با توجه به افزایش روزافزون قیمت حاملهای انرژی، بحث بهبود راندمان و کارآیی ماشینآلات و دستگاهها بسیار ضروری میباشد که مقوله آسانسور نیز از این امر مستثنی نیست. تاکنون فنآوریهای فراوانی در آسانسور جهت بهبود راندمان آن معرفی شده است. یکی از جدیدترین فنآوریها در این زمینه مبحث استفاده از بازیابهای انرژی در آسانسور میباشد. این مقاله به بررسی تاثیر استفاده از این فنآوری در آسانسورهای ساختمانهای کوچک و بلند مرتبه و مقایسه آنها با یکدیگر میپردازد و میزان انرژی ذخیره شده با استفاده از این فنآوری را برای چند حالت خاص محاسبه میکند.
در دنیای مدرن امروز آسانسورها بخش مهمی از زندگی ما به حساب میآیند. زندگی بدون آسانسورها خصوصا در ساختمانهای بلندمرتبه ناخوشایند و تقریبا غیر ممکن است.
حتی در ساختمانهای کوچک نیز استفاده از آسانسور روز به روز در حال افزایش است، زیرا نصب آسانسور در ساختمان از طرفی راحتی ساکنان را به دنبال خواهد داشت و سبب بهبود زندگی معلولان نیز میگردد. از طرف دیگر با توجه به افزایش قیمت حاملهای انرژی امروزه در تمام مباحث فنی و مهندسی بحث ذخیره و مصرف انرژی نیز باید مدنظر قرار گیرد. ذخیره انرژی
در آسانسورهای بلند مرتبه بازیابی انرژی به عنوان یک هنر بسیار پرارزش مطرح است و الزامی فنی به حساب میآید، زیرا اگر این انرژی قابل بازیابی به وسیله مقاومتهای حرارتی ترمز به هدر رود، اتاقی مجزا جهت خنککاری آسانسور نیاز است.
در مقابل در آسانسورهای ساختمانهای کوچک اغلب از معکوس کنندههای غیراحیایی با مقاومتهای حرارتی استفاده میشود که انرژی قابل بازیافت آسانسور را به صورت انرژی گرمایی به هدر میدهند.
این یک فرآیند یک طرفه میباشد و برگشتپذیر نیست. به عبارت دیگر نمیتوان انرژی را که به صورت گرمایی به هدر رفته است، به شبکه انرژی بازگرداند.
بازیابی انرژی در آسانسورهای ساختمانهای کوچک یک فرصت و چالش برای فنآوری روز دنیا به حساب میآید. علت این امر آن است که بازیابی انرژی فنآوری گرانقیمتی به حساب میآید و برای آن که بتواند وارد بازار رقابت شود، نیازمند پیدا نمودن یک راه حل ارزان قیمت میباشد.
شکل 1 نمودار تغییرات سرعت و توان مصرفی یک آسانسور به ظرفیت 1000 کیلوگرم را در یک دوره زمانی مشخص نشان میدهد. در این دوره زمانی آسانسور از بالا شروع به حرکت به سمت پایین میکند سپس متوقف میشود و در کابین باز و بسته میشود و مجددا به سمت بالا حرکت میکند. ناحیه خاکستری تیره مقدار انرژی را نشان میدهد که قابل بازیابی و برگرداندن به شبکه میباشد. محور چپ نمودار مصرفی انرژی واقعی آسانسور را بر حسب کیلووات و محور راست آن سرعت واقعی کابین را بر حسب متر بر ثانیه بیان میکند.
اگر در این آسانسور از فنآوری ذخیره انرژی استفاده گردد، مقدار انرژی مخصوصی که برای هر مسیر حرکت مورد نیاز است برابر kg.m/mwh 0.42 خواهد بود. –منظور از انرژی مخصوص مقدار انرژی است که به ازای هر کیلوگرم متر باید مصرف شود؛ مثلا در این مورد مصرف انرژی به ازای یک متر جابهجایی برای یک کیلوگرم بار برابر 42/0 میلی وات ساعت خواهد بود. – در صورتی که در مورد همین آسانسور اگر از این فنآوری بهره برده نشود، مصرف انرژی مخصوص آسانسور برابر 69/0 میلیوات ساعت بر کیلوگرم متر خواهد بود.
