電梯節(jié)能研究分析

由于社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，電梯的保有量急劇增長，電梯的耗電量巨大。隨著國家能源政策對耗能產(chǎn)品提出新的要求，屬于建筑中高耗能特種設(shè)備的曳引電梯，其能耗的研究成為電梯能效評價、節(jié)能監(jiān)管、電梯設(shè)計、選配電梯的基礎(chǔ)。因此，電梯的能耗建模及節(jié)能研究具有一定理論價值和社會效益。

電梯；國家能源政策；能耗建模

1.研究背景

隨著世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，尤其是中國和印度在世界經(jīng)濟(jì)和能源市場中的崛起，世界能源需求越趨緊張，2030年的世界能源需求增幅將遠(yuǎn)超過50%，僅中國和印度合計達(dá)45%[1]。為應(yīng)對潛在能源危機(jī)，各國政府相應(yīng)推出能源政策，鼓勵節(jié)能技術(shù)及節(jié)能產(chǎn)品開發(fā)，加強耗能產(chǎn)品監(jiān)管。電梯作為建筑物中的主要耗能設(shè)備之一，其能耗情況已成為政府、企業(yè)、客戶所關(guān)注的焦點之一。

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，建筑物能耗總量占整個社會耗電總量相當(dāng)大的比重。據(jù)統(tǒng)計，中國建筑物能耗總量約占電力總產(chǎn)量的29%，西方發(fā)達(dá)國家約占30～40%[2]。根據(jù)建筑中運行的其它設(shè)備的能耗情況，電梯的能耗占整個建筑能耗的5～15%[3]

2007年10月《中華人民共和國節(jié)約能源法》中規(guī)定：對高耗能的特種設(shè)備，按照國務(wù)院的規(guī)定實行節(jié)能審查和監(jiān)管。為此，企業(yè)及研究單位投入大量的人力物力，開發(fā)出一批具有市場價值的節(jié)能技術(shù)和產(chǎn)品。電梯永磁同步曳引機(jī)驅(qū)動技術(shù)、制動電能回饋技術(shù)、轎廂無人自動關(guān)燈技術(shù)、驅(qū)動器休眠技術(shù)、群控樓宇智能管理等技術(shù)的應(yīng)用，取得了良好的節(jié)能效果，經(jīng)濟(jì)和社會效益顯著。

電梯的能耗除了與電梯本身所采用的驅(qū)動方式、額定載重量、額定速度、配置參數(shù)、控制系統(tǒng)的調(diào)度策略等諸多因素有關(guān)，而且與所在建筑樓層的數(shù)量及使用電梯的客流分布密切相關(guān)。

2.國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前評估電梯能耗的方法主要有：以Doolaard等為代表的測量法，以Schroeder等為代表的計算法，以Lutfi Al-Sharif， Richard Peters等為代表的模型法。英國皇家注冊設(shè)備工程師協(xié)會（CIBSE）在其出版物《建筑運輸系統(tǒng)》第13部分對以上方法作了總結(jié)和適當(dāng)推廣；國際標(biāo)準(zhǔn)化組織電梯、自動扶梯和自動人行道技術(shù)委員會（ISO/TC178）在Jin Jung-Yung的基礎(chǔ)上給出了推薦的計算法。

3.曳引電梯工作特性和能耗分析

本文的研究對象為曳引式電梯的能耗。曳引電梯采用曳引輪驅(qū)動，區(qū)別于卷筒、螺桿、液壓缸、直線電機(jī)驅(qū)動的電梯。曳引電梯的驅(qū)動技術(shù)按拖動方式可分為：直流調(diào)速、交流雙速、交流調(diào)壓調(diào)速（ACVV）、交流變壓變頻調(diào)速（VVVF）；按采用的曳引電機(jī)類型可分為：直流電機(jī)、交流異步電機(jī)、永磁同步電機(jī)；按是否能量回收又分為：無能量回饋型式、有能量回饋型式。隨著驅(qū)動技術(shù)的發(fā)展，直流電梯、交流雙速電梯趨于淘汰，VVVF永磁同步電機(jī)驅(qū)動的曳引電梯成為發(fā)展的主流。

