Curso en Auditoría y Ahorro Energético: Viviendas y Terciario EnergíaEléctrica AscensoresyEscalerasMecánicas Módulo 4 JoséCidrásyCamiloCarrillo UniversidaddeVigo Vigo,19octubre2011 1 EscalerasMecánicas Introducción Escalera mecánica (“escalator”, OTIS), conjunto de escalones móviles diseñados para el transporte de personas entre dos alturas. Su velocidad típica está entre 0,5 y 0,75 m/s. Pasillo móvil (“travelator” o “moving walkway”), para desplazamiento en horizontal o con pendientes muy suaves. 2 EscalerasMecánicas Introducción Escaleras en servicio Área China Europa JapónandCorea América Restodelmundo Unidades 2008 40 % 19 % 20% 11% 10% 500000 Escaleras nuevas Área 2008 China 52% Europa 13% JapónandCorea 11% América 5% Restodelmundo 19% Unidades 42000 http://www.lift-report.de/index.php/news/361/373/Industry-report---Lifts-and-escalators-an-industry-in-flux 3 EscalerasMecánicas Introducción Mercadodeescalerasmecánicas(2007) Otros 16% Otis 20% Hitachi 6% Mitsubishi 8% Kone 12% Schindler 26% ThyssenKrupp 12% http://www.lift-report.de/index.php/news/361/373/Industry-report---Lifts-and-escalators-an-industry-in-flux 4 EscalerasMecánicas Características desnivel (H) Piso superior pasamanos L escalón Rueda de retorno motor y x multiplicadora Arrastre pasamanos Ángulo de inclinación () Cadena de escalones Piso inferior • Desnivel (H en m), típ. entre 3 and 6 m • Angulo de inclinacion ( in grados), su máximo valor permitido es 30º, que puede llegar a los 35º para desniveles inferiores a 6 m y velocidades de transporte por debajo 0,5 m/s • Profundidad del escalón (x en m), cuyo valor mínimo es 0,38 m. • Altura entre escalones (y en m), que debe ser superior a 240 mm. • Ancho del escalón (z en m), cuyos valores estándar son 0,6, 0,8 y 1,00 m y debe ser superior a 0,58 m e inferior a 1,10 mm. • Velocidad nominal (v in m/s), su máximo valor es de 0,75 m/s para ángulos de hasta 30º y 0,5 m/s para ángulos entre 30º y 35º. L h sin • Distancia recorrida (L en m) 5 EscalerasMecánicas Prestaciones • Capacidad teórica de transporte (Ct) C t 3600 vk y Donde k representa en número de pasajeros por escalón: k=1 para z = 0,6 m k=1,5 para z = 0,8 m k = 2 para z = 1,0 m Capacidad teórica de transporte 0,6 Velocidad Nominal 0,5 0,65 0,75 4500 pers/h 5850 pers/h 6750 pers/h 0,8 6750 pers/h 8775 pers/h 10125 pers/h 1 9000 pers/h 11700 pers/h 13500 pers/h Ancho nominal La capacidad efectiva de transporte ha de reducirse en un 80% con respecto a su valor teórica, debido a que a mayor velocidad mayor es el número de personas que muestran reticencias a usar este medio 6 EscalerasMecánicas Prestaciones Escalera mecánica Dirección transporte Desnivel (m) Inclinación (º) Capacidad de transporte teórica (pers./hora) EN 115-1 Capacidad de transporte efectiva (pers./hora) Ancho de escalón (m) Velocidad nominal (m/s) Potencia motor (kW) Distancia recorrida (m) Nº de escalones 1 2y3 subida 5,12 3,80 35 6.750 4.800 0,8 0,5 5,50 9,0 26 4,00 6,6 