我國電梯能耗現狀及評估研究

祎興旺慕 石瑾 呂海濤 羅布次仁

(西藏自治區特種設備檢測所,西藏拉薩 850000)

1 引言

電梯日益成為一種普遍的、與人們生活息息相關的交通大眾化交通工具。隨著電梯數量的與日俱增,其巨大的能量消耗問題已經引起了廣大科研工作者以及政府部門的注意。構建合理的電梯能耗評估體系,能夠為客戶選擇適合的電梯提供依據,能夠為電梯生產企業降低能耗提供標準,還能夠為政府推進節能技術提供技術支持。目前,電梯能耗評估的方法主要有三種：測量法、計算法和模型法。英國皇家注冊設備工程師協會(CIBSE)出版的著作《建筑運輸系統》中詳細的闡述了上述三種方法。

2 我國電梯能耗現狀

國民生產總值(GDP)的快速增長導致了社會對電能需求的持續增加[1]。我國多地已經陷入了電慌。在2002年,就有12個省、直轄市、自治區采取了限電政策,電力缺口為2035萬千瓦;僅一年之隔,發展到22個城市限電,電力缺口翻了一倍;2004年,全國僅東三省、新疆和西藏沒有出現電力供應短缺[2]。但目前,西藏自治區在中國共產黨的正確領導下,其經濟實現了快速發展,但也出現了電力供應短缺的現象。

隨著我國現代化進程的不斷加速,國內建筑行業正如日中天。而在建筑物中,電梯和空調被公認為耗電量最高的兩樣設備。據不完全統計,電梯在運行過程中的能耗占整個建筑總能耗的5～15%,可見其能耗總量之大[3]。

《中華人民共和國節約能源法》中規定：對能耗較高的特種設備,應按國務院的相關規定進行節能審查和監督。國家質檢總局〔2007〕29號文件中提到：要對鍋爐、電梯和壓力容器等能耗較高的特種設備進行能效測試,加強特種設備使用過程中的節能監管。目前我國還沒有頒布電梯能耗和能效方面的相關法規。

隨著電梯相關技術,尤其是微控技術和材料技術的不斷進步,大大的改善了電梯的使用及安全性能,同時使得電梯的能耗大幅度降低。通常來講,永磁同步雙P W M變頻變壓調速電梯相對于永磁同步變頻變壓調速電梯平均節能40%左右;VV VF電梯相對于ACV V電梯平均節能10%左右;ACVV比交流雙速電梯平均節能11.5%左右[4]。采用最新技術的帶有人工智能控制策略的電梯比普通電梯節能15%左右。我國目前在電梯的某些領域已經實現了全球領先,但是電梯節能技術的研發及普及方面還有很大的不足,可能與新技術的成本高昂以及人們固有的思想密不可分。很多節能電梯研制或者引進成功了,但是推廣不出去,國家應出臺相應的電梯節能補貼政策,使得節能電梯能夠很好的推廣應用,以求大幅降低電能的消耗。

在國外,對電梯進行能耗研究非常熱門。很多研究機構和電梯公司都在進行此方面的研究。其中,對于能耗評估的研究最為熱門。Ashok B.Kulkarni[5]和Donald Cooper[6]通過電能表每天測量電梯日耗能,但此方法的缺點是不能解釋電梯在不同工況下的能耗。AL-Sharif[7]認為,電梯能耗評估有一下五種方式：

(1)檢測法;(2)檢測與計算相結合法;(3)圖標與經驗結合法;(4)現代建模和模擬方法;(5)基于第一動力學定律的計算方法。而在國內,王士琴等人[8]提出了一種基于實驗測量和理論推算的電梯能耗計算方法,該方法理論值和實際值符合良好;劉劍等人[9]針對電梯能耗的預測問題,提出了基于ARM A模型預測算法和基于徑向基函數(R BF)神經網絡預測方法二者結合的新算法,并進行了仿真研究,仿真結果與實測結果相符,預測精度較高。張冀興等人[10]從電梯能耗的組成及檢測方法入手,結合專利檢測案例,對更有效的檢測方法及注意事項進行探討。

電梯能耗評價最重要的依據就是電梯各項參數,在能耗評價過程中,可以從以下幾個方面進行考慮[11]：

(1)電梯的運行狀況：主要針對不同場所的電梯的運行高峰時段不同,如單位辦公樓、住宅、酒店和醫院等;(2)選型方法：評價電梯配置質量從兩個方面體現,一是電梯的等候時間,等候時間越短,電梯的服務質量越高,二是電梯的輸送能力;(3)模型的構建：選購電梯時要結合建筑物的特點,來確定電梯的配置,其次才是電梯的舒適程度及能效。目前,電梯能耗評估的最通用的能效評估方法主要有三種：測量法、計算法和模型法。

