電梯節(jié)能技術(shù)的現(xiàn)狀與研究方向

田學(xué)成，李重遠(yuǎn)（廣西壯族自治區(qū)特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院，廣西　南寧　530219）

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電梯節(jié)能技術(shù)的現(xiàn)狀與研究方向

田學(xué)成，李重遠(yuǎn)（廣西壯族自治區(qū)特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院，廣西南寧530219）

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的不斷加快，城市人口逐年增加，高層建筑成為了城市建設(shè)的核心組成部分，因此電梯的使用量也急劇增加。但是能源的緊缺局限著電梯的廣泛應(yīng)用，本文將從電梯節(jié)能技術(shù)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀、電梯節(jié)能技術(shù)分析、電梯節(jié)能技術(shù)的發(fā)展方向這三個(gè)角度對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行探討。

電梯節(jié)能技術(shù)；能量回饋；電磁同步

前言

電梯的廣泛應(yīng)用可以給人們的日常生活帶來(lái)很大的便利，但是大量使用電梯帶來(lái)的能源消耗也是一個(gè)不容忽視的問(wèn)題。截止目前，全國(guó)很多國(guó)家已經(jīng)開(kāi)始關(guān)于電梯節(jié)能技術(shù)的研究，瑞士、德國(guó)、美國(guó)等國(guó)家在這方面的研究已經(jīng)取得了顯著的研究成果，當(dāng)然，我國(guó)近些年來(lái)在這個(gè)方面也有了不少的成果。

1　電梯節(jié)能技術(shù)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1瑞士

瑞士能效委員會(huì)針對(duì)能源消耗專門做了一系列的調(diào)查研究，以確定目前全國(guó)廣泛使用的電梯的能耗水平，并有針對(duì)性地提出解決方案。本次調(diào)查由多家電梯制造商和個(gè)別技術(shù)公司共同參與，調(diào)查中測(cè)量所需要的技術(shù)主要是由 Schindler-Aufzüger AG提供。電梯的能效測(cè)試是針對(duì)電梯在轎廂移動(dòng)狀態(tài)下和待機(jī)狀態(tài)下的能耗進(jìn)行測(cè)量，其中對(duì)移動(dòng)轎廂所需能耗的測(cè)量，只需要直接測(cè)量空廂運(yùn)行一個(gè)來(lái)回所需耗費(fèi)的能源，以此作為標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)過(guò)不懈的努力，瑞士能效委員會(huì)在2005年的時(shí)候公開(kāi)發(fā)布了自己的研究成果——電梯能耗的研究報(bào)告。報(bào)告指出，在整個(gè)瑞士電梯能耗中待機(jī)能耗所占比率高達(dá)58%。

1.2德國(guó)

德國(guó)負(fù)責(zé)電梯能源研究的機(jī)構(gòu)是德國(guó)工程師協(xié)會(huì)，目前德國(guó)該協(xié)會(huì)VDI起草了一項(xiàng)關(guān)于電梯能效控制的方案，即“VDI407 Lifts-Energy efficiency”，這一方案對(duì)德國(guó)電梯節(jié)能技術(shù)的發(fā)展起到了很好的指導(dǎo)作用。其次，德國(guó)在計(jì)算能耗問(wèn)題上也建立了專門的評(píng)估體系，以A～G這七個(gè)字母作為能耗的等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，其中字母A表示能耗最小，字母G表示能耗最大。電梯能耗等級(jí)的確定，主要根據(jù)統(tǒng)計(jì)得知的電梯日常運(yùn)行所時(shí)長(zhǎng)和電梯待機(jī)所需平均時(shí)長(zhǎng)與空廂運(yùn)行耗能和待機(jī)耗能的比率決定。

1.3美國(guó)

