Curso en Auditoría y Ahorro Energético: Viviendas y Terciario

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1 Curso en Auditoría y Ahorro Energético: Viviendas y Terciario Energía Eléctrica Ascensores y Escaleras Mecánicas José Cidrás y Camilo Carrillo Módulo 4 Universidad de Vigo Vigo, 19 octubre

2 Escaleras Mecánicas 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

3 Escaleras Mecánicas Introducción Escaleras en servicio Área 2008 China 40 % Europa 19 % Japón and Corea 20% América 11% Resto del mundo 10% Unidades Escaleras nuevas Área 2008 China 52 % Europa 13 % Japón and Corea 11 % América 5% Resto del mundo 19 % Unidades

4 Escaleras Mecánicas Introducción Mercado de escaleras mecánicas (2007) Otros 16% Otis 20% Hitachi 6% Mitsubishi 8% Kone 12% Schindler 26% ThyssenKrupp 12% 4

5 Piso superior Escaleras Mecánicas Características desnivel (H) pasamanos escalón Rueda de retorno x L y Ángulo de inclinación ( ) motor multiplicadora Arrastre pasamanos 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

6 Capacidad teórica de transporte (C t ) C Escaleras Mecánicas t Prestaciones 3600vk 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 Ancho Velocidad Nominal nominal 0,5 0,65 0,75 0, pers/h 5850 pers/h 6750 pers/h 0, pers/h 8775 pers/h pers/h pers/h pers/h pers/h 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

7 Escaleras Mecánicas Prestaciones Escalera mecánica 1 2 y 3 Dirección transporte subida Desnivel (m) 5,12 3,80 Inclinación (º) 35 Capacidad de transporte teórica (pers./hora) EN Capacidad de transporte efectiva (pers./hora) Ancho de escalón (m) 0,8 Velocidad nominal (m/s) 0,5 Potencia motor (kw) 5,50 4,00 Distancia recorrida (m) 9,0 6,6 Nº de escalones 26 20,5 7

8 Potencia (en W) para transportar N pasajeros: Escaleras Mecánicas Consumo P P N Donde: o M es la masa del pasajero (típ. 75 kg) o g es la aceleración de la gravedad (9,8 m/s 2 ) o η es la eficiencia de transporte o P 0 es la potencia consumida por la escalera sin carga 0 Mgvsin Potencia ideal por persona + Escalera subida - Escalera bajada Las pérdidad fijas P 0 dependen del diseño mecánico (guiado de escaleras, rodamiento, reductora,...), velocidad y la altura entre pisos. Potencia máxima (ó mínima) en W: C t 1 Pmax P0 MgHcos

9 Escaleras Mecánicas Consumo 2600 power in W time in s CON PASAJEROS POTENCIA VACÍO P 0 9

10 Escaleras Mecánicas Consumo Potencia [W] Nº Personas Potencia Potencia vacío tiempo [s] 10

11 Escaleras Mecánicas Consumo PRIMERAS HORAS Prácticamente P 0 DECRECIENTE Tráfico reducido ÚLTIMAS HORAS Efecto apreciable del tráfico 11

12 Escaleras Mecánicas Consumo Disminuye con el tiempo diario de funcionamiento 12

13 Escaleras Mecánicas Consumo Disminuye con el tiempo diario de funcionamiento Escalera Plantas 0 a 1 1 a 2 2 a 3 Potencia en Vacio (W) Pot. Vacio en Frio (W) p 0 t P0 1 T t Ae 13

14 Escaleras Mecánicas 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 (pers./hora) Rendimiento 95.6% 93.6% 95.4% Potencia por persona (W/pers) Potencia en Vacio (W) Pot. Vacio en Frio (W) Potencia máxima (W) Cap. Personas tiempo teórico (s) Ct 3600vk y N = 1 N = 4800 p/hora Pmax < Pmotor Obtenida de medidas (85%-95%) P P N 0 Mgvsin 14

15 Energía tráfico/energía total en % La mayor parte de la demanda de energía se debe al consumo en vacío, sin pasajeros. 20% 15% 10% 5% 0% Escaleras Mecánicas Tráfico medio Tráfico máximo Ejemplo Escalera Escalera Personas cada Media min Máxima Personas diarias Media Máxima Energía tráfico Media (kwh/día) Máxima Energía vacío Media Energía total Media (kwh/día) Máxima Energía tráfico/total Media 6% 3% 2% Máxima 18% 9% 9% Energía persona (Wh/pers.) Horas/día

16 Elementos constructivos Escaleras Mecánicas Eficiencia energética 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

17 Escaleras Mecánicas Eficiencia energética 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. Rendimiento motores asíncronos 97% 96% Utilización de mayor cantidad 95% de cobre en el rotor y el 94% estator. 93% Perdidas I²R 92% El núcleo esta construido con 91% 90% 55kW IE1 laminados mas delgados y de 89% 55kW IE2 mayor permeabilidad. 88% 55kW IE3 Perdidas Fe 87% Factor de carga Rendimiento 17

