Por que os elevadores hidráulicos são tão populares? Parte II Dr. Ferhat ÇELİK1 & Dr. Banu KORBAHTI2 1 2 Blain Hydraulics GmbH, 74078-Heilbronn, Alemanha. Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade de Istambul, Turquia. Palavras-chave: Elevador Hidráulico, Consumo de Energia, Segurança. Resumo Na aplicação de sistemas de transporte vertical, é importante saber decidir qual o sistema de movimentação mais adequado, hidráulico ou de tração. Cada tipo tem características que o torna particularmente bem adaptado para uma aplicação específica. Em geral, os elevadores hidráulicos são adequados para edifícios baixos (até seis andares), enquanto os elevadores de cabo de aço (tração) são mais adequados para edifícios mais elevados. Nos últimos quarenta anos o elevador hidráulico tem sido aceito em todo o mundo. Como o sistema de elevador de tração sem casa de máquinas (MRL) foi introduzido para substituir o elevador hidráulico, começou uma forte concorrência no mercado de edifícios baixos. Estratégias agressivas de mercado foram aplicadas exclusivamente para compreender o mercado e diminuir a popularidade do elevador hidráulico. Esses esforços criaram a tendência ao MRL em detrimento da segurança. No entanto, os compradores devem ser informados sobre os méritos e as deficiências de ambos os sistemas de elevadores para assegurar a aplicação mais adequada e segura de cada tipo. Nesse artigo, discute-se principalmente sobre os elevadores hidráulicos e o MRL de tração e se faz comparações a fim de esclarecer os consumidores. 1. Introdução Na primeira parte do presente artigo[1], foram discutidos o desenvolvimento do mercado de elevadores, bem como a situação atual nos mercados europeus e turcos. A adequação de vários tipos de elevador, ou seja, hidráulico, de tração e sem casa de máquinas (MRL), também foi destaque. Concluiu-se que a porcentagem representada do elevador hidráulico no mercado de elevadores reduziu em aproximadamente 40%, no entanto, isso não fez com que a produção de elevadores hidráulicos diminuísse em todo o mundo devido a um aumento total do número de instalações de elevadores. Também se concluiu que o elevador hidráulico é o tipo de elevador mais seguro contra movimentos sísmicos, e que os esforços para promover os elevadores de tração MRL nas áreas sujeitas a terremoto resultaria em mais danos e ferimentos. Enganosos argumentos contra o elevador hidráulico limitam-se principalmente ao consumo exagerado de energia e ao risco ambiental. Tais afirmações exageradas são avaliadas pelo usuário final. 2. Desvantagens de MRLs de tração 1- Os custos de instalação genuínos para o mesmo desempenho são estimados a ser 15-25% maiores do que nas unidades hidráulicas[2] (instalações de MRL podem ser inicialmente oferecidas a preços baixos para ganhar contratos com exageradas taxas de manutenção mais tarde). 2- Manutenção é Difícil: Já que a máquina está localizada no pé direito da caixa de corrida ou, sobre ou sob a cabine, alcançá-la pode ser complicado. Acidentes graves durante a construção e a manutenção de elevadores são mais comuns. No caso da cabine estar presa e não poder ser movida, a máquina não pode ser reparada na parte superior da cabine, podendo haver a necessidade de tentar usar métodos não muito seguros. Cara: Todos os principais fabricantes de elevadores, bem como os principais fabricantes de motores especializados em tecnologia de elevação agora oferecem suas próprias soluções MRL baseadas no conceito de motor síncrono de ímãs permanentes (PMS). As atuais soluções MRL de tração têm sido patenteadas e, portanto, é difícil introduzir ainda mais novas soluções MRL que seriam mais custo-eficazes, sem infringir as patentes existentes [3]. Os direitos reservados de patente também proíbem outras empresas qualificadas de oferecer o serviço de MRLs de tração. Como resultado, um grupo de empresas multinacionais está controlando cada vez mais o mercado de elevadores para edifícios baixos e de porte médio. As soluções MRL de tração são inicialmente oferecidas com preços competitivos e o baixo rendimento torna-se mais tarde um