20,5 7 EscalerasMecánicas Consumo • Potencia (en W) para transportar N pasajeros: Mgv sin P P0 N Donde: o o o o Potencia ideal por persona + Escalera subida - Escalera bajada M es la masa del pasajero (típ. 75 kg) g es la aceleración de la gravedad (9,8 m/s2) η es la eficiencia de transporte P0 es la potencia consumida por la escalera sin carga Las pérdidad fijas P0 dependen del diseño mecánico (guiado de escaleras, rodamiento, reductora,...), velocidad y la altura entre pisos. • Potencia máxima (ó mínima) en W: Pmax 1 Ct MgH cos P0 3600 8 EscalerasMecánicas Consumo power in W 2600 2400 2200 2000 0 50 CON PASAJEROS 100 time in s 150 200 250 POTENCIA VACÍO P0 9 EscalerasMecánicas Potencia [W] Consumo 2600 2400 2200 2000 Nº Personas Potencia Potencia vacío 0 2 50 100 150 50 100 150 tiempo [s] 200 250 1 0 0 200 250 10 EscalerasMecánicas Consumo PRIMERAS HORAS Prácticamente P0 DECRECIENTE Tráfico reducido ÚLTIMAS HORAS Efecto apreciable del tráfico 11 EscalerasMecánicas Consumo Disminuye con el tiempo diario de funcionamiento 12 EscalerasMecánicas Consumo Disminuye con el tiempo diario de funcionamiento Escalera 1 2 3 Plantas 0a1 1a2 2a3 1962 1445 1450 2309 1984 1865 Potencia en Vacio (W) Pot. Vacio en Frio (W) t p0 t P0 1 Ae T 13 EscalerasMecánicas Ejemplo Escalera Desnivel (m) Ángulo (º) Ancho Peldaños (m) Velocidad (m/s) Potencia motor (kW) Longitud (m) Recorrido (m) Peldaños k Capacidad Teórica (pers./hora) Capacidad Efectiva EN-115-1 (pers./hora) Rendimiento Potencia por persona (W/pers) Potencia en Vacio (W) Pot. Vacio en Frio (W) Potencia máxima (W) Cap. Personas tiempo teórico (s) 1 2 3 5.12 35 0.8 0.5 5.50 7.3 9.0 26 1.5 6750 3.80 35 0.8 0.5 4.00 5.4 6.6 20.5 1.5 6750 3.81 35 0.8 0.5 4.00 5.4 6.6 20.5 1.5 6750 4800 4800 4800 95.6% 220.56 1962 2309 6614 33.56 17.90 93.6% 225.18 1445 1984 5246 24.83 13.24 95.4% 220.98 1450 1865 5074 24.83 13.24 Ct 3600 vk y Obtenida de medidas (85%-95%) P P0 N Mgv sin N=1 N = 4800 p/hora Pmax < Pmotor 14 EscalerasMecánicas Ejemplo Escalera Energía tráfico/Energía total en % La mayor parte de la demanda de energía se debe al consumo en vacío, sin pasajeros. 20% Personas cada 10min Personas diarias Energía tráfico (kWh/día) Energía vacío Energía total (kWh/día) Energía tráfico/total Tráfico medio 15% Tráfico máximo 10% Media Máxima Media Máxima Media Máxima Media Media Máxima Media Máxima Energía persona (Wh/pers.) Horas/día 1 2 3 21 66 1339 4268 1.58 5.04 23.54 25.13 28.59 6% 18% 7 26 459 1665 0.49 1.77 17.34 17.83 19.11 3% 9% 5 24 286 1538 0.30 1.62 17.40 17.70 19.02 2% 9% 1.18 1.06 1.06 12 5% 0% 1 2 Escalera 3 15 EscalerasMecánicas Eficienciaenergética Elementos constructivos • Utilización de motores síncronos de imanes permanentes, motores de mayor eficiencia, típicamente por encima del 90%, que los de inducción y que eliminan la necesidad de reductoras. • Motores de inducción de alta eficiencia, con rendimientos incluso por encima del 90%. • Engranajes y pasamanos de alta