O impacto estratégico do balanceamento de contrapesos

Otimização da eficiência energética de elevadores de acordo com a norma ISO 25745

Por Eng. Mantovani

A eficiência energética dos elevadores representa um parâmetro cada vez mais decisivo nas especificações de licitações, onde a classe energética figura como uma restrição contratual. Este artigo explica como a otimização do balanceamento do contrapeso permite a melhoria da classificação energética do sistema, analisando a transição do balanceamento tradicional de 50% para configurações alternativas, especificamente com balanceamento de 30%.

Introdução e análise do comportamento de utilização de elevadores

O Paradoxo do Equilíbrio Tradicional

Os sistemas de elevadores são convencionalmente balanceados a 50%, o que significa que o contrapeso é igual ao peso da cabina mais 50% da carga nominal. Nessa configuração, quando a cabina transporta metade da carga máxima, o sistema está perfeitamente balanceado e o movimento do elevador não requer energia (desconsiderando o atrito). No entanto, quando a cabina está vazia ou totalmente carregada, a demanda de energia durante o transporte atinge valores máximos.

Essa abordagem de balanceamento minimiza as dimensões da máquina de tração em plena carga, mas não representa necessariamente a opção mais eficiente em termos de energia.

Análise Comportamental do Uso Diário

Uma análise simples do comportamento diário revela alguns aspectos significativos:

• Predominância de cabines vazias: Na maioria dos casos, o elevador opera vazio.
• Evitar superlotação: Quando o vagão parece excessivamente lotado, os usuários tendem a esperar pela próxima viagem.
• Utilização insuficiente: Mesmo em condições de "percepção de superlotação", a carga real permanece significativamente menor que a capacidade máxima permitida.

Essas estatísticas brutas indicam claramente que os elevadores operam predominantemente com cabines vazias e muito raramente com carga máxima. Consequentemente, se o sistema consome energia máxima justamente na condição de operação mais frequente (cabine vazia), a eficiência energética geral não é ideal.

Fundamentos Regulatórios 

Princípios da Norma ISO 25745

A norma ISO 25745 define a classificação energética de elevadores através de medições de energia real durante as fases de funcionamento e de espera, posteriormente ponderadas utilizando coeficientes estatísticos para estimar o consumo energético diário e anual.

Neste artigo, vamos nos concentrar no aspecto do consumo de energia em funcionamento, onde a norma exige a medição do consumo de energia nos terminais de entrada do painel de controle durante viagens de ida e volta com o veículo vazio.

Metodologia de Cálculo

A partir das medições do veículo vazio, são aplicados coeficientes corretivos para estimar o consumo médio diário, com base em:

• Perfil de tráfego do sistema
• Número de andares atendidos
• Carga avaliada
• porcentagem de equilíbrio
• Estimativa do consumo diário de energia
• Energia específica por metro percorrido e quilograma de carga

Implicações energéticas: Uma vez que a medição de referência é realizada com o veículo vazio, uma redução no consumo nessas condições se traduz diretamente em uma melhoria na classificação energética final.

Para melhor compreender o impacto do balanceamento, vamos realizar uma análise teórica da energia necessária em uma viagem completa, negligenciando as perdas por atrito e na máquina de tração em um elevador típico.

Análise teórica de equilíbrio:

Caso 1

50% de balanceamento → Contrapeso (CWT) = 1450 kg

Consumo de energia com o veículo vazio = (CWT - P) × g × deslocamento = (1450-950) × 9.81 × 75 = 368 kJ = 102 Wh

Consumo de energia com o tanque vazio = 0 Wh (sistema tradicional com dissipação de energia no resistor de frenagem)

Caso 2

30% de balanceamento → CWT = 1250 kg

Consumo de energia com o veículo vazio = (CWT - P) × g × deslocamento = (1250-950) × 9.81 × 75 = 221 kJ = 61 Wh

Consumo de energia com o tanque vazio = 0 Wh (sistema tradicional com dissipação de energia no resistor de frenagem)

Caso 3

0% de balanceamento → CWT = 950 kg

Consumo de energia com o veículo vazio = (CWT - P) × g × deslocamento = (950-950) × 9.81 × 75 = 0 Wh

Consumo de energia com o tanque vazio = 0 Wh (sistema tradicional com dissipação de energia no resistor de frenagem)

Resultado: A vantagem energética da redução do balanceamento é imediatamente evidente, mesmo a partir desta análise teórica simplificada.

