Strategie di risparmio energetico e operativo

Vantaggi dei progetti di modernizzazione per azionamenti di scale mobili e marciapiedi mobili

La maggior parte delle parti interessate del settore dei trasporti verticali - e le persone in generale - sono sempre più impegnate nella protezione dell'ambiente. Pertanto, l'uso responsabile ed e-ciente dell'energia è un elemento importante da considerare.

Da una prospettiva più ampia, dobbiamo guardare alla valutazione del ciclo di vita (LCA), a partire dalla fase iniziale di progettazione dei nuovi prodotti. Tuttavia, questo dovrebbe essere fatto anche per la modernizzazione del prodotto, per comprendere meglio i vari benefici/conseguenze degli aggiornamenti delle macchine. Non presenteremo una LCA completa qui, ma presenteremo i vantaggi più interessanti della modernizzazione degli azionamenti di scale mobili e marciapiedi mobili con variatori di tensione e velocità, in termini di risparmio energetico e altri costi operativi, nonché impatto sulla vita del prodotto.

Opzioni per unità di 10-15 anni

Scale mobili e marciapiedi mobili realizzati negli ultimi 10-15 anni hanno spesso azionamenti/invertitori a tensione e frequenza variabile (VVVF). Tali macchine normalmente passano dalla loro velocità nominale di 0.5 mp a 0.2 mp durante i periodi di assenza dei passeggeri. Il rilevamento del passeggero è normalmente effettuato da un sensore fotocellula a fascio luminoso nel battiscopa in prossimità della linea di intersezione del pettine (dove i gradini iniziano a muoversi). Questo è noto come "velocità nominale — bassa velocità" (NL). Solo una parte relativamente piccola delle scale mobili esistenti è dotata di sensori in grado di rilevare le persone a 1.3-1.8 m prima di salire a bordo.

Questo è un requisito, dalla EN 115, affinché le unità si fermino completamente e attendano l'arrivo del prossimo gruppo di passeggeri. Questo è noto come "velocità nominale — bassa velocità — standby" (NLS).

Pertanto, le parti interessate responsabili del funzionamento di tali macchine potrebbero considerare il passaggio da NL a NLS, che, come descritto sopra, è normalmente possibile aggiungendo fotocellule autoriflettenti o sensori radar agli ingressi del corrimano vicini (integrati sugli ingressi o fissati alle piastre del pavimento qui vicino).

Opzioni per unità di 15-30 anni

Le unità in questo segmento di età normalmente funzionano sempre alla velocità nominale (N). Una scala mobile può essere modernizzata per operazioni NL o NLS. Sebbene possa anche essere aggiornato al funzionamento NS, ciò non verrà presentato qui, poiché il funzionamento NS presenta alcuni svantaggi dovuti allo stress sui componenti meccanici durante i processi di avvio/arresto.

Questo potrebbe essere mitigato da un soft starter NS, ma i costi si avvicinano a quelli di aggiornamenti più potenti basati su unità a velocità variabile, come NL e NLS. Questo è chiaramente il segmento di età con i maggiori potenziali di risparmio energetico e operativo.

Opzioni per 30 anni in più Unità

Una diversa strategia di modernizzazione potrebbe essere adottata per le scale mobili di età superiore ai 30 anni. Normalmente includerebbe un aggiornamento completo del sistema di controllo, una ristrutturazione completa o una sostituzione.

Come prendere la decisione migliore

La decisione migliore sarà determinata in primo luogo dalle caratteristiche del traffico passeggeri, in termini di quantità e tipo (flusso di passeggeri piccolo e continuo rispetto a lotti di ingresso passeggeri grandi e periodici).

Sapremo quanta energia verrà risparmiata dopo ogni tipo di ammodernamento (da N a NL, da N a NLS e da NL a NLS) con una precisione del ±10% e lo stesso per le riduzioni della distanza percorsa, che è fortemente correlata ai costi operativi e vita residua.

Una nota sulle unità rigenerative: poiché ci sono pochissimi momenti in cui si verifica la rigenerazione, il tuo autore stima che i watt di rigenerazione all'ora in un giorno non siano significativi rispetto al consumo di energia di un intero viaggio.

Esempio di misurazione del carico dei passeggeri

Esistono diversi metodi per la registrazione del carico e del tra-c e quello con cui il tuo autore è più familiare è la misurazione della potenza attiva utilizzando un analizzatore di potenza trifase.