bom retorno financeiro através dos altos preços das peças de reposição e da manutenção frequente. Obter as peças de reposição de unidades MRL é difícil, já que a manutenção só pode ser realizada pelo instalador original ou pelos seus parceiros de trabalho. Desrespeitosa aos requisitos de segurança: O resgate de passageiros durante uma situação de emergência torna-se complicado, já que cada tipo de máquina MRL exige especialização e fica difícil alcançar a máquina na caixa de corrida[4,5]. As condições de temperatura e umidade dentro da caixa de corrida são prejudiciais e podem facilmente afetar os componentes eletrônicos, o que pode causar avarias mais frequentes e necessidade de manutenção. Um curto-circuito no motor ou incêndio pode tornar o elevador incapaz de se mover e os passageiros podem ficar presos nele. O fogo em si não pode ser mortal, mas a fumaça dentro da caixa de corrida sim. A instalação de MRLs de tração em regiões sísmicas e em áreas de perigo natural é obviamente irresponsável por parte do proprietário, do arquiteto e da própria empresa de elevadores[4]. 3. O argumento sobre o elevado consumo de energia dos elevadores hidráulicos O argumento sobre o consumo de energia dos elevadores deve ser cuidadosamente tratado, caso contrário, resultados irreais podem ser interpretados. O fato é que o custo de funcionamento de um elevador é consideravelmente menor do que o custo de manutenção do mesmo[6]. Portanto, conhecer os custos das peças de reposição e da manutenção com antecedência é importante, mas ao mesmo tempo, difícil de determinar. O consumo de energia de um elevador hidráulico é dito ser 2 a 5 vezes maior do que a do elevador de tração sem se explicar sobre qual embasamento esses números foram produzidos. É sabido que o consumo de energia reduzido do elevador de tração resulta do contrapeso. O elevador hidráulico geralmente não usa contrapesos e é consequentemente mais seguro à custa de um pequeno aumento na potência do motor. Por outro lado, ele pode ser construído com o equilíbrio do contrapeso sob condições apropriadas (nas regiões livres de terremoto) para que as economias de energia similares, como nos elevadores de tração, possam ser obtidas. A tabela 1 mostra a potência do motor de um elevador hidráulico para oito pessoas com e sem um contrapeso. Pode-se ver que reduzindo 2/3 do peso da cabine (por meio de um contrapeso) a potência do motor pode ser reduzida em 29%. Na Figura 1, mostra-se a outra configuração do contrapeso para os elevadores hidráulicos, onde o contrapeso é colocado em um golpe de aríete. Ao fazer isso, diâmetro de aríetes e bombas menores podem ser usados. Essa configuração pode impedir que o contrapeso consiga balançar na caixa de corrida. Portanto, alegar que os elevadores hidráulicos são antieconômicos é uma afirmação imprecisa e enganadora. A maioria dos elevadores hidráulicos não tem contrapesos por causa de melhores registros de segurança e da facilidade de instalação. Logicamente motores com maior potência aumentariam o consumo de energia, no entanto, o aumento é menor do que poderia ser esperado, uma vez que o elevador hidráulico não consome energia em viagens na descida. Tabela 1. Menor consumo de energia do elevador hidráulico com o contrapeso. Pressão do cilindro [bar] Diâmetro Comprimento Relação de Com a Contrapeso do pistão do pistão [m] suspensão Vazio capacidade [mm] total Velocidade [m/s] Taxa de fluxo [l/min] Potência do motor [kW] Não 4.5 70 2:1 22.9 55.1 0.64 74 8.5 Sim 4.5 60 2:1 10.4 54.1 0.64 54 6 Cooper[7] realizou testes sobre o consumo de energia de cinco unidades de elevadores diferentes em hospitais, onde o uso do elevador é alto. Ele usou um gravador de demanda de energia para medir o consumo de energia dos elevadores. Os elevadores tinham velocidades diferentes, dependendo do número de paradas (3 a 14). Como resultado, ele afirmou que o custo de funcionamento de até mesmo um elevador ocupado era muito pequeno. Seus resultados são apresentados na tabela 2. Pode ser visto também na tabela 2 que, quando um elevador hidráulico é instalado (mesmo sem um contrapeso), seu