1. Situation actuelle des ascenseurs en Chine et des ascenseurs dans les hôpitaux universitaires
1. Situation actuelle de l'industrie des ascenseurs en Chine
Fin 2017, la Chine comptait environ 5,6 millions d'ascenseurs, soit près de 70 % de la production mondiale. Elle occupait alors la première place mondiale en termes de production et de parc d'ascenseurs, devenant ainsi le premier producteur et exportateur mondial d'ascenseurs.
Cependant, en raison de facteurs historiques tels que les limitations technologiques et le retard des normes d'économie d'énergie pour les ascenseurs, bien que la technologie chinoise d'économie d'énergie pour les ascenseurs ait atteint un niveau de pointe international dans certains domaines, des marques comme Tongli, Mitsubishi, Thyssen, Xunda et Hitachi ont successivement lancé ces dernières années des ascenseurs à aimants permanents synchrones sans engrenages, avec ou sans salle des machines, plus économes en énergie. Néanmoins, le taux de pénétration de ces ascenseurs sur le marché reste très faible. Le taux de pénétration des ascenseurs à aimants permanents synchrones sans engrenages, qui permettent d'économiser plus de 30 % d'électricité, est inférieur à 10 %, et celui des ascenseurs équipés de dispositifs de récupération d'énergie intégrés, avec un taux de récupération d'énergie régénérative de 30 %, est inférieur à 2 %. Le potentiel d'économie d'énergie est donc considérable dans l'ensemble du secteur des ascenseurs en Chine, et le marché des ascenseurs à économie d'énergie représente un immense potentiel.
Situation actuelle du fonctionnement des ascenseurs dans les hôpitaux universitaires
Principal et unique moyen de transport ferroviaire permettant le transport vertical des patients et du personnel médical entre les différents étages des hôpitaux, les ascenseurs des hôpitaux de niveau tertiaire présentent les caractéristiques suivantes :
① Le nombre d'ascenseurs transportés est énorme
D'après les statistiques, en 2017, le nombre annuel moyen de consultations externes dans les hôpitaux universitaires chinois dépassait les 2 millions de personnes. À titre d'exemple, l'hôpital populaire de Wuxi a enregistré 3,09 millions de consultations externes en 2015, pour une capacité d'accueil de seulement 2 000 lits. Plus de 90 % des patients et de leurs accompagnants empruntent les ascenseurs pour se rendre dans les services ou les unités d'hospitalisation. Par ailleurs, la présence de personnel de services logistiques (médecins, infirmiers, personnel administratif, personnel d'entretien et de sécurité) contribue à un trafic important dans les ascenseurs de l'hôpital.
Le graphique ci-dessous présente le nombre moyen quotidien de démarrages d'ascenseurs dans les hôpitaux de différents niveaux, selon les statistiques des services concernés. Dans les hôpitaux de niveau tertiaire de la région, ce nombre a déjà dépassé les 2 000 démarrages par jour.
L'effet de l'utilisation d'équipements économes en énergie dans les ascenseurs hospitaliers
▲ Figure 1 Statistiques des temps de démarrage moyens quotidiens des ascenseurs dans les hôpitaux de différentes tailles
② L'ascenseur est en service depuis longtemps.
En raison des besoins spécifiques et des services auxquels sont rattachés les ascenseurs hospitaliers, la plupart des ascenseurs médicaux fonctionnent 24h/24. À titre d'exemple, l'hôpital populaire de Wuxi compte 38 ascenseurs verticaux de marque Guangzhou Hitachi. Parmi eux, 16 ascenseurs du service d'hospitalisation fonctionnent en continu, 24h/24 et 365j/365, hormis les périodes de maintenance. Le délai de mise en service quotidien pour les services de consultations externes et d'urgences dépasse également 12 heures.
③ Les ascenseurs consomment beaucoup d'énergie pendant leur utilisation.
D'après les statistiques, la consommation électrique journalière moyenne de chaque ascenseur dans un centre hospitalier universitaire varie de 60 kWh à 100 kWh, avec une moyenne de 80 kWh/jour. Par ailleurs, la consommation énergétique de la climatisation ou des ventilateurs de la salle des machines, utilisés spécifiquement pour le refroidissement des ascenseurs en été, peut atteindre une consommation électrique journalière totale de 100 kWh/jour aux heures de pointe. Prenons l'exemple d'un centre hospitalier universitaire disposant de 40 ascenseurs : la consommation électrique journalière de ces derniers pendant les heures de pointe estivales peut ainsi atteindre 4 000 kWh, un chiffre impressionnant.
④ Température élevée dans la salle des machines de l'ascenseur
Actuellement, 90 % des ascenseurs sur le marché sont des ascenseurs à vitesse et fréquence variables (VVVF), dont seulement 2 % environ sont équipés de dispositifs de récupération d'énergie et sont des ascenseurs à haute efficacité énergétique. Les 98 % restants gaspillent l'électricité produite lors des montées à faible charge, des descentes à forte charge et du freinage à niveau, du fait de l'utilisation de résistances de freinage et de la conversion électrothermique. Après la conversion d'une grande quantité d'électricité en énergie thermique, la température dans la salle des machines de l'ascenseur augmente fortement. Si des mesures de refroidissement forcé ne sont pas prises rapidement, l'ascenseur se met en sécurité en raison de la température élevée, ce qui peut entraîner un arrêt d'urgence et perturber gravement son fonctionnement normal, voire nuire à la satisfaction des passagers.
