Anbieter von Aufzügen mit Energierückmeldung weisen darauf hin, dass der Einsatz von Vertikalaufzügen in Hochhäusern immer beliebter wird. Um jedoch wirklich energieeffiziente Aufzüge zu betreiben, ist noch einiges zu tun. Neben den täglichen Managementmaßnahmen (wie der Installation von automatischen Sensoren außerhalb der Stoßzeiten) liegt der Schlüssel in der technologischen Forschung und den Fertigungsprozessen der Hersteller. Statistiken zeigen, dass der Stromverbrauch des Aufzugsantriebs beim Ziehen der Last über 70 % des Gesamtstromverbrauchs des Aufzugs ausmacht. Daher liegt der Fokus im praktischen Betrieb energieeffizienter Aufzüge auf der Modernisierung und Verbesserung der Antriebs- und Traktionssysteme, der Geschwindigkeitsregelung und der Steuerungsmethoden.
1. Energierückkopplungstechnologie
Die Energierückkopplungstechnologie nutzt einen Wechselrichter, um den Gleichstrom eines Frequenzumrichters in Wechselstrom umzuwandeln und diesen ins Stromnetz zurückzuspeisen, wenn der Motor Strom erzeugt. Betrachtet man die Betriebseigenschaften von Aufzügen, so befindet sich die Hälfte ihrer Betriebszeit im Stromerzeugungsmodus. Theoretisch sollte die Energierückkopplungstechnologie daher sehr energieeffizient sein. Laut unvollständigen Statistiken werden derzeit jedoch über 92 % der Aufzüge ungenutzt durch die regenerative Widerstandserwärmung verbraucht. Basierend auf den Statistiken von fast 1,3 Millionen landesweit Anfang 2011 genutzten Aufzügen und der Annahme einer durchschnittlichen Leistung von 15 kW pro Aufzug und 5 kW für den regenerativen Widerstand entspricht dies einem elektrischen Ofen mit einer Leistung von ca. 7 Millionen kW, der ungenutzt heizt. Welch eine Verschwendung! Die Energierückkopplungstechnologie betrachtet die Eingangsleistung von Aufzügen als steuerbare Größe und bietet dadurch viele Vorteile. Diese Technologie wird derzeit von mehreren Aufzugsherstellern eingesetzt. Ein Energierückkopplungssystem wurde entwickelt, das die mittels fortschrittlicher Mehrfachgleichrichtung aufbereitete elektrische Energie in das Gebäudenetz zurückspeist, um sie von anderen elektrischen Geräten im Gebäude nutzen zu lassen. Das Energiespargerät der PFE-Serie ist eine spezielle Rückkopplungsbremseinheit für Aufzüge. Es wandelt die im Wechselrichterkondensator des Aufzugs gespeicherte, zurückgewonnene elektrische Energie effizient in Wechselstrom um und speist diesen ins Netz zurück. Dadurch wird der Aufzug zu einem umweltfreundlichen „Kraftwerk“, das andere Geräte mit Strom versorgt und somit Energie spart. Durch den Einsatz energieeffizienter Widerstände wird zudem die Umgebungstemperatur im Maschinenraum gesenkt und die Betriebstemperatur des Aufzugssteuerungssystems verbessert, was die Lebensdauer des Aufzugs verlängert. Der Maschinenraum benötigt keine Klimaanlage, was indirekt Energie spart.
2. VVVF-Technologie (Variable Voltage Variable Frequency Speed Control)
Die VVVF-Technologie findet breite Anwendung in modernen AC-Drehzahlregelungssystemen für Aufzüge. Der Einsatz dieser ausgereiften Technologie ist heute der wichtigste Weg, die Regelungsleistung und damit die Betriebsqualität von Aufzügen zu verbessern. Die VVVF-Technologie hat verschiedene Arten von AC-Drehzahlreglern mit zwei Drehzahlen abgelöst und DC-Getriebeantriebe ersetzt. Dies verbessert nicht nur die Betriebsleistung von Aufzügen, sondern spart auch effektiv Energie und reduziert Verluste. Im Folgenden wird die Energieeffizienz von VVVF-Aufzügen in verschiedenen Betriebsphasen analysiert. Der Aufzugsbetrieb lässt sich vereinfacht in drei Phasen unterteilen: Anfahren, Betrieb mit konstanter Drehzahl und Bremsen.
(1) Anlaufphase: Der VVVF startet bei niedrigen Frequenzbedingungen, was zu einem geringen Blindstrom führt und den gesamten Anlaufstrom und Energieverbrauch erheblich reduziert.
(2) Betrieb mit konstanter Geschwindigkeit: Der Energieverbrauch von ACVV-Aufzügen (Spannungs- und Drehzahlregelung) im Betrieb mit konstanter Geschwindigkeit ist vergleichbar mit dem von VVVF-geregelten Aufzügen bei Volllast und Halblast in Richtung Aufwärtsfahrt. Bei geringer Last in Richtung Aufwärtsfahrt (oder hoher Last in Richtung Abwärtsfahrt) benötigen ACVV-Aufzüge aufgrund des Gegenzugs Energie aus dem Stromnetz, um ein Bremsmoment zu erzeugen, während VVVF-Aufzüge im regenerativen Bremsbetrieb arbeiten und keine Energie aus dem Stromnetz benötigen.
