Introduction : Le besoin croissant de transports verticaux économes en énergie

Alors que les populations urbaines continuent de se concentrer dans les immeubles de grande hauteur, les ascenseurs et les ascenseurs sont devenus le système circulatoire de l'architecture moderne. Ils représentent environ 2 à 5 % de la consommation énergétique totale d'un bâtiment, et dans certaines tours commerciales denses qui partagent 10 % ou plus. La pression pour les certifications de bâtiments à faible consommation d'énergie (comme LEED et BREEAM) a placé l'efficacité énergétique des ascenseurs sur la table. Pourtant, concevoir un ascenseur qui déplace les gens en douceur, en toute sécurité et avec un tirage minimal d'énergie est loin d'être simple.

Cet article explore comment le transfert de chaleur, le flux de fluides et le transfert de masse interagissent dans les systèmes d'ascenseurs, et comment les innovations modernes exploitent ces phénomènes pour réaliser des économies d'énergie remarquables. Que vous soyez ingénieur de services de bâtiment, concepteur de ascenseurs ou gestionnaire d'installations, comprendre ces fondamentaux vous aidera à définir, à exploiter et à maintenir un transport vertical plus durable.

Principes fondamentaux du phénomène de transport et leur pertinence pour les ascenseurs

Les phénomènes de transport[ est le terme-cadre des trois mécanismes par lesquels la nature déplace l'énergie et la matière : transfert de chaleur, dynamique des fluides (transfert de momentum) et transfert de masse. Dans un système d'ascenseur, ces phénomènes se produisent à de multiples échelles, depuis le flux microscopique de lubrifiants à l'intérieur d'une boîte de vitesses jusqu'au mouvement macroscopique de l'air à l'intérieur d'une passerelle.

Transfert de chaleur : le drain d'énergie invisible

Chaque élément d'ascenseur qui convertit l'énergie électrique en mouvement produit de la chaleur résiduelle. Les moteurs, les entraînements, les freins et les panneaux de commande génèrent tous de l'énergie thermique qui doit être dissipée ou l'équipement surchauffe et échoue. Les trois modes de transfert de chaleur—conduction, convection[, et radiomation[—tous jouent un rôle:

  • La réduction[ se produit par des matériaux solides tels que les enroulements de moteurs, les dissipateurs de chaleur et les rails métalliques qui guident la voiture.
  • La convection est le mécanisme de refroidissement dominant pour la plupart des machines d'ascenseur. Les ventilateurs forcent l'air sur les échangeurs de chaleur alésés, ou dans les grandes installations, les boucles de refroidissement liquide circulent sur un radiateur à distance.
  • La radiation n'est significative qu'à des températures élevées, mais elle peut contribuer à l'augmentation de la chaleur à l'intérieur des armoires de contrôleur si les surfaces ne sont pas revêtues de peintures émissives ou de barrières réfléchissantes.

Lorsqu'un élévateur à charge élevée descend, le moteur agit comme un générateur, convertissant l'énergie potentielle en électricité. Si l'énergie ne peut pas être réalimentée dans le réseau de construction (une fonction appelée entraînement régénératif), l'énergie excédentaire doit être déversée comme chaleur. Le calibrage et le positionnement de ces banques de résistance sont essentiels pour éviter la surchauffe de la salle des machines ou de la passerelle.

Débit de fluide: des lubrifiants aux courants d'air

Le débit de fluide dans un système d'ascenseur comprend à la fois liquide (lubrifiants, fluides hydrauliques) et gaz[ (mouvement d'air à l'intérieur de l'arbre). La friction dans les ascenseurs hydrauliques peut être réduite en optimisant la viscosité du fluide hydraulique; trop mince et les fuites internes entraînent des pertes de pompage; trop épaisses et les chutes de pression augmentent.

Le débit d'air est tout aussi important, surtout dans les ascenseurs à grande vitesse. Une voiture se déplaçant à 10 m/s crée une résistance importante à l'air, et l'air déplacé doit être canalisé en douceur pour éviter les bruits sifflants et la traînée excessive.

Transfert de masse : scellement et effet de la pile

Dans les grands bâtiments, l'effet de la cheminée—le mouvement naturel vers le haut de l'air chaud—peut entraîner des courants d'air à travers les portes de l'ascenseur, créer des courants d'air et augmenter les charges de chauffage ou de refroidissement.Les joints d'étanchéité [ bien conçus aux portes et aux atterrissages de plancher, combinés à des évents à aspiration sous pression situés en haut et en bas de l'arbre, peuvent réduire cette perte d'énergie parasitaire de 30 % ou plus.

Gestion du transfert de chaleur dans les systèmes modernes d'ascenseur

L'efficacité énergétique commence par la gestion thermique. Chaque watt de chaleur qui doit être enlevé par refroidissement forcé est un watt qui aurait pu être utilisé pour le mouvement.