consumo de energia é insignificante. A Tabela 3 abaixo também fornece o consumo anual de energia de alguns equipamentos de uso doméstico, bem como o consumo de energia típico de um elevador hidráulico para uma família de seis pessoas[8]. Como o consumo de energia de um elevador será compartilhado pelos ocupantes, a quota mensal por família será tão baixa como entre 9 a 12 kWh. Nesse exemplo, o elevador usa de 4 a 6% do consumo total de energia do edifício. Como resultado, evitar os elevadores hidráulicos eventualmente pode resultar em maior consumo de energia devido à estimativa errônea de tráfego, manutenção cara e avarias frequentes. Figura 1: Elevador hidráulico com um contrapeso. Tabela 2. Comparação do consumo de energia de várias unidades (com base em uma taxa de kWh de 3,2 centavos de dólar, todos os resultados ajustados para refletir 3000 paradas ao longo de 24 horas) [7]. Consumo % de no Velocidade Peso Total Tipo de Unidade Custo/dia $ Paradas em kWh Máx. [m/s] [kg] Hidráulico 49.9 1.60 39.9 0.63 3 1134 MR VF Otis 51.9 1.66 41.4 1.78 8 1134 SCR sem Engrenagem 55.3 1.77 44.1 2.54 14 1588 MG com Engrenagem 103.8 3.32 82.9 1.78 6 1588 MG sem Engrenagem 125.2 4.01 100 2.54 11 1588 Bens Refrigerador Lava-louça Máquina de lavar roupa Televisão Ferro de passar Forno a gás Lâmpadas Tabela 3. Comparação do consumo de energia de um elevador com vários equipamentos de uso doméstico [8]. Um típico elevador hidráulico residencial Consumo de energia anual [kWh] 350-500 400-600 445 230 250 25 750 600-800 Figura 2. Seleção da potência do motor O componente mais importante que pode afetar o desempenho do elevador é o motor, porque sua eficiência e tamanho afetam a eficiência global do sistema do elevador. Isso significa que é importante escolher o motor mais eficiente e certificar-se de que ele tenha o tamanho adequado para o uso pretendido. Também é fato que o consumo de energia aumenta drasticamente com o aumento da velocidade. Devido ao fato de que os elevadores hidráulicos não consomem energia em viagens de descida (porque a cabine desce graças à gravidade e ao fluxo controlado de óleo), eles são especialmente adequados para equilibrar a velocidade de tráfego do elevador sem custo adicional. Isso pode ser feito simplesmente aumentando a velocidade na descida e ao mesmo versus a velocidade do elevador. tempo diminuindo a velocidade na subida. Assim, um Caso 1: Peso da cabine carregada: 650 kg (4 pessoas), motor de tamanho menor pode ser utilizado e o Pressão estática máxima: 33 bars. consumo de energia pode ser reduzido. Na Figura 2, Caso 2: Peso da cabine carregada: 1080 kg (8 pessoas), os gráficos de potência do motor são mostrados para Pressão estática máxima: 55 bars. dois casos diferentes. A potência do motor pode ser escolhida entre a linha contínua e a tracejada dependendo da característica do motor elétrico. Na tabela 4, a redução da porcentagem na potência do motor (para o Caso 1 na Figura 2) é mostrada após equilibrar as velocidades das viagens de subida e descida a fim de obter o mesmo tempo de viagem. Reduções de 10-28% na potência do motor são atingíveis. Os consumos anuais de energia (AEC) para 300 saídas por dia são calculados aproximadamente através das equações[9, 10] de Doolard e de Schroeder. Desde que o código permita que a velocidade do elevador seja tão elevada como 1 m/s para elevadores hidráulicos, a velocidade de descida pode ser aumentada para 1 m/s para que uma economia de energia máxima e melhores tempos de viagens possam ser obtidos. Como resultado, aplicar o contrapeso e o equilíbrio da velocidade da viagem de descida, a potência do motor elétrico pode ser reduzida em aproximadamente 50%. A equação de Schroeder é a seguinte: AEC (Consumo anual de energia) = Tempo de viagem típico (TP) *Número de saídas *Potência do motor *Dias de funcionamento/3600. Essa é uma equação generalizada que foi desenvolvida como resultado de um grande número de medições para calcular o consumo diário de energia de uma instalação de elevador. Na formulação o TP (tempo de viagem típico) pode ser retirado entre 5 (motores pequenos) e 