Energiemanagement in vernetzten Aufzügen

Energieverbrauch muss reduziert werden. Der ökologische Fußabdruck eines Europäers ist viel zu groß. Wir leben über unsere Verhältnisse und auf Kosten anderer und zukünftiger Generationen. Ein wesentlicher Anteil am ökologischen Fußabdruck hat der Energieverbrauch. Dieser muss drastisch reduziert werden. Der Artikel gibt Hintergrundinformationen und stellt Maßnahmen vor zur Reduzierung des Energiebedarfs von vernetzten Aufzugsanlagen. Die Basis für die Vernetzung bietet das Applikationsprofil CANopen CiA-417.

Gesetzliche Vorgaben zur Reduktion des Energieverbrauchs

VDI 4707

Die VDI-Richtlinie VDI 4707 beschreibt ein Energiezertifikat für Aufzüge. Der Errichter des Aufzugs oder ein Dienstleister stellt es aus und übergibt es dem Betreiber. Zur Ausstellung des Zertifikats werden benötigt:

• Energiebedarf bei einer definierten Referenzfahrt
• Stillstandsbedarf 5 min. nach der letzten Fahrt
• Nutzungskategorie – Anzahl der Fahrten und Dauer je Tag

Nach der Einteilung in eine Nutzungskategorie kann mit den Messwerten die Effizienzklasse bestimmt und das Zertifikat ausgestellt werden.

Dieses Vorgehen hat zwei Nachteile. Zum einen kann der Bedarf erst bestimmt werden, wenn der Aufzug fertig errichtet ist und nicht schon in der Angebotsphase. Zum anderen ist das Messen des Energiebedarfs zum Ausstellen des Energiezertifikats nach VDI 4707 recht aufwendig und somit teuer, wie es schon in (Link???) schon beschrieben wurde. Besser wäre es, wenn man den Energiebedarf vorab rechnerisch ermitteln könnte. Mehr dazu später.

Mit dem Erscheinen der Richtlinie waren die ersten Hersteller von Komponenten bereits mit Lösungen am Markt, zum Beispiel Blue Modus, um den Energiebedarf eines Aufzugs zu reduzieren. Bei diesen Lösungen wird vor allem der Stillstandsbedarf reduziert, in dem einige Baugruppen eines Aufzugs in Ruhephasen abgeschaltet bzw. in einen Modus versetzt werden, in dem sie weniger Energie verbrauchen. Zum Beispiel muss die Etagenstandsanzeige in der Kabine eines Aufzugs nicht die ganze Zeit leuchten, wenn der Aufzug nicht benutzt wird und sich niemand in der Kabine befindet.

Damit die einzelnen Baugruppen ihre inneren Energiesparmodie aktivieren können, benötigen sie ein Signal von der Steuerung. Eingangsklemmen für ein solches Stillstands-Signal sind an den meisten Baugruppen jedoch nicht vorhanden. Daher hilft nur das vollständige Abschalten der Baugruppen, um Energie zu sparen. Dies ist jedoch nicht immer möglich. Teilweise dürfen Baugruppen nicht abgeschaltet werden, wie z. B. Notrufgeräte, oder sie benötigen zu lange um wieder voll funktionsfähig zu sein, oder sie dürfen nicht beliebig oft abgeschaltet werden, oder es verstellen sich Parameter bzw. es muss erst eine Lernfahrt/Referenzfahrt unternommen werden.

Erst wenn die Baugruppen untereinander vernetzt sind, ergeben sich umfangreiche Einsparmöglichkeiten. Im Applikationsprofil CANopen-Lift wurden solche Nachrichten definiert, um die inneren Systemzustände der Baugruppen zu erfassen, Energiemesswerte auszulesen und um einzelne Baugruppen in verschiedene Energiesparmodie versetzen zu können.

Ist bei einem Aufzug, dessen Komponenten mit CANopen-Lift vernetzt sind, eine Fahrt abgeschlossen, so schließt er die Tür und sendet an die Baugruppen die Nachricht, dass sie die internen Energiesparfunktionen aktivieren können. Wenn die Baugruppen den Soft-Off-Modus unterstützen, können sie nun den Energiebedarf reduzieren, bis ein neues Kommando sie wieder in den Modus 'betriebsbereit' versetzt. Displays in der Kabine gehen aus, das Licht wird gedimmt oder abgeschaltet, Umrichter schalten intern in einen Sparmodus und Lüfter aus, Türsteuergeräte schalten ab. Da all diese Geräte weiterhin mit Spannung versorgt werden, sind sich nach dem 'Weckkommando' innerhalb von Bruchteilen einer Sekunde wieder betriebsbereit. Da dieses Aufwecken sehr schnell erfolgt, kann dieser Modus nach jeder Fahrt eingesetzt werden und nicht nur in der Nacht oder über das Wochenende.