曳引電梯工作特性。由于對重裝置的作用，隨著電梯負(fù)載的大小和運行方向的不同，曳引機(jī)呈現(xiàn)四象限工作特性。當(dāng)轎廂空載下行與滿載上行時電機(jī)負(fù)荷最大，電機(jī)處于電動狀態(tài)；當(dāng)曳引輪兩側(cè)的重量幾乎相等時（轎廂半載），電機(jī)負(fù)載最輕；當(dāng)轎廂空載上行與滿載下行時，電機(jī)則處于發(fā)電狀態(tài)[4]。所以，根據(jù)曳引輪兩側(cè)受力情況及運行方向，分析電機(jī)的運行情況。圖為曳引電機(jī)四象限運行圖1，對應(yīng)表1。圖中標(biāo)明了電機(jī)轉(zhuǎn)速方向與輸出（輸入）力矩方向。

電梯的客流分布直接影響曳引機(jī)的工作狀態(tài)。比如，一部安裝在辦公樓的電梯，上班早高峰為重載向上、輕載向下運行，下班高峰則為重載向下、輕載向上運行。

表1 曳引電機(jī)工作狀態(tài)

電梯能耗分析。運行中的電梯能耗取決于兩個方面：電梯設(shè)備自身的能耗特性，電梯的調(diào)度策略和客流情況。本文建立的電梯能耗模型用于計算單臺電梯在指定工況下的能耗，不涉及電梯的客流分布和調(diào)度策略。電梯作為一個機(jī)電系統(tǒng)，與系統(tǒng)外部進(jìn)行能量交換，同時系統(tǒng)內(nèi)部也進(jìn)行多種形式的能量轉(zhuǎn)換。

電梯從一個樓層將乘客輸送到另一個樓層，該過程中電梯系統(tǒng)與外部發(fā)生能量交換。圖2說明了系統(tǒng)與外部的能耗關(guān)系。一個輸送過程始末，系統(tǒng)勢能變化，而動能未發(fā)生變化。該過程中，為保證電梯按設(shè)定的速度曲線運動，電梯系統(tǒng)的動能不斷發(fā)生變化，電梯系統(tǒng)的總能量也隨之發(fā)生變化，系統(tǒng)須從外部獲取或輸出電能，又由于摩擦、機(jī)電轉(zhuǎn)換的損耗，以聲、光、熱等向外部輸出能量。

電梯的主要耗能部件或系統(tǒng)可分為：變頻驅(qū)動系統(tǒng)、曳引系統(tǒng)、控制顯示、通風(fēng)照明、門機(jī)系統(tǒng)等[5]。這些部件或系統(tǒng)的能耗特性存在一定規(guī)律，可以從相關(guān)部件或系統(tǒng)的試驗數(shù)據(jù)或數(shù)學(xué)模型中獲取。其中電梯的變頻驅(qū)動系統(tǒng)和曳引系統(tǒng)是能耗的主要部分，為研究的重點。電梯的能耗與其驅(qū)動型式、運動控制參數(shù)、機(jī)械結(jié)構(gòu)配置、安裝、維保等多因素相關(guān)。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織的工作組（ISO/TC178/WG10）已經(jīng)證實18個影響電梯設(shè)備能耗的因素[6]。

4.曳引系統(tǒng)能耗建模及分析

曳引系統(tǒng)建模的目標(biāo)：根據(jù)曳引系統(tǒng)具體的機(jī)械配置，推導(dǎo)電梯轎廂負(fù)載、外阻力及其運動狀態(tài)與驅(qū)動系統(tǒng)輸出功率之間的函數(shù)關(guān)系，即 （1）

式中，為驅(qū)動系統(tǒng)輸出功率，為轎廂負(fù)載，為轎廂速度，為外阻力，導(dǎo)軌及空氣阻力。

電梯曳引系統(tǒng)主要由曳引機(jī)、轎廂、對重、鋼絲繩、導(dǎo)向輪等組成，從能量守恒的角度來看，電梯運行時，系統(tǒng)內(nèi)部的勢能和動能相互轉(zhuǎn)換，但是，由于導(dǎo)軌摩擦、空氣阻力、繩輪傳動效率等因素耗散掉一部分能量，為保證電梯按照設(shè)定的曲線運動，控制系統(tǒng)控制曳引機(jī)產(chǎn)生相應(yīng)的拖動力或制動力，電機(jī)處于電動或發(fā)電狀態(tài)。

