Les fournisseurs de données sur la consommation énergétique des ascenseurs rappellent que l'utilisation des ascenseurs verticaux dans les immeubles de grande hauteur est de plus en plus répandue. Pour parvenir à des économies d'énergie significatives, il reste encore beaucoup à faire. Outre les efforts de gestion quotidienne (comme l'installation de capteurs automatiques sur les ascenseurs pendant les heures creuses), la recherche technologique et les processus de fabrication des entreprises sont primordiaux. Selon les statistiques, la consommation d'énergie du moteur d'entraînement, liée au transport de la charge, représente plus de 70 % de la consommation totale de l'ascenseur. Par conséquent, les efforts pratiques pour améliorer l'efficacité énergétique des ascenseurs reposent sur la modernisation et l'amélioration des systèmes de traction et d'entraînement, des méthodes de régulation de la vitesse et des systèmes de contrôle.
1. Technologie de rétroaction énergétique
La technologie de récupération d'énergie consiste à utiliser un onduleur pour convertir le courant continu (CC) d'un convertisseur de fréquence en courant alternatif (CA) et le réinjecter dans le réseau électrique lorsque le moteur fonctionne en mode générateur. Le fonctionnement des ascenseurs montre que la moitié de leur temps de fonctionnement correspond à la production d'électricité. En théorie, l'efficacité énergétique de cette technologie devrait être très bonne. Or, selon des statistiques incomplètes, plus de 92 % des ascenseurs gaspillent actuellement cette énergie sous forme de chauffage par résistance régénérative. Si l'on se base sur les statistiques relatives aux près de 1,3 million d'ascenseurs en service en Chine début 2011, et en supposant une puissance moyenne de 15 kW par ascenseur et de 5 kW pour la résistance régénérative, cela équivaut à disposer d'une centrale électrique d'une puissance d'environ 7 millions de kW fonctionnant inutilement. Un véritable gâchis ! La technologie de récupération d'énergie considère l'alimentation électrique des ascenseurs comme un élément contrôlé, ce qui présente de nombreux avantages. Actuellement, cette technologie est largement utilisée par plusieurs fabricants d'ascenseurs. Un système de récupération d'énergie a été développé, permettant de réinjecter dans le réseau électrique du bâtiment l'électricité produite par la technologie de rectification multiple avancée, afin d'alimenter d'autres équipements électriques. Le dispositif d'économie d'énergie par récupération d'énergie pour ascenseurs de la série PFE est un système de freinage à récupération d'énergie dédié. Il convertit efficacement l'énergie électrique régénérée, stockée dans le condensateur de l'onduleur de l'ascenseur, en courant alternatif et la réinjecte dans le réseau. L'ascenseur devient ainsi une véritable centrale électrique verte, alimentant d'autres équipements et contribuant aux économies d'énergie. De plus, en remplaçant les résistances consommatrices d'énergie, la température ambiante dans la salle des machines est réduite, ce qui améliore la température de fonctionnement du système de commande de l'ascenseur et prolonge sa durée de vie. La salle des machines n'a plus besoin de climatisation, ce qui permet de réaliser des économies d'énergie indirectes.
2. Technologie VVVF (Variable Voltage Variable Frequency Speed Control)
La technologie VVVF est largement utilisée dans les systèmes modernes de régulation de vitesse des ascenseurs à courant alternatif. Son utilisation, après une période de maturité, est devenue la principale solution pour améliorer les performances de la commande des ascenseurs et optimiser leur fonctionnement. La technologie VVVF a permis de remplacer différents types de variateurs de vitesse à moteur à courant alternatif à deux vitesses par des variateurs à courant continu sans engrenages, améliorant ainsi les performances des ascenseurs tout en réalisant des économies d'énergie et en réduisant les pertes. L'analyse suivante porte sur les performances énergétiques des ascenseurs VVVF en fonction des différentes phases de leur fonctionnement. Le fonctionnement d'un ascenseur peut être simplifié en trois phases : démarrage, fonctionnement à vitesse stabilisée et freinage.
(1) Phase de démarrage : le VVVF démarre dans des conditions de basse fréquence, ce qui entraîne un faible courant réactif et réduit considérablement le courant de démarrage total et la consommation d'énergie.
(2) Section à vitesse constante : L’énergie consommée par les ascenseurs à régulation de tension et de vitesse (ACVV) en fonctionnement à vitesse constante est similaire à celle des ascenseurs à régulation de tension et de vitesse (VVVF) en montée à pleine charge et à mi-charge. Lors d’une montée à faible charge (ou d’une descente à forte charge), en raison de l’effet de traction inverse, les ascenseurs ACVV doivent puiser de l’énergie sur le réseau électrique pour générer le couple de freinage, tandis que les ascenseurs VVVF fonctionnent en freinage régénératif et n’ont pas besoin de puiser d’énergie sur le réseau.
