Asansör Verimliliği: Her Şey Asansörün Enerji Tüketimi mi?

Enerji tüketimi ve yağ kullanımının ötesinde önemli verimlilik faktörlerine bir bakış

Yenilenebilir enerji kaynaklarına yapılan büyük yatırımlara rağmen, fosil yakıtlar hala enerji üretmek için yaygın olarak kullanılmaktadır. Küresel ısınma oranını azaltmak için, emisyonları önemli ölçüde azaltmanın en iyi umudu, mevcut enerjiyi daha verimli kullanmaktır.

Asansörler, bir binadaki belirli bir kuyu için tasarlanmış ve kurulmuş büyük mühendislik sistemleridir. Özel konutlardan yüksek binalara kadar kullanımlarına bağlı olarak asansörler bina enerjisinin sadece %2-10'unu tüketir. Bu nedenle, asansörlerin sadece enerji tüketimini dikkate almak, tüm sistemin karbon ayak izini tanımak için yeterli olmayabilir. Ancak günümüzde sektöre sadece enerji tüketimi ve yağ kullanımının dikkate alınması gereken önemli faktörler olduğu algısı kazandırılmıştır. Bu algı, büyük asansör firmaları tarafından hidrolik asansörlerin hakim olduğu alçak yapı pazarını kavramak için bir pazarlama aracı olarak kullanılmıştır.

Bu alandaki en etkili gelişme, asansör hızını kontrol etmek için kalıcı mıknatıslı senkronizasyon (PMS) makinesine sahip bir invertörün kullanılmasıdır. Geliştirme aynı zamanda “yeni” veya “en son” teknoloji olarak da adlandırılır ve önemli ölçüde azaltılmış operasyonel enerji tüketimi sunar. Makine dairesiz (MRL) ünitelerin geliştirilmiş verimliliği ve sürücü kontrol özelliklerinin tanıtılmasıyla, alçak binalara çekişli asansörler kurmak mümkün hale geldi. Enerji tüketimi konusuna odaklanan ve bunu bir pazarlama aracı olarak kullanan MRL kurulumları piyasada trend olmayı başarmıştır.

MRL çözümü, her zaman enerji açısından en verimli çözümü sağlayan, her kuruluma mükemmel şekilde uyan ve her zaman enerjiyi yeniden üreten ve şebekeye geri veren bir çözüm olarak yansıtılmıştır. Ancak, mevcut “yeni teknolojinin” bahsedilen faydaları dikkat çekici değildir ve düşük kullanımlı asansörler için MRL teknolojisi kullanıldığında çoğunlukla daha yüksek enerji tüketimine yol açar,^[1] yeni teknolojiye yapılan yatırımın asansörün ömrü boyunca asla geri kazanılamayacağı yer.^[2] Bunun nedeni, inverterin ve çevre birimlerinin maliyetli olması ve asansör beklemedeyken bile aktif olmak için enerji gerektirmesidir.^[3] Öte yandan, matris dönüştürücüler gibi sürücü teknolojisindeki gelecekteki gelişmelerin beklemedeki enerji tüketimini önemli ölçüde azaltması veya ortadan kaldırması ve piyasadaki rekabetin açıkça inverter fiyatlarını düşürmesi beklenmektedir. Bu açıdan çevreye uygun çözümlerin özellikleri basit, ucuz, bakımı kolay, mevcut sistemlerle yüksek uyumluluk sunan ve düşük bekleme tüketimine sahip çözümlere dönüşecektir. Bunların önümüzdeki yıllarda geniş uygulamalar bulması bekleniyor. Ayrıca enerji tüketimi ve yağ kullanımına odaklanılırken MRL asansörlerin kurulum, servis, sismik faaliyetlere karşı sağlamlık ve mahsur kalan yolcuların kurtarılması açısından en az güvenli sistemler olduğu hep unutulmuştur.

Yaşam Döngüsü Analizi

Asansör sistemlerinin çevresel etkileri, kaynakların optimum kullanımına yönelik eğilim nedeniyle asansör sektöründe önem kazanmaya başlamıştır. Yaşam döngüsü analizi (LCA), asansörlerin çevresel etkisini belirleme yöntemidir. Asansörlerin kullanım ömrü genellikle 20-25 yıl olarak değerlendirilmektedir. Modernizasyon söz konusu olduğunda, hidrolik bileşenlerin yeniden kullanımı kullanıcı ve çevre için birinci derecede önem kazanır. Kullanılmış bir asansörün birçok parçası yıpranmaz ve onlarca yıl saklanabilir. Dünya çapında çalışan üç milyondan fazla hidrolik asansör olduğu için, yalnızca gerekli olanları değiştirerek ve mevcut diğer bileşenleri yeniden kullanmak yerine hepsini değiştirmek, çevresel etkiyi azaltır ve para tasarrufu sağlar.