(3) Bremsabschnitt: ACVV-Aufzüge nutzen im Bremsabschnitt üblicherweise ein energieverbrauchendes Bremsverfahren. Dabei wird der Bremsstrom aus dem Stromnetz bezogen, in Wärmeenergie umgewandelt und im Rotor des Motors verbraucht. Bei Motoren mit großen Rädern kann der Bremsstrom 60–80 A erreichen, was zu einer relativ starken Erwärmung des Motors führt. VVVF-Aufzüge benötigen während des Bremsvorgangs keine Energie aus dem Stromnetz. Der Elektromotor arbeitet im regenerativen Bremsmodus. Die kinetische Energie des Aufzugssystems wird in elektrische Energie umgewandelt und vom externen Widerstand des Motors verbraucht. Dies spart nicht nur Energie, sondern vermeidet auch die durch den Bremsstrom verursachte Motorerwärmung.
Berechnungen aus dem laufenden Betrieb zufolge können mit VVVF gesteuerte Aufzüge im Vergleich zu mit ACVV geregelten Aufzügen über 30 % Energie einsparen. Das VVVF-System verbessert zudem den Leistungsfaktor des Stromnetzes und reduziert die Kapazität der Aufzugsanlagen und Elektromotoren um mehr als 30 %. Daraus lässt sich schließen, dass mit VVVF drehzahlgeregelte Aufzüge deutliche Energieeinsparungen erzielen, die zukunftsweisende Entwicklung der Aufzugsdrehzahlregelung darstellen und erhebliche wirtschaftliche und soziale Vorteile bieten.
3. Prinzip und Anwendung des DC-Bus-Aufzugssteuerungssystems
In Bereichen mit hohem Aufzugsaufkommen reicht ein Aufzug oft nicht aus, daher werden häufig zwei oder mehr gleichzeitig betrieben. Um Energie zu sparen, kann die überschüssige Energie, die von einem oder zwei Aufzügen während des Betriebs erzeugt wird, in eine gemeinsame Sammelschiene eingespeist werden. Das gängige DC-Sammelschienen-Steuerungssystem für Aufzüge besteht in der Regel aus Leistungsschaltern, Schützen, Wechselrichtern, Motoren und Sicherungen. Charakteristisch ist, dass alle Aufzüge auf der DC-Seite des Systems an eine gemeinsame Sammelschiene angeschlossen sind. So kann jeder Aufzug während des Betriebs mittels seines eigenen Wechselrichters Wechselstrom in Gleichstrom umwandeln und diesen in die Sammelschiene einspeisen. Die anderen an der Sammelschiene angeschlossenen Aufzüge können diese Energie optimal nutzen, wodurch der Gesamtenergieverbrauch des Systems sinkt und Energieeinsparungen erzielt werden. Bei einer Störung eines Aufzugs wird einfach der entsprechende Luftschalter ausgeschaltet. Dieses System zeichnet sich durch einen einfachen Aufbau, geringe Kosten sowie Sicherheit und Zuverlässigkeit aus.
4. Anwendung neuer Traktionsmedien
Das traditionelle Antriebsmedium für Aufzüge ist ein Stahlseil, dessen Gewicht und Reibung einen hohen Energieverbrauch verursachen. Der Einsatz von Polyurethan-Verbundstahlbändern anstelle herkömmlicher Stahlseile revolutioniert das Designkonzept traditioneller Aufzüge und ermöglicht so Energieeinsparung und Effizienzsteigerung. Polyurethan-Stahlbänder mit einer Dicke von nur 3 Millimetern sind flexibler und langlebiger als herkömmliche Stahlseile und weisen eine dreimal höhere Lebensdauer auf. Dank ihrer hohen Zähigkeit und Zugkraft können die Hauptantriebsmaschinen miniaturisiert werden. Der Durchmesser der Antriebsräder kann auf 100–150 Millimeter reduziert werden. In Kombination mit getriebeloser Permanentmagnet-Technologie lässt sich das Volumen der Antriebsmaschine im Vergleich zu herkömmlichen Hauptantriebsmaschinen um 70 % verringern. Dies ermöglicht eine maschinenraumfreie Konstruktion, spart erheblich Platz und senkt die Baukosten. Aktuell nutzen sowohl der Otis GEN2-Aufzug als auch der Xunda 3300AP-Aufzug diese Technologie, die nachweislich bis zu 50 % Energie im Vergleich zu herkömmlichen Aufzügen einspart. Darüber hinaus befindet sich das hochfeste, kernlose Traktionsseil aus synthetischen Fasern der Xunda Elevator Company derzeit in der Erprobungsphase und wird voraussichtlich in Kürze auf dem chinesischen Markt eingeführt.