In den Zeiten, in denen der Aufzug über einen langen Zeitraum nicht mehr benötigt wird, kommen weitere Energiesparmodie zum Einsatz. In diesen Modie werden verschiedene Baugruppen komplett abgeschaltet, wodurch der Energiebedarf weiter reduziert werden kann. Dies hat allerdings den Nachteil, dass nach einem Wiedereinschalten es einige Sekunden dauert, bis der Aufzug wieder voll betriebsbereit ist.

Will man den Aufzug in einen Energiesparmodus versetzten, müssen einige Dinge berücksichtigt werden. Zum einen darf natürlich das Licht und das Türsteuergerät nur abgeschaltet werden, wenn man sicher ist, dass sich niemand mehr in der Kabine befindet. Auch dabei hilft die Vernetzung der Kabine. So übermittelt beispielsweise das über die Busleitung angebundene Lastmessgerät die Nutzlast nicht nur in Stufen von Nulllast, Volllast und Überlast sondern direkt in Kilogramm. Damit lässt sich leicht ermitteln, ob die Kabine leer ist, bevor die Steuerung das Licht ausschaltet. Auch die Signale 'person present', die von Sensoren zur Vorraumüberwachung oder von Beschleunigungssensoren geliefert werden, weisen darauf hin, ob sich noch eine Person in einer Kabine befindet.

Bei Aufzugsgruppen ergeben sich weitere Möglichkeiten zur Energieeinsparung. Hier besteht die Möglichkeit, einzelne Aufzüge komplett abzuschalten und somit den Energiebedarf signifikant zu reduzieren. Eine 4er-Gruppe von Aufzügen in einem Hotel oder einem Bürogebäude wird meist nur in Spitzenzeiten ausgelastet. In Zeiten geringerer Nachfrage kann der Energiemanager einen einzelnen Aufzug der Gruppe abschalten, sodass diese als 3er-Gruppe weiterläuft. Auf diese Weise reduziert sich der Ruhestrombedarf der Gruppe sofort um 25%. Stellt die verbliebene 3er-Gruppe eine erhöhte Nachfrage fest, 'weckt' sie den ruhenden Aufzug und dieser nimmt nach einigen Sekunden an der Abarbeitung der Rufe teil.

Dieses Prinzip lässt sich auch auf andere Gruppenkonstellationen anwenden und bei sehr geringer Nachfrage können die Gruppenteilnehmer nacheinander Schrittweise abgeschaltet werden, sodass Nachts eventuell nur noch ein Einzelaufzug zur Verfügung steht.

Zur Realisierung dieser Funktionen ist es sehr wichtig, dass die Steuerung die Situation der gesamten Gruppe und auch den internen Zustand vieler Baugruppen kennt, bevor diese einfach abgeschaltet werden. Zum Beispiel können Umrichter nicht beliebig oft Ein/Aus geschaltet werden. Bei der Entwicklung dieser Geräte bestand diese Anforderung nicht, weil in der Vergangenheit ein Umrichter normalerweise immer aktiv blieb und nur während der Inbetriebnahme und bei der Wartung einige Male abgeschaltet wurden. In diesen Geräten befindet sich ein Widerstand, der den extrem hohen Ladestrom der internen Kondensatoren beim Einschalten begrenzt. Dieser Widerstand erwärmt sich bei diesem Vorgang und muss abkühlen, bevor der Umrichter erneut Aus- und Wider eingeschaltet wird. In den technischen Beschreibungen der Umrichter wird dazu die maximale Einschalthäufigkeit angegeben die beispielsweise 10 mal pro Stunde beträgt.

Sind die Komponenten miteinander vernetzt, kann die Steuerung dies berücksichtigen, da ihr der interne Zustand des Umrichters bekannt ist.

Messen

Immer wieder einmal sollen Aufzüge an die Gebäudeautomation angeschlossen werden und nehmen dem Systemzustand der Aufzüge auch die Energiebedarf übermitteln. Das Messen ist sehr aufwändig, da alle drei Phasen gemessen werden müssen und der Unterschied zwischen den großen Strömen während der Fahrt und den sehr kleinen Strömen im Ruhebetrieb mehrere Zehnerpotenzen beträgt. Will man den Messfehler gering halten, muss man mehrere bzw. sehr teuere Messgeräte einsetzen. Durch die Vernetzung der Baugruppen ergibt sich hier ein weiterer Vorteil.

Moderne Frequenzumrichter ermitteln intern den Energiebedarf, den der Antriebsteil benötigt. Mit der Definition der Messwerte als CANopen-Lift-Nachrichten stehen diese Messwerte nun allen Teilnehmern zur Verfügung und müssen nicht mehr extra mit einem teueren dreiphasigen Messgerät ermittelt werden. Der restliche Energiebedarf kann mit einem einfachen einphasigen Messgerät ermittelt werden und der Gesamtenergiebedarf ergibt sich dann durch die einfache Addition der beiden Messwerte.