Refroidissement moteur et moteur

Les moteurs à aimant permanent synchrone (PMSM), norme actuelle de l'industrie pour les ascenseurs de traction sans engrenage, génèrent moins de chaleur que les moteurs à induction plus anciens, mais ils nécessitent toujours un refroidissement actif. De nombreux PMSM sont construits avec des ailettes de refroidissement intégrées et sont jumelés avec des entraînements à fréquence variable qui fonctionnent à haute fréquence de commutation. Les entraînements eux-mêmes génèrent une chaleur importante – souvent 3–5 % de la puissance nominale du moteur. Les ingénieurs adoptent maintenant des échangeurs de chaleur refroidissant-à-air qui permettent de monter le lecteur à l'intérieur de l'armoire de commande sans élever la température ambiante au-dessus de sa limite de 40 °C.

Les moteurs régénératifs et la récupération de chaleur

Les entraînements régénératifs sont l'innovation la plus efficace en matière de gestion de la chaleur au cours des dernières décennies. En convertissant l'énergie de freinage en électricité et en la réalimentant en réseau AC du bâtiment, ils peuvent réduire la consommation totale d'énergie de l'ascenseur de 25 à 45 %, selon les modes de circulation. Le réseau électrique agit comme un évier infini, ce qui signifie qu'aucun chauffage de résistance n'est nécessaire.

Isolation thermique de la voie d'accès

Dans les climats froids, une salle de machines à ascenseur chauffé peut perdre beaucoup d'énergie à travers une passerelle non isolée. Inversement, dans les climats chauds, les salles de machines refroidies souffrent de gain de chaleur à travers les murs de l'arbre. La mousse de polyuréthane pulvérisée, les planches de laine minérale et les stratifiés de papier réfléchissant sont maintenant couramment appliqués sur les surfaces intérieures des allées pour réduire le transfert de chaleur conductrice.

Flux de fluides et lubrification : réduire les pertes mécaniques

La friction mécanique représente environ 15 à 20 % de l'énergie totale consommée par un ascenseur de traction. La plupart de cette friction se produit dans les chaussures de guidage, les roulements de gaine et, le cas échéant, la boîte de vitesses.

Lubrifiants et additifs à faible densité de vitrification

Les lubrifiants synthétiques avec des indices de viscosité soigneusement contrôlés (VI) maintiennent une épaisseur de film stable depuis le démarrage jusqu'à la vitesse maximale. L'ajout d'additifs modifiant la friction comme le disulfure de molybdène peut réduire la friction de limite dans les chaussures de guidage jusqu'à 30 %. Dans les ascenseurs sans engrenages, qui fonctionnent à la vitesse de rotation inférieure, les roulements reposent sur la lubrification elastohydrodynamique (EHL) où la pression déforme les surfaces de roulement pour créer un film fluide; comprendre ce régime est essentiel pour sélectionner l'huile appropriée.

Conception aérodynamique pour les ascenseurs à grande vitesse

Dans les ascenseurs de plus de 4 m/s, la traînée aérodynamique devient un consommateur d'énergie majeur. La dynamique des fluides calculateurs (CFD) est maintenant utilisée pour optimiser la forme de la voiture, l'écart entre les parois de la voiture et du holding, et le profil du contrepoids. Le résultat est une réduction du coefficient de traînée d'environ 0,7 à 0,3 dans certains modèles modernes.

Ascenseurs hydrauliques: Optimisation du débit d'huile

Les ascenseurs hydrauliques, bien que moins économes en énergie que les modèles de traction, dominent encore les applications de montée et de fret. Leur efficacité dépend fortement des caractéristiques du débit du fluide hydraulique. Les ingénieurs utilisent maintenant des pompes de déplacement variables qui correspondent au débit exigé, plutôt que de gâcher l'écoulement excédentaire à travers une vanne, ce qui gaspille l'énergie comme chaleur.

Transfert de masse et qualité de l'air : les économies d'énergie cachées

Alors que la chaleur et la friction saisissent les gros titres, le mouvement de l'air et de l'humidité dans et hors de la passerelle peut avoir un effet étonnamment important sur le budget énergétique global d'un bâtiment.

Contrôle de l'effet de la pile

Dans les grands bâtiments, l'effet de la cheminée entraîne l'air vers le haut le long de la passerelle, créant une basse pression aux étages inférieurs et une pression élevée près du sommet. Cette différence de pression force l'air conditionné hors du bâtiment par les portes et les ouvertures. Les lobbies et les lobbies d'ascenseur agissent comme cheminées verticales. La solution implique des amortisseurs de décompression au sommet et au bas de l'arbre, combinés avec des joints serrés à chaque porte d'atterrissage.

