電梯節能研究分析

由于社會經濟的快速發展，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品提出新的要求，屬于建筑中高耗能特種設備的曳引電梯，其能耗的研究成為電梯能效評價、節能監管、電梯設計、選配電梯的基礎。因此，電梯的能耗建模及節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

隨著世界經濟的發展，尤其是中國和印度在世界經濟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超過50%，僅中國和印度合計達45%[1]。為應對潛在能源危機，各國政府相應推出能源政策，鼓勵節能技術及節能產品開發，加強耗能產品監管。電梯作為建筑物中的主要耗能設備之一，其能耗情況已成為政府、企業、客戶所關注的焦點之一。

隨著社會經濟的發展，建筑物能耗總量占整個社會耗電總量相當大的比重。據統計，中國建筑物能耗總量約占電力總產量的29%，西方發達國家約占30～40%[2]。根據建筑中運行的其它設備的能耗情況，電梯的能耗占整個建筑能耗的5～15%[3]

2007年10月《中華人民共和國節約能源法》中規定：對高耗能的特種設備，按照國務院的規定實行節能審查和監管。為此，企業及研究單位投入大量的人力物力，開發出一批具有市場價值的節能技術和產品。電梯永磁同步曳引機驅動技術、制動電能回饋技術、轎廂無人自動關燈技術、驅動器休眠技術、群控樓宇智能管理等技術的應用，取得了良好的節能效果，經濟和社會效益顯著。

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

2.國內外研究現狀

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。英國皇家注冊設備工程師協會（CIBSE）在其出版物《建筑運輸系統》第13部分對以上方法作了總結和適當推廣；國際標準化組織電梯、自動扶梯和自動人行道技術委員會（ISO/TC178）在Jin Jung-Yung的基礎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動，區別于卷筒、螺桿、液壓缸、直線電機驅動的電梯。曳引電梯的驅動技術按拖動方式可分為：直流調速、交流雙速、交流調壓調速（ACVV）、交流變壓變頻調速（VVVF）；按采用的曳引電機類型可分為：直流電機、交流異步電機、永磁同步電機；按是否能量回收又分為：無能量回饋型式、有能量回饋型式。隨著驅動技術的發展，直流電梯、交流雙速電梯趨于淘汰，VVVF永磁同步電機驅動的曳引電梯成為發展的主流。

曳引電梯工作特性。由于對重裝置的作用，隨著電梯負載的大小和運行方向的不同，曳引機呈現四象限工作特性。當轎廂空載下行與滿載上行時電機負荷最大，電機處于電動狀態；當曳引輪兩側的重量幾乎相等時（轎廂半載），電機負載最輕；當轎廂空載上行與滿載下行時，電機則處于發電狀態[4]。所以，根據曳引輪兩側受力情況及運行方向，分析電機的運行情況。圖為曳引電機四象限運行圖1，對應表1。圖中標明了電機轉速方向與輸出（輸入）力矩方向。

電梯的客流分布直接影響曳引機的工作狀態。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 曳引電機工作狀態

電梯能耗分析。運行中的電梯能耗取決于兩個方面：電梯設備自身的能耗特性，電梯的調度策略和客流情況。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度策略。電梯作為一個機電系統，與系統外部進行能量交換，同時系統內部也進行多種形式的能量轉換。

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

電梯的主要耗能部件或系統可分為：變頻驅動系統、曳引系統、控制顯示、通風照明、門機系統等[5]。這些部件或系統的能耗特性存在一定規律，可以從相關部件或系統的試驗數據或數學模型中獲取。其中電梯的變頻驅動系統和曳引系統是能耗的主要部分，為研究的重點。電梯的能耗與其驅動型式、運動控制參數、機械結構配置、安裝、維保等多因素相關。國際標準化組織的工作組（ISO/TC178/WG10）已經證實18個影響電梯設備能耗的因素[6]。

4.曳引系統能耗建模及分析

曳引系統建模的目標：根據曳引系統具體的機械配置，推導電梯轎廂負載、外阻力及其運動狀態與驅動系統輸出功率之間的函數關系，即 （1）

式中，為驅動系統輸出功率，為轎廂負載，為轎廂速度，為外阻力，導軌及空氣阻力。

電梯曳引系統主要由曳引機、轎廂、對重、鋼絲繩、導向輪等組成，從能量守恒的角度來看，電梯運行時，系統內部的勢能和動能相互轉換，但是，由于導軌摩擦、空氣阻力、繩輪傳動效率等因素耗散掉一部分能量，為保證電梯按照設定的曲線運動，控制系統控制曳引機產生相應的拖動力或制動力，電機處于電動或發電狀態。

曳引系統的轉動部件有曳引輪、導向輪、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。曳引系統的動能為轉動部件動能與直線運動部件動能之和，設為。系統所受外力有重力、轎廂和對重所受的導軌摩擦力、運行中空氣阻力、傳動輪摩擦力等。

設曳引比為2∶1，系統受外力做功之和，設為，式（2）～（11）中的符號說明見表1。

表2 曳引系統參數列表

由系統功、能關系，得 （2）

曳引輪輸入（或輸出）功： （3）

系統轉動部件動能變化：

（4）

直線運動部件動能變化：

（5）

系統勢能變化：

（6）

阻力對系統做功： （7）

顯然，由式（2）至（7）推得曳引系統的能耗方程，

（8）

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

（9）

又因為，驅動系統輸出功率：

（10）

顯然，從式（9）、（10）即可推得式（1）的顯性表達式，

（11）

工程應用中，由于電梯安裝、裝潢、調試等原因，代入式（11）中的參數值多為近似或估計值，并且部分參數值隨電梯運動而變化，為保證能耗模型仿真結果的準確性，可以通過動態測量的電梯能耗數據對式（11）中部分參數值大小，如曳引系統補償裝置線密度，進行修正。

由式（4）、（5）曳引系統的動能變化為， （12）

曳引系統的勢能變化為，由式（6）表示。

則，曳引系統的機械能的變化為， （13）

其中，為曳引系統某個狀態的機械能、動能、勢能。

顯然，只要對某個時間段的積分，可以計算曳引系統某狀態下的機械能。

5.結束語

本文主要建立并詳細分析了電梯曳引系統的能耗數學模型，討論了曳引系統中的功能關系。假設一臺理想電梯：轎廂的運動曲線為電梯理想速度曲線；驅動系統（包括電機及能量回饋裝置）的效率為1。從曳引系統能量的變化就可以獲得電梯曳引系統運行需要的功耗。

對典型曳引式電梯的曳引系統進行簡化，建立了典型曳引系統的能耗數學模型。在此基礎上討論了曳引系統能耗方程的主要組成，并給出更具有通用性的曳引系統能耗方程。

筆者將進一步具體分析動能，勢能，補償裝置對曳引系統的機械能影響，將通過動態測量驅動系統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.我國建筑能耗現狀與節能重點[J].建設科技（建設部），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，何新民.關于電梯能耗的探討[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：電子工業出版社，1996

[8]張 琦.現代電梯構造與使用[M].北京：清華大學出版社，2004