eficiencia • Iluminación de alta eficiencia (LED) 16 EscalerasMecánicas Eficienciaenergética El motor asíncrono: motores de alta eficiencia • La eficiencia de los motores depende de las perdidas: Perdidas en el Cu. Perdidas en el Fe o vacío Perdidas de Mecánicas en los rodamientos o ventilador. Perdidas por dispersión del flujo magnético. • Utilización de mayor cantidad de cobre en el rotor y el estator. Perdidas I²R • El núcleo esta construido con laminados mas delgados y de mayor permeabilidad. Perdidas Fe Rendimiento Rendimiento motores asíncronos 97% 96% 95% 94% 93% 92% 91% 90% 89% 88% 87% 55kW IE1 55kW IE2 55kW IE3 0.30 0.50 0.70 Factor de carga 0.90 17 EscalerasMecánicas Eficienciaenergética Elementos constructivos Motores Síncronos de Imanes Permanentes – – Ventajas: • Eficiencia elevada (> 95%) • Alta densidad de energía (imanes de tierras raras) • Control sencillo • Refrigeración sencilla (no circulan corrientes por el rotor) • Bajo mantenimiento, al no haber escobillas,... MSIP CA Desventajas: • Precio, los imanes son la parte más cara • Velocidad máxima limitada (fallo por sobretensiones) • Desmagnetización CC 18 EscalerasMecánicas Eficienciaenergética Estrategias de control • Marcha/Paro • Sistema de doble velocidad • Funcionamiento del motor a tensión reducida 19 EscalerasMecánicas Eficienciaenergética Estrategias de control • Marcha/Paro, después de transcurrido un tiempo en que la escalera está sin tráfico se produce la parada • Sistema de control del motor simple • Sistema de detección de entrada de pasajero ha de ser rápido y fiable • Reticencia de los pasajeros a usar una escalera parada • Problema de seguridad por paradas imprevistas 1 velocidad ocupación 0 20 EscalerasMecánicas Eficienciaenergética Estrategias de control • Sistema de doble velocidad, después de transcurrido un tiempo en que la escalera está sin tráfico se reduce la velocidad un 50% • Sistema de control del motor simple con VV (+complejo) • Sistema de detección de entrada de pasajero ha de ser rápido y fiable Motor Asíncrono 1 velocidad ocupación 0 Variador de frecuencia Inversor Rectificador Enlace MA CC RED 21 EscalerasMecánicas Eficienciaenergética Estrategias de control • Sistema de doble velocidad 120 Reducción en velocidad ≈ 50% 200V@25Hz 400V@50Hz carga escalera Pot. nominal (4kW) funcionamiento Par mecánico (N·m) 100 80 60 40 20 0 0 500 1000 1500 rpm 22 EscalerasMecánicas Eficienciaenergética Estrategias de control • Sistema de doble velocidad 1.5 1 0.5 600 700 800 900 1000 1100 rpm 1200 1300 1400 1500 1600 1500 1600 2 Pot. eléctrica (kW) Reducción en consumo en vacío ≈ 50% Pot. mecánica (kW) 2 200V@25Hz 400V@50Hz 1.5 1 0.5 600 700 800 900 1000 1100 rpm 1200 1300 1400 23 EscalerasMecánicas Eficienciaenergética Estrategias de control • Funcionamiento del motor a tensión reducida. El sobredimensionamiento de los motores de arrastre permiten aplicar tensiones de alimentación inferiores a las nominales. • Sistema de control del motor con reductor de tensión (autotrafo,...) • Sistema de detección de sobrecarga (paso a tensión nominal) • Velocidad escalera prácticamente constante (no detección pasajero) • Reducción de pérdidas en el hierro (prop. U2) • Aumento de pérdidas en el cobre (prop. I) 24 EscalerasMecánicas Eficienciaenergética Estrategias de control • Funcionamiento del motor a tensión reducida. 