Ферхат Селик, окончил Стамбульский технический университет по специальности «инженер- механик». Затем он получил степени магистра наук и доктора философии от Научно-технического института университета Манчестера (UMIST). В течение семи лет он занимал должность доцента Стамбульского университета, а затем перешел в компанию Blain Hydraulics, выпускающую клапаны гидравлических лифтов, где возглавил отдел НИОКР по электронным клапанам с сервоприводом. Ферхат Селик — автор технических статей по гидравлическим лифтам, производственным процессам, системам САПР и автоматизированному производству.
Озабоченность глобальным потеплением и загрязнением окружающей среды заставляет внедрять методы оптимального использования энергии и в лифтах. На лифты приходится от 3 до 10% потребляемой зданием энергии. К настоящему времени разработаны различные методы уменьшения потребления лифтами энергии, и некоторые из них уже используются на практике. Часто используемые лифты обычно потребляют больше энергии в процессе работы, чем находясь в режиме ожидания. Однако значительная часть лифтов, особенно в жилых зданиях, находится основную часть времени в режиме ожидания, и потому их потребление энергии определяется временем, проведенным в режиме ожидания. Более того, оценка реального потребления энергии должна учитывать энергетический эквивалент стоимости обслуживания и запасных частей. Следовательно, рассматривая вопрос об используемой лифтом энергии, определенное внимание следует уделять расходу энергии в режиме ожидания и в ходе обслуживания.
Кроме того, все более важным критерием предпочтения при выборе лифта становится короткий период окупаемости энергосберегающих лифтов.
В данной статье рассматриваются расходы на обслуживание и потребление энергии в режиме ожидания гидравлическими лифтами и лифтами с канатоведущим шкивом, и подробно изучается потребление энергии лифтами.
1. Введение
Исследователи используют различные методы для определения потребления энергии лифтами. К таким методам относятся теоретические подходы, решения на основе формул и таблиц, результаты непосредственных измерений, сочетания этих методов, наконец, моделирование, имитационное моделирование и другие1. Аль-Шариф со своими коллегами сообщает, что они получили приемлемые значения потребления энергии лифтами, благодаря использованию гибкого программного обеспечения и разработанной ими модели имитационного моделирования2. Однако правильные результаты по этим моделям можно получить, только если наполнить их реалистичными данными. Важное значение в этом случае имеют такие данные, как количество и интенсивность поездок, баланс нагрузки кабины и груза противовеса, высота подъема и другие. На основании надежности этих данных следует выбирать систему привода, которая в значительной мере скажется на потреблении энергии лифтом.
2. Потребление энергии в режиме ожидания
С начала 1980-х годов в лифтах начали использовать достижения микроэлектроники. В это время отказались от релейных систем управления лифтом. Благодаря использованию вытеснивших их электронных контроллеров удалось устранить такие связанные с использованием систем управления на основе реле проблемы, как частый выход из строя, короткий срок службы, большой размер и малая гибкость конструкции. На фоне этих преимуществ дополнительным потреблением энергии электронными системами управления пренебрегли. Когда стали использоваться системы блокировки дверей, а затем и приводы с переменной скоростью, подсвечиваемые кнопки, дисплеи в кабине и снаружи шахты, предупреждающие, защитные и другие аналогичные системы лифта, возросла потребность в энергии, расходуемой в режиме ожидания для поддержания всего этого оборудования в активном состоянии.
Одновременно двухскоростные приводы лифта, широко использовавшиеся в предшествующие периоды, уступили место компактным двигателям с приводами с регулируемой скоростью (VSD) (электродвигатель + привод). Эти приводы приобрели популярность, поскольку их использовали в лифтах без машинного помещения, где асинхронные двигатели и двигатели на постоянном магните работают, в основном, с приводами с регулируемой частотой и регулируемым напряжением (VVVF). Приводы VVVF часто называют инверторами. Использование этих систем в лифтах без машинного помещения привело к отказу от редукторов, уменьшению размера двигателя, улучшению качества поездки. Кроме того, производители утверждают, что использование этих систем уменьшает потребление энергии до 50% по сравнению с традиционными системами лифта с канатоведущим шкивом. Помимо систем без машинного помещения, инверторы стали предпочтительным вариантом для традиционных лифтов с канатоведущим шкивом, в которых предусмотрено машинное помещение и редукторная система (двигатель + редуктор + инвертор). Это тоже служит энергосберегающей альтернативой двухскоростным лифтам.
