Ponencia del I Simposio Internacional de Elevación y Movilidad en Edificios (SIEME)

La EN-25745 – Parte 2 (1), se ha convertido en el documento de referencia para tener en cuenta a este respecto, con un esquema claro de medidas a realizar. En este momento, se está trabajando en la nueva versión de esta norma. En algunos casos, se sigue valorando en base a la VDI 4707 (2), que se ha quedado obsoleta. Realmente, el primer estudio exhaustivo del consumo de los ascensores se publica en el estudio realizado en el proyecto europeo E4 (3), junto con algunas otras referencias de relevancia en este terreno (4-7). Algo más recientemente la ELA (European Lift Association) ha hecho una publicación al respecto (8), indicando en la misma una estimación de los TWh que consumen los ascensores en Europa, reproducida en la figura 1. Estos datos son de 2020 y no se han actualizado, pero, teniendo en cuenta las estadísticas más recientes de número de ascensores instalados, y extrapolando los datos anteriores, el consumo energético de los ascensores europeos estaría actualmente en una horquilla de entre 12 y 16 TWh anuales. Para poner esta cifra en relativo cabe mencionar que aproximadamente el consumo de todo un país como España en un año supone 230 TWh (en cifras de 2022). Sí que es cierto que el ascensor solo supone entre un 3 y un 7% del consumo general de un edificio (8) y que iniciativas cada vez más populares como BREAM o LEED poco inciden al respecto. Poca es la relación existente entre el sector del ascensor y los consultores de eficiencia energética en edificación.

Este artículo hace referencia únicamente a ascensores de tracción eléctrica y se basa en 10 años de experiencia acumulada en medidas energéticas de ascensores de todo tipo.

Con anterioridad a poder hablar del consumo energético de un ascensor, conviene tener en cuenta la idiosincrasia particular de este tipo de sistemas. Para poder valorar de forma precisa el consumo de un ascensor basado en medidas instantáneas de potencia, al menos será necesario un equipo que permita toma de datos en el orden de los centenares de ms, es decir, al menos 10 medidas por segundo. Esta resolución requerida va a depender altamente de la aceleración máxima de los mismos.

Obviamente, los datos obtenidos con sistemas de medición instantánea de potencia con resoluciones inferiores producirán datos con ciertos errores, que pueden ser aceptables en función del uso que se vaya a dar a las medidas. La figura 2 muestra varios ciclos de uso, tanto en máximo consumo como en máxima generación, de un ascensor instalado en una torre de pruebas, medidas realizadas en el motor del ascensor que no incluyen consumos de otros subsistemas. La gráfica muestra potencia instantánea (vatios, del inglés Watt, W) durante algunos minutos. La potencia positiva se considera de consumo y la negativa es la de generación. El área encerrada por la gráfica supone la energía consumida (o generada) en Ws y se obtiene por la ecuación (1), resultado de integrar la potencia instantánea (W) respecto del tiempo. La potencia se obtiene como el producto de la corriente por la tensión, motivo por el cual no tiene sentido hablar de consumo en amperios (A), que es únicamente una medida de corriente. Como se puede observar, los ascensores tienen un pico relevante de consumo en los arranques, incluso en los viajes de generación y un sobreconsumo leve en los arranques y en la frenada en todos los casos, incluso en los viajes de generación. En los tiempos entre viajes el consumo será el de stand-by del variador, en el entorno entre los 20W y los 40W, aunque, obviamente, en esta grafica no se observa ya que el punto de conexión del sistema de medida es exactamente en las bornas del motor y el consumo de este es cero en los instantes entre trayectos.

𝐸𝐸= ∫𝑃𝑃(𝑡𝑡)𝑑𝑑𝑡𝑡=∫𝐼𝐼(𝑡𝑡)∙𝑉𝑉(𝑡𝑡)𝑑𝑑𝑡𝑡 (1)

Visualizando el consumo a lo largo de un día entero, en particular en un ascensor de uso medio o bajo, como es el caso de la figura 3, queda patente como un ascensor es un sistema que tiene una ratio de pico de consumo frente a consumo medio diario muy elevado. Se necesita un dimensionamiento muy elevado de consumo de pico para una media de potencia muy baja (del orden de más de 20 -25 veces para ascensores de tráfico medio/bajo. Este tipo de consumo requiere un sobrecoste de los sistemas eléctricos alto para lo que realmente sería necesario dado el consumo en media.