ذخیره انرژی
مقایسه دو آسانسور
در این بخش آسانسور ساختمان کوچک را که نمودار مصرف انرژی آن در شکل 1 آمد، با آسانسور بلند مرتبه که نمودار مصرف انرژی آن در شکل 2 رسم گردیده است، مورد مقایسه قرار میگیرند. اطلاعات ویژه و مورد نیاز هر دو آسانسور در جدول 1 نمایش داده شده است.
ظرفیت آسانسور ساختمان کوچک برابر 1000 کیلوگرم میباشد که ظرفیت معمول و رایج برای این نوع آسانسورهاست، در صورتی که ظرفیت آسانسور بلند مرتبه 1600 کیلوگرم در نظر گرفته شده است که معرف یک نمونه آسانسور کوچک بلند مرتبه میباشد. ذخیره انرژی
جدول 1 – مشخصه آسانسورهای مورد ارزیابی ذخیره انرژی
پارامتر | واحد | آسانسور ساختمانهای کوچک | آسانسور بلند مرتبه |
سیستم سیم بکسل بندی | – | 2:1 | 1:1 |
ظرفیت | کیلوگرم (kg) | 1000 | 1600 |
سرعت | متر بر ثانیه (m/s) | 1 | 7 |
ارتفاع مسیر حرکت | متر (m) | 6/10 | 170 |
شتاب | متر بر مجذور ثانیه (s2/m) | 6/0 | 2/1 |
تكانه (تغییرات شتاب) | متر بر مکعب ثانیه (s3/m) | 8/0 | 1 |
هرچه نسبت توان ماکزیمم (peak power) به توان موثر (effective power) در نمودار کمتر باشد، مطلوبتر است؛ زیرا کم بودن این نسبت منجر به کاهش ظرفیت گرمایی قابل اتلاف در آسانسور خواهد شد.
با توجه به تعریف ذکر شده این نسبت برای هر دو آسانسور به صورت زیر به دست میآید. مقادیر توان موثر و ماکزیمم از شکل 1 و 2 قابل استخراج است.
ذخیره انرژی
در حالت ایدهآل مقدار این نسبت باید برابر یک باشد، زیرا با بزرگتر شدن این نسبت باید از مبدل فرکانس بزرگتری جهت جبران توان استارت اولیه موتور استفاده کرد.
به عبارت دیگر با افزایش این نسبت ظرفیت گرمایی که در طول سیکل حرکتی آسانسور ممکن است به هدر رود، افزایش مییابد. ذخیره انرژی
در مقایسه با آسانسور ساختمانهای کوچک که توانایی ذخیره 39% از انرژی مصرفی خود را دارد، آسانسورهای بلند مرتبه تا 44% میتوانند در انرژی مصرفی خود صرفهجویی کنند.
این اختلاف ناشی از این واقعیت است که ماشینهای بزرگتر دارایی ضریب بازدهی بالاتری هستند که این امر منجر به افزایش انرژی قابل بازیابی آسانسور و مصرف انرژی مصرف کنندههای انرژی همیشگی (نظیر روشنایی و ترمز و کنترلکنندهها) خواهد شد.
این قسمت از انرژی قابل بازیابی نمیباشد و برای آسانسورهای بلند مرتبه در مقایسه با مصرف انرژی در طی یک مسیر حرکت این مقدار خیلی کمتر است.
به منظور بررسی دقیقتر این مساله پتانسیل ذخیره انرژی برای آسانسور ساختمانهای کوچک و بلند مرتبه به ترتیب در جدول 2 و 3 آمده است. این مقادیر با فرض آن که آسانسور با کابین خالی، نیمه پر و یا کاملا پر مورد استفاده قرار گیرد، محاسبه گردیده است.
مقادیر منفی که در جدول آمده است بیانگر آن است که این مقدار انرژی دوباره مورد بازیابی قرار گرفته و به شبکه توزیع برق برگشت داده شده است. ذخیره انرژی
معمولا انرژی بازیابی شده توسط مصرف کنندههای الکتریکی دیگر که در ساختمان موجود است، مورد استفاده قرار میگیرد.