7 (motores grandes) para elevadores hidráulicos sem contrapeso. Da mesma forma, outra formulação foi desenvolvida por Doolard[10], que introduziu uma forma de gráfico, na qual o consumo de energia pode ser colocado em uma fórmula energia/kg por viagem. Na prática, a equação de Schroeder é encontrada para subestimar o consumo de energia, enquanto que o método de Doolard dá maiores estimativas (um fator de dois)[11]. Esses métodos podem ser usados como os limites superiores e inferiores do consumo de energia de um elevador, onde o valor real se estabelece. Aqui, o valor médio de ambos os métodos é dado como a energia consumida do elevador. Tabela 4. Equilibrando o tempo de viagem. Distância da viagem: 12m, TP: 6 , 2:1. Velocidade de viagem [m/s] na Subida e na Descida Velocidades de viagem modificadas [m/s] Viagem modificada Subida Descida Redução na potência do motor [%] Consumo de energia diário [kWh] 0.8 0.66 1 17.5 3.9 0.8 0.72 0.86 10 4.3 0.7 0.53 1 24.3 3.2 0.7 0.6 0.84 14.3 3.6 0.6 0.43 1 28.3 2.6 0.6 0.5 0.75 16.7 3.0 Na tabela 5, é fornecido o consumo de energia de um elevador de 4 pessoas, a uma velocidade de 0,6 m/s, em um edifício residencial em relação ao número de saídas por dia. Pode-se ver na tabela 5 que o consumo de energia de um elevador residencial é insignificante em termos de custo. Tabela 5. Consumo de energia diário em um edifício residencial versus número de saídas, TP: 6, Motor: 5kW Número de saídas 10 50 100 150 Consumo de Energia [kWh] Custo (10 centavos de dólar/kWh) 0.125 0.625 1.25 1.88 1.25 centavos 6.25 centavos 12.5 centavos 18.8 centavos Os motores de grandes dimensões serão executados em baixa eficiência, causando consumo desnecessário de energia. O planejamento adequado para o uso do ocupante projetado irá garantir que o sistema de elevação use energia de maneira eficiente. É possível reduzir as perdas do motor escolhendo o motor de bomba submersível com uma saída cerca de 20% menos e consequentemente sobrecarga do motor quando a cabine está fazendo a elevação com a carga máxima permitida. Deve-se garantir que o motor possa suportar essa situação de desempenho de torque, bem como sobrecarga térmica[12]. Comparações por vezes exageradas de elevadores hidráulicos são dadas intencionalmente usando tais sistemas de elevadores sobrecarregados para comparar elevadores hidráulicos com os outros. Por exemplo, na velocidade de 0,63 m/s, um elevador com oito pessoas pode ser calculado para ter potência de motor de 11 kW, onde, um motor de 7,5 kW ou 8,5 kW seria suficiente. O número de avarias apresenta outro tipo de consumo de energia para sistemas de elevador. Obviamente, a energia gasta na viagem entre o local e a empresa de manutenção deve ser adicionada ao consumo total de energia do elevador. Além disso, haverá o custo da manutenção e do componente, que pode ser muito caro se a manutenção e o componente necessários não estiverem sempre disponíveis no instalador original. Nesse sentido, os elevadores hidráulicos são conhecidos por suas baixas necessidades de manutenção, além de seus componentes estarem sempre disponíveis no comércio de componentes hidráulicos. O número de componentes em uma unidade hidráulica é muito menos que em uma unidade de tração equivalente e, portanto, as chances de fracasso também são menores. 4. O argumento para o risco ao meio ambiente Acusar os elevadores hidráulicos de serem perigosos ao meio ambiente é uma afirmação falsa. É inútil dizer que a consciência ambiental tem sido sempre a condição final na prática hidráulica como é em todas as práticas de fabricação. A aplicação do Código de Elevadores existente EN 81-2 e das normas relacionadas, como deve ser, eliminaria de maneira suficiente os problemas ambientais. A responsabilidade por qualquer incidente em relação à contaminação do meio ambiente pertence aos construtores não qualificados e amadores, mas não aos elevadores hidráulicos em si. Além disso, controlar a correta aplicação do código dos elevadores, não só para elevadores hidráulicos, mas também para os sistemas MRL, é de responsabilidade dos órgãos notificantes e das