При переходе к лифтам с канатоведущим шкивом, которые оборудованы инверторами, решающими задачу энергосбережения, гидравлические лифты с инверторами и/или аккумуляторами снова заняли свое место на рынке как системы, обеспечивающие экономию энергии. Хотя инверторы добавляют потребление энергии в общий энергетический баланс системы, приводы с инверторами представлялись энергосберегающим решением для всех установок. Наряду с возрастающей конкуренцией на рынке лифтов для малоэтажных зданий, использование приводов лифта с инверторами стало тенденцией. Затем пользователей убедили в том, что эти системы служат единственным энергосберегающим решением, независимо от степени использования данного лифта за год. Затем новая стратегия маркетинга преобразовалась в разглагольствования об экологической благоприятности, преследующие цель увеличить объемы продаж приводов лифта с инверторами.
В одном из исследований Швейцарского управления по вопросам энергосбережения (SAFE)4, проведенном на 33 лифтах, сообщалось, что доля энергии, потребляемой лифтом в режиме ожидания, достигает 80% от общего потребления энергии. На рис. 1 приведен график, показывающий развитие потребления энергии лифтом в режиме ожидания по десятилетиям. В исследовании управления SAFE также указано, что гидравлические системы с инверторами настолько же энергосберегающие, как и системы с канатоведущим шкивом без машинного помещения.
К тому же выводу приходит Лиз в своей магистерской диссертации. Эти результаты противоречат общему представлению о том, что гидравлические лифты потребляют больше энергии, чем лифты с канатоведущим шкивом без машинного помещения. Кроме того, в исследовании Лиза говорится, что в малоиспользуемых лифтах установка инверторов приводит к увеличению потребления энергии в режиме ожидания, а следовательно, традиционные гидравлические лифты по-прежнему остаются серьезным вариантом, заслуживающим рассмотрения. Лиз отмечает, что, если лифт находится в режиме ожидания порядка 80% времени, то инвертор будет потреблять порядка 222 кВт/ч в год по каждому лифту. Это означает, что для многих малоиспользуемых лифтов будет наблюдаться увеличение потребления энергии, несмотря на использование новейшей энергосберегающей технологии.
Авторы многих статей также указывают, что любая энергосберегающая система лифта при таких условиях не приносит в результате сокращения издержек.
Другой пример этого — гидравлический лифт с аккумуляторами. Несмотря на тот факт, что такие системы нечасто используются на рынке из-за их первоначальной стоимости, доказано, что они потребляют больше энергии, если их постоянно использовать с малой нагрузкой.
На рисунке показаны устройства, отрицательно сказывающиеся на потреблении энергии в режиме ожидания. Как видно из рисунка, к устройствам, на долю которых приходится максимальное потребление энергии, относятся постоянное освещение кабины и система блокировки дверей. За ними следуют электронный контроллер и инвертор. В числе остальных — кнопки вызова на этажах, дисплеи на этажах, кнопки в кабине, световая завеса в кабине и т.п.
На рисунке показано потребление энергии во время работы и в режиме ожидания относительно количества циклов работы лифта. Также показано потребление энергии в процентах в зависимости от типа здания.
Из приведенных данных следует, что ежегодное количество циклов поездки в типичном шестиэтажном здании составляет порядка 40 000 (110 циклов в день), и, несмотря на использование энергосберегающей системы, 83% потребления энергии приходится на режим ожидания. Расчеты показывают, что для лифтов в здании среднего размера с 200 000 циклов в год (550 циклов в день) при той же системе привода на режим ожидания приходится 40% потребляемой энергии, а в больницах и крупных офисных блоках с 700 000 циклов в год (1 900 циклов в день) эта цифра составляет 25%.