作為能源消耗大國(guó)，美國(guó)對(duì)電梯耗能問(wèn)題也做了相應(yīng)的研究。Opportunitiesfor Elevator Energy Efficiency Improvements——該文章由美國(guó)能源效率經(jīng)濟(jì)委員會(huì)（ACEEE）起草，其中集中報(bào)告了美國(guó)2005年電梯耗能的具體情況。文章表示：當(dāng)年全美國(guó)運(yùn)行的電梯約有10萬(wàn)臺(tái)。電梯雖然只是建筑當(dāng)中很小的一部分，單個(gè)電梯的能耗也不是很大，但是單個(gè)電梯耗能乘以如此大的底數(shù)，其能耗量就不容小覷了。報(bào)告指出：2005年全美國(guó)電梯總耗能約占建筑物能耗的1/20。此外，該報(bào)告中也指出了一些降低電梯能耗的舉措，比如盡可能使用低層的液壓電梯，提倡電梯建設(shè)使用高新技術(shù)等。

1.4中國(guó)

我國(guó)現(xiàn)在處于高速發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在能源緊缺的時(shí)代背景之下，能源消耗問(wèn)題已然成為制約國(guó)家發(fā)展的關(guān)鍵因素之一。隨著城市化的程度不斷加深，各種高層建筑物層出不群，電梯的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，因此我們必須重視關(guān)于電梯能耗問(wèn)題的研究。截至目前，國(guó)內(nèi)的一些大型電梯企業(yè)已經(jīng)開(kāi)始著手研究這一問(wèn)題，比如日立、三菱、奧的斯等。其次，上海交通大學(xué)也加入了研究的行列，此外中國(guó)特種設(shè)備檢驗(yàn)協(xié)會(huì)、廣州市特種機(jī)電設(shè)備檢測(cè)研究院等機(jī)構(gòu)也做出了一定的成果。中國(guó)特種設(shè)備檢驗(yàn)協(xié)會(huì)通過(guò)對(duì)電梯行業(yè)的大范圍調(diào)查研究提出了仿真法、空載法和典型工況三種電梯耗能檢測(cè)方式。所謂仿真法是指通過(guò)實(shí)驗(yàn)手段，模擬電梯正常運(yùn)行以進(jìn)行測(cè)量。空載法則是指在實(shí)際測(cè)量中以電梯空廂運(yùn)行所需能量作為測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)。典型工況，顧名思義就是選定一個(gè)最常用的運(yùn)行狀態(tài)（最常用的就是75%載重），通過(guò)控制電梯的實(shí)際載重以進(jìn)行有效測(cè)量，最后在以加權(quán)的方式計(jì)算總能耗。

2　電梯節(jié)能技術(shù)分析

目前我國(guó)廣泛使用的電梯節(jié)能技術(shù)主要有能量回饋及能量再生、永磁同步驅(qū)動(dòng)和一體化微機(jī)控制變頻技術(shù)三種：

2.1能量回饋及能量再生

電梯運(yùn)行的耗能是一種不能改變的客觀存在，所以要想節(jié)省電梯能量消耗總量就需要從電能的利用著手，即盡可能最大化地利用電網(wǎng)輸出的電能。電梯的運(yùn)行是在上下垂直方向的，半載狀態(tài)下電梯向上運(yùn)行和向下運(yùn)行所需能耗基本持平，但是大多電梯的一般運(yùn)行過(guò)程都是輕載空載或重載運(yùn)行。半載運(yùn)行次數(shù)少之又少，因此在整個(gè)運(yùn)行的過(guò)程當(dāng)中，當(dāng)電梯空載輕載上行或者重載下行時(shí)，電梯驅(qū)動(dòng)主機(jī)均是處于制動(dòng)發(fā)電狀態(tài)，并將轎廂和對(duì)重的重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化成電能，但是這部分轉(zhuǎn)化的電能一部分被電動(dòng)機(jī)的繞組消耗，這種消耗不僅浪費(fèi)資源，還會(huì)導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)發(fā)熱，影響電梯運(yùn)行。另一部分則在外加的發(fā)熱電阻當(dāng)中被大量消耗，這種電能的消耗在浪費(fèi)電能的同時(shí)也會(huì)使得機(jī)房溫度升高，影響電梯正常運(yùn)行。如果在電梯運(yùn)行系統(tǒng)當(dāng)中安裝一種電梯能量回饋系統(tǒng)，將可以大大減少電能的浪費(fèi)。其工作原理是將原系統(tǒng)中通過(guò)發(fā)熱電阻消耗掉的電能轉(zhuǎn)化為符合電網(wǎng)要求的交流電反饋回電網(wǎng)，供給周圍的其他設(shè)備直接使用。這種技術(shù)也可以被稱作是能量再生技術(shù)，該技術(shù)可以有效降低電梯的能耗，并已經(jīng)廣泛應(yīng)用于具體應(yīng)用如圖1所示。

