Gli studi in Europa e la linea guida sull'efficienza energetica VDI 4707

A seguito di una ricerca sul consumo energetico degli ascensori, è stata elaborata una linea guida volontaria che definisce le procedure di misurazione dell'energia degli ascensori.

Urs Lindegger
Schindler Aufzüge AG, Svizzera

ABSTRACT

La tendenza verso la sostenibilità e l'efficienza energetica non si ferma quando si parla di ascensori. Lo studio condotto dall'Ufficio federale svizzero dell'energia nel 2005 ha svolto un ruolo pionieristico nella ricerca sul consumo energetico degli ascensori. Nell'ambito del programma "Energia Intelligente per l'Europa" della Commissione Europea, il progetto "Energy-Efficient Elevators and Escaletors" ha proseguito la ricerca.

Considerando tutto il lavoro disponibile, l'associazione degli ingegneri tedeschi VDI ha sviluppato una linea guida volontaria che definisce le procedure di misurazione dell'energia e un'etichetta di efficienza energetica che mostra i dati energetici rilevanti in un modo facilmente comprensibile.

PREMESSA

Il riscaldamento globale e il suo impatto ambientale sono tra i principali temi che affrontiamo oggi. Le persone vogliono essere consapevoli delle cause, comprendere la situazione, identificare i principali inquinatori e, infine, agire per migliorare la situazione.

Nel 2005, di conseguenza, gli ascensori sono stati al centro dell'attenzione dell'Istituto Federale Svizzero dell'Energia. Dopo alcune discussioni, è stato deciso di avviare un progetto di ricerca per misurare gli ascensori in Svizzera e stimare l'energia utilizzata da tutti gli ascensori installati.

Facendo seguito al lavoro svolto in Svizzera, nel 2010 il progetto Energy-Efficient Elevators and Escalators, sostenuto dal programma Intelligent Energy Europe della Commissione Europea, ha individuato il fabbisogno energetico di ascensori e scale mobili in Europa e il relativo potenziale di risparmio.

L'associazione degli ingegneri tedeschi VDI ha pubblicato nel 2009 una linea guida per la valutazione dell'efficienza energetica degli ascensori. Questa linea guida definisce un'etichetta energetica per gli ascensori, simile a quella utilizzata per altri dispositivi. Identifica quindi parametri chiave come il consumo in standby e stima un valore nominale del fabbisogno energetico annuo di un ascensore.

2. CORPO PRINCIPALE

La prima domanda che qualcuno potrebbe porsi è: quanta energia consuma il mio ascensore all'anno? L'unico modo per rispondere a questa domanda sarebbe quello di installare un contatore di energia all'ascensore e misurare l'energia consumata dopo un anno. La risposta potrebbe quindi essere: l'anno scorso il tuo ascensore ha consumato 830 kWh. Con un prezzo dell'energia di 0.15 € per kWh, questo si traduce in 124.50 €. L'anno prossimo sarà probabilmente lo stesso.

Questo approccio ovviamente non è pratico per ottenere una risposta rapida e può essere utilizzato solo per ascensori già installati con schemi di traffico noti. Forse in futuro gli ascensori potrebbero essere dotati di contatori di energia individuali, ma ci vorranno anni prima che possa essere realizzato.

Pertanto, è stato necessario inventare metodi per valutare il fabbisogno energetico degli ascensori. Tali metodi devono essere pratici. Pratici significa che dovrebbe essere possibile eseguire una misurazione energetica in un intervento di una o due ore su un singolo ascensore del cliente. Ovviamente, non è molto pratico portare un carico di un paio di tonnellate presso il cliente per eseguire le misurazioni con una cabina carica. Fortunatamente, a causa del bilanciamento del contrappeso presente nella maggior parte degli ascensori, una corsa con una cabina vuota si traduce in una situazione estrema per il sistema di azionamento e questa situazione può essere utilizzata per analizzare le prestazioni energetiche. Tuttavia, ascensori con bilanciamento speciale potrebbero richiedere una cabina carica per misurare tali situazioni estreme per il sistema di azionamento.

Sapendo come si comporta l'ascensore durante i singoli viaggi e facendo un'ipotesi sul traffico previsto, è possibile fare stime energetiche annuali.

Ovviamente quelle stime non possono essere precise come misurare il consumo energetico di un ascensore per un lungo periodo. Tuttavia, nella maggior parte dei casi, le stime energetiche sono gli unici modi possibili per fornire dichiarazioni energetiche.