(3) Section de freinage : Les ascenseurs ACVV utilisent généralement un système de freinage par récupération d’énergie. Ce système puise l’énergie nécessaire au freinage sur le réseau électrique, et cette énergie est convertie en chaleur et dissipée dans le rotor du moteur. Pour les moteurs à grande inertie, le courant de freinage peut atteindre 60 à 80 A, entraînant un échauffement important du moteur. Les ascenseurs VVVF, quant à eux, ne consomment aucune énergie du réseau électrique pendant le freinage. Le moteur électrique fonctionne alors en freinage régénératif. L’énergie cinétique de l’ascenseur est convertie en énergie électrique et dissipée par la résistance externe du moteur, ce qui permet non seulement de réaliser des économies d’énergie, mais aussi d’éviter l’échauffement du moteur dû au courant de freinage.
D'après les calculs d'exploitation, les ascenseurs à régulation de vitesse par fréquence variable (VVVF) permettent d'économiser plus de 30 % d'énergie par rapport aux ascenseurs à régulation de vitesse par courant alternatif (ACVV). Le système VVVF améliore également le facteur de puissance du réseau électrique et réduit la consommation des équipements de la ligne d'ascenseur et des moteurs électriques de plus de 30 %. Il apparaît donc clairement que les ascenseurs à régulation de vitesse par fréquence variable (VVVF) présentent des caractéristiques d'économie d'énergie remarquables, constituent une voie d'avenir pour la régulation de vitesse des ascenseurs et offrent des avantages économiques et sociaux significatifs.
3. Principe et application du système de commande d'ascenseur à bus CC
Dans les lieux à forte fréquentation, un seul ascenseur ne suffit pas ; il arrive donc souvent que deux, voire plus, fonctionnent simultanément. Dans ce cas, il est possible de réinjecter l'énergie excédentaire produite par un ou deux ascenseurs lors de la production d'électricité dans un réseau électrique commun, afin de réaliser des économies d'énergie. Le système de commande d'ascenseurs à réseau CC commun est généralement composé de disjoncteurs, de contacteurs, d'onduleurs, de moteurs et de fusibles. Sa particularité est de connecter tous les ascenseurs du côté CC du système à un réseau électrique commun. Ainsi, chaque ascenseur peut convertir le courant alternatif en courant continu grâce à son propre onduleur pendant son fonctionnement et le réinjecter dans le réseau. Les autres ascenseurs connectés au réseau peuvent alors pleinement utiliser cette énergie, réduisant ainsi la consommation énergétique totale du système et contribuant aux économies d'énergie. En cas de dysfonctionnement d'un ascenseur, il suffit de couper son interrupteur. Ce système présente les avantages d'une structure simple, d'un faible coût, ainsi que d'une sécurité et d'une fiabilité élevées.
4. Application de nouveaux supports de traction
Le système de traction traditionnel des ascenseurs est constitué de câbles en acier, énergivores en raison de leur poids et du frottement. L'utilisation de bandes d'acier composites en polyuréthane à la place des câbles en acier traditionnels révolutionne la conception des ascenseurs, permettant des économies d'énergie et une efficacité accrues. D'une épaisseur de seulement 3 millimètres, ces bandes d'acier en polyuréthane sont plus flexibles et durables que les câbles en acier traditionnels, avec une durée de vie trois fois supérieure. Leur grande robustesse et leur force de traction élevée permettent de miniaturiser le moteur principal. Le diamètre de la roue de traction peut ainsi être réduit à 100-150 millimètres. Associée à une technologie sans engrenages à aimants permanents, cette technologie permet de réduire le volume du moteur de traction de 70 % par rapport aux moteurs traditionnels, facilitant la conception sans local machine, optimisant l'espace et réduisant les coûts de construction. Actuellement, les ascenseurs Otis GEN2 et Xunda 3300AP utilisent cette technologie, qui permet de réaliser jusqu'à 50 % d'économies d'énergie par rapport aux ascenseurs traditionnels. Par ailleurs, le câble de traction haute résistance sans âme en fibre synthétique de Xunda Elevator Company est en phase de validation opérationnelle et devrait être commercialisé en Chine prochainement.