Un ascensor eléctrico con contrapeso es realmente un sistema relativamente eficiente en lo que a consumo se refiere. Desde un punto de vista teórico y considerando que no existe rozamiento ni ineficiencias, un ascensor contrapesado al 50% con la mitad de la carga nominal en cabina debería consumir únicamente durante un trayecto, la energía de luces, la maniobra y sistemas auxiliares, pero cero en la parte de tracción. La realidad es obviamente diferente como se va a ver en los siguientes apartados.

Típicamente, la eficiencia mecánica de un ascensor de chasis pórtico se suele considerar en el entorno del 85%. Como eficiencia (?)se considera lo formulado en las ecuaciones (2) que llevan al tanto por ciento de ahorro que puede generar un ascensor (3).

Y, por lo anterior, queda definida la eficiencia como:

Suponiendo que la energía generada puede ser devuelta al sistema:

Luego:

Como hemos mencionado anteriormente, en un sistema con chasis pórtico y motor gearless, la eficiencia se suele considerar en el entorno del 85%. Con esos valores se puede llegar a decir, desde un punto de vista teórico, que un ascensor puede llegar a regenerar (ahorrar) hasta el 64% de la energía que consume. Esto es un dato resultante de un análisis muy teórico de la situación, asumiendo las eficiencias del 85% del ascensor y considerando un 5% de pérdidas en el resto de los sistemas eléctricos y electrónicos que gestionen la devolución / retorno de esa energía (variador de velocidad y sistema de recuperación de energía). Hay quien habla de hasta el 70%. En el arti´culo [9] se hace un ana´lisis exhaustivo de las eficiencias meca´nicas del sistema (sin tener en cuenta las pe´rdidas ele´ctricas y considerando el motor guearless como ideal), donde se mencionan factores como ruedas (roller) y deslizaderas (sliding) ratio de suspensio´n 1:1 frente a 1:2 u otros, el peso del cable frente a la cabina y el propio peso de la cabina. En el arti´culo teo´rico se mencionan valores teo´ricos de hasta el 86%.

Tras 10 años de medidas en campo, el ascensor más eficiente que hemos podido medir presenta una eficiencia real caracterizada de un 86% y corresponde al de la figura 2 de este artículo.

En este sentido, la correcta instalación del ascensor es clave a la hora de mejorar sustancialmente la eficiencia del mismo. Una de las ventajas de la monitorización en tiempo real del consumo instantáneo del ascensor es poder detectar posibles mejoras en la instalación. La figura 3 muestra el consumo de un ascensor real ya instalado. Se observa, por las gráficas de consumo y generación que en determinados puntos del recorrido aparecen ineficiencias, probablemente debidas en este caso a desajustes en las guías. Contar con un sistema de monitorización energética puede ser útil para mejorar la calidad de la instalación y el mantenimiento de los ascensores que redunde en la vida útil de los mismos.

En cuanto al mantenimiento del ascensor, a lo largo del tiempo hemos detectado grandes variaciones en la potencia consumida por el ascensor en función de factores cómo el correcto engrasado de las guías. La figura 4 muestra la diferencia de hasta 1000W de pico antes y después de un correcto engrasado. Asimismo, en un ejemplo de ascensor en el que se cambiaron las ruedas por deslizaderas, se pudieron llegar a observar diferencias de hasta 900W más de consumo para un ascensor de tipo mochila.

Típicamente, la eficiencia mecánica de un ascensor de chasis pórtico se suele considerar en el entorno del 85%. Como eficiencia (?)se considera lo formulado en las ecuaciones (2) que llevan al tanto por ciento de ahorro que puede generar un ascensor (3).

Un variador regenerativo es un producto que se está instalando habitualmente como medida de mejora de la eficiencia energética del ascensor, en algunos casos por defecto. Realmente, un variador regenerativo lo que realmente hace es que, de entrada, el ascensor consuma más que con un equivalente no regenerativo por motivo del alto stand-by de este tipo de variadores. La tabla 1 muestra resultados comparativos de medidas realizadas entre un variador regenerativo y un sistema de recuperación de energía basado en acumulación como es el propuesto por epic power (14). En algunos casos de variadores regenerativos a red nos hemos encontrado con sistemas que, debido a su calentamiento, dejan de ser regenerativos durante algunos ciclos y por lo tanto disipando la energía en la resistencia de frenado en esos casos.

