高速電梯轎廂氣壓變化調節技術研究

姬莉莉

摘 要：人們在乘坐高速電梯時，會有頭暈、耳鳴、耳朵有壓迫感等不適癥狀。這并不是因電梯在運行過程中的噪音所導致，而是由于電梯在運行時樓層跨度較大，氣壓的變化導致乘客產生不良反應。為了解決這個問題，文章主要研究高速電梯轎廂內氣壓變化的調節技術，筆者將從應用原理、調節方案、氣壓調節過程及效果等三方面全方位介紹高速電梯轎廂氣壓變化調節技術。

關鍵詞：高速電梯;氣壓調節;轎廂氣壓

中圖分類號：TU857 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1064（2020）10-016-02

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2020.10.008

在我國的大城市中，直聳入云的高樓大廈林立，這一幢幢的高樓大廈中，需要高速電梯的正常運行保證人們的上上下下。高速電梯不僅作為交通工具方便人們的生活，也是高層建筑中樓層與樓層之間必不可少的聯系。但是，隨著人們對高速電梯的使用越來越多，便捷的交通工具也會有弊端顯現出來。大樓中的高速電梯似乎都會使乘客產生不適的感覺，尤其是當電梯的速度增加時，部分乘客會感到耳朵脹痛、頭暈目眩，時間長了嚴重者還會引發嘔吐。原因是電梯的速度增加，會帶來強烈的空氣對流，由于乘客耳朵內外氣壓不一致，導致乘客耳朵有明顯的壓迫感。所以，如何調節高速電梯轎廂內的氣壓、增加乘客的舒適感成為一個值得深入研究的話題。回顧之前關于氣體動力學、電梯轎廂升降原理等國內外相關文獻，文章將對高速電梯轎廂氣壓變化調節技術進行研究，尋找一種可以減輕乘客乘坐時不適感或縮短不適感覺時間的一種方法。

1 高速電梯氣壓調節原理

通常使用的高速電梯轎廂是已經安裝了調節氣壓裝置的，主要原理就是在高速電梯運行過程中，通過變頻器和鼓風機等調節轎廂內的氣壓，使轎廂內的氣壓與人耳鼓膜內外側氣壓保持一致，或者調節到人耳可以接受的狀態，從而減輕乘客的不適感[1]。轎廂內的氣壓調節原理圖如圖1所示。

從圖1可以看出，整個轎廂由兩組控制裝置組成：加壓部分和減壓部分。通過變頻器控制加壓鼓風機和減壓鼓風機進行加壓和減壓，同時又通過過濾器進行輔助，從而保證進出轎廂的氣體安全。轎廂內有一個氣壓計隨時監測氣壓值變化。

為了方便研究，可以簡單認為電梯轎廂內的氣體體積不變，溫度也不變。由于氣體占據的體積是不變的，根據公式pV=m/MRT可知，轎廂內空氣的壓力和質量是正比關系，氣體質量越小則壓力也越小。所以，在這里放置鼓風機的目的并不是改變電梯轎廂內的空氣體積，而是改變轎廂內空氣的質量，然后氣壓隨空氣質量的變化發生變化。上述這些主要是靠變頻器來實現的，變頻器的速率不同，鼓風機運轉的速度和強度也不一樣，所以安裝變頻器的根本目的是改變轎廂內的氣壓。

2 高速電梯轎廂氣壓調節方案

高速電梯使乘客感到不適，是由于其在短時間內使乘客的高度迅速發生變化，與其有關的兩個主要因素是氣壓變化幅度和氣壓變化速率。首先，應保證電梯在開關門時內外氣壓是一致的或相差不大，這樣才能保證在開關門時氣流平穩，以免引起大的空氣對流或者打不開門的情況發生。

高速電梯轎廂氣壓調節方案有兩個：

其一是先在短時間內使氣壓快速變化，升至一個趨于穩定的數值，剩余的氣壓差值以較短的時間、較慢的速度進行變化，使氣壓變化在人們可接受范圍內，不會給乘客帶來不適。這種方案的優點是：氣壓調節的效率高，乘客感到不適的時間只有剛剛開始時氣壓猛烈變化的一小段時間，后面相對來講會更加舒服，給乘坐高速電梯的乘客帶來更好的體驗感受。缺點是：開始時氣壓變化幅度大，時間迅速效率高，對電梯調節設備硬件設施的要求高，同時要求高速電梯轎廂具有良好的承壓能力。總結來講，這種方案效率高但成本也高，不易于實現。

另一種方案是氣壓變化的速率不變，只需要勻速變化，保證電梯在開關門的時刻保持內外氣壓平衡即可。這種方案的優點是：氣壓平穩變化，算法簡單，相對容易實現。最重要的是，能夠將氣壓變化率降低到人耳開始產生不適的閾值（約為130Pa/s）以下[2]。這種方案的缺點是：沒有考慮到氣壓變化對人體、對電梯轎廂等帶來的影響。雖然能夠保證電梯在開始和結束時可以順利的開關門，但是對人體的影響大，如頭暈、耳鳴的問題未得到真正解決，且氣壓變化的效率低。

