Νοέµβριος 2013 Θεοχάρης Χ. ηµήτριος Μηχανολόγος Μηχανικός Α.Π.Θ. ιευθυντής Παραγωγής BIOFIAL HYDRAULICS Ενεργειακή απόδοση υδραυλικών ανελκυστήρων Πραγµατικότητα και προοπτικές Key Words: Υδραυλικός Ανελκυστήρας, Μονάδα Ισχύος, Κατανάλωση ενέργειας, Βαθµός απόδοσης, Ενεργειακό αποτύπωµα. Εισαγωγικά Οι υδραυλικοί ανελκυστήρες είναι ιδιαίτερα δηµοφιλείς στη χώρα µας για έναν βασικό λόγο, αυτόν της ύπαρξης κτηρίων µέσου ύψους στην πλειοψηφία της ελληνικής επικράτειας. Στην πράξη το κόστος εγκατάστασης των υδραυλικών ανελκυστήρων είναι χαµηλότερο έναντι των µηχανικών, για κτήρια έως έξι ορόφων και αυτό αποτελεί την αιτία του γεγονότος ότι η πλειοψηφία των ανελκυστήρων στην Ελλάδα είναι υδραυλικοί. Οι υδραυλικοί ανελκυστήρες πλεονεκτούν σε πολλούς τοµείς έναντι των µηχανικών, µε κύριο παράγοντα επιλογής τους το κόστος, όπου οι υδραυλικοί συγκριτικά υπερτερούν. Την τελευταία πενταετία όµως, υπάρχει αφύπνιση όσον αφορά στην εξοικονόµηση ενέργειας και το ενεργειακό αποτύπωµα των εγκαταστάσεων και όπως είναι φυσικό, το σύστηµα του ανελκυστήρα ενός οικοδοµήµατος αξιολογείται πλέον και για αυτή του την διάσταση. Εκ πρώτης όψεως, οι υδραυλικοί ανελκυστήρες παρουσιάζουν αρκετά βεβαρηµένη ενεργειακή επίδραση έναντι των µηχανικών, κατά κύριο λόγο εξαιτίας της εγκατεστηµένης ισχύος και της κατανάλωσης ενέργειας. Αυτό οφείλεται κυρίως στην αρχή της λειτουργίας τους και θα µπορούσε να επικαλεστεί κανείς ότι αποτελεί ένα «ψυχολογικό µειονέκτηµα» που δεν ανταποκρίνεται πλήρως στην πραγµατικότητα. Αυτό γίνεται εύκολα αντιληπτό αν αναλογιστούµε ότι ναι µεν ένας υδραυλικός
ανελκυστήρας απαιτεί συνήθως τριπλάσια ισχύ από έναν µηχανικό, αλλά, από την άλλη πλευρά η ισχύς καταναλώνεται µόνο κατά την άνοδο και όχι κατά την κάθοδο. Έχει ενδιαφέρον, λοιπόν, να εστιάσουµε στην πραγµατικότητα αναλυτικότερα, καθώς και στις τρέχουσες εξελίξεις στον τοµέα αυτό, ώστε να διακρίνουµε ορισµένα σηµαντικά σηµεία, τα οποία µπορεί να παρουσιάζονται αρχικά σαν «πράσινα» µειονεκτήµατα των υδραυλικών ανελκυστήρων, αλλά αν εµβαθύνουµε σε αυτά θα µπορέσουµε να κατανοήσουµε ότι η ενεργειακή τους κατανάλωση δεν είναι µεγαλύτερη από εκείνη των συµβατικών µηχανικών. Ως γνωστόν, οι αδυναµίες του υδραυλικού ανελκυστήρα διακρίνονται σε δύο ενεργοβόρα σηµεία. Αυτά είναι οι απώλειες κατά την µεταβολή τηςταχύτητας ταχύτηταςανόδου και ο συνολικός βαθµός απόδοσης των συµβατικών µονάδων ισχύος. Α. Απώλειες κατά την µεταβολή της ταχύτητας ανόδου. Σε κάθε υδραυλικό ανελκυστήρα, χωρίς Inverter, καθ όλη την φάση της επιτάχυνσης, της κίνησης µε σταθερή ταχύτητα και της επιβράδυνσης, η αντλία του ανελκυστήρα καταναλώνει κατά την άνοδο τη µέγιστη απαιτούµενη ισχύ. Αυτό συµβαίνει γιατί ενώ η ταχύτητα του θαλάµου αυξάνεται ή µειώνεται µε ένα σταθερό ρυθµό, η