İsveç'ten Hydroware Elevation Technology AB tarafından yakın zamanda yapılan bir çalışma^[4] Yeni asansör kurulumları ve düşük kullanımlı asansörler için yapılan modernizasyonlar (günde ortalama 50 sefer), hidrolik asansörlerin çekişli asansörlerden çok daha çevre dostu olduğunu açıkça gösterdi. Şekil 1'de, yeni kurulumlar (hidrolik ve çekiş) için çevresel etkilerin karşılaştırılması, bir hidrolik asansörün toplam çevresel etkisinin, bir çekişli asansörünkinden %7 daha az olduğunu göstermektedir. Şekil 2'de, hidrolik asansör modernizasyonu (kullanım kategorisi 1) ile hidrolik asansörün çekişli olanla tamamen değiştirilmesi arasındaki çevresel etkiler karşılaştırılmıştır. Burada, çekişli asansörün çevresel etkisi %43 daha yüksektir. Yani, düşük kullanımlı bir hidrolik asansörün çekişli bir asansörle modernize edilmesi çevre için oldukça elverişsizdir. Şekil 1 ve 2'de verilen çalışma, herhangi bir arıza oranı kaydı bulunmadığından, yalnızca düzenli servis ziyaretlerini dikkate almıştır. Arızaları ve onarımları eklemek, muhtemelen çekiş asansörünün etkisini daha da artıracaktır. LCA'da, asansörün her 80 yılda bir modernize edildiği varsayımı ile 20 yıllık bina ömrü kullanıldığında, hidrolik asansör, kullanım kategorisi 3'te (günde 300 sefer) bile çevresel olarak daha fazla tercih edilir hale gelmektedir.

Genel olarak hidrolik asansörler, çekişli asansörlerden çok daha güvenilirdir. Bu nedenle, bakımları çok daha az etki yaratır. Hidrolik asansörlerin basit bir yapısı vardır ve tümü yağlanmış bir ortamda çalışan daha az bileşene sahiptir. Bu, yaşam döngüsünü uzatır ve daha az sistem kesintisine izin vererek önemli ölçüde maliyet tasarrufu sağlar. Unutulmamalıdır ki asansör bakım maliyeti, yıllık enerji tüketiminden iki ila 10 kat daha fazladır. Ayrıca, bir cer MRL tahriğinin en pahalı yedek parçası, toplam tahrik maliyetinin %30'undan fazlası iken, bu rakam hidrolik asansör için yaklaşık %6'dır. Yukarıdaki sonuçlar ve değerlendirmeler ışığında, modernizasyon söz konusu olduğunda, hidrolik bir asansörün tamamen çekişli bir asansörle değiştirilmesi çevre için felaket olacaktır.

Hidrolik Asansörler için Enerji Verimli Sistemler

Daha zorlu bir pazarla uğraşan hidrolik asansör üreticileri, inverter kullanan enerji verimli (yeni nesil) güç ünitelerinin üretimine öncelik vermeye başladılar. Ancak, yeni nesil güç ünitelerinin kullanımı henüz yeterli çekiciliği bulamamıştı. Bunun nedeni, son teknoloji çözümleri teşvik etmek için pazarlamaya odaklanırken, geleneksel hidrolik asansörlerin avantajlı özelliklerinin çoğu zaman göz ardı edilmesidir. Böylelikle hidrolik asansörün pratik, güvenilir ve düşük maliyetli bileşenleri terk edilmiş, daha zahmetli, pratik olmayan ve pahalı çözümler getirilmiştir. Böylece çözümler ya ilkel hale geldi ya da oldukça karmaşık ve maliyetli hale geldi. Çoğu durumda, bir sürücü (inverter) eklenmiş geleneksel bir güç ünitesi, son teknoloji olarak sunulmaktadır. Aslında, sadece bir invertör eklemek, mutlaka enerji tasarrufuna yol açmaz. Ayrıca, inverterin %95 verimliliği ve yedek enerji tüketimini gerekçelendirmeden kullanılması sadece enerji faturalarını artıracaktır.