autoridades locais. Existem também desenvolvimentos tais como sistemas de monitoramento de vazamento do pistão e proteções de corrosão do pistão que podem ser aplicados livremente para aumentar as medidas preventivas. Ao criticar o uso de 100 a 200 litros de óleo mineral, sendo armazenado dentro do pistão e do tanque para uma vida útil de aproximadamente dez anos ou mais, deve-se lembrar que a mesma quantidade de combustível é usada por apenas um veículo no prazo de um mês. É óbvio que o uso de fluido hidráulico à prova de fogo e biodegradável elimina completamente as desvantagens do óleo mineral devido a acidentes imprevistos. Hoje, os fluidos hidráulicos biodegradáveis estão disponíveis e o tradicional óleo mineral pode ser substituído por tais fluidos que não afetam o meio ambiente, quando é exigido para condições ambientais particulares, sem levar em conta o custo inicial. Os fabricantes de elevadores hidráulicos também desenvolveram sistemas MRL que economizam energia, nos quais um contrapeso mecânico de tração é substituído por um acumulador hidráulico (contrapeso hidráulico)[13]. Assim o consumo de energia de um sistema espera ser o mesmo do que o melhor MRL de tração. Nesse sistema, os acumuladores são utilizados para coletar óleo pressurizado durante as viagens de descida e depois essa energia é usada para ajudar na viagem de subida com um motor de tamanho menor. Um fluido biodegradável também substitui o óleo mineral e o peso do sistema todo é mantido comparativamente baixo. O sistema MRL hidráulico que economiza energia elimina os argumentos como o alto consumo de energia e a preocupação ambiental totalmente às custas do aumento do custo inicial. 5. Por que os elevadores hidráulicos são populares? Depois de 10 anos, desde a introdução no mercado dos elevadores de tração modelo MRL com a intenção de substituir os elevadores hidráulicos, parece que o uso do elevador hidráulico não está diminuindo, mas sim aumentando. A popularidade dos elevadores hidráulicos não só vem de suas vantagens inerentes, mas também da confiabilidade e segurança que fornecem aos seus clientes. Até mesmo os técnicos de grandes fabricantes de MRL de tração aceitam a complexidade dos seus sistemas em casos de emergência. Equipar os elevadores com redes de comunicação global ou local para fins de resgate obviamente falhará quando houver um grande número de inquéritos após catástrofes naturais. Em comparação, o operador de manutenção ou a empregada doméstica podem aprender em minutos como liberar pessoas de um elevador hidráulico. Outros motivos para a popularidade dos elevadores hidráulicos podem ser listados em termos das necessidades dos instaladores e dos clientes como a seguir; No caso dos instaladores: 1 - Para edifícios baixos, a instalação leva menos tempo. 2 - O sistema hidráulico completo está disponível para que os instaladores possam comprar e instalar a um preço competitivo. 3 - A aquisição das peças de reposição é mais fácil e não há nenhum monopólio para complicar a manutenção. 4 - Os elevadores hidráulicos consistem em um número menor de componentes do que os elevadores de tração, exigindo menos manutenção. 5 - O risco de acidentes durante a instalação é menor com o uso da casa de máquinas mais segura no térreo ou no primeiro andar. 6 - Os elevadores hidráulicos com unidades de bomba-motor são submersas em óleo lubrificante para funcionar de modo livre com um mínimo de desgaste. Os intervalos de manutenção entre os reparos são maiores do que com os elevadores modelo tração. 7 - Mais eficaz para os requisitos de capacidade de carga elevada. 8 - A carga é realizada pelas fundações do edifício e não pela estrutura menos estável da caixa de corrida do elevador, um fator importante nas áreas sujeitas a terremoto. 9 - O ruído na caixa de corrida é reduzido com a existência da casa de máquinas. 10 - Eles são menos sensíveis aos extintores e às mangueiras no poço do elevador. 