Jak poprawić efektywność energetyczną dźwigów osobowych

Problematyka poprawienia efektowności energetycznej wind jest przedmiotem projektu E4 „Energooszczędne windy i schody ruchome", prowadzonego przez Krajową Agencję Poszanowania Energii w Warszawie wspólnie z partnerami z pięciu krajów europejskich w ramach programu „Inteligentna energia - Europa".

Celem projektu jest wdrażanie efektywnych energetycznie rozwiązań konstrukcyjnych w windach, schodach i chodnikach ruchomych w sektorach:

• publicznym,
• usługowym i
• mieszkaniowym - zarówno w budynkach modernizowanych, jak i nowo wznoszonych.

Na podstawie pomiarów energii elektrycznej pobieranej przez dźwigi i schody ruchome w ramach projektu E4 określono, jaką jej część zużywają te urządzenia i jaka jest struktura tego zużycia.

Badania te wykazały, że windy zużywają 3-8% energii przeznaczonej na utrzymanie budynku. Przy czym sporym zaskoczeniem dla uczestników projektu była również struktura zużycia energii, najwięcej jej pobierają bowiem komponenty tych urządzeń, wcześniej uważane za mało istotne.

Szacuje się, że w Europie w sektorze mieszkaniowym działa 2,9 mln wind, co stanowi ok. 64% ogólnej liczby dźwigów. W sektorze usługowo-biurowym wielkość ta oceniana jest na 1,4 mln (ok. 30%), a w przemyśle na zaledwie 180 tys. (4%).

Całkowite zużycie energii elektrycznej przez wszystkie windy pracujące w 27 krajach Unii Europejskiej oraz w Szwajcarii i Norwegii szacowane jest na 18,4 TWh, z czego 6,7 TWh zużywa sektor mieszkaniowy, 10,9 TWh - usługowy, a zaledwie 810 GWh - przemysłowy. Jest to ilość energii równa produkcji dwóch elektrowni węglowych lub jednej atomowej.

Chociaż w sektorze usługowym działa mniej dźwigów niż w mieszkalnictwie, to jednak zużycie energii elektrycznej przez windy pracujące w budynkach usługowych jest znacznie większe niż w budynkach mieszkalnych ze względu na intensywniejsze ich użytkowanie.

Trochę historii

W Polsce obecnie zainstalowanych jest ok. 70 tys. dźwigów osobowych, co stanowi mniej niż 2% całkowitej ich liczby w Europie. Większość tych dźwigów znajduje się w zasobach mieszkalnych, a spora część z nich pochodzi z lat 70. i 80. XX w. Były to dźwigi linowe z napędem dwubiegowym oraz sterowaniem elektromechanicznym, realizującym program pracy za pomocą przekaźników.

Rozwiązania te były niezbyt zaawansowane technicznie w stosunku do ówczesnej technologii powszechnie stosowanej w Europie Zachodniej. Dzięki temu zapotrzebowanie na energię elektryczną do obsługi dźwigu było relatywnie małe.

Producentem wszystkich polskich dźwigów w latach 70. ubiegłego wieku był ZUD, a potem KDO ZREMB, który na początku lat 90. przekształcił się w WFD Translift. Wyroby tej firmy, oparte na polskich komponentach, powstawały na bazie przedwojennych konstrukcji (dźwigi tradycyjne), a później na licencji zakupionej w Szwecji (dźwigi licencyjne).

Na początku lat 90., po transformacji ustrojowej, na polskim rynku pojawiły się dźwigi i ich komponenty z krajów Europy Zachodniej. Spowodowało to napływ nowych technologii i rozwiązań, takich jak sterowanie mikroprocesorowe oraz napędy hydrauliczne.

Także w tym czasie swoją ekspansję na polski rynek rozpoczęły koncerny dźwigowe, m.in. OTIS i Thyssen. Koncerny te zaczęły wprowadzać nowe technologie do techniki dźwigowej.

W połowie lat 90., wraz z pojawieniem się techniki tyrystorowej, w dźwigach zaczęto stosować falowniki oraz regulatory napięcia ACVV.

Jednak intensywny rozwój napędów regulowanych przypada na początek XXI w., kiedy to w energoelektronice pojawiła się technologia cyfrowa. Wówczas, równocześnie z rozwojem techniki sterowania oraz urządzeń informacyjnych stosowanych w dźwigach, zaczęło wzrastać zużycie energii.

Na początku naszego wieku funkcjonował stereotyp, że dzięki napędom falownikowym oprócz komfortu wzrasta efektywność dźwigu, o 40-60% w stosunku do rozwiązań z napędem bezpośrednim (głównie dwubiegowym).

Kolejny pogląd pochodzący z tego okresu głosił, że dźwigi z napędem hydraulicznym są bardzo efektywne, ponieważ pobierają energię tylko przy jeździe w górę, a ruch w dół odbywa się na zasadzie grawitacji. Poglądy te wynikały bardziej z haseł reklamowych niż rzetelnej analizy pracy dźwigów.

W latach tych prym wiodły sterowania jednopłytowe oparte na procesorach 8-bitowych, wykonane w wersji ekonomicznej, gdyż w owym czasie cena urządzenia była jedynym kryterium wyboru oferty.

Analiza efektywności energetycznej dźwigów osobowych

Typowy dźwig osobowy, zarówno linowy, jak i hydrauliczny, składa się z wielu komponentów mechanicznych i elektrycznych.

Największy wpływ na zużycie energii elektrycznej mają:

• szafa sterowa,
• falownik,
• wyświetlacze,
• wentylacja czy
• oświetlenie kabiny.

