1. Aktuelle Situation der Aufzüge in China und der Aufzüge in Universitätskliniken
1. Aktuelle Situation der Aufzugsindustrie in China
Ende 2017 belief sich die Gesamtzahl der Aufzüge in China auf rund 5,6 Millionen, was etwa 70 % der weltweiten Gesamtproduktion entsprach. China lag hinsichtlich der jährlichen Produktion und des Besitzes von Aufzügen weltweit an erster Stelle und war damit der größte Aufzugsproduzent und -exporteur der Welt.
Aufgrund historischer Gegebenheiten wie technologischer Beschränkungen und veralteter Energiesparstandards für Aufzüge hat Chinas Aufzugstechnologie zwar in einigen Bereichen international führendes Niveau erreicht, doch haben Marken wie Tongli, Mitsubishi, Thyssen, Xunda und Hitachi in den letzten Jahren sukzessive energieeffizientere, getriebelose Permanentmagnet-Synchronaufzüge mit kleinem oder gar keinem Maschinenraum auf den Markt gebracht. Die Marktdurchdringung energiesparender Aufzüge ist jedoch weiterhin sehr gering. Der Anteil von Permanentmagnet-Synchronaufzügen mit einer Stromeinsparung von über 30 % liegt unter 10 %, und der Anteil von Aufzügen mit integrierten Energierückgewinnungssystemen, die eine Rückgewinnungsrate von 30 % erreichen, liegt unter 2 %. Die gesamte Aufzugsbranche in China bietet daher ein enormes Potenzial für Energieeinsparungen und einen entsprechend großen Markt für energiesparende Aufzüge.
Aktuelle Situation des Aufzugsbetriebs in Universitätskliniken
Als wichtigstes und einziges Schienenverkehrsmittel für den vertikalen Transport von Patienten und medizinischem Personal auf verschiedenen Etagen von Krankenhäusern weisen Aufzüge in Universitätskliniken folgende Merkmale auf:
① Die Anzahl der transportierten Aufzüge ist enorm
Statistiken zufolge lag die durchschnittliche jährliche Anzahl ambulanter Patienten in chinesischen Universitätskliniken im Jahr 2017 bei über 2 Millionen. Am Beispiel des Wuxi People's Hospital lässt sich dies verdeutlichen: Dort wurden 2015 jährlich 3,09 Millionen ambulante Patienten behandelt, obwohl nur 2000 Betten zur Verfügung standen. Mehr als 90 % der Patienten und ihrer Begleitpersonen nutzen Aufzüge, um die jeweiligen Abteilungen oder Stationen zu erreichen. Hinzu kommt das Personal im Krankenhaus, darunter Ärzte, Pflegekräfte, Verwaltungsangestellte sowie Reinigungs- und Sicherheitspersonal, was die tatsächliche Anzahl der genutzten Aufzüge erheblich erhöht.
Die folgende Abbildung zeigt die durchschnittliche tägliche Anzahl der Aufzugsstarts in Krankenhäusern verschiedener Versorgungsstufen gemäß den Statistiken der zuständigen Behörden. In den Universitätskliniken der Region liegt die durchschnittliche tägliche Anzahl der Aufzugsstarts bereits bei über 2000.
Die Auswirkungen des Einsatzes energiesparender Ausrüstung in Krankenhausaufzügen
▲ Abbildung 1 Statistik der durchschnittlichen täglichen Anlaufzeiten von Aufzügen in Krankenhäusern unterschiedlicher Größe
② Der Aufzug ist schon lange in Gebrauch.
Aufgrund der spezifischen Anforderungen und Einsatzbereiche von Krankenhausaufzügen ist ein 24-Stunden-Betrieb der meisten medizinischen Aufzüge erforderlich. Am Beispiel des Wuxi People's Hospital lässt sich dies verdeutlichen: Dort befinden sich insgesamt 38 Vertikalaufzüge der Marke Hitachi aus Guangzhou. Davon sind 16 medizinische Aufzüge in der stationären Abteilung – abgesehen von den regulären Wartungszeiten – 24 Stunden am Tag, 365 Tage im Jahr im Dauerbetrieb. Auch die tägliche Anlaufzeit für die ambulanten und Notfallabteilungen beträgt mehr als 12 Stunden.