40 400V@50Hz 300V@50Hz 220V@50Hz carga escalera Pot. nominal (4kW) funcionamiento 35 Reducción en velocidad ≈ 4% Par mecánico (N·m) 30 25 20 15 10 5 0 1400 1420 1440 1460 rpm 1480 1500 25 EscalerasMecánicas Eficienciaenergética Estrategias de control • Funcionamiento del motor a tensión reducida. Pot. mecánica (kW) 3 2 1 0 1420 1430 1440 1450 1460 rpm 1470 1480 1490 1500 5 Pot. eléctrica (kW) Reducción en consumo < 11% 4 400V@50Hz 300V@50Hz 220V@50Hz 4 3 2 1 0 1420 1430 1440 1450 1460 rpm 1470 1480 1490 1500 26 EscalerasMecánicas Eficienciaenergética Estimación de ahorros Func. Normal Marcha/Paro Vel. reducida Func. Normal Marcha/Paro Vel. reducida Func. Normal Marcha/Paro Vel. reducida Esc. 1 22.6 13.9 17.4 Esc. 1 6865 4224 5281 Esc. 1 762 € 469 € 586 € Esc. 2 16.3 4.2 9.0 kWh/día Esc. 3 16.5 2.5 8.1 Esc. 2 4944 1266 2737 kWh/año Esc. 3 Total 5014 16824 757 6247 2460 10478 Esc. 2 549 € 140 € 304 € €/año Esc. 3 557 € 84 € 273 € Precioenergía:11c€/kWh(eurostat) Total 55 21 34 Total 1 867 € 693 € 1 163 € Ahorro consumo escaleras 35 21 Ahorro consumo escaleras 10577 62.9% 6346 37.7% Ahorro gasto escaleras 1 174 € 704 € 27 EscalerasMecánicas Eficienciaenergética Estimación de ahorros 1970 Multiplicadora Engranaje sin fin 100% Fuente: Mitsubishi 1990 Multiplicadora con Engranaje Helicoidal 80% 2000 Funcionamiento con velocidad reducida (VV) 62% 28 Ascensores Introducción Ascensor, equipo destinado al transporte vertical de personas entre distintos niveles o plantas. 29 Ascensores Introducción Ascensores en servicio Ascensores nuevos Área 2008 Área Europa 48 % China 40% América 17% Europa 23% JapónandCorea 11% JapónandCorea 10% China 10 % América 10 % Restodelmundo 15% Rusia 5% 9100000 India 4% Restodelmundo 8% Unidades Unidades 2008 478000 http://www.kone.com/corporate/en/Investors/Businessenvironment/business_review_2008/elevatormarket/Pages/default.aspx 30 Ascensores Introducción Mercadodeascensores(2007) Otros 16% Otis 27% Hitachi 7% Mitsubishi 8% Kone 11% Schindler 18% ThyssenKrupp 13% http://www.lift-report.de/index.php/news/361/373/Industry-report---Lifts-and-escalators-an-industry-in-flux 31 Ascensores Características Motoreléctrico Elemento tractor Regularlavelocidaddelacabina polea cables Regenerativo:Aprovecharelfrenado cabina Contrapeso contrapeso Equilibrioentrepesocabinaypeso contrapeso 32 Ascensores Perfilconsumo Funcionamiento en vacío TOTP(kW)Max[kW] 8 6 4 2 0 5 10 15 20 25 tiempo en s TOTP(kW)Max[kW] 8 6 4 2 0 5 10 15 20 25 tiempo en s 33 Ascensores Comportamiento Elemento tractor CICLOSubidadecabina polea cables