11 - A baixa velocidade pode ser aumentada sem custo já que a força motriz da viagem de descida vem da gravidade. Esse recurso pode fornecer um serviço mais rápido aos passageiros. No caso dos clientes: 1 - Custo inicial dos equipamentos e da sua manutenção substancialmente menor: em geral estima-se que para elevadores de especificações comparáveis, o investimento inicial é de 15 a 25% menor do que para instalações de tração[2]. Realiza-se uma economia adicional do custo de manutenção do elevador hidráulico. 2 - Utilização mais eficaz do espaço do edifício: - O elevador hidráulico usa cerca de 12% menos área do poço de elevação do que a unidade de tração desde que o espaço extra para o contrapeso não seja necessário para as unidades hidráulicas[14]. - Assim como o elevador hidráulico impõem que não sejam transportadas cargas verticais na estrutura do edifício, os tamanhos das colunas estruturais podem ser reduzidos significativamente na área do poço de elevação. - A localização da casa de máquinas pode ser muito flexível. - Pode ser facilmente aplicado aos edifícios sem uma caixa de corrida. - É apropriado para instalação em edifícios antigos, onde reforços estruturais para suportar as cargas suspensas impostas pelo equipamento do elevador de tração seriam caros e pouco práticos. - Os elevadores hidráulicos são adequados para as instalações onde possam ser construídos andares futuros no edifício. 3- Alta confiabilidade na operação livre de falhas. 4 - Não envolve nenhum especialista nas operações de resgate. A maioria das medidas de emergência pode ser tomada sem entrar na caixa de corrida ou subir no andar superior. Os controles do elevador podem ser ajustados sem trabalhar na caixa de corrida. 5 - Tendo em conta a economia com combustível através de menos chamadas para manutenção necessária nos elevadores hidráulicos, as demandas de energia total dos elevadores hidráulicos e os de tração são similares. A quantidade limitada de calor gerado pela unidade de energia hidráulica durante as viagens de descida pode servir para moderar a temperatura mais baixa no térreo dos edifícios, no caso de haver potencial desperdício de energia. 6. Conclusões O elevado consumo de energia e as questões ambientais levantadas pelos fabricantes de MRL de tração contra os elevadores hidráulicos não estão refletindo totalmente a realidade. A diferença de consumo de energia entre os hidráulicos e os de tração é insignificante, desde que o número de andares e o tráfego do elevador sejam avaliados corretamente, e a capacidade de potência da unidade do elevador hidráulico seja selecionada corretamente. Usar um contrapeso (onde é apropriado) e equilibrar o tempo de viagem pode trazer o consumo de energia do elevador hidráulico para o nível de consumo do MRL. As aplicações dos sistemas hidráulicos são inevitáveis em muitas práticas industriais. Achar de modo exagerado que os sistemas hidráulicos apresentam risco ao meio ambiente também resultaria na proibição de todas as aplicações industriais. Em vez disso, deve-se prestar mais atenção à inspeção dos sistemas de transporte vertical em uso. Os fluidos biodegradáveis resistentes ao fogo são alternativos para o óleo mineral e podem ser usados facilmente, se necessário. Os elevadores hidráulicos têm propriedades imbatíveis como a operação livre de avaria, o baixo custo inicial, a fácil instalação e o elevado conforto. Os elevadores hidráulicos também têm os melhores registros em segurança e custos de manutenção. Finalmente, deve-se lembrar de que o custo de manutenção de um elevador é muito maior do que o custo de funcionamento dele. Os serviços de manutenção e as peças de reposição para os elevadores hidráulicos estão disponíveis facilmente no mercado sem ter que se fazer cumprir os contratos. Agradecimentos Gostaríamos de agradecer aos fornecedores de elevadores hidráulicos, em especial os Sr. T. Altinors, Sr. A. Kalyvas, Sr. S. Parizyanos, Sr. E. Barlas, H. Bayraktar e R. Haciogullari, por fornecerem suas estatísticas de mercado e valiosas informações para essa série de artigos. 7. Referências Bibliográficas [1]: F. Celik & B. Korbahti, ‘Why Hydraulic Elevators are so Popular? Part I’, Asansör Dünyasi, Jan-Fev de 2006, p. 48. [2]: D. 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