Ausgabe 1/2009


01/01/09

Energie-Effizienz von Aufzugssystemen

Gerhard Thumm
1. Einleitung
Wenn über mögliche Energieeinsparungen bei Aufzügen gesprochen wird sind 2 Aussagen zu bewerten, die im Grunde genommen widersprüchlich sind:
1. Aufzüge sind am gesamten Energieverbrauch eines Gebäudes nur mit 3 % bis 8 % beteiligt.
Es ist für den Gebäudebetreiber somit oft wirtschaftlicher, zuerst den Energieverbrauch z. B. durch bessere Wärmedämmung oder durch den Einsatz von Energiesparleuchten zu senken als in die Steigerung der Energieeffizienz bei Aufzügen zu investieren.
2. Bei Aufzugsanlagen besteht ein hohes Potenzial an Energieeinsparung.
Aufgrund der hohen Anzahl der Aufzugsanlagen, die jedes Jahr neu installiert werden sowie dem hohen Bestand besteht in der Tat ein beachtliches Potenzial.
Kategorie: Fachaufsaetze Ausgabe 1/2009
Erstellt von: Editor

2008 werden weltweit ca. 500 000 neue Aufzüge installiert werden, alleine in China werden ca. 130 000 Neuanlagen in Betrieb gehen. Der weltweite Bestand wird auf 8,5 Millionen Aufzüge geschätzt.

Eine Senkung der heutigen Energiekosten bei diesen Anlagen um 25 % würde eine jährliche Einsparung von ca. 5 Terra/Wattstunden bedeuten. Dies entspricht einer Leistung von etwa 3800 Windkraftanlagen.
Aufzüge können somit sehr wohl ihren Beitrag leisten zur Reduzierung des weltweiten Energieverbrauches.
2. Normungsaktivitäten
Die anhaltende gesellschaftspolitische Energiediskussion sowie die auf europäischer Ebene bereits beschlossenen Direktiven, haben auch für den Bereich der Aufzugstechnik zu entsprechenden Normungsaktivitäten geführt.
Im Rahmen dieser Ausarbeitung soll auf 2 dieser Aktivitäten näher eingegangen werden:
  • Im Bereich der ISO Standardisierung wird an der Norm ISO 25 745 „Energie performance of lifts and escalators“ gearbeitet. Ein erster Teil, der sich mit der Ermittlung und dem Messen des Energiebedarfs von Aufzugssystemen befasst, ist bereits ausgearbeitet. Teil 2 wird sich mit der Klassifizierung verschiedener Aufzugssysteme, wie z. B. dem Unterschied zwischen Seil- und Hydraulikaufzug oder verschiedenen Antriebssystemen wie Getriebe- oder Gearlessantrieb beschäftigen.
Hierzu wird ein Punktesystem mit dem Ziel einer Einordnung in ein vierstufiges Energieklassen-System vorgeschlagen.
Auf europäischer Ebene wird das Thema Energieeffizienz bei Aufzügen sehr stark durch die ELA (European Lift Association) vorangetrieben. Diese Dachorganisation aller nationalen europäischen Aufzugsverbände hat 2006 eine Arbeitsgruppe ins Leben gerufen, die sich im Wesentlichen mit der Frage der Energieeffizienz befasst. Weitere Themen sind die Ausarbeitung von Empfehlungen und die Kommentierung vorliegender Normentwürfe zu diesem Thema. Im Auftrag der europäischen Kommission wird seit 2007 eine Studie durchgeführt, die ebenfalls einen Beitrag leisten soll zur Förderung energieeffizienter Aufzüge und Fahrtreppen im Bereich der EU. Die Studie, die noch bis zum Jahr 2010 weitergeführt wird, hat zum Ziel, Leitfäden für Anwender zu erstellen sowie der Politik Handlungsempfehlungen zu geben.
Ein Abschluss der Studie ist bis zum Jahr 2010 geplant.
  • Auf nationaler Ebene wird in Deutschland an der VDI Richtlinie 4707 gearbeitet, auf die im Rahmen dieses Beitrages näher eingegangen werden soll. Diese Richtlinie wurde mit dem Ziel erstellt, mit möglichst geringem Aufwand eine rechnerische Ermittlung des typischen Energiebedarfes einer Aufzugsanlage in Abhängigkeit ihrer Nutzung zu ermöglichen. Wesentliches Merkmal ist die Einteilung in Energieeffizienzklassen, die sich in der Darstellung eng an die bekannte Einstufung von Haushaltsgeräten, wie Waschmaschine, Kühlschrank etc. anlehnt.
    