Alternatif olarak, inverterin yanı sıra basınç ve sıcaklık sensörleri, akış ölçer, kodlayıcı, elektronik kontrol kartı vb. gibi ek bileşenlere ihtiyaç duyan daha zorlu ve maliyetli çözümler de mevcuttur. Sürüş kalitesi ne kadar iyi olursa olsun bu tür sistemlerin uygulanması yağ sıcaklığını ne kadar az değiştirirler ve verirlerse, genellikle gerçek piyasa ihtiyaçlarını karşılamaktan uzaktırlar; uzamış ödeme süresi (yenileme süresinin ötesinde), yetkin teknisyen bulma zorluğu ve artan servis ihtiyaçları belirgin hale gelir.

Ayrıca, en verimli ekipmanın, elektrik enerjisini binaya geri beslemek için rejeneratif kesmeyi kullandığına inanılmaktadır. Ancak, düşük ila orta kullanımlı bir asansör için rejeneratif tahrik yatırımı çevre için akıllıca olmayabilir ve hizmet ömrü boyunca yatırımı geri ödeyemeyebilir. Bu, enerji verimliliğini artırmak için kullanılan ekipmanın ve harcanan çabanın çevre üzerinde enerji verimli sistem tarafından kazanılandan daha büyük bir etkiye sahip olacağı anlamına gelir. Bu nedenle, yatırım maliyet etkin değilse, çevre dostu olması pek olası değildir.

Enerji Verimli Asansör Tasarımı

Enerji verimli hidrolik sistemlerin yanı sıra, önemli ölçüde düşük maliyet, kolay kurulum, basit bakım ve yüksek güvenilirlik nedeniyle geleneksel hidrolik asansörler, düşük kullanımlı, düşük katlı asansör pazarında hala yaygın olarak kullanılmaktadır. Aşağıdaki noktalar iyi düşünülürse, düşük katlı, düşük kullanımlı geleneksel hidrolik asansörler, diğer tüm asansör sistemlerinden daha fazla enerji verimli hale gelir.

• Doğru asansör tasarımı: motor gücü boyutu ve kaldırma kapasitesi
• Hafif araba ve askı veya karşı ağırlık kullanımı (CW)
• Doğru güç ünitesi boyutu ve sıvı türü
• Hidrolik sistemde düşük basınç düşüşü
• Kontrol vanasının seçimi
• Makine dairesinde doğru havalandırma

Tipik bir 630 kg'lık asansör incelenerek konu daha iyi anlaşılabilir (Şekil 3). Tablo 1'de asansörün teknik detayları verilmiştir. Burada, 16.5 kW'lık bir motorun boyutu için baskın faktörler, kabin ağırlığı ve asansör hızıdır. Altı duraklı bir asansör için, trafik çok yoğun olmadığı sürece, genel olarak 0.8 m/s (157 fpm) hız normal değildir.

Tasarım I'deki ilk iyileştirmelerden biri hızdır, çünkü alçak binalarda yüksek asansör hızı trafiği iyileştirmek için önemli bir avantaj sağlamaz. Asansör hızı 0.63 m/s'ye (124 fpm) düşürüldüğünde, 0.8 m/s'lik bir hız çevrim süresini fazla iyileştirmez, ancak hızı 0.63 m/s'ye düşürmek motor boyutunu %21 azaltır (Tablo 2).

Ardışık katlar ve maksimum yukarı yolculuk süreleri arasındaki seyahat süresi farkları yalnızca 0.3 ve 4.2 s'dir. Bu süreler kapı açma ve kat bekleme sürelerinde ve iniş hızı artırılarak kolaylıkla çözülebilir. Tasarım II'nin detayları Tablo 3'te görülebilir.

Hidrolik asansörlerde aşağı hareket yerçekimi kuvveti ile yönetildiğinden, ilave enerjiye ihtiyaç duymadan iniş hızı artırılarak (1 m/s [197 fpm]'ye kadar) ve yukarı hız azaltılarak gerekli trafik dengesi sağlanabilir. Bu sayede motor gücü, boyutu ve enerji tüketimi önemli ölçüde azaltılabilir. Bu, Tablo 3'te Tasarım I'e kıyasla motor gücünü %44 azaltan Tasarım III olarak gösterilmektedir.

Hidrolik asansörler genellikle CW'ye sahip değildir. Bunun nedeni, CW'nin asansör sistemini daha karmaşık hale getirmesi, kurulum maliyetlerini artırması ve asansörün basit, kurulumu ve servisi kolay olmasının avantajlarını ortadan kaldırmasıdır. CW'yi kullanmamanın diğer nedenleri, kabin alanını korumak ve yüksek güvenlik seviyeleridir. Çekişli asansörlerde, kabin ağırlığını ve taşıma yükünün %40-50'sini dengelemek için bir CW kullanılır.