جدول 2 – نیاز مصرف انرژی در هر مسیر حرکت برای آسانسور ساختمانهای کوچک
میزان بار کابین | جهت حرکت کابین | مصرف انرژی با فرض بازیابی انرژی (بر حسب وات ساعت) | مصرف انرژی با فرض عدم استفاده از بازیابی انرژی (بر حسب وات ساعت) |
خالی (0 کیلوگرم) | رو به سمت پایین | 2/18 | 2/18 |
رو به سمت بالا | 4/5 – | 0/3 | |
نیمه پر (500 کیلوگرم) | رو به سمت پایین | 8/0 | 9/2 |
رو به سمت بالا | 9/6 | 0/7 | |
کاملا پر (1000 کیلوگرم) | رو به سمت پایین | 4/8 – | 6/3 |
رو به سمت بالا | 2/27 | 2/27 |
ذخیره انرژی
میزان بار کابین | جهت حرکت کابین | مصرف انرژی با فرض بازیابی انرژی (بر حسب وات ساعت) | مصرف انرژی با فرض عدم استفاده از بازیابی انرژی (بر حسب وات ساعت) |
خالی (0 کیلوگرم) | رو به سمت پایین | 6/497 | 2/492 |
رو به سمت بالا | 8/261 – | 6/35 | |
نیمه پر (800 کیلوگرم) | رو به سمت پایین | 7/104 | 3/155 |
رو به سمت بالا | 5/100 | 1/152 | |
کاملا پر (1600 کیلوگرم) | رو به سمت پایین | 244 – | 6/50 |
رو به سمت بالا | 3-509 | 7/511 |
جدول 3 – نیاز مصرف انرژی در هر مسیر حرکت برای آسانسورهای بلند مرتبه ذخیره انرژی
ذخیره انرژی
با توجه به مقادیر جدول 2 و 3 مشهود است که وقتی آسانسور خالی است، در حرکت رو به سمت بالا و در حالتی که کاملا پر است، در حرکت رو به پایین انرژی ذخیره میکند که این امر بدیهی است؛ زیرا در حالتی که کابین خالی است، سمت وزنه تعادل سنگینتر است و برای حرکت به سمت بالا کابین نیاز به مصرف انرژی نیست و حتی با داشتن بازیاب انرژی میتوان از آن استفاده کرد. به عکس وقتی کابین پر است در حرکت رو به سمت پایین نیاز به مصرف انرژی نیست و در این حالتها انرژی که در آسانسورهای بدون بازیافت انرژی مصرف میشود، جهت ترمز و جلوگیری از حرکت کابین است. برای این که بتوان از میزان بازیابی انرژی یک درک واقعی پیدا کرد، به یک مثال توجه کنید. ذخیره انرژی
فرض کنید یک آسانسور ساختمانهای کوچک (با ظرفیت 1000 کیلوگرم) در روز 150 بار طی مسیر کند. برای آن که بتوانیم یک تخمین مناسب از مصرف انرژی آن داشته باشیم، فرض میکنیم یک سوم از این تعداد سفر با ظرفیت خالی، یک سوم با ظرفیت نیمه پر و یک سوم مابقی با ظرفیت کاملا پر انجام شده باشد.
از آنجا که تعداد کل سفر 150 میباشد، بنابراین هر حالت شامل 50 سفر خواهد شد و چون هر سفر یک مسیر رفت و برگشت (به سمت بالا و به سمت پایین) میباشد، بنابراین آسانسور 25 مرتبه با ظرفیت خالی به سمت پایین حرکت خواهد کرد و همین طور الی آخر. لذا با توجه به مقادیر جدول 1 میزان انرژی مصرفی با و بدون استفاده از بازیاب انرژی به صورت زیر محاسبه میگردد:
ذخیره انرژی
بنابراین در صورت استفاده از فنآوری بازیابی انرژی در این آسانسور روزانه 565 وات ساعت (565=5/987-5/1547) انرژی ذخیره خواهد شد. و در طول یک سال روی هم رفته این سیستم 206 کیلووات ساعت انرژی را ذخیره خواهد نمود. ذخیره انرژی
ذخیره انرژی
با مقایسه میزان ذخیره انرژی در طول یک سال در آسانسورهای کوتاه مرتبه و بلند مرتبه این نکته مشهود است که میزان ذخیره انرژی در آسانسورهای بلند مرتبه به مراتب کمتر میباشد (617/12 کیلووات ساعت در مقابل 206 کیلووات ساعت).