αντλία παρέχει συνεχώς το σύνολο της παροχής (άρα και ο κινητήρας το σύνολο της ισχύος του) και το µέρος που περισσεύει επιστρέφει στη δεξαµενή και γίνεται θερµότητα. Η ποσότητα της ενέργειας που χάνεται εξαρτάται από τους χρόνους επιτάχυνσης και επιβράδυνσης. Οι χρόνοι αυτοί εξαρτούνται κυρίως από την ονοµαστική ταχύτητα του ανελκυστήρα, καθώς συνήθως ο ρυθµός µεταβολής της ταχύτητας, για λόγους άνεσης, είναι περίπου σταθερός. Πρακτικά αυτό σηµαίνει πώς όσο µεγαλύτερη ταχύτητα έχει ένας ανελκυστήρας, τόσο µεγαλύτερη ενέργεια χάνει σε κάθε επιτάχυνση και επιβράδυνση, ιδίως καθώς µεγαλώνουν οι χρόνοι αυτών. Η λύση στο συγκεκριµένο πρόβληµα είναι µία και γνωστή: η χρήση Inverter VVVF. Με την χρήση του Inverter VVVF µπορούµε να επιταχύνουµε τον ανελκυστήρα χρησιµοποιώντας πάντοτε την ισχύ που χρειαζόµαστε, χωρίς να έχουµε τις απώλειες των συµβατικών βαλβίδων. Η βασική επιλογή που δίνει το Inverter είναι ο έλεγχος της κίνησης µέσα σε συγκεκριµένα όρια επιτάχυνσης και φυσικά ισχύος, εάν προκύπτει τέτοιο θέµα µε την ηλεκτρική εγκατάσταση του ανελκυστήρα. Για να χρησιµοποιηθεί το Inverter για τον έλεγχο του ανελκυστήρα χρειάζεται διαφορετικής αρχιτεκτονικής βαλβίδα ελέγχου, καθώς και πολλές παραµέτρους οι οποίοι θα πρέπει να ληφθούν υπ όψιν. Βασικότερη είναι η ογκοµετρική απόδοση τηςαντλίας. Παραλληλίζοντας την αντλία µε τον συµπλέκτη µεταξύ κινητήρα και λαδιού, η ογκοµετρική απόδοση είναι πρακτικά αντιστρόφως ανάλογη του πατιναρίσµατος. Οι απώλειες των αντλιών που κατά βάση χρησιµοποιούνται στην βιοµηχανία του υδραυλικού ανελκυστήρα είναι σηµαντικές και εξαρτώνται από τον ρυθµό περιστροφής της. Αυτό σηµαίνει ότι ακόµη και ο απ ευθείας έλεγχος των στροφών στο κινητήρα δεν µας δίνει ικανοποιητική εικόνα για την ταχύτητα του θαλάµου, καθώς από ένα όριο στροφών και κάτω, η αντλία πρακτικά δεν λειτουργεί. Οι παραλλαγές που έχουν προταθεί για τον αξιόπιστο έλεγχο της κίνησης του θαλάµου
είναι διάφορες και κυρίως έχουν να κάνουν µε τον έλεγχο της ροής του λαδιού. Μολονότι η χρήση αισθητήρα θαλάµου δίνει τον απόλυτο έλεγχο της κίνησης, η ανάπτυξη συστηµάτων µέτρησης ροής µε αντιστάθµιση της θερµοκρασίας δίνουν ένα εξίσου αποτελεσµατικό, αλλά και πιο αξιόπιστο σύνολο. Η χρήση του Inverter, όπως έχει προκύψει από πειραµατικά αποτελέσµατα, µπορεί να επιφέρει εξοικονόµηση ενέργειας έως και 60% σε ανελκυστήρες µε συχνή χρήση. Καθότι η εξοικονόµηση είναι ιδιαιτέρως σηµαντική, δεν είναι παράξενο ότι διατίθενται ολοκληρωµένες λύσεις µετατροπής συµβατικών µονάδων σε Inverter µε ελάχιστες µετατροπές σε µονάδα και πίνακα. Από οικονοµικής απόψεως, µία τέτοια εξοικονόµηση µπορεί να αποσβέσει το κόστος µετατροπής ακόµη και σε λιγότερο από 3 έτη. Για παράδειγµα, η ευρέως γνωστή γερµανική εταιρία Blain Hydraulics GmbH, έχοντας