18 Elementos constructivos Escaleras Mecánicas Eficiencia energética Motores Síncronos de Imanes Permanentes Ventajas: Desventajas: Eficiencia elevada (> 95%) Alta densidad de energía (imanes de tierras raras) Control sencillo Refrigeración sencilla (no circulan corrientes por el rotor) Desmagnetización Bajo mantenimiento, al no haber escobillas,... Precio, los imanes son la parte más cara Velocidad máxima limitada (fallo por sobretensiones) MSIP CA CC 18

19 Escaleras Mecánicas Eficiencia energética Estrategias de control Marcha/Paro Sistema de doble velocidad Funcionamiento del motor a tensión reducida 19

20 Escaleras Mecánicas Eficiencia energética 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 0 velocidad ocupación 20

21 Escaleras Mecánicas Eficiencia energética Estrategias de control Sistema de doble velocidad, después de transcurrido un tiempo 1 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 0 velocidad ocupación Motor Variador de frecuencia Asíncrono Inversor Rectificador MA Enlace CC RED 21

22 Escaleras Mecánicas Eficiencia energética Estrategias de control Sistema de doble velocidad 120 Reducción en velocidad 50% Par mecánico (N m) carga escalera Pot. nominal (4kW) funcionamiento rpm 22

23 Escaleras Mecánicas Eficiencia energética Estrategias de control Sistema de doble velocidad Reducción en consumo en vacío 50% Pot. mecánica (kw) rpm 2 Pot. eléctrica (kw) rpm 23

24 Escaleras Mecánicas Eficiencia energética 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. U 2 ) Aumento de pérdidas en el cobre (prop. I) 24

25 Escaleras Mecánicas Eficiencia energética Estrategias de control Funcionamiento del motor a tensión reducida. Reducción en velocidad 4% Par mecánico (N m) carga escalera Pot. nominal (4kW) funcionamiento rpm 25

26 Escaleras Mecánicas Eficiencia energética Estrategias de control Funcionamiento del motor a tensión reducida. Reducción en consumo < 11% Pot. mecánica (kw) rpm Pot. eléctrica (kw) rpm 26

27 Escaleras Mecánicas Eficiencia energética Estimación de ahorros kwh/día Esc. 1 Esc. 2 Esc. 3 Total Ahorro consumo Func. Normal escaleras Marcha/Paro Vel. reducida kwh/año Esc. 1 Esc. 2 Esc. 3 Total Ahorro consumo Func. Normal escaleras Marcha/Paro % Vel. reducida % /año Esc. 1 Esc. 2 Esc. 3 Total Ahorro gasto Func. Normal escaleras Marcha/Paro Vel. reducida Precio energía: 11c /kwh (eurostat) 27

28 Escaleras Mecánicas Eficiencia energética Estimación de ahorros 1970 Multiplicadora Engranaje sin fin 100% 1990 Multiplicadora con Engranaje Helicoidal 80% 2000 Funcionamiento con velocidad reducida (VV) 62% Fuente: Mitsubishi 28

29 Ascensores Introducción Ascensor, equipo destinado al transporte vertical de personas entre distintos niveles o plantas. 29

30 Ascensores Introducción Ascensores en servicio Área 2008 Europa 48 % América 17 % Japón and Corea 11 % China 10 % Resto del mundo 15 % Unidades Ascensores nuevos Área 2008 China 40 % Europa 23 % Japón and Corea 10 % América 10 % Rusia 5% India 4% Resto del mundo 8 % Unidades

31 Ascensores Introducción Mercado de ascensores (2007) Hitachi 7% Otros 16% Otis 27% Mitsubishi 8% Kone 11% ThyssenKrupp 13% Schindler 18% 31

32 Elemento tractor polea cables Ascensores Características Motor eléctrico Regular la velocidad de la cabina Regenerativo: Aprovechar el frenado cabina contrapeso Contrapeso Equilibrio entre peso cabina y peso contrapeso 32

33 Ascensores Perfil consumo Funcionamiento en vacío 8 TOTP(kW)Max[kW] tiempo en s 8 TOTP(kW)Max[kW] tiempo en s 33

34 Elemento tractor cabina polea cables P c contrapeso Ascensores Comportamiento CICLO Subida de cabina P bmax : Peso total de la cabina + carga P max : Carga máxima > Ocupantes (80kg) P b : Peso total cabina α: Índice de carga o 0: vacío o 1:carga máxima P P P bcabina ( ) 0 max Contrapeso: Cabina + 45%-50% Carga máxima P P 0, 47 P ccontrapeso ( ) 0 max P b Energía ciclo subida E P P h E 0,47 P h E ciclo, subida b c perdidas max perdidas Si α < 0,47 energía negativa > Regeneración 34