在電梯的設(shè)計(jì)當(dāng)中，能量反饋系統(tǒng)可以被視作一個(gè)獨(dú)立運(yùn)行的裝置，因此可以直接與變頻器連接。如圖1，3根線與交流電網(wǎng)相連，另外2根線與變頻器直流端子相連。

圖1　能量反饋系統(tǒng)的電路接線簡(jiǎn)圖

2.2永磁同步驅(qū)動(dòng)

上述方式是從電梯的運(yùn)行過(guò)程中減少能耗，此外還可以從電梯耗能的根源上著手解決，即從電梯的設(shè)計(jì)和制造環(huán)節(jié)入手，提高電梯的節(jié)能水平。電梯設(shè)計(jì)當(dāng)中可以改進(jìn)的內(nèi)容主要是電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)，目前普通電梯使用的電動(dòng)機(jī)是機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)，為了更好地實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的，我們可以將永磁同步無(wú)齒輪馬達(dá)作為電動(dòng)機(jī)的曳引機(jī)。永磁同步電動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)圖如圖2。

圖2　永磁同步驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)圖

電磁同步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)作機(jī)制還是跟傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)大同小異，只是電磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的表面多加了一塊磁場(chǎng)較強(qiáng)的永磁鐵，這樣一來(lái)就可以在電源頻率不變的情況之下保證恒定的轉(zhuǎn)速。同時(shí)，這種曳引機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，重量小，同時(shí)所占體積也相對(duì)較小，以這種曳引機(jī)為基礎(chǔ)的電動(dòng)機(jī)還有效率高、穩(wěn)定性強(qiáng)、運(yùn)行噪音小等優(yōu)勢(shì)。由于永磁同步驅(qū)動(dòng)，電梯的設(shè)計(jì)就不需要減速箱，傳動(dòng)效率從原來(lái)的35%直接提升到85%。

2.3一體化微機(jī)控制變頻技術(shù)

一體化微機(jī)控制變頻技術(shù)是目前電梯節(jié)能中最先進(jìn)的技術(shù)，這一技術(shù)采用的是智能化矢量控制系統(tǒng)，這種新系統(tǒng)可以將電梯控制與電動(dòng)機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)二者有效結(jié)合在一起進(jìn)行一體化控制。傳統(tǒng)的電梯制造企業(yè)是將控制板和變頻器分開(kāi)設(shè)計(jì)，二者各司其職、互不干擾。新型系統(tǒng)的采用可以有效反映控制意圖，及時(shí)準(zhǔn)確的診斷電梯故障并進(jìn)行控制操作。這一技術(shù)的引用不僅可以達(dá)到節(jié)能的效果，也可以更好地保障電梯使用者的安全。