5. Technologie mit variabler Drehzahl
Die Aufzugstechnologie mit variabler Geschwindigkeit ist eine weitere neue, energiesparende und umweltfreundliche Technologie, die in den letzten Jahren entwickelt wurde. Die Forschung und Entwicklung dieser Technologie basiert auf dem Energiesparpotenzial herkömmlicher Aufzüge. Im Betrieb herkömmlicher Aufzüge wird die Nenngeschwindigkeit nur dann erreicht, wenn die Antriebsmaschine unter Volllast arbeitet, d. h. wenn ihre Ausgangsleistung sowohl bei voller als auch bei leerer Auslastung maximal ist. Befinden sich jedoch nur etwa die Hälfte der Fahrgäste im Aufzug, ist die Last auf die Antriebsmaschine aufgrund des Gegengewichts geringer, und es steht noch überschüssige Ausgangsleistung zur Verfügung. Das heißt, es wird nur ein Teil der Leistung der Antriebsmaschine genutzt. Die Aufzugstechnologie mit variabler Geschwindigkeit nutzt die Restenergie bei geringer Last, um die Aufzugsgeschwindigkeit bei gleichbleibender Leistung zu erhöhen. Durch den Einsatz dieser neuen Technologie kann die maximale Aufzugsgeschwindigkeit auf das 1,6-Fache der Nenngeschwindigkeit gesteigert werden. Simulationsstudien zeigen eine Reduzierung der Wartezeit für Fahrgäste um ca. 12 %. Dies verkürzt nicht nur die von Fahrgästen am häufigsten kritisierten Wartezeiten und Fahrzeiten, sondern verbessert auch die Mobilität und den Komfort. Die gesteigerte Mobilitätseffizienz verlängert die Standby-Zeit der Aufzüge, und die Beleuchtung kann abgeschaltet werden, was zu einer signifikanten Energieeinsparung führt. Gleichzeitig ermöglicht die Aufzugstechnologie mit variabler Geschwindigkeit eine Geschwindigkeitserhöhung um eine Stufe, ohne dass die Antriebsmaschine angepasst werden muss. Dies trägt wesentlich zur Kosten- und Energieeinsparung bei.
6. Objektives Ebenenauswahlsystem
Das Xunda M10-Steuerungssystem war das erste in China, das die Technologie zur Zielstockwerksauswahl einsetzte. Dank kontinuierlicher Verbesserung und Forschung und Entwicklung hat sich sein Nutzungskonzept in China etabliert und die Branche maßgeblich beeinflusst. Das System der neuen Generation, Schindler ID, wird bereits in mehreren Luxusgebäuden in China (z. B. Nanjing Zifeng Building, PetroChina Building) implementiert. Herkömmliche Aufzüge wählen das gewünschte Stockwerk erst nach dem Betreten des Aufzugs aus und geben es dem Aufzug an. Zu Stoßzeiten halten sie oft Stockwerk für Stockwerk, was ineffizient ist. Die Zielstockwerksauswahl ermöglicht es hingegen, Fahrgäste, die in dasselbe Stockwerk fahren möchten, bereits vor dem Betreten des Aufzugs zu organisieren und so die Effizienz zu steigern. Durch die Kombination relevanter Software-Datenbanken, Bluetooth-Technologie und Gebäudemanagementsystemen werden Smartcard-Anrufe und die Aufzugszuweisung genutzt, um Aufzüge nahtlos in intelligente Gebäude zu integrieren. Die Aktivitätsbereiche für Personen, die das Gebäude betreten, sind vordefiniert, was die Managementeffizienz und die Sicherheit im Gebäude und im gesamten Umfeld verbessert.
7. Modernisierung der Aufzugskabinenbeleuchtung und der Etagenanzeige.
Laut vorliegenden Informationen lassen sich durch den Austausch der üblicherweise in Aufzügen verwendeten Glühlampen, Leuchtstofflampen und anderer Beleuchtungskörper gegen LED-Leuchtdioden rund 90 % des Energieverbrauchs einsparen. Die Lebensdauer der Leuchten ist zudem 30- bis 50-mal länger als die herkömmlicher Leuchten. LED-Lampen verbrauchen in der Regel nur 1 W, erzeugen keine Wärme und ermöglichen vielfältige Außendesigns und optische Effekte, wodurch die Aufzüge ein ästhetisches und elegantes Erscheinungsbild erhalten. Der Aufzug befindet sich im Standby-Modus, während die Etagenanzeige permanent aktiv ist. Durch die Nutzung einer Energiesparfunktion, die die Beleuchtung automatisch abschaltet oder die Helligkeit halbiert, lassen sich weitere Energieeinsparungen erzielen.
8. Solarbetriebener Aufzug
Im Vergleich zu herkömmlichen Aufzügen weisen solarbetriebene Aufzüge zwei wesentliche Merkmale auf: Erstens kann die Stromversorgung automatisch umgeschaltet werden. Zweitens kommen neue Technologien für ergänzende optische Netzwerke zum Einsatz. Es ist möglich, Solarenergie und die während des Betriebs erzeugte elektrische Energie in speziellen Batterien zu speichern. Sobald bestimmte Parameter erreicht sind, muss das Stromnetz keine weitere Stromversorgung mehr leisten; der Aufzug schaltet automatisch auf Batteriebetrieb um und nutzt so die Solarenergie optimal und recycelt gleichzeitig die erzeugte elektrische Energie.