Hidrolik asansörlerde CW'ler tercih edilmese de enerji tüketimini azaltmak adına yeterli güvenlik seviyesinin sağlanması şartıyla kullanılabilir. Bu şekilde motor gücü boyutu daha da azaltılabilir (Şekil 4). Hidrolik asansörlerde CW ağırlığı sistemdeki minimum basınç vananın minimum çalışma basıncının altına düşmeyecek şekilde seçilir. Bu nedenle, bir hidrolik asansörün CW'sinin ağırlığı her zaman bir çekiş asansörününkinden çok daha küçüktür. Tablo 4'te, CW'li bir hidrolik asansörün sonuçları Tasarım IV olarak gösterilmiştir. Tablo 4'te görüldüğü gibi, 648 kg'lık bir CW kullanımı, ram çapını 90 mm'ye ve motor gücünü 8 kW'a düşürür (Tasarım I'den %51 daha az). Ayrıca motor gücü çekme tipi silindir kullanılarak 6.5 kW'a düşürülebilir (Şekil 2). Tasarım V'de, CW kullanılarak ve trafik dengesi uygulanarak (aşağı hareket hızını artırarak ve yukarı hareket hızını azaltarak) Tasarım I'e göre motor gücü (5.1 kW) %69 oranında azaltılır.

Kompozit Malzeme Kullanımı: Karbon Fiber

Motor gücünü azaltmak için yapılan bir diğer iyileştirme, araba ve araba çerçevesinin (taşıyıcı) ağırlığını azaltmaktır. Kompozit malzemelerin kullanımı, çelikle aynı hacimde kompozit malzeme kullanılarak taşıyıcı ağırlığını %75 oranında azaltabilir. Taşıyıcı ağırlığına ek olarak motor gücünü etkileyen bir diğer unsur da ramın ağırlığıdır. Ram ağırlığı, özellikle uzun seyahat mesafeleri ve ağır yük asansörleri için oldukça büyük olabilir. Ramın burkulmasını önlemek için sistem basıncını artıran büyük ram çapları ve kalın duvarlar kullanılır. Burkulma mukavemeti yüksek hafif kompozit malzeme kullanılarak ram ve toplam silindir ağırlıkları %80-90 oranında azaltılabilir, daha küçük ram çapları kullanılabilir, pompa debileri ve motor gücü azaltılabilir. Bu durum Tasarım VI'da 80 X 5 mm (3.1 X 0.2 inç) kompozit (karbon fiber) ram ve 95 lpm (25 gpm) pompa kullanılarak gösterilmiştir (Tablo 5).

Blain Hydraulics tarafından geliştirilen bir hidrolik karbon fiber silindirin ilk prototipi Şekil 5'te gösterilmektedir. Çalışmanın amacı, sektöre geliştirilmiş mekanik özelliklere sahip hafif bir silindir sunmaktır. Uygun reçineler ve doğru imalat teknikleri kullanılarak kompozit boruların kritik burkulma uzunluğunun iki kat veya daha fazla arttırılması mümkündür. Bu, orta yükseklikteki binalarda bile ağır ve geniş çaplı silindir kullanımına gerek kalmadan hidrolik asansörlerin kullanılmasını sağlayacaktır.

Tasarım VI, kompozit (karbon fiber) taşıyıcı ve silindirin (CW kullanılmadan) kullanılmasının motor gücünü %58 oranında azaltabileceğini göstermektedir (Tablo 5). Tasarım VI'ya ek olarak, trafik dengelemenin uygulanması (Tasarım VII) motor boyutunu daha da 5 kW'a düşürür. Bu sonuçlar kompozit malzeme kullanımının olumlu katkılarını göstermektedir; yani, bir CW kullanmadan ve enerji tüketimini bir cer MRL asansör seviyesine indirgemeden motor gücünde %70 azalma.