Es sind 7 Effizienzklassen A bis G definiert. Diese Klassifizierung entspricht ebenfalls der Klassifizierung der Energieeffizienz von Gebäuden wie sie in der EU Richtlinie 2002/91/EC getroffen ist.
Beispiele von Produkten die bereits mit einem Energielabel ausgestattet sind.
Kühlschränke und Gefriergeräte: Direktiven 94/2/EC und 2003/66/EC
Waschmaschinen: Direktiven 95/12/EC und 96/89/EC
Wäschetrockner: Direktive 96/60/EC
Geschirrspüler: Direktiven 97/17/EC und 99/19/EC
Klimageräte (bis zu 12 kW Kühlleistung): Direktive 2002/31/EC
Heizgeräte: Direktive 2001/40/EC
Haushalts-Leuchtmittel: Direktive 98/11/EC
Somit kann der Aufzug als wesentlicher Bestandteil eines Gebäudes direkt im Vergleich zu der Energieeffizienz des Gebäudes bewertet werden, obwohl Aufzüge in der Richtlinie selbst nicht erwähnt sind.
3. Ziele der VDI 4707
Im Folgenden soll kurz auf die Zielsetzung der VDI 4707 eingegangen werden, die als Grundlage für den nachfolgenden Systemvergleich dient.
Mit der Richtlinie soll eine Grundlage geschaffen werden, die es erlaubt, ohne aufwändige Berechnungen einen allgemein verständlichen und transparenten Vergleich von Aufzugssystemen verschiedener Hersteller herzustellen.
Damit für diesen Vergleich gleichartige Nutzungsparameter zugrunde gelegt werden, werden 2 wesentliche Grundvoraussetzungen definiert:
  • die Nutzungskategorie (Häufigkeit der Nutzung)
  • die Ermittlung der sog. Energiebedarfsklassen, d.h. der Energieverbrauch während der Fahrt und während des Stillstandes
Aufzugssysteme stellen Systeme dar, die sich im Gegensatz, z. B. zu Haushaltsgeräten, in weitem Umfang durch Parameter wie Tragfähigkeit, Fahrgeschwindigkeit, Anzahl der Fahrten/Zeiteinheit, Ausstattungsmerkmale usw. unterscheiden, die sich entscheidend auf den jeweiligen Energieverbrauch auswirken. Um eine Vergleichbarkeit herzustellen muss aus diesem Grund eine Normierung des jeweiligen Energiebedarfes erfolgen.
3.1 Energieverbrauch während der Fahrt
In Anlehnung an die ISO 25 745 Teil 1 wird eine Referenzfahrt bei einer typischen Aufzugsanlage mit leerem Fahrkorb in AUF- und in AB-Richtung durchgeführt. Der Energieverbrauch während dieser beiden Fahrten wird gemessen und normiert indem folgende Rechenformel zugrunde gelegt wird:
EFahren = spezifischer EnergiebedarfReferenzfahrt/zurückgelegte Fahrstrecke * Tragfähigkeit
Die VDI 4707 gibt folgende Klassifizierung der Energiebedarfsklassen für das Fahren vor:
Ein Punkt, der im weiteren Verlauf der Verabschiedung der Richtlinie noch zu diskutieren sein wird, ist die Tatsache, dass der spezifische Energieverbrauch für das Aufzugssystem ermittelt wird indem die gesamte Förderhöhe durchfahren wird.
Aufgrund des höheren Energieverbrauchswährend der Beschleunigungs- und Verzögerungsphase ergibt sich somit für Aufzugssysteme mit einer geringen Förderhöhe ein höherer Energieverbrauch als dies für Anlagen mit einer großen Förderhöhe der Fall ist. Hier wäre zu überlegen, ob die Förderhöhe, die bei der Referenzfahrt zu durchfahren ist, auf maximal 10 Meter begrenzt wird. Damit wäre sichergestellt, dass der Anteil der Beschleunigungs- und Verzögerungsphase entsprechend gewichtet ist. Im Abschnitt 6, Beispiel 1, wird dieser Punkt anhand von durchgeführtenMessungen dargestellt.
3.2 Stillstandsverbrauch
Die Ermittlung des Stillstandsverbrauches ist vergleichsweise einfach und wird 10 Minuten nach Beendigung der letzten Fahrt durchgeführt. Die Richtlinie macht keine klare Aussage welche Energieverbraucher während der Messung in Betrieb sein müssen. Dies ermöglicht es dem Hersteller der Aufzugsanlage, energiereduzierende Maßnahmen während des Zeitraumes von 10 Minuten wirksam werden zu lassen.
Gemäß EN 81-1 Abschnitt 9.17.3 kann das Fahrkorblicht abgeschaltet werden wenn der Fahrkorb mit geschlossenen Türen in der Haltestelle steht. Dies ist sicher eine der wirkungsvollsten Maßnahmen, um den Energiebedarf im Stillstand zu senken und somit eine niedrigere Energiebedarfsklasse zu erreichen.