3. Факторы, отрицательно сказывающиеся на потреблении энергии в режиме ожидания
Для уменьшения потребления энергии в пассивном режиме (режиме ожидания) и активном (рабочем) режиме разработаны соответствующие энергосберегающие системы управления лифтом7. В таких системах, когда лифт не используется в течение конкретных периодов времени, уровень потребления энергии постепенно снижается (пассивный контроль). На первом этапе приглушается освещение кабины и выключаются индикаторы направления движения лифта на этажах и в кабине, дисплеи и кнопки с двойной подсветкой в кабине. На втором этапе выключается дверной контроллер, электронные устройства в кабине, вентиляторы инвертора и кнопки с двойной подсветкой на этажах. Активация системы из этого режима занимает порядка 30 с, тогда как при активном управлении скорость движения уменьшается, кабина медленно подводится непосредственно на этаж, и это экономит время позиционирования. Кроме того, часть кинетической энергии возвращается обратно с помощью регенеративных приводов, что предпочтительно. Установлено, что энергосберегающие системы управления лифтом экономят до 50% энергии, а в некоторых случаях экономия достигает 90%.
Исследования Немецкой ассоциации инженеров DVI показали наличие различных областей потенциальной экономии энергии в системах лифтов, опубликован перечень мер, необходимых для уменьшения потребления энергии в лифтах8. В свете сказанного становится понятно, что можно сэкономить значительное количество энергии за счет разработки эффективных систем управления. Однако методика ассоциации DVI по определению энергетических категорий лифтов вызвала многочисленные критические замечания как непоследовательная на Европейском конгрессе по подъемным устройствам 2008 года, проходившем в Германии.
Помимо разработки соответствующего программного обеспечения и аппаратных средств для систем управления лифтом с целью уменьшения потребления энергии в режиме ожидания, необходимо уделять серьезное внимание и выбору привода. Только для сравнения потребляемой энергии различных приводов необходимо сделать оценку поддержания основных систем (освещения, вентиляторов, охранного оборудования, блокировки дверей и дверного привода и т.п.), имеющихся в любом приводе, по отдельности. Таким способом можно идентифицировать три важных фактора, которые сказываются на потреблении энергии в режиме ожидания.
1 фактор. Потребление энергии в режиме ожидания контроллером лифта: Как показано в таблице 2, электронные контроллеры лифта, выпущенные разными фирмами, потребляют разное количество энергии. Это обусловлено преимущественно количеством энергии, потребляемой инверторами в режиме ожидания.
2 фактор. Потребление энергии инвертором в режиме ожидания: В таблице 3 приведены данные по потреблению энергии некоторыми инверторами, выпущенными различными фирмами, в режиме ожидания. Из данных таблицы следует, что потребление энергии в режиме ожидания зависит от изготовителя изделия. Здесь не учтена энергия, потребляемая вентилятором, что добавит от 6 до 14 Вт. В ходе данного исследования выяснилось, что большинство изготовителей инверторов не понимают важности потребления энергии в режиме ожидания
Продукция многих известных фирм дает высокие показатели, приведенные в таблице. Среди изготовителей лифтов распространено использование инверторов большего размера для удовлетворения конструкционных требований. Однако неправильный выбор двигателя-инвертора приводит к более высокому потреблению энергии в режиме ожидания.
ИБП получили широкое распространение, особенно с началом использования лифтов без машинного помещения. Поскольку техническое вмешательство для систем без машинного помещения усложняется и в случае неисправности или сбоя в подаче питания требует наличия опытного специалиста, ИБП этажа. ИБП включает в себя инвертор, потребляющий энергию в режиме ожидания. Следовательно, сравнивая системы привода, полезно тщательно рассмотреть энергетические потребности устройства ИБП.