Ενεργειακή απόδοση υδραυλικών ανελκυστήρων – Πραγματικότητα και προοπτικές
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 της ταχύτητας ανόδου 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 της αντλίας.
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. Δεδομένου 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 απόδοσης μονάδας 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 αρκετά μεγάλες 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 περίπτωση μπορεί να φτάσει στο 75%. Η απόδοση αυτή είναι εξαιρετικά χαμηλή εάν συγκριθεί με άλλου τύπου αντλίες και συνεπώς συνιστά σημαντικό μειονέκτημα. Πλέον, λόγω της 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 και φυσικά 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.
Θεοχάρης Χ. Δημήτριος
Μηχανολόγος – Μηχανικός Α.Π.Θ.
Διευθυντής Παραγωγής Βιομηχανίας Υδραυλικών Συστημάτων Ανύψωσης BIOFIAL A.E.
Το παραπάνω άρθρο δημοσιεύτηκε στο περιοδικό ΑΝΕΛΚΥΣΤΗΡΑΣ (Τεύχος 74 • Έτος 23ο)
Σε αυτό το σύνδεσμο μπορείτε να διαβάσετε το άρθρο με την μορφή που αυτό δημοσιεύθηκε.