Allerdings ist auch zu bedenken, dass durch ein allzu häufiges Ausschalten bestimmter Ausführungsarten der Beleuchtung, z.B. Neonröhren, die Lebensdauer der Leuchten entscheidend reduziert wird. Hier ist ein Kompromiss zu finden zwischen der Forderung nach einem minimalen Energieverbrauch und einer weiterhinausreichenden Lebensdauer der Beleuchtungselemente.
Weitere wirkungsvolle Maßnahmen sind die Abschaltung von Fremdbelüftungen im Fahrkorb und für den Antrieb. Die Energiebedarfsklassen für den Stillstand sind wie folgt definiert:
4. Nutzungskategorien
In der VDI 4707 werden gem. Tabelle 1 vier verschiedene Nutzungskategorien vorgegeben.
Es ist offensichtlich, dass diese Klassifizierung relativ allgemein gehalten ist und einen gewissen Interpretationsspielraum offen lässt.
So kann die Einordnung in die Nutzungskategorie bei einer identischen Gebäudekonstellation und vergleichbarem Nutzerverhalten durchaus unterschiedlich sein, da die Fahrgeschwindigkeit bei der Bewertung direkt keine Rolle spielt.
Generell kann somit gesagt werden, dass ein Aufzug mit höherer Fahrgeschwindigkeit, bei gleicher Stockwerksanzahl und Fahrtenzahl, tendenziell immer in die kleinere Nutzungskategorie fällt.
Das folgende Beispiel zeigt dies für eine Aufzugsanlage, die sich nur in der Fahrgeschwindigkeit unterscheidet, für die aber das Nutzerverhalten vergleichbar ist.
Für den Vergleich wird für beide Anlagen dieselbe Fahrtenzahl pro Tag zugrunde gelegt.
Ähnliches trifft zu wenn ein Aufzug viele Fahrten bei kleinem Stockwerksabstand durchführt im Vergleich zu einer Anlage mit größeren Stockwerksabständen und weniger Fahrten. Beide Anlagen kommen auf eine vergleichbare durchschnittliche Fahrzeit in Stunden/Tag.
Der Aufzug mit der höheren Fahrtenzahl wird aufgrund der häufigeren Beschleunigungs- und Abbremsvorgänge aber deutlich mehr Energie verbrauchen und dies wird durch die spezifischen Verbrauchswerte, wie dargestellt, nur zum Teil berücksichtigt.
5. Spezifischer Gesamt-Energiebedarf
Dies ist eine weitere Normierung über die Zeitdauer eines Tages mit dem Ziel einer Gesamtaussage anhand der bereits vorgenommenen Einstufungen in die Energiebedarfsklassen des Fahrens und für den Stillstand. Abhängig von den 4 oben dargestellten Nutzungsklassen werden verschiedene Klassifizierungen gem. Tabelle 4, VDI 4707 definiert.
Hierzu werden folgende Werte rechnerisch ermittelt:
EFahren = spezifischer EnergiebedarfFahren * zurückgelegte Fahrstrecke/Tag * Tragfähigkeit
EStillstand = EnergiebedarfStillstand * Stillstandszeit.
(Werte gem. Nutzungstabelle, keine gemessenen Werte)
Zur Ermittlung des spezifischen (Tages)- Energiebedarfs wird folgende Normierung angewendet:
ESpez = EFahren + EStillstand/zurückgelegte Fahrstrecke/Tag * Tragfähigkeit der Anlage
Speziell die Ermittlung dieses Wertes ESpez wird in der Praxis mit starken Vereinfachungen verbunden sein. Wie im Entwurf der VDI 4707 bereits angemerkt, werden z. B. für die Ermittlung der zurückgelegten Fahrstrecke die Beschleunigungs- und die Verzögerungszeiten nicht berücksichtigt, sondern es wird nur die Nenngeschwindigkeit und somit der einfache Zusammenhang s = v * t zugrunde gelegt.
Eine weitere, sicher nicht unerhebliche Vereinfachung gilt auch für den Energieverbrauch im Stillstand, sofern für die Ermittlung des Wertes gem. 3.2 Energie reduzierende Maßnahmen wirksam waren. In der Praxis werden diese Maßnahmen zur Energiereduzierung bei Stillstandszeiten unter 10 Minuten in der Regel nicht wirksam.
Diese bedeutet, dass Anlagen mit einer hohen Fahrtenzahl (Nutzungskategorie 2, 3 oder 4) somit tendenziell zu gut bewertet werden, da bei ihnen die energiereduzierenden Maßnahmen, z. B. das Ausschalten des Fahrkorblichts während der Betriebszeiten, nicht in nennenswertem Maße wirksam werden.
Die Klassifizierung erfolgt gem. VDI 4707 mit folgenden Kennzahlen:
6. Messungen
Im Folgenden sollen die erfolgten Messungen an unterschiedlichen Anlagen dargestellt werden und auf einige Besonderheiten in diesem Zusammenhang aufmerksam gemacht werden:
Die Messung an den Aufzugsanlagen wurde mit Messgeräten gem. Bild 3 und 4 durchgeführt:
Leistungsmessgerät: LMG500 Fa. ZES
Stromzange: CHB3 Unitest
Auswertung: DIADEM National Instruments
  