曳引系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動部件有曳引輪、導(dǎo)向輪、反繩輪，直線運動部件有轎廂、對重、鋼絲繩、隨行電纜、補償裝置。曳引系統(tǒng)的動能為轉(zhuǎn)動部件動能與直線運動部件動能之和，設(shè)為。系統(tǒng)所受外力有重力、轎廂和對重所受的導(dǎo)軌摩擦力、運行中空氣阻力、傳動輪摩擦力等。

設(shè)曳引比為2∶1，系統(tǒng)受外力做功之和，設(shè)為，式（2）～（11）中的符號說明見表1。

表2 曳引系統(tǒng)參數(shù)列表

由系統(tǒng)功、能關(guān)系，得 （2）

曳引輪輸入（或輸出）功： （3）

系統(tǒng)轉(zhuǎn)動部件動能變化：

（4）

直線運動部件動能變化：

（5）

系統(tǒng)勢能變化：

（6）

阻力對系統(tǒng)做功： （7）

顯然，由式（2）至（7）推得曳引系統(tǒng)的能耗方程，

（8）

曳引系統(tǒng)還存在其他結(jié)構(gòu)形式，如曳引比變化，傳動輪數(shù)目變化等。由以上曳引系統(tǒng)的功能分析，從式（8）可以推廣獲得一個更為通用的曳引系統(tǒng)能耗方程，即

（9）

又因為，驅(qū)動系統(tǒng)輸出功率：

（10）

顯然，從式（9）、（10）即可推得式（1）的顯性表達(dá)式，

（11）

工程應(yīng)用中，由于電梯安裝、裝潢、調(diào)試等原因，代入式（11）中的參數(shù)值多為近似或估計值，并且部分參數(shù)值隨電梯運動而變化，為保證能耗模型仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，可以通過動態(tài)測量的電梯能耗數(shù)據(jù)對式（11）中部分參數(shù)值大小，如曳引系統(tǒng)補償裝置線密度，進(jìn)行修正。

由式（4）、（5）曳引系統(tǒng)的動能變化為， （12）

曳引系統(tǒng)的勢能變化為，由式（6）表示。

則，曳引系統(tǒng)的機(jī)械能的變化為， （13）

其中，為曳引系統(tǒng)某個狀態(tài)的機(jī)械能、動能、勢能。

顯然，只要對某個時間段的積分，可以計算曳引系統(tǒng)某狀態(tài)下的機(jī)械能。

5.結(jié)束語

本文主要建立并詳細(xì)分析了電梯曳引系統(tǒng)的能耗數(shù)學(xué)模型，討論了曳引系統(tǒng)中的功能關(guān)系。假設(shè)一臺理想電梯：轎廂的運動曲線為電梯理想速度曲線；驅(qū)動系統(tǒng)（包括電機(jī)及能量回饋裝置）的效率為1。從曳引系統(tǒng)能量的變化就可以獲得電梯曳引系統(tǒng)運行需要的功耗。

對典型曳引式電梯的曳引系統(tǒng)進(jìn)行簡化，建立了典型曳引系統(tǒng)的能耗數(shù)學(xué)模型。在此基礎(chǔ)上討論了曳引系統(tǒng)能耗方程的主要組成，并給出更具有通用性的曳引系統(tǒng)能耗方程。

筆者將進(jìn)一步具體分析動能，勢能，補償裝置對曳引系統(tǒng)的機(jī)械能影響，將通過動態(tài)測量驅(qū)動系統(tǒng)建立更加完善的能耗模型并加以驗證和更深入的分析。

[1]International Energy Agency （IEA）. Word Energy Outlook 2007[R].Paris： IEA，2007

[2]江 億.我國建筑能耗現(xiàn)狀與節(jié)能重點[J].建設(shè)科技（建設(shè)部），2007.05

[3]Dr. Lutfi Al-Sharif. Lift Power Consumption [J].Elevator World. 1996.44

[4]陳志溪，余至林，葉志剛等.電梯工作特性與能耗分析[J].中國電梯，2008.19

[5]萬忠培，朱武標(biāo)，何新民.關(guān)于電梯能耗的探討[J].中國電梯，2007.18

[6]Eur.Ing Gina Barney. Energy efficiency of lifts [J]. Elevatori.2005.03

[7]吳國政.電梯原理、使用、維修[M].北京：電子工業(yè)出版社，1996

[8]張 琦.現(xiàn)代電梯構(gòu)造與使用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004