③ Aufzüge haben einen hohen Energieverbrauch während des Betriebs.
Statistischen Daten zufolge liegt der durchschnittliche tägliche Stromverbrauch jedes Aufzugs in einem Universitätsklinikum zwischen 60 kWh und 100 kWh, im Durchschnitt bei 80 kWh/Tag. Hinzu kommt der Energieverbrauch für Klimaanlagen oder Ventilatoren im Maschinenraum, der im Sommer speziell für die Aufzugskühlung genutzt wird und während der Spitzenzeiten bis zu 100 kWh/Tag betragen kann. Am Beispiel eines Universitätsklinikums mit 40 Aufzügen lässt sich zeigen, dass der tägliche Stromverbrauch der Aufzüge während der sommerlichen Spitzenzeiten erstaunliche 4000 kWh erreichen kann.
④ Hohe Temperatur im Aufzugsmaschinenraum
Aktuell sind 90 % der Aufzüge auf dem Markt VVVF-Aufzüge (Frequenzumrichter mit variabler Drehzahlregelung), von denen nur etwa 2 % über integrierte Energierückführungssysteme verfügen und somit hocheffiziente Energiesparaufzüge sind. Die restlichen 98 % der Aufzüge verschwenden die beim leichten Aufwärtsfahren, schweren Abwärtsfahren und beim Bremsen auf ebener Fläche erzeugte Energie durch Bremswiderstände und thermische Umwandlung. Nachdem ein großer Teil der elektrischen Energie in Wärme umgewandelt wurde, steigt die Temperatur im Maschinenraum des Aufzugs rapide an. Werden nicht rechtzeitig Maßnahmen zur Kühlung ergriffen, schaltet sich der Aufzug aufgrund der hohen Temperatur selbst ab, was zu Notabschaltungen führen und den normalen Betrieb des Aufzugs sowie die Zufriedenheit der Fahrgäste erheblich beeinträchtigen kann.
Daher verlangt die nationale Abteilung für Qualitäts- und technische Überwachung und Inspektion, dass alle Aufzugsmaschinenräume mit leistungsstarken Kühlgeräten wie Klimaanlagen und Ventilatoren ausgestattet sein müssen, und legt ausdrücklich fest, dass die Klimaanlage zur Kühlung eingeschaltet werden muss, wenn die Temperatur im Aufzugsmaschinenraum 40 ℃ übersteigt.
⑤ Hohe Ausfallrate bei der Aufzugsnutzung
Hohe Temperaturen zählen zu den Hauptursachen für die Alterung und den Ausfall elektronischer Bauteile und sind auch einer der Hauptgründe für Unfälle, bei denen Personen in Aufzügen durch Notabschaltungen während des Betriebs eingeschlossen werden. Laut einer Stichprobenstatistik aus Guizhou, die Big Data zu Aufzügen auswertet, liegt die Ausfallrate von eingeschlossenen Personen in Krankenhausaufzügen mit 9,18 % an erster Stelle aller Aufzugstypen und übertrifft damit die Ausfallrate von Wohnhausaufzügen mit 3,44 % deutlich. Statistiken zeigen zudem, dass über 95 % dieser Unfälle in Aufzügen während der Sommerhitze passieren, wobei die überwiegende Mehrheit auf übermäßige Nutzung und unzureichende Kühlung zurückzuführen ist.
2. Technologie zur regenerativen Energienutzung in Aufzügen – Einführung in elektrische Energierückkopplungsgeräte
Die elektrische Energierückgewinnungsvorrichtung des Aufzugs ist eine spezielle Energiesparvorrichtung, die beim Bremsen von VVVF-Aufzügen eingesetzt wird. Sie gewinnt die Gleichstromenergie zurück, die bei leichter Aufwärtsfahrt, schwerer Abwärtsfahrt und beim Bremsen auf ebener Fläche aus mechanischer kinetischer Energie und potenzieller Energie entsteht. Nach Gleich-/Wechselstromumwandlung, Gleichrichtung und Filterung wird der Strom in das örtliche Stromnetz eingespeist und steht den umliegenden elektrischen Geräten des Aufzugs zur Verfügung.