Lo studio dell'Ufficio federale dell'energia, il progetto di ricerca Ascensori e scale mobili a basso consumo energetico, la direttiva VDI e il lavoro svolto nell'ambito dell'ISO/TC178 Ascensori, scale mobili e marciapiedi mobili (WG10 Efficienza energetica) sono giunti tutti alla stessa conclusione: è necessario definire due parametri chiave:

• Energia per un viaggio di riferimento

• Potenza utilizzata quando si è fermi (Standby)

Sugli ascensori installati queste due cifre chiave possono essere verificate mediante misurazioni.

Per il viaggio di riferimento, l'energia sarà misurata mentre la cabina vuota viaggia dal piano più basso all'ultimo piano e viceversa.

La potenza in standby viene misurata quando l'ascensore è fermo. Tuttavia, si è discusso molto su quando e come questa venga misurata. Un'analisi più approfondita mostra che il valore della potenza in standby non è costante: gli ascensori spengono le luci della cabina, i ventilatori, riducono la forza sulle porte, caricano le batterie di emergenza, si fermano per caricare il collegamento in corrente continua del convertitore di frequenza degli azionamenti, ecc.

Invece di considerare ogni singolo effetto e perdere alcuni effetti sconosciuti, è più pratico misurare il valore della potenza in standby alcuni minuti dopo un viaggio finito.

3. RISULTATI

Finora sono stati misurati circa 100 ascensori nei due studi pubblici. I dati delle Figure 1 e 2 provengono da un ascensore a trazione modernizzato da 630 kg e 1 m/s che serve 5 piani di una scuola con un dislivello di 12.6 m.

La curva di potenza (Figura 1) mostra un percorso di riferimento dal piano più basso a quello più alto e ritorno.

Poiché la cabina è vuota, la discesa deve sollevare il contrappeso e consuma fino a 6 kW. Gli analizzatori di potenza sono gli strumenti preferiti per misurare tali curve di potenza con elevate variazioni dinamiche e correnti non sinusoidali. Se non si utilizza un'attrezzatura adeguata, lo sforzo di misurazione non ha alcun valore, poiché l'idea fondamentale alla base delle misurazioni è la seguente: quando persone diverse che utilizzano strumenti diversi misurano lo stesso ascensore, tutti devono ottenere valori pressoché identici.

L'energia è potenza nel tempo, quindi la curva di potenza registrata può essere integrata per ottenere una curva di energia (Figura 2):

L'energia utilizzata per questo viaggio di andata e ritorno di 67 secondi è di 22 Wh. Considerando un prezzo dell'elettricità di 0.15 € per kWh, un viaggio di riferimento in un edificio residenziale europeo costa 0.0033 €. Questo dimostra che prendere le scale invece dell'ascensore non fa risparmiare molta energia.

Gli ascensori EN81 hanno anche un interruttore generale per l'illuminazione della cabina e per i circuiti dipendenti. Durante il viaggio di riferimento, il valore di potenza misurato in questo punto è costantemente 96W, poiché questo valore deriva principalmente dalla luce dell'auto. Considerando il tempo di intervento di 67 secondi, in questo circuito viene utilizzata un'energia aggiuntiva di 1.8 Wh durante l'intervento di riferimento.

La potenza in standby di 120 W sull'interruttore principale del circuito di alimentazione è stata misurata 5 minuti dopo l'ultimo intervento. Se l'ascensore è dotato di illuminazione tradizionale, la luce dell'auto sarà comunque accesa 5 minuti dopo un viaggio e aggiungerà 96 W alla potenza di standby. Sfortunatamente gli studi in Europa hanno mostrato che molti ascensori hanno le luci delle auto accese per 24 ore al giorno.

Spegnere immediatamente le luci della cabina consentirebbe di risparmiare energia, ma ridurrebbe significativamente la durata delle lampade (a incandescenza o fluorescenti) e quindi avrebbe un impatto negativo sulla valutazione complessiva del ciclo di vita ambientale di un ascensore.

I valori comuni per lo spegnimento delle luci di cabina sono compresi tra 15 e 30 minuti. Questo parametro può essere facilmente modificato nel software del controller, ma richiede una conoscenza approfondita del prodotto e forse anche uno strumento specifico. Chi esegue le misurazioni energetiche non ha questa conoscenza approfondita del prodotto e dovrebbe attendere un tempo imprecisato prima che le luci di cabina si spengano. Spesso, e soprattutto negli edifici residenziali, i singoli ascensori non possono essere messi fuori servizio per un lungo periodo. Pertanto, la definizione di misurare lo standby 5 minuti dopo l'ultima corsa è pratica. Questa incertezza nel comportamento delle luci di cabina e nei valori di standby in generale, porta a valori di standby più elevati. Poiché i calcoli energetici utilizzano questi valori, produrranno un risultato pessimistico.