3　電梯節(jié)能技術(shù)的發(fā)展方向

電梯節(jié)能技術(shù)作為一項(xiàng)新型技術(shù)有著很大的發(fā)展空間，其主要發(fā)展方向有以下幾個(gè)：

3.1采用綠色節(jié)能資源

目前電梯系統(tǒng)主要的能量來(lái)源都是電動(dòng)機(jī)，但是眾所周知，我們現(xiàn)在正處于能源緊缺的時(shí)代，石油價(jià)格高居不下。另外環(huán)境問(wèn)題也是全人類面臨的大問(wèn)題，因此我們有必要，也有義務(wù)使得電梯的能源需求主要轉(zhuǎn)向綠色節(jié)能資源，努力達(dá)到建成綠色建筑的目標(biāo)。比如，電梯一般都在高層建筑中使用，因此在電梯設(shè)計(jì)中可是適當(dāng)?shù)乩锰?yáng)能，白天有太陽(yáng)照射可以有效提供所需電能并盡可能儲(chǔ)存剩余電能以供晚上電梯運(yùn)行所需。電源設(shè)計(jì)可以以太陽(yáng)能為主，但是不能將其作為唯一的供電來(lái)源，避免陰雨天缺乏電源供給。

3.2減少待機(jī)時(shí)長(zhǎng)

瑞士能源委員會(huì)在報(bào)告已經(jīng)明確指出，在電梯能耗中待機(jī)能耗所占比率高達(dá)58%。因此電梯節(jié)能技術(shù)未來(lái)的一個(gè)發(fā)展方向就是要盡可能地減少待機(jī)時(shí)長(zhǎng)。調(diào)度控制算法是指對(duì)電梯乘客的需求做出最快的反應(yīng)，并綜合考慮各樓層乘客要求，以最快、最有效的方式到達(dá)電梯呼叫樓層，在滿足乘客要求的同時(shí)減少電梯待機(jī)時(shí)長(zhǎng)、電梯運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)、電梯停機(jī)次數(shù)等，以達(dá)到節(jié)能的目的。比如，設(shè)計(jì)者可以通過(guò)調(diào)研計(jì)算出該建筑中客流的特點(diǎn)，包括什么時(shí)候客流量最大？主要集中在哪幾層？然后根據(jù)所掌握的信息建立電梯運(yùn)行的智能模式，在高峰期自動(dòng)選擇單轎廂運(yùn)行或者多轎廂運(yùn)行，以盡可能地提高滿載率，降低能源消耗。

3.3合適的平衡系數(shù)

按照規(guī)定，電梯的平衡系數(shù)應(yīng)在0.4～0.5之間，因此在電梯使用過(guò)程中，可根據(jù)電梯運(yùn)行工況，選取合適的平衡系數(shù)，降低電梯能耗。如長(zhǎng)期輕載運(yùn)行的電梯，可以選取較小的平衡系數(shù)，經(jīng)常重載使用的電梯，則選取較大的平衡系數(shù)。

4　總結(jié)

中國(guó)是一個(gè)人口基數(shù)巨大的國(guó)家，因此在全球范圍內(nèi)我們已經(jīng)成為電梯使用大國(guó)，但是巨大電梯數(shù)量并不能奠定我們電梯大國(guó)的地位。截至目前，我國(guó)電梯設(shè)計(jì)、電梯制造、電梯安裝的技術(shù)都相對(duì)落后，電梯節(jié)能的研究雖然已經(jīng)取得一些成果，但是對(duì)電梯節(jié)能技術(shù)開(kāi)發(fā)和實(shí)際電梯節(jié)能的指導(dǎo)作用并不明顯，所以我們必須迎頭趕上。

［1］李晗星，王鵬.淺述電梯節(jié)能的現(xiàn)狀及研究方向［J］.科學(xué)時(shí)代，2014 （6）.

［2］荊凱.電梯節(jié)能技術(shù)的現(xiàn)狀及研究方向［J］.企業(yè)技術(shù)開(kāi)發(fā)（下半月），2014（8）：107～108.

［3］王新華，邱東勇.國(guó)內(nèi)外電梯節(jié)能技術(shù)研究［J］.節(jié)能技術(shù)，2013，31 （2）：116～119.

李重遠(yuǎn)（1980-），男，工程師，在職研究生，主要從事特種設(shè)備（電梯）檢驗(yàn)及相關(guān)方面研究工作。

TU857

A

2095-2066（2016）19-0266-02

2016-6-12

田學(xué)成（1982-），男，工程師，本科，主要從事特種設(shè)備（電梯）檢驗(yàn)及相關(guān)方面研究工作。