5. Technologie à vitesse variable
La technologie des ascenseurs à vitesse variable est une autre technologie novatrice, économe en énergie et respectueuse de l'environnement, apparue ces dernières années. Sa recherche et son développement s'appuient sur le potentiel d'économie d'énergie des ascenseurs traditionnels. En effet, lors du fonctionnement d'un ascenseur traditionnel, la vitesse nominale n'est atteinte que lorsque la machine de traction fonctionne à sa charge maximale, c'est-à-dire lorsque sa puissance de sortie est maximale, que l'ascenseur soit plein ou vide. Cependant, lorsque la moitié environ du nombre de passagers est présente, grâce à l'équilibrage de la cabine par le contrepoids, la charge sur la machine de traction est en réalité faible, et il subsiste une réserve de puissance. Autrement dit, seule une partie de la puissance de la machine de traction est utilisée. La technologie des ascenseurs à vitesse variable utilise la puissance restante lorsque la charge est faible afin d'augmenter la vitesse de l'ascenseur à puissance constante. L'application de cette nouvelle technologie permet d'accroître la vitesse maximale des ascenseurs jusqu'à 1,6 fois leur vitesse nominale. Une simulation a démontré une réduction du temps d'attente des passagers d'environ 12 %. Ceci permet non seulement de réduire les temps d'attente et de trajet, sources majeures d'insatisfaction pour les usagers, mais aussi d'améliorer l'efficacité et le confort de déplacement. L'amélioration de l'efficacité permet d'allonger la durée de fonctionnement des ascenseurs et de désactiver l'éclairage, ce qui représente une économie d'énergie significative. Par ailleurs, cette technologie permet d'augmenter la vitesse d'un étage sans changer de machine de traction, contribuant ainsi de manière importante à la réduction des coûts et à la réduction de la consommation d'énergie.
6. Système de sélection de la couche objectif
Le système de contrôle Xunda M10 a été le premier en Chine à appliquer la technologie de sélection de l'étage de destination. Grâce à des améliorations continues et à des innovations en recherche et développement, son concept a été adopté par les Chinois et a inspiré l'innovation constante d'autres acteurs du secteur. Son système de nouvelle génération, Schindler ID, a été installé dans plusieurs immeubles de prestige en Chine (immeuble Nanjing Zifeng, immeuble PetroChina). En résumé, les ascenseurs traditionnels ne sélectionnent l'étage qu'après y être entrés et l'avoir indiqué. Aux heures de pointe, ils s'arrêtent souvent étage par étage, ce qui est inefficace. En revanche, l'application des systèmes de sélection de l'étage de destination permet d'organiser les personnes se rendant au même étage avant même d'entrer dans l'ascenseur, ce qui améliore l'efficacité. En combinant des bases de données logicielles pertinentes, la technologie Bluetooth et des systèmes de gestion communautaire, l'appel par carte à puce et l'attribution des ascenseurs permettent une véritable intégration des ascenseurs dans les bâtiments intelligents. Les zones d'activité du personnel entrant dans le bâtiment sont prédéfinies, ce qui améliore l'efficacité de la gestion et la sécurité du bâtiment et de ses résidents.
7. Mettre à jour le système d'éclairage de la cabine d'ascenseur et le système d'affichage des étages.
D'après les informations disponibles, le remplacement des lampes à incandescence, des tubes fluorescents et autres luminaires classiques par des diodes électroluminescentes (DEL) dans les cabines d'ascenseur permet de réaliser jusqu'à 90 % d'économies d'énergie. La durée de vie de ces luminaires est par ailleurs 30 à 50 fois supérieure à celle des lampes conventionnelles. Les lampes DEL consomment généralement seulement 1 W, ne dégagent pas de chaleur et offrent une grande variété de possibilités en matière de design et d'effets lumineux, pour un rendu esthétique et élégant. Lorsque l'ascenseur est en veille, l'affichage des étages reste toujours actif. L'utilisation d'une technologie de mise en veille automatique, avec extinction ou réduction de la luminosité de moitié, contribue également à l'économie d'énergie.
8. Ascenseur solaire
Comparativement aux ascenseurs classiques, les ascenseurs solaires présentent deux caractéristiques majeures : d’une part, l’alimentation électrique peut être commutée automatiquement ; d’autre part, ils utilisent des technologies de pointe pour les réseaux optiques complémentaires. L’énergie solaire et l’énergie électrique produite lors du fonctionnement de l’ascenseur peuvent être stockées dans des batteries dédiées. Une fois certains seuils atteints, l’ascenseur n’a plus besoin d’être alimenté par le réseau électrique et bascule automatiquement sur l’alimentation par batteries, optimisant ainsi l’utilisation de l’énergie solaire et recyclant l’énergie électrique produite.