στο ενεργητικό της αρκετές εκατοντάδες χιλιάδες συµβατικές βαλβίδες σε χρήση παγκοσµίως, έχει εξελίξει ένα τέτοιο σύνολο. Χαρακτηρίζεται από την εύκολη αντικατάσταση της συµβατικής βαλβίδας και συνοδεύεται από τα Inverter της εταιρείας Yaskawa, µε εξειδικευµένο πρόγραµµα για υδραυλικούς ανελκυστήρες. Η εξοικονόµηση ενέργειας αυτή της τάξεως σε πολλές περιπτώσεις λύνει και ένα άλλο εν γένει πρόβληµα του υδραυλικού ανελκυστήρα. Το πρόβληµα αυτό είναι η υπερθέρµανση του λαδιού σε εγκαταστάσεις µε συχνή χρήση. Οι ανελκυστήρες που αντιµετωπίζουν αυτό το πρόβληµα έχουν πολλές κινήσεις και σε αυτούς επιτυγχάνουµε και την µέγιστη εξοικονόµηση ενέργειας. Σε ένα πλήρη κύκλο κίνησης του ανελκυστήρα η ενέργεια που καταναλώνεται κατά την λειτουργία του κινητήρα µεταλλάσσεται τελικά σε θερµότητα. Είναι λοιπόν σαφές ότι όσο λιγότερη ενέργεια καταναλώνουµε, τόσο µικρότερη είναι η θερµοκρασία του λαδιού. Η συνήθης λύση σε τέτοιο πρόβληµα ήταν η τοποθέτηση ψύκτη λαδιού. εδοµένου ότι η εξοικονόµηση σε ανελκυστήρα µε συχνή χρήση φτάνει έως 60% και ότι το κόστος του ψύκτη είναι της ίδιας τάξης µεγέθους µε την τοποθέτηση Inverter, είναι εύκολα αντιληπτό ότι η απόσβεση της µετατροπής γίνεται σε πολύ σύντοµο χρονικό διάστηµα.
Β. Βαθµός απόδοσηςµονάδας ισχύος Τα τελευταία 40 και πλέον χρόνια πολλά δεδοµένα αλλάξανε στον υδραυλικό ανελκυστήρα, αλλά και µερικά παρέµειναν ίδια. Αξίζει να αναφερθεί ότι το σύνολο εµβαπτιζόµενος κινητήρας κοχλιωτή αντλία είναι σηµείο αναφοράς τις τελευταίες δεκαετίες. Βασικοί λόγοι που αυτός ο συνδυασµός είναι τόσο δηµοφιλής είναι το αφ ενός το χαµηλό κόστος του και αφ ετέρου το χαµηλό επίπεδο θορύβου του. Η τοποθέτηση του κινητήρα µέσα στο λάδι έχει το πλεονέκτηµα της άµεσης ψύξης της περιέλιξης του από αυτό. Συνυπολογίζοντας ότι ο κινητήρας λειτουργεί για περιορισµένο χρόνο και µε διαστήµατα στάσης µεγαλύτερα από τα διαστήµατα λειτουργίας, δηλαδή σε κύκλο φορτίου (duty cycle) S4, τότε έχουµε έναν κινητήρα εξαιρετικά φθηνό, αλλά και αξιόπιστο. Ενδεικτικά το κόστος ενός εµβαπτιζόµενου κινητήρα 30HP είναι συγκρίσιµο µε αυτό ενός συµβατικού κινητήρα 10HP. Τα µειονεκτήµατα αυτής της εφαρµογής οφείλονται και πάλι στο λάδι. Οι υδροδυναµικές τριβές ενός ρότορα που γυρίζει στις 2800rpm µέσα στο λάδι αποτελεί σηµαντικό παράγοντα. Η χρήση του λαδιού ως ψυκτικού µέσου ανεβάζει περαιτέρω την θερµοκρασία, όχι µονό από την ενέργεια που παράγεται κατά τον κύκλο λειτουργίας, αλλά επιπροσθέτως και από τριβές που δηµιουργούνται. Το αποτέλεσµα είναι ένας εξαιρετικά µικρός βαθµός απόδοσης του κινητήρα, ο οποίος ακόµη και µε τις πλέον σύγχρονες τεχνικές δεν µπορεί να ξεπεράσει το 82%, που είναι 10% µικρότερο από τους σύγχρονους εξωτερικούς κινητήρες EFF2. Η κοχλιωτή αντλία έχει πολύ χαµηλό κόστος, ακόµα