3 測量法

選擇不同額定速度下的不同驅動類型(液壓、D C渦流制動、交流雙速和V V V F)的電梯,將電梯以空載狀態運行于往返三層樓的高度,測定其能耗值。再將剛剛測定的能耗值乘以轎廂質量的倒數,由此計算出單位質量轎廂的能耗值。將電梯的額定速度大小和電梯單位能耗值分別作為橫坐標與縱坐標,在Doolaard下繪制不同驅動類型電梯的的能耗曲線。

該能耗曲線能夠看出不同驅動形式的電梯在設定行程下的能耗值。但是該方法存在一定的不足：其不能對其它狀態下的能耗進行評估。原因電梯載荷是固定的,且電梯的額定速度測量范圍有限。有相關文獻根據Doolaard所提供的數據,研究了不同電梯額定速度下的Doolaard曲線,擴大了其使用范圍。

4 計算法

計算法是根據公式(1)得來的,其可以計算出一臺電梯一天(24h)所消耗的能量值。假定電梯每天平均運行10層樓高,在公式(1)中：E表示每天電梯能耗,R表示馬達的額定功率,ST表示電梯每天啟動的次數(估值),TP表示運行時間(估值)。

ISO/DIS 25745-1提供了電梯能耗的一種估算方法,用公式(2)表示。公式中k1-k3分別表示驅動系統因素、平均行程因素和平均行載荷因素,H為最大形成,F為每年啟動次數,P為電梯額定功率,st為每年待機能耗。

從公式(1)和公式(2)中可以看到,公式中的參數(變量)很多,并且這些公式的得出都是有前提條件的。計算法有其特有的不足,其不能獲得電梯在多種狀態下的功率變化和使用情況,也沒有對電梯的結構配置和速度曲線等因素進行分析。但計算法能夠從額定功率、額定速度、驅動方式和電梯使用狀態等因素對能耗進行計算,得出估計值。

5 模型法

Elevate(電梯客流分析和仿真軟件)集成了幾種電梯能耗模型,模型參數分為標準和高級模塊兩類：在標準模塊中的主要參數有：運行曲線、驅動型式、額定載荷等;在高級模塊中需要設置的主要參數有：鋼絲繩密度、系統效率(100%、25%和0%載荷時)和補償裝置密度等參數。在電梯能耗仿真過程中,Elevate應用較為廣泛,但該軟件僅是在三種載荷下的多種因素中對電梯的能耗進行推算,誤差很大,且Elevate作為一款商業化軟件,其能耗算法并未公開,在電梯企業中使用較多,但推廣困難。

6 結語

綜上所述,我國電力供應的現狀不容樂觀,開發新型節能電梯勢在必行。但目前大多數能耗評價方法都具有一定的局限性,缺乏一種通用的并且計算相對準確的一套電梯能耗評價體系,來指導電梯生產廠家進行節能電梯的生產,這將成為未來數十年研究的重點方向。此外,國家應大力扶持節能電梯相關產業,使之大范圍推廣并應用。

[1] 陳建林,張少勇.我國電力需求與經濟發展的關系分析[J].經濟論壇,2005,(6)：39-40.

[2] 劉思強,柏雪.現階段電力供需矛盾的成因與對策[J].大眾用電,2005,(5)：5-7.

[3] Dr. Lutfi Al-Sharif. Lift Power Consumption[J]. Elevator World,1996,(5)：85-87.

[4] 萬健如,劉英培,沈虹,等.電梯技術進步與節能方式[J].中國電梯,2008,(16)：42-43.

[5] Ashok B. Kulkarni. Energy Consumption Analysis for Geared Elevator Modernization： Upgrade from DC Ward Leonard System to AC Vector Controlled Drive, IEEE Trans[J]. Ind. Applcat,2000,(8-12)：2066-2070.

[6] Donald Cooper. Energy Consumption of Various Elevator Drives[J]. Elevator World, 1987,(3)：20-23.

[7] Dr. Lutfi Al-Sharif. Lift Energy Consumption general overview(1974-2001)[J]. Elevator World, 2004,(10)：61-67.[8]王士琴,朱昌明,張鵬,等.電梯能耗測量新方法[J].起重運輸機械,2009,(9)：35-39.

[9] 劉劍,侯冉,李曉剛.電梯能耗的混合預測控制方法[J].沈陽建筑大學學報,2006,(2)：319-322.

[10] 張冀興.電梯能耗檢測方法的專利研究[J].中國新技術新產品,2014,(7)：36.

[11] 王士琴.電梯能耗測量與能效評價方法的研究[D].上海交通大學,2009.