Supponiamo che la scala mobile A sia una scala mobile a traffico medio-alto dotata di un motore da 30 kW. Dal grafico dell'analisi della potenza attiva della Figura 1, scopriamo qualcosa di applicabile, in generale, per scale mobili e marciapiedi mobili:

• I motori funzioneranno durante i picchi di tra–c al 30-50% della loro capacità nominale poiché i motori sono normalmente dimensionati per il trasporto di due passeggeri per passaggio, mentre la realtà mostra che nei picchi di tra–c c'è un passeggero ogni due passaggi su lato destro (“passeggeri statici”) e un passeggero ogni 3 o 4 gradini sul lato sinistro che cammina sui gradini.
• Durante le ore normali, i motori funzionano al 15-25% della loro capacità.
• Durante le ore a basso traffico, questa capacità è solo del 10-15%.

Fattore di potenza

Una conseguenza di quanto sopra è che il fattore di potenza del motore è molto basso per le scale mobili start-delta che funzionano sempre a N. Ciò si traduce in elevate perdite resistive e magnetiche del motore, poiché funziona a 0.5 mps con una tensione di ingresso di 400 ACV a 50 Hz, mentre la richiesta di coppia è molto bassa rispetto alla capacità nominale.

Il fattore di potenza è di appena 0.1-0.2 e l'elevata potenza reattiva sta sovraccaricando le linee di alimentazione elettrica, causando perdite resistive anche sul lato alimentazione. La Figura 3 mostra le differenze del fattore di potenza tra motori identici controllati da stella-triangolo (N) e VVVF in entrambe le direzioni in alto e in basso.

L'azionamento VVVF (inverter) migliora il fattore di potenza. Se la modalità eco dell'inverter interno è attivata, l'alimentazione di tensione al motore verrà regolata alla coppia richiesta. Questo significa risparmiare energia anche a velocità nominale costante, circa 400 W per un motore da 15 kW e 300 W per uno da 11 kW. Questi risparmi molto significativi equivalgono al 15% del consumo totale di potenza del motore a 0.5 mps (senza carico di passeggeri).

Calcolo del traffico da dati di potenza attiva

Se i dati sulla potenza attiva vengono elaborati con cura, possiamo ottenere il numero di passeggeri che viaggiano nella scala mobile con una precisione decente. Possiamo anche ottenere informazioni sullo stato di carico/scarico delle scale mobili con elevata precisione. Ciò sarà utile per la simulazione di diverse opzioni di risparmio energetico come NL e NLS. Anche se disponiamo di dati da una scala mobile in funzionamento NL, possiamo determinare il tra–c e la potenza necessaria se l'inverter è guasto e/o bypassato, degradando in funzionamento N.

La scala mobile A di esempio incorpora un azionamento VVVF (inverter) realizzato con una riduzione della potenza attiva a 2.3 kW dopo l'assenza di passeggeri negli ultimi tre punti (30 s).

Possiamo capire che i risparmi per ogni strategia non sono gli stessi dai seguenti dati:

Scala mobile A (verso l'alto, profilo tra–c medio-alto):

• Da N a NL: risparmio energetico giornaliero di 17 kWh (25% su N)
• Da NL a NLS: risparmio energetico giornaliero di 10 kWh (15% su N)
• Da N a NLS: risparmio energetico giornaliero di 27 kWh (40% su N) Scala mobile B (direzione discendente, profilo basso tra–c):
• Da N a NL: risparmio energetico giornaliero di 17 kWh (38% su N)
• Da NL a NLS: risparmio energetico giornaliero di 18 kWh (41% su N)
• Da N a NLS: risparmio energetico giornaliero di 35 kWh (79% su N)

I risparmi dipendono fortemente dal tra–c delle scale mobili (numero di passeggeri) e dal modo in cui entrano (un flusso piccolo e continuo rispetto a grandi lotti periodici). Un esempio di flusso di passeggeri piccolo e semi-continuo è una scala mobile verso il basso tra il livello della strada e il corridoio della stazione in un sistema sotterraneo, mentre un esempio di grandi lotti periodici sarebbe una scala mobile verso l'alto dalla piattaforma del treno alla sala.

Prendere la decisione

Una volta che sappiamo quanti kilowattora e quanti chilometri al giorno risparmieremo grazie alla simulazione di diverse strategie di risparmio energetico e operativo, siamo in una buona posizione per tradurli in dati di protezione economica e ambientale (riduzione dell'impronta di carbonio). Saremo anche in una buona posizione per calcolare se siamo riusciti a migliorare la classificazione energetica secondo ISO 25754:3-2015. Insieme, questo ci aiuterà a prendere la decisione migliore sulla strategia di modernizzazione.

I risparmi sono fortemente legati a schemi di tra–c specifici per ogni unità, inclinazione in altezza e velocità della scala mobile o del tappeto mobile. Pertanto, si suggerisce di non utilizzare valori percentuali standard per il risparmio ma, invece, seguire una buona analisi del tra-c basata su misurazioni reali della potenza di scale mobili o marciapiedi mobili entro una settimana, o almeno un giorno lavorativo e un giorno del fine settimana.