Escaleras Mecánicas

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