizaran la tecnología disponible en la actualidad. El segundo escenario de BAT muestra una visión más visionaria, considera lo que sería posible si los ascensores tuvieran solo 1W de potencia de reserva.

6. VDI 4707

La asociación de ingenieros alemanes VDI ha considerado el trabajo de investigación disponible y ha publicado la directriz VDI 4707 que define una etiqueta energética para ascensores.

Standby y Travel tienen clasificaciones separadas (Tabla 2).

La clase de reserva se asigna directamente al valor de potencia de reserva.

La energía para un disparo de referencia depende de la longitud del eje y la carga nominal. Para eliminar estas variaciones, la energía para un viaje de referencia se divide entre la distancia de viaje recorrida y la carga nominal antes de asignarla a la Clase de demanda de viaje específica. El impacto de la carga y el tráfico se considera utilizando el factor de carga (ver Tabla 1).

Tener dos clases puede ser difícil de manejar. Por lo tanto, VDI 4707 ha definido la Clase de eficiencia energética del ascensor que combina las dos clases. Los valores de espera bajos son más importantes que los sistemas de accionamiento muy eficientes para ascensores residenciales que no viajan con mucha frecuencia. Sin embargo, en edificios con mucho tráfico, ocurre lo contrario. Por lo tanto, VDI 4707 define 5 categorías de uso (muy raras a un uso muy frecuente).

Todos los resultados y estimaciones se resumen en la etiqueta de eficiencia energética VDI 4707 (Figura 7).

Eficiencia de un ascensor

A menudo surge una pregunta: ¿cuál es el factor de eficiencia energética η de un ascensor? Los factores de eficiencia η tienen que ser unidades menos donde 100% significa la situación ideal.

Para levantar masa, ηlift se puede determinar como:

η_ascensor = (m * gramo_n * él_ascensor (4)

Para reducir la masa, se puede regenerar energía y η_revolver se puede determinar como:

η_revolver = E_revolver / (m * gramo_n * h) (5)

La energía para el viaje de referencia se puede calcular de la siguiente manera:

E_reftrip = E_ascensor - E_revolver = (m * gramo_n * h) * (1 / η_ascensor -h_revolver) (6)

Dado que no se convierte energía en el viaje de referencia, la eficiencia η_ascensor siempre sería cero. Por lo tanto, tiene sentido usar en lugar de eficiencia η_ascensor los dos factores de eficiencia η_ascensor y η_revolver.

E_ascensor Energía para levantar la masa

E_reftrip Energía para un viaje de referencia

E_revolver Energía regenerada

g_n Aceleración gravitacional (9.81 m / s²)

h Subida del ascensor

m Diferencia de masa a mover (contrapeso menos carro vacío)

η_ascensor Factor de eficiencia para levantar masa

η_revolver Factor de eficiencia para regenerar energía

7. REFERENCIAS

Nipkow, J. (2005). Publicación 250057. Demanda de electricidad y potencial de ahorro de los ascensores. Oficina Federal Suiza de Energía. 44pp

(2009). Directriz VDI 4707. Eficiencia energética de ascensores, Verein Deutscher Ingenieure. 28pp

Almeida, A. (2010). ASCENSORES Y ESCALADORAS DE EFICIENCIA ENERGÉTICA, Estimación de ahorro. Energía inteligente Europa, 15pp