這兩種方案都是如今技術可以實現的，通過前文論述的調節系統實現。這兩種方案各有利弊，方案一效率高但成本也高，不易實現;方案二容易實現，但會影響到乘客的使用體驗。

3 高速電梯轎廂氣壓調節變化過程及效果

高速電梯轎廂氣壓調節是一個過程，一個短時而高效的過程。大氣壓力在海拔兩千米以下，按照高度每上升100m，氣壓減小1200Pa的規律變化。也就是說，氣壓根據高度的變化是12Pa/m[3]。通過實際測量得知，電梯轎廂運行的速度-時間曲線是一個呈梯形的曲線。開始是一個加速的過程，中間是高度勻速的變化，最后是一個減速變化，最終停下來。高速電梯轎廂是一個相對封閉的空間，但是又有井道相連接，所以高速電梯轎廂內的氣壓變化會比外界氣壓變化稍慢一些。這一差距很小，可以忽略不計，同時為了方便研究，筆者將在研究時認為轎廂內的氣壓始終等于轎廂外的氣壓。

筆者在前文中寫到的氣壓調節方案一是文章重點研究的方案，通過研究康力電梯股份有限公司研發的KLK2型高速電梯投入使用的情況，對比調節前后乘客的使用感受，得到以下結論：

當電梯從海拔200m的高度下降到一層（假設海拔高度為0m），一層氣壓比200m高度的樓層氣壓高2400Pa。在調節之前，乘客感到耳朵不舒服甚至頭暈的時間大概有22s（這里以氣壓變化400Pa為乘客感到不舒服的臨界點）。氣壓調節后，乘客僅在氣壓變化400Pa～2000Pa的階段感到不適，整個過程約為7s[4]。但是，2000Pa的強氣壓變化會使乘客不由自主地做出吞咽等動作打開咽鼓管，以減輕不適感。在這個階段后，乘客并未出現耳鳴、頭暈等不適癥狀。

基于此，高速電梯需要安裝氣壓調節裝置，以縮短乘客感覺不適的時間。電梯運行過程中，電梯轎廂內外存在氣壓差會導致氣體從高壓流向低壓，這也是人們在日常乘坐電梯時所感受到的“風”。所以氣流流動會影響氣壓的變化，同時也會為氣壓調節帶來一定的困難。為了使氣壓調節效果不被其他因素影響，同時也為了降低機械運行時的噪音，則需要提高高速電梯轎廂內的密閉性。可以將密閉性好的材料作為高速電梯轎廂內壁材料。其次，要注意電梯的縫隙，尤其是電梯門的縫隙。采用新技術，盡量減小電梯門存在的縫隙。通過減小氣體流動，使高速電梯轎廂內的氣壓調節效果更好。

轎廂內氣壓調節的整個過程是，當電梯停止運行或在固定樓層暫停（等待）時，通過加壓/減壓鼓風機以標準轉速運行來進行電梯轎廂內的換氣循環[5]。電梯運行過程中，氣壓計實時監測轎廂內的氣壓變化，同時監測轎廂外的氣壓值，對比內外氣壓計算差值，再將需調節的差值傳入變頻器，由變頻器控制鼓風機進行加壓減壓操作。在進行加壓減壓操作之后，達到目標氣壓值反饋給氣壓計進行監測。

不同的樓層氣壓不同，所以需要變化的氣壓量不同，鼓風機和變頻器的作用也不同。在增加加壓風機轉速的同時降低減壓風機的轉速，可實現轎廂內氣壓增減的快速響應與跟蹤控制。由于PID控制有結構簡單合理、可實現性高、實用性高、抗老化性好等特點，因此采用PID控制改進高速電梯轎廂氣壓調節效果。

4 結語

城市面積是有限的，但每個城市都想要讓自己的容量加大，于是高樓大廈隨處可見，高速電梯成為常見的高大建筑中必不可少的“一份子”。由于人們日常乘坐高速電梯會產生不適感，筆者就高速電梯轎廂氣壓調節展開研究，提出通過控制裝置進行氣壓調節，減輕乘客的不適感，縮短氣壓變化時間。調節氣壓的主要過程是，先在短時間內使氣壓快速變化，升至一個趨于穩定的數值，剩余的氣壓差值以較短的時間、較慢的速度進行變化，使氣壓變化在人們可接受范圍內，之后的過程不會給乘客帶來不適。筆者還通過測試和研究康力電梯公司研發的KLK2型高速電梯投入使用的情況，對比調節氣壓前后人們乘高速電梯的感受，可以發現調節的效果很好[6]。所以，高速電梯轎廂需要通過控制裝置調節氣壓，以給乘客帶來更好的乘坐體驗。

參考文獻

[1] 鄭有木.高速電梯轎廂動力學參數對平穩性的影響分析及設計優化[D].杭州：浙江大學，2015.

[2] 李森.高速電梯轎廂氣壓變化規律建模與補償設計分析及其應用[D].杭州：浙江大學，2017.

[3] 傅武軍，朱昌明，張長友.單繞式電梯動力學建模及仿真分析[J].系統仿真學報，2005，17（3）：126-129.

[4] 梅元貴，周朝暉.高速列車通過隧道時誘發車廂內壓力波動的數值分析[J].鐵道學報，2005，27（5）：36-40.

[5] 楊谷旸.大氣壓隨高度變化的實驗[J].物理通報，1998（12）：26.

[6] 陳春俊，聶錫成，唐猛.車外空氣壓力作用下的CRH2型動車組車內空氣壓力傳遞函數模型[J].中國鐵道科學，2013，34（4）：86.