توجه داشته باشید که چه تعداد کم ساختمان با ارتفاع بیشتر از 150 متر وجود دارد. علاوه بر این حتی در ساختمانهای بلند مرتبه فقط تعداد کمی آسانسور وجود دارد که تمام ارتفاع ساختمان را پشتیبانی میکند. به عنوان مثال در برج میلاد تنها 4 آسانسور تمام طول مسیر برج را طی میکند در صورتی که تعداد کل آسانسورهای مجموعه به مراتب بیش از این مقدار است. ذخیره انرژی
با توجه به مسائل طرح شده، پتانسیل بسیار بزرگی برای ذخیره انرژی در آسانسورهای کوتاه مرتبه جهان وجود دارد. حدود 40% مصرف انرژی در ساختمان جهان مربوط به ساختمانهای کوتاه مرتبه است که 10-3% از این انرژی توسط آسانسورهای این ساختمانها مورد مصرف قرار میگیرد.
جنبه مهم دیگری که باید مورد بررسی قرار گیرد، تاثیر کاهش شتاب هنگامی است که مبدلهای فرکانس با و بدون بازیاب انرژی مورد مقایسه قرار میگیرند.
شکل 3 برای همان مسیر در نظر گرفته در شکل 2 میباشد، با این تفاوت که آسانسور با شتابی معادل 50% شتاب قبلی (6/0 متر بر مجذور ثانیه به جای 2/1 متر بر مجذور ثانیه) در حال حرکت است.
واضح است که با توجه به کاهش شتاب زمان حرکت کل مسیر افزایش خواهد یافت. این افزایش زمان، در کاهش شتاب نیمه اول نمودار قرمز رنگ و افزایش شتاب نیمه دوم نمودار در واقع کاهش مصرف انرژی را نشان میدهد (توجه کنید هرچه شیب نمودار قرمز رنگ بیشتر باشد نمایانگر شتاب بیشتر آسانسور خواهد بود و شیب نمودار شکل 3 نسبت به شکل 2 کمتر است).ذخیره انرژی
در واقع کاهش شتاب آسانسور به نصف مقدار آن منجر به کاهش مصرف انرژی ویژه به مقدار 63/0 میلیوات ساعت بر کیلوگرم متر در مقایسه با میزان قبلی آن یعنی 68/0 میلیوات ساعت بر کیلوگرم متر خواهد گردید (هر دو عدد مربوط به مصرف انرژی بدون بازیاب انرژی میباشد).
با استفاده از فنآوری بازیاب انرژی تقریبا هیچ تفاوتی در مصرف انرژی در حالتی که شتاب آسانسور به نصف کاهش مییابد، مشاهده نخواهد شد (حدود 3% از 3/0 میلی وات ساعت بر کیلوگرم متر به 29/0 میلی وات ساعت بر کیلوگرم متر خواهد رسید). ذخیره انرژی
در صورتی که در حالت بدون استفاده از انرژی مصرف انرژی حدود 7% کاهش پیدا خواهد کرد. بنابراین میتوان گفت با تغییر پارامترهایی که در حرکت موثرند (نظیر شتاب، تكانه و …) تقریبا هیچ انرژی ذخیره نخواهد گردید به عبارت دیگر مصرف انرژی مستقل از طریقه و چگونگی حرکت میباشد. ذخیره انرژی
نتیجه گیری ذخیره انرژی
با توجه به موارد مطرح شده در این مقاله مشهود است که استفاده از مبدلهای فرکانس که مجهز به واحد بازیابی انرژی میباشند، چه برای آسانسورهای کوتاه مرتبه و چه بلند مرتبه امری ضروری است. درایوهای با کارآیی خوب منجر به کاهش مصرف انرژی آسانسور خواهد شد که این امر با تغییر در پارامترهای حرکت نظیر نسبت شتاب حرکت و غیره قابل دستیابی نمیباشد.
توجه شود درست است که پتانسیل زیادی جهت ذخیره انرژی در آسانسورهای بلند مرتبه وجود دارد، اما این فنآوری در آسانسورهای کوتاه مرتبه نباید مورد غفلت قرار گیرد زیرا تعداد زیاد این آسانسورها در دنیا این تفاوت در ذخیره انرژی را جبران میکند. ذخیره انرژی
نسل جدید مبدلهای فرکانس تولید شده در شرکت Thyssen Krupp Elevator به بازیابهای انرژی مجهز شدهاند که راندمان و کارآیی آسانسور را به طور چشمگیری افزایش میدهند. این فنآوری جدید نه تنها الزامات استانداردهای موجود را برآورده میکند و سازگار با مقررات زیست محیطی میباشد، بلکه دارای کیفیت و قابلیت اعتماد بالایی میباشد. ذخیره انرژی