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

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 modo facile da capire.

Questo documento è stato presentato a Lucerna 2010, il Congresso Internazionale sulle Tecnologie di Trasporto Verticale e pubblicato per la prima volta nel libro IAEE Elevator Technology 18, a cura di A. Lustig. È una ristampa con il permesso dell'Associazione Internazionale degli Ingegneri degli Ascensori (sito web: www.elevcon.com). Questo articolo è una ristampa esatta e non è stato modificato da ELEVATOR WORLD.
Parole chiave: Energia, efficienza, standby, VDI 4707

Astratto

La tendenza verso la sostenibilità e l'efficienza energetica non si ferma quando si parla di ascensori. Lo studio dell'Ufficio federale dell'energia nel 2005 ha svolto un ruolo pionieristico nella ricerca sul consumo energetico degli ascensori. Nell'ambito del programma Intelligent Energy Europe della Commissione europea, il progetto Energy-Efficient Ascensori e scale mobili ha seguito 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.

1.Introduction

Il riscaldamento globale e il suo impatto ambientale è uno dei principali temi che affrontiamo oggi. Le persone vogliono essere consapevoli della causa, capire la situazione, identificare i principali inquinatori e infine agire per migliorare.

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.

A seguito del lavoro svolto in Svizzera, il progetto Ascensori e scale mobili a risparmio energetico, sostenuto dal Programma Energia intelligente per l'Europa della Commissione europea, ha identificato nel 2010 la domanda energetica di ascensori e scale mobili in Europa e il suo potenziale di risparmio.

L'associazione degli ingegneri tedeschi VDI, ha pubblicato nel 2009 una linea guida per valutare l'efficienza energetica degli ascensori. Questa linea guida definisce un'etichetta energetica per gli ascensori simile a quella conosciuta da altri dispositivi. Pertanto, identifica cifre chiave come la domanda in standby e stima una cifra nominale annuale di domanda di energia per 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 collegare un contatore di energia all'ascensore e misurare l'energia consumata dopo un anno. Allora la risposta potrebbe essere: l'anno scorso il tuo ascensore ha utilizzato 830 kWh. Con il prezzo dell'energia di 0.15 € per kWh di energia elettrica; 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 la domanda energetica degli ascensori. Questi metodi devono essere pratici. Mezzi pratici, dovrebbe essere possibile eseguire una misurazione dell'energia in un intervento di una o due ore su un singolo ascensore del cliente. Ovviamente non è molto pratico portare un paio di tonnellate di carico presso la sede del cliente per eseguire misurazioni con cabina ascensore carica. Fortunatamente, a causa del bilanciamento del contrappeso sulla maggior parte degli ascensori, un viaggio con la 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, speciali ascensori bilanciati possono richiedere un'auto carica per misurare situazioni così 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 energeticamente efficienti, la linea guida VDI e il lavoro svolto in ISO/TC178 Ascensori, scale mobili e marciapiedi mobili (WG10 Efficienza energetica) sono giunti alla stessa conclusione che devono essere definite due figure 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 questo viene misurato. Uno sguardo più attento mostra che il valore della potenza in standby non è costante: gli ascensori spengono la luce della cabina, i ventilatori, eliminano la forza dalle porte, caricano le batterie di emergenza, si fermano per caricare il collegamento in cc del convertitore di frequenza degli azionamenti, ….

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 seguenti dati provengono da un ascensore a trazione modernizzato da 630 kg, 1 m/s che serve 5 piani in una scuola con un dislivello di 12.6 m.

La curva di potenza mostra un viaggio di riferimento dal piano più basso fino al più alto e ritorno.

Poiché l'auto è vuota, il viaggio in 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 di potenza dinamiche e correnti non sinusoidali. Se non viene utilizzata un'attrezzatura adeguata, lo sforzo di misurazione non ha 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 finire con valori quasi identici.