Das erste Beispiel soll die Ermittlung des spezifischen Energiebedarfes für das Fahren in Abhängigkeit verschiedener Förderhöhen veranschaulichen:
Bei den Aufzugsanlagen handelt es sich um ein triebwerksraumloses Aufzugssystem Typ synergy mit synchron Gearless-Antrieb.
Betrachtet werden 3 Aufzugsanlagen.
Beispiel 1:
Das Beispiel unterstreicht die oben dargestellte Aussage, dass eine geringere Förderhöhe zu einem höheren Wert des spezifischen EnergiebedarfsFahren führen kann und somit diese Anlage, bei vergleich baren anderen Daten, in eine höhere Energieeffizienzklasse fällt.
Als zweites Beispiel wird eine Anlage mit unterschiedlichen Nenngeschwindigkeiten gewählt, die bereits in Kapitel 4 dargestellt wurde.
Es handelt sich um eine Anlage mit Frequenzumrichter Typ CPI im Versuchsturm bei ThyssenKrupp Aufzugswerke. Die Anlage wurde mit 1,0 m/s und mit 1,6 m/s betrieben. Folgende Werte wurden gemessen und die entsprechenden Normierungen gem. VDI 4707 durchgeführt.
Beispiel 2:
Das Beispiel zeigt, dass bei gleicher Fahrtenzahl ein Aufzug mit höherer Fahrgeschwindigkeit in den verschiedenen Klassifizierungen vergleichbar und beim Wert des spezifischen (Tages) Energiebedarfes sogar besser abschneidet als die Anlage mit 1 m/s.
In weiteren Messungen wurden Aufzugsanlagen mit verschiedenen Antriebssystemen verglichen und ebenfalls die Einordnung in die Energieeffizienzklassen gem. VDI 4707 vorgenommen.
Anlagenparameter der 4 untersuchten Aufzugssysteme
Ergebnis und Normierung der Messungen
7. Wertung der Ergebnisse
Grundsätzlich zeigen die Messergebnisse, dass es nicht einfach ist mit der heute verwendeten Technik die Energieeffizienzklasse A, wie sie in der VDI 4707 definiert ist, zu erreichen. In allen dieser Ausarbeitung zugrunde gelegten Beispielen wurde bei der Ermittlung des Stillstandsverbrauches das Fahrkorblicht, als einer der Hauptverbraucher im Stillstand, bereits abgeschaltet.
Um die gewünschte Effizienzklasse A zu erreichen müssen weitere technische Maßnahmen, wie zum Beispiel der Einsatz Energie rückspeisender Frequenzumrichter in Betracht gezogen werden.
Ob allerdings der Markt alle Maßnahmen die möglich erscheinen, wie zum Beispiel das Ausschalten der Außen-Standanzeigen, auch akzeptieren wird muss in naher Zukunft im Kundendialog ermittelt werden.
Einige der dargestellten Beispiele zeigen, dass manche Ergebnisse nicht ganz logisch erscheinen. Das erste Beispiel zeigt, dass ein Aufzugssystem mit derselben Fahrgeschwindigkeit und Tragfähigkeit, aber unterschiedlicher Förderhöhe, in unterschiedliche Energieeffizienzklassen für das Fahren fallen kann. Es mag Argumente geben, dass dies aufgrund der Beschleunigungs- und Verzögerungsphasen sogar richtig sein könnte. Aber die Ermittlungsgrundlage der VDI 4707 berücksichtigt eben diese Phasen nicht und die Rechenformel basiert nur auf dem zurückgelegten Weg und den Nutzungs-Kategorien.