Par conséquent, le département national de supervision et d'inspection de la qualité et des techniques exige que toutes les salles des machines d'ascenseur soient équipées d'un système de refroidissement haute puissance tel que la climatisation et des ventilateurs, et stipule explicitement que si la température dans la salle des machines d'ascenseur dépasse 40 ℃, la climatisation doit être mise en marche pour refroidir.
⑤ Taux de défaillance élevé des ascenseurs
Les températures élevées constituent l'une des principales causes du vieillissement et de la défaillance des composants électroniques, ainsi que l'une des principales causes d'accidents de personnes coincées dans les ascenseurs suite à des arrêts d'urgence. Selon les statistiques de l'échantillon de Guizhou, basé sur les données massives relatives aux ascenseurs, le taux d'accidents de ce type dans les ascenseurs hospitaliers atteint 9,18 %, dépassant largement celui des ascenseurs résidentiels (3,44 %). Les statistiques montrent également que plus de 95 % de ces accidents surviennent pendant les fortes chaleurs estivales, la grande majorité étant due à une utilisation excessive et à des mesures de refroidissement insuffisantes.
2. Technologie de récupération d'énergie des ascenseurs - Introduction au dispositif de rétroaction d'énergie électrique
Le dispositif de récupération d'énergie électrique pour ascenseur est un appareil spécialisé d'économie d'énergie utilisé pour le freinage des ascenseurs VVVF. Il récupère l'énergie électrique en courant continu convertie à partir de l'énergie cinétique mécanique et de l'énergie potentielle gravitationnelle lors des phases de montée à faible charge, de descente à charge élevée et de freinage à niveau. Après conversion CC/CA, redressement et filtrage, cette énergie est injectée dans le réseau électrique local pour alimenter les équipements électriques environnants de l'ascenseur.
Avant la mise en œuvre de rénovations écoénergétiques, la caractéristique des ascenseurs VVVF utilisant le freinage d'urgence n'était pas leur forte consommation d'énergie, mais la production importante d'électricité non valorisée. Au contraire, l'énergie électrique disponible était convertie en chaleur et dissipée inutilement. Ce phénomène entraînait une hausse soudaine de la température dans la salle des machines, nécessitant l'installation d'un système de refroidissement spécifique (ventilateurs de climatisation) sous peine de perturber le fonctionnement normal de l'ascenseur. La consommation énergétique de ces systèmes de refroidissement représente également une consommation d'énergie. Dans les salles des machines mal ventilées en été, la consommation de la climatisation pouvait même dépasser celle de l'ascenseur lui-même, engendrant ainsi un gaspillage énergétique considérable.
La transformation permettant des économies d'énergie est réalisée grâce à un dispositif de récupération d'énergie électrique, sans modifier la structure d'origine de l'ascenseur. Seul ce dispositif est connecté en parallèle. Sa tension de fonctionnement étant inférieure à celle de la résistance de freinage, il est prioritaire et réinjecte l'énergie électrique dans le réseau pour recyclage. En cas de dysfonctionnement du dispositif de récupération, la tension du bus CC de l'ascenseur continue d'augmenter, la résistance de freinage se réenclenche et l'ascenseur repasse automatiquement à son mode de fonctionnement normal, sans incidence sur son utilisation. Ce dispositif de récupération d'énergie est donc sûr. Les ascenseurs des séries GPM-M de Mitsubishi et REGEN d'OTIS sont tous deux équipés de ce système.
L'effet de l'utilisation d'équipements économes en énergie dans les ascenseurs hospitaliers
▲ Figure 2 Schéma de principe de fonctionnement du dispositif de rétroaction d'énergie électrique de l'ascenseur
Le rendement énergétique du dispositif de récupération d'énergie de l'ascenseur peut atteindre 97 %, avec un taux d'économie d'énergie direct compris entre 15 % et 45 %, et un taux d'économie d'énergie moyen de 30 %. Le taux d'économie d'énergie le plus élevé mesuré dans le cadre de projets d'économie d'énergie hospitaliers est de 51 %.
Après l'installation du dispositif de récupération d'énergie pour ascenseur, toute l'énergie électrique convertie à partir d'énergie mécanique et potentielle est recyclée. La résistance de freinage, principale source de chaleur dans la salle des machines, cesse de fonctionner et ne génère plus de chaleur. Par conséquent, la température dans la salle des machines est considérablement réduite. Le climatiseur, qui devait auparavant fonctionner en continu pour refroidir l'ascenseur, peut désormais être utilisé moins fréquemment, ce qui permet de réaliser des économies d'énergie indirectes en réduisant la consommation et les coûts d'électricité liés à la climatisation.