contrapeso Pc • • • • Pbmax: Peso total de la cabina + carga Pmax: Carga máxima > Ocupantes (80kg) Pb: Peso total cabina α: Índice de carga o 0: vacío o 1:carga máxima Pb ( cabina ) P0 ·Pmax Contrapeso: Cabina + 45%-50% Carga máxima Pc ( contrapeso ) P0 0, 47·Pmax cabina Pb Energía ciclo subida Eciclo , subida Pb Pc ·h E perdidas 0, 47 ·Pmax ·h E perdidas Si α < 0,47 energía negativa > Regeneración 34 Ascensores Comportamiento CICLOSubidadecabina Energía 0,47 Elemento tractor Energía 0,47 polea cables contrapeso Pc Eciclo, subida 0, 47 ·Pmax ·h E perdidas cabina Pb 35 Ascensores Configuración Motoreléctrico Elemento tractor Asíncrono: polea cables • Arranqueestrella/triángulo • Conmutacióndeparesdepolos • Regulacióndefrecuencia Síncrono: cabina • Regulacióndefrecuencia Contrapeso contrapeso Equilibrioentrepesocabinaypesocontrapeso 36 Ascensores Configuración Motoreléctricoasíncrono Red eléctrica Conmutacióndeparesdepolos U = 400 V f =50 Hz Red eléctrica U = 400 V f =50 Hz Caja de engranajes polea Motor eléctrico Inducción Variador de frecuencia Regulacióndefrecuencia • cables • Caja de engranajes Regeneración Resistenciasfrenado polea Motor eléctrico Inducción cables cabina cabina contrapeso contrapeso 37 Ascensores Configuración Motoreléctricosíncrono Red eléctrica U = 400 V f =50 Hz Multipolos:sinengranajes Regulacióndefrecuencia Variador de frecuencia Motor eléctrico Síncrono polea cables cabina contrapeso 38 Ascensores Configuración Motorasíncronoconmultiplicadora Fuente: Mitsubushi MotorsíncronoSINmultiplicadora SINsalademáquinas 39 Ascensores Ascensores Configuración cabina Red eléctrica U = 400 V f =50 Hz Pistón hidráulico Variador de frecuencia Bomba hidráulica Cilindro hidráulico Circuito hidráulico CALOR Motor eléctrico Inducción Depósito hidráulico Ascensorhidráulico 40 Ascensores Normativaenergética VDI 4707 Modos considerados • Consumo en espera o “standby”, en este modo el ascensor está parado (electrónica control, iluminación,...) • Consumo en viaje: mWh/(m·kg) donde se relaciona la energía consumida con la carga y la longitud del recorrido Para la medida de la energía consumida en cada viaje se realiza un viaje de referencia, el cual consiste en un viaje de recorrido completo hacia arriba y hacia abajo con la cabina vacía. 41 Ascensores Normativaenergética CategoríasdeusosegúnVDI 4707 1 2 3 4 Frecuenciade intensidaddeuso baja/raravez media/ ocasionalmente alta/ frecuentemente muyalta/muy frecuentemente Tiempodeviaje medioenhorasal día 0,5(≤1) 1,5(>1‐2) 3(>2‐4,5) 6(>4,5) Tiempomedioen esperaenhorasal día 23,5 22,5 21 18 Categoría • • Usos típicos • • Bloque residencial con un máximo de 20 viviendas Pequeños edificios administrativos y de oficinas de 2 a 5 plantas Pequeños hoteles Montacargas con poco uso • • • • Bloque residencial con un máximo de 50 viviendas Edificios administrativos y medios con hasta 10 plantas Hoteles medios Montacargas con uso medio • • • • Bloque residencial con más de 