Elementy składowe dźwigu można podzielić na dwie grupy:

• urządzenia bezpośrednio związane z transportem oraz
• tzw. urządzenia pomocnicze.

Energię elektryczną zużywaną przez pierwszą grupę urządzeń można określić jako „energię jazdy", a drugą - jako „energię potrzeb własnych dźwigu".

Analizując strukturę urządzeń i zainstalowanej mocy, można wysnuć wniosek, że w całkowitym zużyciu energii elektrycznej dominuje „energia jazdy". Wniosek ten jednak jest słuszny tylko w stosunku do dźwigów o bardzo dużej intensywności pracy, tj. powyżej 400 tys. jazd rocznie, gdzie udział „energii jazdy" stanowi 40-95% energii całkowitej.

Natomiast przy 70-120 tys. jazd rocznie „energia jazdy" może stanowić do 25% całkowitego zużycia energii. Resztę energii pochłaniają pozornie nieistotne urządzenia: 10-30% energii zużywa szafa sterowa z urządzeniami dodatkowymi, a oświetlenie kabiny - aż do 70%.

Opisane poniżej instalacje dźwigowe ilustrują przykładowy rozkład poboru mocy.

Przykład 1.

Dźwig 900 kg, 13 przystanków w budynku publicznym w Lublinie, zmodernizowany w 2009 r. Z powodu dużego zakładanego obciążenia dźwigu, powyżej 700 tys. jazd rocznie, prawidłowy dobór komponentów decydował o jakości i efektywności dźwigu.

Ostatecznie wybrano następujące rozwiązania:

1. sterowanie modułowe z wieloma zaawansowanymi funkcjami, takimi jak sterowanie jasnością wyświetlaczy czy czasowe wyłączanie oświetlenia,

2. mikroprocesorowy sterownik napędu drzwi kabinowych,

3. oświetlenie LED o wydajności ponad 70 lm/W w postaci 6 punktów świetlnych o łącznej mocy 18 W,

4. zwiększenie prędkości dźwigu o 20% - z 1 do 1,2 m/s.

Poziom zużycia energii po zastosowaniu tych rozwiązań przedstawia tabela 1.

Tabela 1. Zestawienie uzyskanych wyników badań dla przykładu 1 [1]

W omawianym przykładzie 90% energii zużywane jest na jazdę. Gdyby zastosowano wciągarkę bezreduktorową, zużycie „energii jazdy" zmniejszyłoby się o 30%, czyli roczne zużycie energii mogłoby być mniejsze o kolejne 3 MWh, ale koszty samego dźwigu wzrosłyby o ok. 15%.

Po zainstalowaniu zaś tego samego urządzenia w budynku mieszkalnym, przy typowej liczbie cykli jazdy 70 tys. rocznie, zużycie energii byłoby również mniejsze (zob. tab. 2)

Tabela 2. Zestawienie wyników estymacji dla przykładu 1 [1]

W tym przypadku zastosowanie wciągarki bezreduktorowej również spowodowałoby redukcję „energii jazdy" o 30%, jednak faktyczne zużycie energii byłoby mniejsze jedynie o 210 kWh rocznie.

Dlatego też bardziej opłacalne byłoby tu zainwestowanie w dodatkowe funkcje usypiania dźwigu w czasie długiego postoju, co pozwoliłoby na dalszą redukcję poboru mocy o 1 MWh rocznie przy wykorzystaniu funkcji dostępnych w niektórych sterowaniach.

Przykład 2.

Dźwig 400 kg, 8 przystanków, o prędkości 0,63 m/s. W dźwigu zastosowano następujące komponenty:

1. sterowanie mikroprocesorowe z falownikiem pracującym w zamkniętej pętli, obwód bezpieczeństwa i styczniki zasilane napięciem 230 V z zasilacza tradycyjnego,

2. wciągarka bezreduktorowa, silnik synchroniczny o mocy 4,5 kW do napędu falownikowego z enkoderem,

3. napęd drzwi kabinowych - silnik prądu stałego ze sterownikiem mikroprocesorowym,

4. oświetlenie kabiny - świetlówki kompaktowe ok. 72 W (4×18 W).

Zużycie energii elektrycznej przez ten dźwig przedstawia tab. 3.

Tabela 3. Zestawienie uzyskanych wyników badań dla przykładu 2 [1]

W omawianym przykładzie 98% energii dźwig zużywa na „potrzeby własne". Z analizy jego pracy wynika, że prawie 95% czasu to oczekiwanie na dyspozycję.

Wymiana oświetlenia i zastosowanie bardziej sprawnego układu sterowania o podobnym poziomie poboru mocy do sterowania z przykładu 1 pozwoliłoby zaoszczędzić przynajmniej 2,2 MWh rocznie.

Na podstawie tych przykładów można stwierdzić, że dobór komponentów, który pozwoliłby uzyskać zadowalającą efektywność za rozsądną cenę, jest niewątpliwie trudnym zadaniem.

Poprzednie przykłady dotyczyły opcji z pełną modernizacją dźwigów. Natomiast w sytuacji, gdy urządzenie było już wcześniej remontowane lub ograniczony budżet nie pozwala na przeprowadzenie pełnej modernizacji, możliwe jest wprowadzenie niedrogich usprawnień, które po pewnym czasie wygenerują dodatkowe środki finansowe na ewentualny remont urządzeń w przyszłości.

Czytaj dalej: Ekonomiczne oświetlenie