Fortunatamente, le nuove tecnologie offrono nuove soluzioni che consentono di spegnere le luci dell'auto tutte le volte che si desidera. Tra queste tecnologie figurano i LED e le lampade fluorescenti compatte con elevata resistenza agli sbalzi di tensione.

4. DISCUSSIONE

Il passo successivo è: prendere i dati delle singole corse misurate e utilizzarli per calcolare la stima annuale dell'energia consumata dall'ascensore. Anche in questo caso, l'energia consumata annualmente dagli ascensori può essere suddivisa in due parti:

• Energia utilizzata per muovere l'auto

• Energia utilizzata per stare fermi (Standby-Energy)

Per stimare l'energia utilizzata per spostare l'auto, devono essere prese le misurazioni dell'energia del viaggio di riferimento.

Nel caso più semplice, è possibile misurare una corsa di riferimento con cabina vuota di un ascensore a trazione bilanciato al 50%. Poiché spesso non sono disponibili altre misurazioni con carico e distanza di percorrenza diversi, è necessario effettuare ipotesi e interpolazioni. La Figura 3 illustra le ipotesi per ottenere un semplice modello matematico:

• L'energia per un viaggio di riferimento viene utilizzata solo per sollevare il contrappeso (Punto 1).

• L'abbassamento del contrappeso non richiede energia (Punto 2). Per i sistemi di azionamento rigenerativo si potrebbe considerare un valore negativo.

• Un'auto equilibrata non usa energia per muoversi (Punto 3)

• Un'auto a pieno carico utilizza per un viaggio di riferimento la stessa energia di un'auto vuota (Punti 4 e 5).

Le altre condizioni di carico e le distanze di viaggio possono essere interpolate linearmente. Continua a leggere

Per confrontare l'accuratezza del modello semplificato, è possibile effettuare più misurazioni con diverse condizioni di carico e distanze di spostamento. In teoria, ogni condizione di carico e ogni distanza di spostamento potrebbero essere misurate e inserite in una matrice (Figura 4).

L'energia necessaria per spostarsi da un piano all'altro potrebbe persino dipendere dai piani specifici. Per una singola condizione di carico si potrebbe creare una matrice (Figura 5).

Anche con tutti questi sforzi, la maggiore incertezza nella stima dell'energia annuale rimane: il modo in cui i passeggeri utilizzano l'ascensore. Il modello semplificato proposto rappresenta quindi un buon compromesso tra impegno e accuratezza.

Il viaggio medio utilizza un carico medio in cabina e percorre una distanza media. Per un ascensore a trazione elettrica residenziale europeo bilanciato al 50%, si può ipotizzare un semplice schema di traffico (Tabella 1): 

Il viaggio medio di andata e ritorno (andata e ritorno = due corse) utilizza quindi:

100% * 50% + 50% * 30% + 50% * 10% = 70% di energia del viaggio di riferimento.

Per i singoli ascensori negli edifici residenziali europei, la distanza media di percorrenza può essere considerata la metà dell'aumento.

Poiché il viaggio di riferimento contiene due viaggi e la distanza media del viaggio è pari alla metà della salita, l'energia utilizzata per un viaggio medio è ¼ dell'energia di un viaggio di andata e ritorno medio.

Il fabbisogno energetico annuo di un ascensore a fune bilanciato al 50% può essere stimato secondo la formula:

E_viaggiare = ¼ n * E_riftrip * 0.7 (1)

E_viaggiare energia annuale per viaggiare

E_riftrip energia utilizzata per il viaggio di riferimento

n numero di viaggi all'anno

La richiesta di energia in standby può essere calcolata come segue:

E_stby = P_stby * T_stby (2)

t_stby = 365 giorni * (24 ore - t_viaggiare) (3)

E_stby energia annuale per lo standby

P_stby alimentazione in standby

t_viaggiare periodo dell'anno in cui l'ascensore 

viaggia

t_stby periodo dell'anno in cui l'ascensore 

rimane immobile

5. CONCLUSIONI

Gli studi in Svizzera, nell'Unione Europea e VDI 4707 hanno utilizzato modelli matematici simili per stimare il fabbisogno energetico degli ascensori.