50 viviendas Edificios administrativos y de más de 10 plantas Grandes hoteles Montacargas en procesos de producción con un solo turno • • • Edificios administrativos y de más de 100 m Grandes hospitales Montacargas en procesos de producción con varios turnos 42 Ascensores Normativaenergética ClasificaciónenergéticaVDI 4707 Clasesdedemandade energía Calificación Energética Consumo en Standby en W Energía demandada por viaje en mWh/(m·kg) A ≤50 B Clases de energía específica demandada por viaje en mWh/(m·kg) Categoría de uso 1 2 3 4 ≤0,8 ≤1,45 ≤1,01 ≤0,9 ≤0,84 ≤100 ≤1,2 ≤2,51 ≤1,62 ≤1,39 ≤1,28 C ≤200 ≤1,8 ≤4,41 ≤2,63 ≤2,19 ≤1,97 D ≤400 ≤2,7 ≤7,92 ≤4,37 ≤3,48 ≤3,04 E ≤800 ≤4,0 ≤14,41 ≤7,33 ≤5,56 ≤4,67 F ≤1600 ≤6,0 ≤26,88 ≤12,67 ≤9,11 ≤7,33 G >1600 >6,0 >26,88 >12,67 >9,11 >7,33 43 Ascensores Ejemplo Ejemplo: Ascensor en edificio residencial Pesocabinaascensor Capacidad Capacidadenpeso Plantas Viviendas Altura 980,00 kg 8,00 pers 640,00 kg 5 ‐ 20 ‐ 15,00 m Recorridomediodiario 7,50 m Velocidad 0,75 m/s Viajespordía 600,00 ‐ 44 Ascensores Ejemplo Medida del consumo durante 5 ciclos completos de subida y bajada con cabina vacía potencia en kW 8 6 4 2 0 0 50 100 150 200 250 tiempo en s 300 350 400 450 45 Ascensores Ascensores Ejemplo Pcontrapeso P0 0,5·Pmax 980 0,5·640 1300(kg ) tviaje completo tviaje completo/día recorrido medio 15m 20( s) velocidad media 0, 75 m s número viajes/día · recorrido medio/viaje 600·7,5 1, 67(h / día) velocidad media 0, 75 SegúnVDI 4707:Categoría2.1,67h/día<2h/díamedia/ocasionalmente TABLA Clases de energía específica demandada por viaje en mWh/(m·kg) tfuncionamiento/día 1,5(h / día) tparada/día 22,5(h / día) Consumo “standby” de 200 W (iluminación de cabina más circuitos de control) Clasificaciónenergética porStandby:C.200W 46 Ascensores Ejemplo Consumo por viaje de 22,3 Wh (motor). Edemandada / viaje 22,3(Wh) 1,16mWh /(m·kg ) 2·15(m)·640(kg ) Clasificaciónenergética porenergíademandadaporviaje:B.(1,16<1,2) 47 Ascensores Ejemplo • Un recorrido diario: 4.050 m (= 1,5h 0,75m/s 3.600s/h) • Un valor para la energía por viaje: 3,01 kWh/día (=1,16 mWh/(m·kg) 4.050m/día 640kg) • El valor de la energía en standby al día: 4,50 kWh/día (= 200 W 22,5h/día) • Energía por día: 7,51 kWh/día (3,01 kWh/día + 4,50 kWh/día) • El consumo específico total es de: 2,90 mWh/m/kg ( = 7,51kWh/día / 4.050m/día / 640kg) Clasificación energética por energía demandada por viaje : D. (2,90 <4,37) 48 Ascensores Ejemplo Energía kWh/día Viaje 3.01 40% • • • • Standby 4.5 60% Iluminación halógena: 130 W (2,9 kWh) Iluminación LED: 30 W (0,7 kWh) AHORRO CONSUMO ILUMINACIÓN: 75% AHORRO CONSUMO ASCENSOR: 30% 49 Ascensores Eficienciaenergética Estimación de ahorros 1960 Ascensor con sala 1970 ·Multiplicadora Sin Fin ·Control tensión motor 1985 Regulador de velocidad (VV) 2000 Multiplicadora Helicoidal 2005 Máquina síncrona multipolos 100% 93% 37% 32% 30% Polea: cables de acero ►Cinta Fuente: Mitsubishi Cinta Cable de acero 50