Implicações das máquinas de tração

Cálculo do torque necessário

No entanto, o balanceamento da redução resulta inevitavelmente em um aumento do torque que a máquina de tração deve fornecer:

Caso 1

50% de balanceamento

Torque da máquina = (Q + P - CWT) × g × DP/2000 = (1000+950- 1450) × 9.81 × 400/2000 = 981 Nm

Caso 2

30% de balanceamento

Torque da máquina = (1000+950-1250) × 9.81 × 400/2000 = 1373 Nm Caso 3

0% de balanceamento

Torque da máquina = (1000+950-950) × 9.81 × 400/2000 = 1962 Nm

Impacto econômico e dimensional

Como as dimensões e o custo da máquina de tração e do sistema de freio estão intimamente relacionados ao torque necessário, esse parâmetro assume uma relevância econômica significativa no projeto do sistema.

Restrições regulatórias: Tração em meios de suspensão

Criticidade de tração

A redução do balanceamento impacta significativamente as condições de verificação da tração média da suspensão de acordo com a norma EN 81-20, particularmente quando as seguintes condições se tornam mais críticas:

• Teste de tração a 125% da carga nominal
• Parada de emergência durante descida com carga máxima

Essas verificações tornam-se progressivamente mais difíceis de satisfazer à medida que a porcentagem de balanceamento diminui. Portanto, é necessário identificar o equilíbrio ideal entre a máxima eficiência energética, a otimização do custo/tamanho da máquina e o cumprimento dos requisitos de tração média da suspensão.

Análise experimental: cálculos reais com todos os parâmetros.

Segue abaixo um cálculo completo de acordo com a norma ISO 25745, considerando atrito, perdas e consumo auxiliar (portas, painel de controle).

Configuração de balanceamento de 50%

Resultados energéticos:

• Consumo diário estimado de energia [Wh]: 26.074 Wh → Classe energética B
• Energia Específica de Funcionamento ESPC [MW/(KG·M)]: 1.02 mWh/(Kgm) -> Nível 2
• Consumo anual estimado de energia: 9.517 kWh

A máquina sem engrenagens selecionada para esta configuração tem uma eficiência de 78%, mas mesmo com uma máquina ideal (eficiência de 100% — o que não é realmente alcançável), Ed, seriam 21.614 Wh, insuficientes para atingir a classe A (<18.580 Wh).

Configuração de balanceamento de 30%

Resultados energéticos:

• Consumo diário estimado de energia Ed [Wh]: 18.352 Wh → Classe energética A
• Energia específica de funcionamento ESPC [MW/(KG·M)]: 0,71 mWh/(Kgm) -> Nível 1
• Consumo anual estimado de energia: 6.698 kWh

Análise Econômica e Técnica Final

• Economia anual de energia: 9.517 - 6.698 = 2.819 kWh
• Economia anual: 2.819 kWh × €0.287/kWh = €810 (com base no custo médio da eletricidade na Europa)
• Seleção das máquinas de tração: As configurações alternativas recomendadas exigem a instalação de máquinas sem engrenagens de maior porte, porém a significativa economia de energia permite amortizar integralmente o custo mais elevado das máquinas já no primeiro ano de operação. A sustentabilidade econômica e ambiental da revisão do balanceamento fica claramente demonstrada.
• Conformidade com as normas: A norma EN 81-20 para tração é totalmente atendida, mesmo com balanceamento de 30%.

Conclusões e recomendações técnicas

Do ponto de vista energético, adotar o balanceamento abaixo dos tradicionais 50% representa uma solução simples, porém eficaz, para melhorar a classificação energética e reduzir os custos operacionais. Essa abordagem, tecnicamente validada, está se tornando uma estratégia preferencial para projetistas e instaladores da indústria de elevadores, permitindo-lhes dimensionar a classificação energética do sistema e obter competitividade em licitações com restrições energéticas, ao mesmo tempo que conquistam economias significativas de energia e minimizam o impacto ambiental do setor.