Le stime del 2005 per la Svizzera indicavano che i circa 150,000 impianti di ascensore presenti nel paese consumavano circa 300 GWh all'anno, pari allo 0.5% del fabbisogno energetico nazionale. Sorprendentemente, oltre il 50% di questo consumo energetico veniva utilizzato solo in modalità standby. Spesso, i nuovi ascensori consumano più energia in standby rispetto a quelli più vecchi. I nuovi ascensori sono dotati di numerosi componenti elettronici che consumano energia in modalità standby per soddisfare gli attuali requisiti di sicurezza, accessibilità e comfort.

Il progetto europeo "Energy-Efficient Elevators and Escalators" ha stimato un consumo totale di elettricità per gli ascensori pari a 18,4 TWh. Di questi, 6,7 TWh sono destinati al settore residenziale, 10,9 TWh al settore terziario e solo 810 GWh al settore industriale. Il progetto ha inoltre stimato il potenziale di risparmio energetico considerando le migliori tecnologie disponibili (BAT) (Figura 6):

Lo scenario BAT 1st mostra cosa sarebbe possibile quando tutti gli ascensori esistenti utilizzerebbero la tecnologia oggi disponibile. Lo scenario BAT 2nd mostra più una visione visionaria, considera cosa sarebbe possibile se gli ascensori avessero solo 1W di potenza in standby.

6.VDI4707

L'associazione degli ingegneri tedeschi VDI ha preso in considerazione il lavoro di ricerca disponibile e ha pubblicato la linea guida VDI 4707 che definisce un'etichetta energetica per gli ascensori.

Le modalità Standby e Travel hanno classificazioni separate (Tabella 2).

La classe di standby è assegnata direttamente al valore della potenza di standby.

L'energia per una corsa di riferimento dipende dalla lunghezza del vano e dal carico nominale. Per eliminare queste variazioni, l'energia per una corsa di riferimento viene quindi divisa tra la distanza percorsa e il carico nominale prima di essere assegnata alla Classe di Domanda di Corsa Specifica. L'impatto del carico e del traffico viene considerato utilizzando il fattore di carico (vedere Tabella 1).

Gestire due classi potrebbe essere difficile. Pertanto, la norma VDI 4707 ha definito la Classe di Efficienza Energetica dell'ascensore che combina le due classi. Per gli ascensori residenziali che non vengono utilizzati molto frequentemente, bassi valori di standby sono più importanti di sistemi di azionamento molto efficienti. Tuttavia, negli edifici ad alto traffico, è vero il contrario. Pertanto, la norma VDI 4707 definisce 5 categorie di utilizzo (da molto raramente a molto frequente).

Tutti i risultati e le stime sono riassunti nell'etichetta di efficienza energetica VDI 4707 (Figura 7).

Efficienza di un ascensore

Spesso sorge una domanda, qual è il fattore di efficienza energetica di un ascensore? I fattori di efficienza η devono essere inferiori all'unità dove 100% indica la situazione ideale.

Per sollevare una massa, ηlift può essere determinato come:

η_sollevamento = (m*g_n * lui_sollevamento (4)

Per abbassare la massa, l'energia può essere rigenerata e η_mescolare può essere determinato come:

η_mescolare = E_mescolare / (m*g_n * h) (5)

L'energia per il viaggio di riferimento può essere calcolata come segue:

E_riftrip = E_sollevamento - E_mescolare = (m*g_n * h) * (1/η_sollevamento - H_mescolare) (6)

Poiché nessuna energia viene convertita nel viaggio di riferimento, l'efficienza η_ascensore sarebbe sempre zero. Quindi ha senso usare invece di efficienza η_ascensore i due fattori di efficienza η_sollevamento e_mescolare.

E_sollevamento Energia per sollevare la massa

E_riftrip Energia per un viaggio di riferimento

E_mescolare Energia rigenerata

g_n Accelerazione gravitazionale (9.81 m/s²)

h Salita dell'ascensore

m Differenza di massa da spostare (contrappeso meno carro vuoto)

η_sollevamento Fattore di efficienza per sollevare massa

η_mescolare Fattore di efficienza per rigenerare l'energia

7. RIFERIMENTI

Nipkow, J. (2005). Pubblicazione 250057. Domanda di elettricità e potenziale di risparmio degli ascensori. Ufficio federale dell'energia. 44 pp.

(2009). Direttiva VDI 4707. Ascensori Efficienza energetica, Verein Deutscher Ingenieure. 28 pagg

Almeida, A. (2010). ASCENSORI E SCALE MOBILI A EFFICIENZA ENERGETICA, Stima dei risparmi. Intelligent Energy Europe, 15pp.