Berechnungsverfahren

Wie zu Beginn des Artikels bereits erwähnt wurde, wird ein Verfahren benötigt, um den Energiebedarf rechnerisch bestimmen zu können. Dazu gibt es im Rahmen des VDI die Richtlinienarbeit zur VDI 4707-2. Diese Gruppe entwickelte Berechnungsverfahren zur Ermittlung des Energiebedarfs eines Aufzugs. Die Richtlinie liegt zzt. im Gründruck vor (Juni 2012) und soll noch in diesem Jahr veröffentlicht werden.

Um den Energiebedarf berechnen zu können, benötigt man u.a.:

• Bauart
• Nutzungskategorie
• Antriebsart
• Wirkungsgrade

Für die Berechnung des Stillstandsbedarfs benötigt man die Werte des Energiebedarfs von jeder einzelnen elektronischen Baugruppe in ihren einzelnen Betriebszuständen, sowie die Dauer die sich die Baugruppen in den Betriebszuständen befinden.

Für elektronische Baugruppen wurden in der VDI 4707 Blatt 2 vier Betriebsmodie definiert:

• P0: die Baugruppe ist aktiv,
• S0: die Baugruppe ist in Ruhe, aber sofort betriebsbereit (< 250 ms),
• S1: die Baugruppe ist in einem Soft-off-Modus und aus diesem innerhalb von 3 Sekunden wieder betriebsbereit (< 3 s),
• S2: die Baugruppen ist aus / Power down und in max. 60 Sekunden wieder betriebsbereit (< 60 s).

Wenn man den Energiebedarf aller Baugruppen in diesen vier Betriebsmodie kennt und die Dauer die sich der Aufzug in den einzelnen Betriebsmodie befindet, kann man den Stillstandsbedarf des Aufzugs berechnen.

Im Applicationsprofil CANopen-Lift wurden 5 energetische Betriebsmodie definiert, die auch die Betriebsmodie der VDI 4707-2 abdecken. Ein Energiemanager, der üblicherweise in der Steuerung implementiert ist, sendet nach jeder Fahrt an die Komponeten das Soft-off-Kommando, so dass diese ihre internen Energiesparfunktionen aktivieren können. Diese Funktion wurde bereits durch die ersten Gerätehersteller implementiert und erfolgreich getestet.

Zusammenfassung

Nach dem Erscheinen der Richtlinie VDI 4707 haben sich viele Komponentenhersteller mit dem Thema Energieeinsparung beschäftigt und eine Reihe energieoptimierter Produkte auf den Markt gebracht. In der Anfangsphase wurde die Einsparung von Energie meist über das komplette Abschalten von einigen Baugruppen realisiert, was allerdings nur zeitlich begrenzt in möglich ist, wenn der Aufzug längere Zeit nicht benötig wird, wie zum Beispiel in der Nacht oder am Wochenende.

Erst durch die Vernetzung der Komponenten über den offenen Standard CANopen-Lift ergibt sich die Möglichkeit für ein umfassendes Energiemanagement. Es können viele Baugruppen sofort nach jeder Fahrt in interne Energiesparmodie versetzt werden. Auf diese Weise ist ein Einsparpotential von nahezu 50% des Stillstandsbedarfs realisierbar, ohne das hierfür zusätzliche Hardware notwendig ist.

Weitere Einsparmöglichkeiten ergeben sich durch die Optimierung der Steuerungssoftware nach energietischen Gesichtspunkten z. B. das Reduzieren der Häufigkeit beim Nachstellen in Parketagen, Direktfahrten bei hoher Nutzlast in der Kabine oder Optimierung der Gruppenalgorithmen nach energetischen Gesichtspunkten. Dieser Prozess ist noch nicht abgeschlossen und wir werden auch in der Zukunft neue Lösungen finden, den Energiebedarf von Aufzügen weiter zu reduzieren.

Links

1. [www.lift-report.de/index.php/news/408/301/VDI-4707-Energieeffizienz-von-Aufzugen Artikel Liftreport 3/2010 'VDI 4707 „Energieeffizienz von Aufzügen“' von Conradin Jost]
2. [www.lift-report.de/index.php/news/463/431/Studie-uber-den-Energieverbrauch-von-Aufzugsanlagen Artikel Liftreport 5/2012 'Studie über den Energieverbrauch von Aufzugsanlagen' von Lazaros Asvestopoulos und Nickos Spyropoulos]
3. [www.lift-report.de/index.php/news/425/184/Energieeffizienz-von-Aufzugen Artikel LiftReport 2/2009 'Energieeffizienz von Aufzügen' von Jörg Hellmich]
4. Artikel LiftReport 1/2008 'Energieeinsparung bei Aufzügen' von Werner A. Boehm
5. Richtlinie VDI 4707 Blatt 1 beim VDI (PDF)