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

L'energia utilizzata per questo viaggio di andata e ritorno di 67 secondi è di 22 Wh. Ipotizzando il prezzo di 0.15 euro per kWh di energia elettrica; tale viaggio di riferimento in un edificio residenziale europeo costa €0.0033. Questo dimostra che fare 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 la luce dell'auto farebbe 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 spegnere la luce dell'auto sono nell'area da 15 a 30 minuti. Questo parametro può essere facilmente modificato nel software del controller, ma richiede una conoscenza dettagliata del prodotto e forse anche uno strumento speciale. Le persone che effettuano le misurazioni dell'energia non hanno informazioni dettagliate su questo prodotto e dovrebbero attendere un tempo sconosciuto fino a quando la luce dell'auto non si spegne. Spesso e soprattutto i singoli ascensori negli edifici residenziali non possono essere messi fuori servizio per molto tempo. Pertanto la definizione per misurare lo standby 5min dopo l'ultimo viaggio è pratica. Questa incertezza nel comportamento della luce dell'auto e per i valori di standby in generale, porta a valori di standby più elevati. Poiché i calcoli energetici utilizzano tali cifre, 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 prossimo passo è: prendere i dati dai singoli viaggi misurati e usarli per fare la stima annuale dell'energia dell'ascensore. Anche in questo caso l'energia annua utilizzata 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 si può misurare un viaggio di riferimento con cabina vuota di un ascensore a fune bilanciato al 50%. Poiché spesso non esistono altre misurazioni con carico e distanza di viaggio diversi, è necessario fare ipotesi e interpolazioni. La figura seguente 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 potrebbe essere considerato 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.

Per confrontare l'accuratezza del modello semplificato, è possibile effettuare più misurazioni con diverse condizioni di carico e distanze di viaggio. Teoricamente ogni condizione di carico e ogni distanza percorsa potrebbe essere misurata e inserita in una matrice.

L'energia per spostarsi da un piano all'altro potrebbe anche dipendere dai piani specifici. Per una singola condizione di carico potrebbe essere creata una matrice:

Anche facendo tutto questo sforzo, rimane la più grande incertezza per stimare l'energia annuale. È così che i passeggeri usano l'ascensore. Il modello semplificato proposto è quindi un buon compromesso tra impegno e precisione.

Il viaggio medio utilizza il carico medio dell'auto e percorre una distanza media. Per un ascensore a trazione residenziale europeo bilanciato al 50% si può assumere un semplice schema di traffico:

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 metà dell'aumento, l'energia utilizzata per un viaggio medio è 1/4 dell'energia del viaggio medio di andata e ritorno.

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

E_viaggiare = 1/4n*E_riftrip * 0.7. . . . . . . . . . . . . . .(1)

• E_{viaggio =} 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 = potenza in standby
• t_viaggiare = periodo dell'anno in cui l'ascensore viaggia
• t_stby = periodo dell'anno in cui l'ascensore è fermo

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 di ascensori e scale mobili ad alta efficienza energetica ha stimato un consumo totale di elettricità di 18,4 TWh per gli ascensori. 6,7TWh sono nel settore residenziale, 10,9TWh nel settore terziario e solo 810GWh nel settore industriale. Il progetto ha stimato anche il potenziale di risparmio considerando le migliori tecnologie disponibili (BAT):

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.

Standby e Travel hanno classificazioni separate.

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

L'energia per uno scatto di riferimento dipende dalla lunghezza dell'albero e dal carico nominale. Per eliminare queste variazioni, l'energia per un viaggio di riferimento viene quindi divisa per la distanza percorsa e il carico nominale prima di essere assegnata alla classe di domanda di viaggio specifica. L'impatto del carico e del traffico è considerato utilizzando il fattore di carico (vedi Tabella 1)

Avere due classi potrebbe essere difficile da gestire. Pertanto VDI 4707 ha definito la Classe di Efficienza Energetica dell'ascensore che unisce le due classi. I bassi valori di standby sono più importanti dei sistemi di azionamento molto efficienti per ascensori residenziali che non viaggiano molto frequentemente. Tuttavia, negli edifici ad alto traffico, è vero il contrario. Pertanto VDI 4707 definisce 5 categorie di utilizzo (uso da molto raro a molto frequente).

Tutti i risultati e le stime sono riassunti sull'etichetta di efficienza energetica VDI 4707.

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 la massa,_sollevamento può essere determinato come:

η_sollevamento = (m*g_n * lui_sollevamento . . . . . . . . . . . . . . . . . .(4)

Per abbassare la massa, l'energia può essere rigenerata e la rigenerazione può essere determinata 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 nel viaggio di riferimento non viene convertita alcuna energia, il

efficienza_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 cabina vuota)

η_sollevamento = Fattore di efficienza per sollevare la massa

η_mescolare = Fattore di efficienza per rigenerare energia

Referenze
Nipkow, J. (2005). Pubblicazione 250057. Domanda e risparmio di elettricità
potenziale degli ascensori. Ufficio federale dell'energia. 44pp
(2009). Direttiva VDI 4707. Ascensori Efficienza energetica, Verein Deutscher
Ingegno. 28pp
Almeida, A. (2010). ASCENSORI E SCALE MOBILI AD EFFICIENZA ENERGETICA,
Stima del risparmio. Energia intelligente in Europa, 15pp