35 Ascensores Comportamiento CICLO Subida de cabina Energía 0,47 Energía 0,47 Elemento tractor polea cables contrapeso E 0, 47 P h E ciclo, subida max perdidas P c cabina P b 35

36 Elemento tractor cabina polea cables Ascensores Configuración Asíncrono: Motor eléctrico Arranque estrella/triángulo Conmutación de pares de polos Regulación de frecuencia Síncrono: Regulación de frecuencia contrapeso Contrapeso Equilibrio entre peso cabina y peso contrapeso 36

37 Ascensores Configuración Red eléctrica U = 400 V f =50 Hz Motor eléctrico asíncrono Conmutación de pares de polos Red eléctrica U = 400 V f =50 Hz Caja de engranajes Variador de frecuencia Motor eléctrico Inducción polea cables Regulación de frecuencia Regeneración Resistencias frenado Motor eléctrico Inducción Caja de engranajes polea cables cabina cabina contrapeso contrapeso 37

38 Motor eléctrico síncrono Multipolos: sin engranajes Regulación de frecuencia Ascensores Configuración Red eléctrica U = 400 V f =50 Hz Variador de frecuencia Motor eléctrico Síncrono polea cables cabina contrapeso 38

39 Ascensores Configuración Motor asíncrono con multiplicadora Motor síncrono SIN multiplicadora SIN sala de máquinas Fuente: Mitsubushi 39

40 Ascensores Configuración Ascensores cabina Red eléctrica U = 400 V f =50 Hz Pistón hidráulico Cilindro hidráulico Bomba hidráulica Circuito hidráulico Variador de frecuencia Motor eléctrico Inducción CALOR Depósito hidráulico Ascensor hidráulico 40

41 Ascensores Normativa energética 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

42 Ascensores Normativa energética Categorías de uso según VDI 4707 Categoría Frecuencia de intensidad de uso Tiempo de viaje medio en horas al día Tiempo medio en espera en horas al día Usos típicos baja / rara vez media / ocasionalmente alta / frecuentemente muy alta / muy frecuentemente 0,5 ( 1) 1,5 (>1 2) 3 (>2 4,5) 6 (>4,5) 23,5 22, Bloque residencial con un máximo de 20 viviendas Pequeños edificios administrativos y de oficinas de 2 a 5plantas 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

43 Ascensores Normativa energética Calificación Energética Clasificación energética VDI 4707 Clases de demanda de energía Consumo en Standby en W Energía demandada por viaje en mwh/(m kg) Clases de energía específica demandada por viaje en mwh/(m kg) Categoría de uso A 50 0,8 1,45 1,01 0,9 0,84 B 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 ,0 26,88 12,67 9,11 7,33 G > 1600 > 6,0 > 26,88 > 12,67 > 9,11 > 7,33 43

44 Ascensores Ejemplo Ejemplo: Ascensor en edificio residencial Peso cabina ascensor 980,00 kg Capacidad 8,00 pers Capacidad en peso 640,00 kg Plantas 5 Viviendas 20 Altura 15,00 m Recorrido medio diario 7,50 m Velocidad 0,75 m/s Viajes por día 600,00 44

45 Ascensores Ejemplo Medida del consumo durante 5 ciclos completos de subida y bajada con cabina vacía 8 potencia en kw tiempo en s 45

46 t t P P 0,5 P 980 0, ( kg) contrapeso viaje completo viaje completo/día 0 max Ascensores Ejemplo recorrido medio 15 20( ) velocidad media m 0,75 s ms número viajes/día recorrido medio/viaje 600 7,5 1, 67( h / día ) velocidad media 0, 75 Ascensores Según VDI 4707: Categoría 2. 1,67 h/día < 2 h/día media / ocasionalmente TABLA Clases de energía específica demandada por viaje en mwh/(m kg) t funcionamiento/día t parada/día 1, 5( h/ día) 22,5( h/ día) Consumo standby de 200 W (iluminación de cabina más circuitos de control) Clasificación energética por Standby: C. 200W 46

47 Ascensores Ejemplo Consumo por viaje de 22,3 Wh (motor). 22,3( Wh) Edemandada / viaje 1,16 mwh /( m kg) 2 15( m) 640( kg) Clasificación energética por energía demandada por viaje : B. (1,16 <1,2) 47

48 Ascensores Ejemplo Un recorrido diario: 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

49 Ascensores Ejemplo Energía kwh/día Viaje % Standby % Iluminación halógena: 130 W (2,9 kwh) Iluminación LED: 30 W (0,7 kwh) AHORRO CONSUMO ILUMINACIÓN: 75% AHORRO CONSUMO ASCENSOR: 30% 49

50 Ascensores Eficiencia energética 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 Cinta Cable de acero Fuente: Mitsubishi 50

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