και για αρκετάµεγάλες παροχές και εξαιρετικά χαµηλή στάθµη θορύβου, συγκρινόµενη µε τις συνηθισµένες αντλίες υδραυλικών συστηµάτων. Η χρήση της κοχλιωτής αντλίας στους υδραυλικούς ανελκυστήρες φαντάζει µονόδροµος ακόµη και σήµερα. Άλλωστε, τελευταία προτάθηκαν εξωτερικοί κινητήρες υψηλής απόδοσης για συνεργασία µε κοχλιωτές αντλίες. Βέβαια, αυτή η λύση ακούγεται µάλλον παράλογη, εάν συνυπολογίσουµε τον βαθµό απόδοσης της αντλίας, ο οποίος στην καλύτερη περίπτωσηµπορεί να φτάσει στο 75%. Η απόδοση αυτή είναι εξαιρετικά χαµηλή εάν συγκριθεί µε άλλου τύπου αντλίες και συνεπώς συνιστά σηµαντικό µειονέκτηµα. Πλέον, λόγωτης προόδου της µηχανουργικής, της µεταλλογνωσίας και της µηχανικής ρευστών έχουµε στη διάθεσή µας αντλίες πολύ υψηλής απόδοσης, πάνω από 90%, και χαµηλής στάθµης θορύβου. Φυσικά, το κόστος µίας τέτοιας αντλίας είναι πολλαπλάσιο σε σύγκριση µε αυτό µίας κοχλιωτής.
Εκτιµώντας τον συνολικό βαθµό απόδοσης που διαθέτουµε µε το κλασικό συνδυασµό εµβαπτιζόµενου κινητήρα κοχλιωτής αντλίας φτάνουµε στην καλύτερη περίπτωση στο πενιχρό 0,82 x 0,75 = 0,615 ή 61,5%. Χρησιµοποιώντας έναν συµβατικό κινητήρα υψηλής απόδοσης και µία αντίστοιχη αντλία µπορούµε να πετύχουµε απόδοση: : 0,92 x 0,92 =0,85 ή 85%. Όπως γίνεται ευκόλως κατανοητό, µία τέτοια λύση έχει τουλάχιστον 38% µεγαλύτερη απόδοση, µία βελτίωση διόλου ευκαταφρόνητη. Φυσικά,, το συνολικό κόστος αυτής της λύσης είναι αρκετά υψηλότερο, αλλά όπως πάντα, αποσβένεται από την εξοικονόµηση. Συµπεράσµατα Ο υδραυλικός ανελκυστήρας έχει σηµαντικά περιθώρια βελτίωσης αναφορικά µε την απόδοσή του. Αφενός η χρήση Inverter και αφετέρου η χρήση υψηλής απόδοσης κινητήρα και αντλίας, µπορούν να επιφέρουν εντυπωσιακά αποτελέσµατα. Ήδη, πολλές εφαρµογές µε το σύνολο των ανωτέρω αναφερόµενων βελτιώσεων δείχνουν προς τη σωστή κατεύθυνση. Βέβαια, το επιπλέον κόστος είναι σηµαντικό και ο χρόνος απόσβεσης εξαρτάται από τη χρήση του ανελκυστήρα καιφυσικά το κόστος της ενέργειας. Στην Ελλάδα οι εφαρµογές αυτού του τύπου είναι ελάχιστες και περισσότερο επιλέχθηκαν κυρίως λόγω χαµηλής εγκατεστηµένης ισχύος, παρά για εξοικονόµηση ενέργειας. Στη βόρεια Ευρώπη, όµως, αυτές οι λύσεις δεν θεωρούνται τόσο «εξωτικές», αφού και το κόστος της ενέργειας είναι σηµαντικά υψηλότερο και η οικολογική συνείδηση των πολιτών εντονότερη, ώστε να δικαιολογεί και αποδέχεται το επιπλέον κόστος. Όλα δείχνουν ότι αυτή θα είναι η µελλοντική µορφή των υδραυλικών ανελκυστήρων, καθώς όσο περνούν τα χρόνια, δίνεται ολοένα µεγαλύτερη έµφαση στην εξοικονόµηση ενέργειας.. Τα πράσινα πλεονεκτήµατα των υδραυλικών ανελκυστήρων θα ξεκινήσουν να γίνονται εµφανή, είτε εξετάζοντας συνολικά το σύστηµα του υδραυλικού ανελκυστήρα ενός οικοδοµήµατος, είτε µεµονωµένα τον κάθε παράγοντα που τον χαρακτηρίζει.