La figura 5 muestra el ascensor de la figura 2 incorporando un sistema de ahorro energético por acumulación. Se obtienen ahorros del 70.4% del consumo del motor. Entre otras ventajas, destacan la simplicidad de instalación en cualquier tipo de variador, nuevo o en modernizaciones, ausencia de necesidad de filtro sin alterar las condiciones de la red eléctrica (con normativas cada vez más estrictas al respecto) y simplicidad en su dimensionamiento por simple paralelizado de equipos.

El contrapeso se suele calcular como un 50% del conjunto del peso de la cabina junto con la carga máxima. Sin embargo, simplemente siguiendo lo que nos indica la ISO (1), los ascensores van a llevar, en media, una carga del 7% y típicamente, es muy improbable que bajen con la totalidad de la carga Únicamente con esos datos, el contrapeso del ascensor debería ser menor al 50%, redundando en una reducción general del consumo. Es cierto que, en este tipo de situaciones, en caso de carga máxima, el motor estaría trabajando por encima de potencia nominal, pero eso, tal y como se ha visto en el apartado anterior no es un problema para el motor puntualmente. Cierto es que hay otros sistemas afectados En general hemos llegado a ver ascensores contrapesados incluso por debajo del 40% con buenos resultados.

Al mismo tiempo que el contrapeso, conviene revisar en el consumo del ascensor el efecto que la ausencia de cadena de compensación tiene sobre las gráficas que hemos analizado previamente. La figura 6 muestra las medidas de un ascensor sin cadena de compensación. En este tipo de casos, el consumo de pico es elevado y en ningún caso se llega a un consumo nominal de tipo meseta como hemos visto en casos anteriores.

Las energías renovables presentan grandes ventajas y sobre todo un inconveniente principal, su disponibilidad depende de diferentes factores y no es constante en el tiempo. Para poder maximizar su uso se requiere el concurso de elementos de almacenamiento de energía (buffer) que permita guardar los excedentes para ser utilizados en ausencia de las fuentes. En el caso de energía tanto solar como eólica (micro-eólica para la aplicación de ascensor) el sistema más adecuado de almacenamiento, en general, serán las baterías. Teniendo en cuenta que la potencia media diaria de un ascensor residencial como el de la figura 3 es realmente baja, la cantidad de energía necesaria no es realmente grande, aunque por supuesto dependerá de la disponibilidad de las fuentes y de la autosuficiencia que se quiera dar al sistema (independencia de la acometida).

Dependiendo del tipo de batería, plomo, ion-litio o bien LiFePO4, o LFP, el dimensionamiento de las mismas va a venir realmente determinado por la capacidad de descarga (conocida como xC) en un viaje de máximo consumo y no tanto por la energía. La figura 7 muestra un ascensor alimentado por 3 paneles solares de 250W y baterías de plomo durante nueve días (ocho de ellos soleados) utilizando un sistema P2S (13,15,16). La incorporación de baterías de LFP a este ascensor permitiría reducir a cero el consumo durante la noche ya que esta tecnología admite descargas profundas sin envejecimiento, cosa que en las actuales baterías de plomo se está evitando para conseguir alargar la vida útil de las mismas.

En este artículo se han presentado varios ejemplos reales de consumo energético de diferentes tipos de ascensores. A través de estos ejemplos se ha querido mostrar que el consumo energético real de un ascensor es difícil de estimar a priori y que depende de una serie de factores que se han identificado y analizado. De todos ellos destaca la eficiencia real del sistema completo, típicamente inferior a la prevista. Destaca la influencia del tipo de instalación, la calidad de la instalación y su mantenimiento (engrasado y mantenimiento de guías, rozaderas y deslizaderas). Dentro del tipo de instalación cabe destacar factores como el tipo de motor, el tipo de instalación (pórtico o mochila, deslizaderas o rozaderas), el contrapeso realmente instalado, si tiene o no, cadena de compensación. Todo lo anterior son factores a conocer y a tener en cuenta para valorar la idoneidad de instalar un sistema de recuperación de energía, un sistema de reducción de pico de consumo o un sistema que permita la incorporación de energías renovables a la instalación con almacenamiento energético para conseguir ascensores de reducido consumo.

BIBLIOGRAFI´A

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