De plus, l'arrêt de la résistance de freinage de la principale source de chaleur dans la salle des machines de l'ascenseur a permis de réduire considérablement la température de cette dernière et d'améliorer l'environnement de fonctionnement de l'ascenseur. Grâce à cette protection contre la surchauffe, l'ascenseur ne risque plus de se mettre en sécurité suite à un arrêt d'urgence. L'amélioration de l'environnement de la salle des machines ralentit le vieillissement des composants électroniques de la carte de circuit imprimé, diminue significativement le taux de pannes et, par conséquent, les coûts de maintenance. La durée de vie de l'ascenseur s'en trouve ainsi prolongée.
3. Analyse des avantages suite à l'adoption de la technologie de récupération d'énergie pour ascenseurs
S’appuyant sur l’étude de cas réussis d’économies d’énergie dans les ascenseurs d’hôpitaux de même niveau, et compte tenu des résultats probants obtenus lors d’essais in situ à l’hôpital populaire de Wuxi, ce dernier a entrepris, en deux phases, la rénovation énergétique de 33 ascenseurs médicaux VVVF répondant aux critères d’une telle rénovation. Ces ascenseurs, équipés de technologies d’utilisation des énergies renouvelables et présentant un intérêt financier, ont été rénovés. L’installation de dispositifs de suivi de la consommation énergétique a permis de réaliser des économies d’énergie significatives. Les résultats sont les suivants :
① Effet d'économie d'énergie
Les résultats des tests effectués après la rénovation énergétique montrent que l'utilisation de technologies d'exploitation des énergies renouvelables a un impact significatif sur la consommation d'énergie des ascenseurs, avec un taux d'économie d'énergie mesuré lors des tests et un taux moyen de 30 %. Parallèlement, la température dans la salle des machines a considérablement diminué, et celle de la résistance de freinage est passée de 191,6 °C à 27,0 °C. Le taux de pannes des ascenseurs a également affiché une nette diminution. Dans l'ensemble, le projet a atteint son objectif de haute efficacité et d'économies d'énergie, tout en garantissant un fonctionnement fluide et sûr des ascenseurs.
Tableau 1 : Enregistrements sur site des tests d'effet du taux d'économie d'énergie pour le projet
L'effet de l'utilisation d'équipements économes en énergie dans les ascenseurs hospitaliers
② Revenus de placement
Ce projet d'économie d'énergie permet d'amortir l'investissement initial en deux ans environ. La durée de vie prévue des équipements est de 15 ans, et les 13 années restantes de bénéfices énergétiques constituent le revenu net de l'hôpital.
③ Avantages environnementaux
Après la mise en œuvre de ce projet d'économie d'énergie, le pays pourra économiser environ 1980 tonnes de charbon brut, réduire les émissions de dioxyde de carbone d'environ 5,1876 millions de kilogrammes, réduire les émissions de dioxyde de soufre d'environ 16830 kilogrammes et réduire les émissions d'oxyde d'azote d'environ 14652 kilogrammes.
Tableau 2 Calcul des avantages environnementaux du projet
L'effet de l'utilisation d'équipements économes en énergie dans les ascenseurs hospitaliers
4. Conclusion
En tant qu'élément essentiel du transport ferroviaire dans les hôpitaux, le bon fonctionnement et la sécurité des ascenseurs médicaux sont indissociables de l'efficacité et de l'image de l'établissement, ainsi que de la rapidité d'intervention pour sauver des vies. Garantir leur fonctionnement sûr et optimal dans un environnement de travail sain revêt donc une importance capitale.
Pour des raisons historiques telles que les exigences d'économie d'énergie, les normes industrielles et les limitations techniques, la proportion d'établissements publics, notamment les hôpitaux universitaires, utilisant des ascenseurs dotés de technologies d'économie d'énergie comme la récupération d'énergie et la technologie synchrone sans engrenage à aimant permanent reste relativement faible. La plupart des ascenseurs des hôpitaux universitaires se caractérisent par une température ambiante de fonctionnement élevée, une forte consommation d'énergie et un taux de panne important.
S’appuyant sur l’expérience de l’hôpital populaire de Wuxi en matière de rénovation énergétique des ascenseurs grâce à l’utilisation d’énergies renouvelables, il est recommandé aux établissements hospitaliers de privilégier, lors de la construction, de l’agrandissement ou de la rénovation d’hôpitaux, les ascenseurs à haut rendement intégrant ces technologies et la technologie synchrone sans engrenages à aimants permanents. Pour les bâtiments hospitaliers existants, il est conseillé de faire appel à des entreprises spécialisées dans la rénovation énergétique, possédant l’expérience et les qualifications requises, afin de rénover les ascenseurs de manière rationnelle, en installant des dispositifs de récupération d’énergie électrique tout en garantissant la sécurité. Cette démarche permettra de réduire la consommation énergétique des ascenseurs, les coûts d’exploitation et de contribuer à la création d’un hôpital plus écologique.