Im zweiten Beispiel wird gezeigt, dass bei vergleichbaren Aufzugsanlagen, die eine unterschiedliche Geschwindigkeit aufweisen, die Anlage mit der höheren Geschwindigkeit in die Gesamt- Effizienzklasse B eingeordnet wird, obwohl die Energiebedarfsklasse für das Fahren B und für den Stillstand D ergab.
Der Aufzug mit der geringeren Fahrgeschwindigkeit fällt in die Gesamt-Effizienzklasse C was insgesamt logischer erscheint.
Beim Vergleich der verschiedenen Aufzugssysteme kann genau das umgekehrte beobachtet werden: Der Hydraulikaufzug mit einer sehr geringen Nutzung (Effizienzklasse C für das Fahren) und einem sehr guten Stillstandsverbrauch B fällt überraschend in die Gesamt-Effizienzklasse D.
Diese nicht nachvollziehbaren Ergebnisse sollten in der laufenden Überarbeitung der Norm berücksichtigt werden.
Anmerkung des Autors: Dies ist in der Zwischenzeit erfolgt und die geschilderten Unplausibilitäten treten nicht mehr in dem aufgezeigten Maße auf.
8. Weitere Elemente der VDI 4707
Neben den verschiedenen Definitionen zur Klassifizierung der Aufzugssysteme in Effizienzklassen gibt der Normentwurf in den Kapiteln 6 bis 7 Hinweise zur Berechnung des Jahresenergiebedarfs sowie auf die Auswirkung verschiedener Aufzugsparameter im Hinblick auf die Energieeffizienz, die bereits in der Planungsphase berücksichtigt werden können.
In den Anlagen A und D der VDI sind praktische Hinweise, Beispiele und Empfehlungen für Hersteller enthalten und es werden Optimierungsmöglichkeiten zur Reduzierung des Energieverbrauches aufgezeigt.
9. Zusammenfassung
Mit der VDI 4707 liegt ein Normentwurf vor, der sich eng an den europäischen Direktiven zum Thema Energieeffizienz orientiert.
Die Art der Darstellung verschiedener Energieeffizienzklassen ist vergleichbar mit der bereits bekannten Klassifizierung für Haushaltsgeräte und für die Gebäudetechnik. Dies hilft Herstellern, Beratern und Betreibern einen sinngemäßen Vergleich für Aufzugsanlagen vorzunehmen.
Sicher gibt es auch andere Möglichkeiten der Darstellung einer Klassifizierung, z.B. ein Punktesystem wie es der ISO Entwurf vorschlägt. Letztendlich soll aber die Aussage für den Betreiber der Anlage eine Hilfestellung geben und ihm einen nachvollziehbaren Vergleich mit anderen ihm bereits bekannten Aussagen ermöglichen.
Leider scheinen hier die Meinungen der Vertreter in den Gremien derzeit nicht konsensfähig zu sein. Es bleibt aber sicher ein Ziel, dass im Bereich der Aufzüge (und Fahrtreppen) noch eine international einheitliche Klassifizierung erreicht werden kann.

1/2009

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