Yeni Nesil Kontrol Vanası

Yeni nesil bir vana elde etmek için bir kontrol vanasını bir invertör ile birleştirmenin birçok yolu olabilir. En önemli soru, iyi sürüş kalitesi ile ucuz ve basit bir çözümün nasıl sunulacağıdır. Pazar ihtiyaçlarını bilen ve gerçekten gerekli gereksinimleri değerlendiren Blain ve Yaskawa EU, yeni nesil bir kontrol valfi olan EV4-vvvf'yi geliştirdi (Şekil 6). İnvertörü yalnızca yukarı hareketler için kullanan ve bu nedenle enerji açısından en verimli ve ucuz çözümü sunan hibrit bir çözümdür. Çevre birimleri ile ara yüzü yoktur ve yük kompanzasyonu için sensör gerektirmez. Yukarı hareket invertör tarafından kontrol edildiğinden, yukarı solenoidler ve ayarlamalar vanadan çıkarılmıştır, bu da hem vanayı hem de sistem kurulumunu önemli ölçüde basitleştirir. Başlangıç ​​maliyetini düşürmek ve sistem gereksinimlerini daha da basitleştirmek için açık döngü kontrolü uygulanmıştır. Böylece vinçte maliyetli bir dalgıç motor enkoderi veya enkoder ihtiyacı ortadan kalktı. Tüm bu iyileştirmeler, günde 50 döngünün üzerinde iki ila dört yıllık geri ödeme süreleri sağlar. Sistemin asıl faydası, sistemin kullanımını kolaylaştıran, pozitif seyahat özellikleri sağlayan ve enerji tüketimini ön planda tutan özel L1000H Yaskawa inverter yazılımından gelmektedir.^[5]

Asansör kullanımına bağlı olarak EV4-vvvf, %65'e varan enerji tasarrufu sağlayabilir. Bunun nedeni, sıvı baypasının artık oluşmaması, seyahat süresinin kısalması ve motor başlatma akımının artık yüksek olmamasıdır. Bu nedenle EV4-vvvf, sıcaklık artışını %50 oranında azaltır ve sistemin yüksek asansör kullanımlarında yağ ısıtma sorunu olmadan çalıştırılmasına olanak tanır.

Kompozit malzemeden imal edilen ve EV4-vvvf kullanan hidrolik asansörler, Tasarım I'e göre enerji tüketimini %70-80 oranında azaltabilmektedir. Tablo 6'da Tasarım I, II, III ve IV için enerjinin %50 olması durumunda eşdeğer motor güçleri verilmiştir. EV4-vvvf ile tasarruf sağlanır. 

Sonuç

Hidrolik asansörlerin verimsiz ve çevreye zararlı olmasına karşı oluşturulan algı gerçeği yansıtmamaktadır. CW'ler normalde hidrolik asansörler için kullanılmazlar, çünkü asansör sistemini daha karmaşık hale getirirler, kurulum maliyetini arttırırlar ve hidrolik asansörlerin basit, kurulumu ve servisi kolay olmasının avantajlarını ortadan kaldırırlar. Öte yandan, enerji tüketimini cer MRL asansörlerinin seviyesine düşürmek için CW ve diğer tasarım yöntemleri kullanılabilir. Güç seviyesini 16.5 kw'dan 3 kw eşdeğer güç seviyesine düşürmek için, CW'ler gibi farklı araçlar kullanılarak, asansör trafiğinin dengelenmesi, kompozit malzemelerin kullanılması ve enerji verimli hidrolik valf sistemleri gösterilmiştir. Ayrıca 20 yıllık modernizasyon aralıkları göz önüne alındığında, düşük kullanımlı hidrolik asansörlerin çevresel performansının cer asansörlerine göre çok daha iyi olduğunun altı çizilmiştir.

CW'ye alternatif olarak burkulma mukavemetini iki veya daha fazla artıran kompozit silindir kullanılabilir. Bu sayede hidrolik asansör servis yüksekliği 40 m'ye kadar arttırılabilmektedir. Şu anda kompozit silindirler maliyetlidir ve yalnızca özel uygulamalar için uygun maliyetlidir. Ancak kompozit teknolojisindeki yenilikçi gelişmeler hızla ilerlemekte ve yakın gelecekte kompozit taşıyıcıların ve silindirlerin hidrolik asansör endüstrisinde daha fazla kullanılması beklenmektedir.

Referanslar
[1] Almeida, AT “Asansörlerin ve Yürüyen Merdivenlerin Enerji Verimliliği,” 4. Avrupa Asansör Kongresi (2010).
[2] Çelik, KF “Düşük Kullanımlı Asansörlerde Yedek Enerji Tüketimi” ELEVATOR WORLD India, Cilt. 2 (3. Çeyrek 2009), s.58.
[3] Nipkow, J. “Elektrizitätsverbrauch und Einspar-Potenziale bei Aufzügen,” SAFE (2005).
[4] www.hidroware.de/lib/get/file.php?id=155f9221554af7
[5] Çelik, KF “Elektronik Asansör Vanalarının Tasarımı ve Kontrolü,” Asansör Teknolojisi 17: Elevcon 2008 Bildirileri (2008), s.34-45.