Vor der energetischen Sanierung zeichneten sich VVVF-Aufzüge mit Bremsenergierückgewinnung nicht durch einen hohen Energieverbrauch aus, sondern durch die Erzeugung großer Mengen an Strom, der nicht wiederverwertet wurde. Stattdessen wurde die verfügbare elektrische Energie in Wärme umgewandelt und ungenutzt verbraucht. Dies führte zu einem plötzlichen Temperaturanstieg im Maschinenraum, der den Einsatz spezieller Kühlgeräte (Klimaanlagen) erforderlich machte, um den normalen Betrieb des Aufzugs nicht zu beeinträchtigen. Auch der Betrieb der Kühlgeräte selbst verursachte Energieverbrauch. In Maschinenräumen mit schlechter Wärmeabfuhr konnte der Energieverbrauch der Klimaanlage im Sommer sogar den des Aufzugs übersteigen, was zu erheblicher Energieverschwendung führte.
Die Energiesparfunktion wird durch ein elektrisches Energierückkopplungssystem im Aufzug realisiert, ohne die ursprüngliche Aufzugsstruktur zu verändern. Lediglich ein Energierückgewinnungsgerät wird parallel geschaltet. Da die Betriebsspannung des Rückkopplungssystems niedriger ist als die des Bremswiderstands, hat es Vorrang vor dem Bremswiderstand und speist überschüssige Energie ins Netz zurück. Bei einer Fehlfunktion des Rückkopplungssystems steigt die Gleichspannung im Aufzugsnetz weiter an, der Bremswiderstand wird wieder aktiviert und der Aufzug schaltet automatisch in den herkömmlichen Betriebsmodus. Der normale Betrieb des Aufzugs wird dadurch jedoch nicht beeinträchtigt. Das elektrische Energierückkopplungssystem ist daher sicher. Die Aufzüge der Serien GPM-M von Mitsubishi und REGEN von OTIS sind beide mit einem solchen System ausgestattet.
Die Auswirkungen des Einsatzes energiesparender Ausrüstung in Krankenhausaufzügen
▲ Abbildung 2 Funktionsprinzipdiagramm der elektrischen Energierückkopplungsvorrichtung eines Aufzugs
Der Energieumwandlungsgrad des Aufzugs-Energierückgewinnungssystems kann bis zu 97 % erreichen, mit einer direkten Energieeinsparung zwischen 15 % und 45 % und einer durchschnittlichen Energieeinsparung von 30 %. Die höchste in Energiesparprojekten von Krankenhäusern gemessene Energieeinsparung beträgt 51 %.
Nach der Installation der Energierückgewinnungsvorrichtung im Aufzug wird die gesamte aus mechanischer und potenzieller Energie umgewandelte elektrische Energie wiederverwertet. Der Bremswiderstand, die Hauptwärmequelle im Maschinenraum des Aufzugs, ist außer Betrieb und erzeugt keine Wärme mehr. Dadurch kann die Temperatur im Maschinenraum deutlich gesenkt werden. Die Klimaanlage, die zuvor zur Kühlung des Aufzugs ständig laufen musste, kann nun seltener ein- und ausgeschaltet werden, was zu weiteren Energieeinsparungen durch geringeren Stromverbrauch und niedrigere Stromkosten führt.
Da der Bremswiderstand der Hauptwärmequelle im Maschinenraum des Aufzugs seine Funktion eingestellt hat, ist die Temperatur im Maschinenraum deutlich gesunken, wodurch sich die Betriebsbedingungen des Aufzugs verbessert haben. Notabschaltungen aufgrund von Überhitzung können so Unfälle vermieden werden. Durch die Verbesserung der Bedingungen im Maschinenraum verlangsamt sich die Alterung der elektronischen Bauteile auf der Aufzugsplatine, die Ausfallrate des Aufzugs sinkt deutlich und die Wartungskosten reduzieren sich entsprechend. Gleichzeitig verlängert sich die tatsächliche Lebensdauer des Aufzugs.