Qualité de l'air et filtration

Les codes modernes pour les ascenseurs de passagers exigent un échange d'air frais minimal pour éviter l'accumulation de CO2 à l'intérieur de la voiture. L'utilisation d'un système de ventilation contrôlée par la demande, qui augmente le débit d'air seulement lorsque les capteurs détectent l'occupation, réduit à la fois l'énergie du ventilateur et la quantité d'air traité qui doit être remplacée après que l'ascenseur se déplace vers un autre étage.

Innovations qui tirent parti des phénomènes de transport

Les technologies récentes de silos sont de plus en plus conçues autour d'une compréhension profonde de ces processus physiques.

Ascenseurs à levitesse magnétique (Maglev)

Les moteurs linéaires et la lévitation magnétique éliminent le contact physique entre la voiture et la holding, en éliminant toute friction mécanique. La production de chaleur passe du moteur aux bobines de stator, qui doivent être correctement refroidies par convection liquide ou à air forcé. L'élimination des cordes et poulies réduit également les pertes thermiques associées aux câbles fléchissants. Les premiers prototypes de Thyssenkrupp et Otis[ ont montré des économies d'énergie de 30 à 50 % par rapport aux ascenseurs de traction conventionnels.

Systèmes de contrôle intelligents et capteurs IoT

De plus, les capteurs IoT surveillent la température, les vibrations et la qualité de l'huile en temps réel, ce qui permet un entretien prédictif qui maintient la friction et les pertes de chaleur à un niveau faible tout au long du système. Par exemple, Schindler=S PORT Technology utilise la désintégration des passagers pour réduire le nombre de voyages, économisant directement l'énergie.

Intégration du stockage de l'énergie

Les ultracondensateurs et les batteries lithium-ion peuvent stocker l'énergie captée lors du freinage régénératif et la libérer pendant l'accélération, réduisant ainsi la demande de puissance maximale du réseau. Cela permet également à l'ascenseur de fonctionner pendant un nombre limité de trajets pendant une panne de courant. La gestion thermique de ces dispositifs de stockage est critique : les ultracondensateurs ont une fenêtre de température plus étroite que les batteries, donc ils sont souvent placés dans des compartiments conditionnés dans la salle des machines.

Études de cas et applications industrielles

Les principes décrits ci-dessus sont déjà appliqués dans les bâtiments réels du monde entier.

  • Otis Gen2® avec l'entraînement ReGen®: Ce système combine un entraînement à courroie plate avec un freinage régénératif, ce qui permet d'économiser 50 % d'énergie par rapport aux ascenseurs hydrauliques traditionnels. La rigidité à faible flexion réduit les pertes de frottement, et l'entraînement ReGen retourne jusqu'à 75 % d'énergie de freinage sur le réseau de construction. En savoir plus sur le système Gen2
  • KONE MonoSpace® 500 DX: L'ascenseur de traction sans engrenages KONE= utilise un moteur synchrone à aimant permanent avec un échangeur de chaleur intégré qui peut être monté à l'extérieur de la salle de la machine, réduisant ainsi le besoin de refroidissement mécanique. Le système dispose également de modes de veille intelligents qui coupent l'alimentation en lumière et les ventilateurs lorsque la voiture est au ralenti. Explorer KONE MonoSpace
  • Thyssenkrupp MULTI system: Cet ascenseur sans câble utilise la lévitation magnétique et peut déplacer plusieurs voitures dans le même arbre. Son prototype à Rottweil, en Allemagne, a démontré que l'élimination des câbles et des contrepoids peut réduire la consommation d'énergie de 60 % par rapport à un ascenseur traditionnel à grande vitesse. Lire à propos de MULTI.

Ces exemples montrent que le chemin vers un transport vertical ultra-efficace réside dans l'application réfléchie des phénomènes de transport, de l'amélioration de la conduction dans les enroulements moteurs aux formes dynamiques de fluides avancées qui glissent dans l'air avec une traînée minimale.

Conclusion : Vers un noyau de construction net-zéro

Les ascenseurs ne sont plus seulement une commodité; ils sont une composante centrale de la performance énergétique d'un bâtiment. Comme nous l'avons vu, transfert de chaleur, flux de fluide et transfert de masse déterminent chaque aspect d'une ascenseur.La consommation d'énergie – de la friction dans ses roulements à la fuite d'air au-delà de ses portes.

L'avenir nous montre que les jumelles numériques sont entièrement intégrées et qu'elles modélisent, en temps réel, les phénomènes de transport à l'intérieur de chaque puits. Ces outils permettront aux opérateurs d'affiner les horaires de lubrification, d'ajuster les débits de ventilation et d'optimiser dynamiquement les réglages de la conduite régénérative.