3. Nutzenanalyse nach Einführung der Technologie zur Nutzung regenerativer Energie in Aufzügen
Aufbauend auf der Untersuchung erfolgreicher Energiesparprojekte von Aufzügen in vergleichbaren Krankenhäusern und den deutlichen Energieeinsparungen durch Vor-Ort-Tests an Aufzügen im Wuxi People's Hospital, führte das Wuxi People's Hospital in zwei Tranchen energetische Sanierungen an 33 VVVF-Medizinaufzügen durch, die die Voraussetzungen für eine energieeffiziente Sanierung mit Technologien zur Nutzung erneuerbarer Energien erfüllten und einen entsprechenden Investitionswert aufwiesen. Es wurden Energierückgewinnungssysteme in den Aufzügen installiert, wodurch signifikante Energieeinsparungen erzielt wurden. Die Ergebnisse sind wie folgt:
① Energiespareffekt
Die Testergebnisse nach der energetischen Sanierung zeigen, dass der Einsatz erneuerbarer Energien bei der Sanierung der Aufzüge einen signifikanten Energieeinsparungseffekt erzielt. Stichprobenmäßig wurde eine Energieeinsparung von 34,33 % und im Durchschnitt von 30 % erreicht. Gleichzeitig sank die Temperatur im Maschinenraum des Aufzugs deutlich, und die Temperatur des Bremswiderstands fiel von 191,6 °C auf 27,0 °C. Auch die Ausfallrate des Aufzugsbetriebs ging deutlich zurück. Das Gesamtprojekt erreichte somit das Ziel, hohe Effizienz und Energieeinsparung bei gleichzeitig reibungslosem und sicherem Betrieb des Aufzugs zu gewährleisten.
Tabelle 1: Vor-Ort-Aufzeichnungen der Tests zur Wirksamkeit der Energiesparmaßnahmen für das Projekt
Die Auswirkungen des Einsatzes energiesparender Ausrüstung in Krankenhausaufzügen
② Kapitalerträge
Dieses Energiesparprojekt kann die gesamten Investitionen in etwa 2 Jahren amortisieren. Die geplante Nutzungsdauer der Anlagen beträgt 15 Jahre, die verbleibenden 13 Jahre der Energieeinsparungen stellen einen Nettogewinn für das Krankenhaus dar.
③ Umweltvorteile
Nach der Umsetzung dieses Energiesparprojekts können dem Land etwa 1980 Tonnen Rohkohle eingespart, die Kohlendioxidemissionen um etwa 5,1876 Millionen Kilogramm, die Schwefeldioxidemissionen um etwa 16830 Kilogramm und die Stickoxidemissionen um etwa 14652 Kilogramm reduziert werden.
Tabelle 2 Berechnung der Umweltvorteile des Projekts
Die Auswirkungen des Einsatzes energiesparender Ausrüstung in Krankenhausaufzügen
4. Schlussfolgerung
Als wichtiges Transportmittel in Krankenhäusern trägt der sichere und reibungslose Betrieb von medizinischen Aufzügen maßgeblich zur Effizienz und zum Image des Krankenhausbetriebs sowie zur Geschwindigkeit der Lebensrettung bei. Daher ist die Gewährleistung eines sicheren und reibungslosen Betriebs medizinischer Aufzüge in einem guten Arbeitsumfeld von größter Bedeutung.
Aus historischen Gründen wie Energiesparvorgaben, Branchenstandards und technischen Beschränkungen ist der Anteil öffentlicher Einrichtungen wie Universitätskliniken, die Aufzüge mit energiesparenden Technologien wie Energierückgewinnung und getriebeloser Permanentmagnet-Synchrontechnik einsetzen, relativ gering. Die meisten Aufzüge in Universitätskliniken weisen hohe Umgebungstemperaturen, einen hohen Energieverbrauch im Betrieb und eine hohe Ausfallrate auf.
Aufgrund der Erfahrungen des Wuxi People's Hospital mit der energetischen Sanierung von Aufzügen unter Einsatz erneuerbarer Energien wird empfohlen, bei Neubau, Erweiterung und Sanierung von Krankenhäusern möglichst hocheffiziente Aufzüge mit erneuerbarer Energie und Permanentmagnet-Synchronantrieb zu wählen. Für bestehende Krankenhausgebäude empfiehlt es sich, erfahrene und qualifizierte Energieberatungsunternehmen zu beauftragen und die Aufzüge unter Einhaltung höchster Sicherheitsstandards mit elektrischen Energierückführungssystemen zu modernisieren. Dies senkt den Energieverbrauch im Aufzugsbetrieb, reduziert die Betriebskosten und trägt zur Schaffung eines umweltfreundlichen Krankenhauses bei.