電梯節(jié)能技術(shù)探討

□ 葉榮偉

杭州市輕工高級(jí)技工學(xué)校 杭州 310004

在全球氣候變暖的大背景下，采用節(jié)能技術(shù)以減少溫室氣體排放已成為世界各國(guó)的共識(shí)。電梯、鍋爐和換熱壓力容器并稱為三大能耗特種設(shè)備，據(jù)統(tǒng)計(jì)，電梯用電量已經(jīng)占到建筑物總用電量的17%以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于照明和供水等對(duì)電能的消耗［1］。據(jù)最新統(tǒng)計(jì)，截止到2013年底，全國(guó)在用電梯數(shù)量已達(dá)300萬(wàn)臺(tái)，每臺(tái)電梯每日耗電量大約80 kW·h，全國(guó)在用電梯每日耗電量2.4×108kW·h， 大約相當(dāng)于 3萬(wàn) t標(biāo)準(zhǔn)煤 （理論值），排放二氧化碳約7.2萬(wàn)t。如果全國(guó)電梯平均節(jié)能1%，那么長(zhǎng)年累月聚積的效果就會(huì)非常明顯［2］。

1 電梯節(jié)能的途徑

電梯作為一種以電動(dòng)機(jī)為主要?jiǎng)恿Φ拇怪鄙迪到y(tǒng)，它的能耗主要存在于控制系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)和拖動(dòng)系統(tǒng)三部分中。一般來(lái)說(shuō)，控制系統(tǒng)和拖動(dòng)系統(tǒng)歸類于電氣控制領(lǐng)域，傳動(dòng)系統(tǒng)歸類于機(jī)械領(lǐng)域，因此，電梯的節(jié)能技術(shù)可以分為電氣式節(jié)能技術(shù)與機(jī)械式節(jié)能技術(shù)兩大類。

1.1 電氣式節(jié)能技術(shù)

電氣式節(jié)能技術(shù)包括電氣拖動(dòng)以及優(yōu)化控制兩個(gè)方面，前者是通過(guò)提高電能和機(jī)械能的轉(zhuǎn)換效率來(lái)達(dá)到節(jié)能的目的。后者雖不能直接產(chǎn)生節(jié)電效果，但更多的是通過(guò)優(yōu)化電梯的控制來(lái)節(jié)能，或者是通過(guò)減少不必要的運(yùn)行和待機(jī)損耗來(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)能。電氣式節(jié)能技術(shù)主要包含以下2個(gè)方面。

（1）變頻器再生能量回饋技術(shù)。變頻器再生能量回饋技術(shù)對(duì)電梯運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的機(jī)械能進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換的能量?jī)?chǔ)存在直流母線回路的電容中，通過(guò)有源逆變技術(shù)將其逆變?yōu)榕c電網(wǎng)同頻同相的交流電，進(jìn)而反送回電網(wǎng)為其它用電設(shè)備供電，以達(dá)到節(jié)能的目的。一般來(lái)說(shuō)，運(yùn)行層差越大，運(yùn)行速度越快，節(jié)能效果越明顯。

（2）優(yōu)化控制技術(shù)。對(duì)于辦公樓等人流量較大、電梯數(shù)量也多的情況，群控電梯會(huì)根據(jù)人們上下班及大樓的日常上下梯流量情況合理地控制電梯，從而達(dá)到節(jié)能的目的［1］。而自動(dòng)待機(jī)與停機(jī)技術(shù)主要考慮的是轎廂內(nèi)沒(méi)有乘客時(shí)怎樣減少電能的浪費(fèi)。目前，電氣式節(jié)能技術(shù)已經(jīng)在市場(chǎng)上獲得了一定的推廣，其技術(shù)也日臻完善。

1.2 機(jī)械式節(jié)能技術(shù)

近幾年一些學(xué)者對(duì)機(jī)械式節(jié)能電梯的理論研究也不少，但是鮮見(jiàn)在實(shí)際中的應(yīng)用，究其原因，除了國(guó)家政策問(wèn)題之外，其主要原因在于其技術(shù)問(wèn)題的本身。

眾所周知，電梯是一種垂直運(yùn)輸工具，其負(fù)載具有勢(shì)能特性，如何有效地利用該勢(shì)能特性，是機(jī)械式節(jié)能技術(shù)的核心問(wèn)題。目前，機(jī)械式節(jié)能技術(shù)研究的共同點(diǎn)都是利用力矩平衡，讓電梯始終處于理想狀態(tài)（理想狀態(tài)是指曳引機(jī)輸出端外負(fù)載力矩和接近零），現(xiàn)就幾種典型的機(jī)械式節(jié)能技術(shù)進(jìn)行分析。

（1）飛輪式節(jié)能電梯［3］。在控制電梯速度的變頻器直流母線上，并接了用于控制飛輪轉(zhuǎn)速的單元，但是飛輪儲(chǔ)能技術(shù)目前尚不成熟，特別是需要在真空環(huán)境中運(yùn)行，現(xiàn)有技術(shù)水平很難滿足。

（2）液壓蓄能式節(jié)能電梯［4］。該節(jié)能電梯在電動(dòng)機(jī)軸與液壓泵（馬達(dá)）之間設(shè)置離合器，液壓泵與液壓控制閥連通，并設(shè)置有壓力傳感器、蓄能器，其結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，并且儲(chǔ)能總量有限。

（3）輔助轉(zhuǎn)矩式節(jié)能電梯［5］。該節(jié)能電梯具有輔助轉(zhuǎn)矩傳遞裝置，裝置與轎廂固接，其上的滾輪可由輔助電機(jī)驅(qū)動(dòng)，依靠滾輪與導(dǎo)軌間的摩擦使電梯始終處于理想狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能目的。其主要缺點(diǎn)在于增加了轎廂的自重，并且滾輪滾動(dòng)時(shí)的摩擦損失較大，故節(jié)電效率有限。

（4）輔助配重式節(jié)能電梯。輔助配重的方式主要包括：轎廂側(cè)增減固定的配重［6］，對(duì)重側(cè)增減固定的配重，獨(dú)立的平衡配重［7］。不管哪種方式，輔助配重式節(jié)能電梯相對(duì)來(lái)說(shuō)結(jié)構(gòu)都較復(fù)雜，相比較而言，獨(dú)立的平衡配重方式在井道占用面積及可靠性方面具有一定的優(yōu)勢(shì)。

2 獨(dú)立平衡配重式節(jié)能電梯的分析

2.1 結(jié)構(gòu)分析

如圖1所示，曳引機(jī)16、轎廂18、定對(duì)重5、張緊輪8、導(dǎo)軌4等零部件構(gòu)成傳統(tǒng)電梯模塊；自動(dòng)變速器14、卷?yè)P(yáng)式提升機(jī)構(gòu)13、發(fā)電電動(dòng)機(jī)11、平衡配重3、位置傳感器（1、2、6、7）、導(dǎo)軌 4、離合器 12 等構(gòu)成平衡配重模塊。兩個(gè)模塊是相對(duì)獨(dú)立的，通過(guò)聯(lián)軸器15進(jìn)行連接，并都接受控制器10的控制［8］。

顯然，傳統(tǒng)電梯模塊可以相對(duì)獨(dú)立地按照傳統(tǒng)電梯模式運(yùn)行，當(dāng)電梯半載時(shí)，該節(jié)能電梯完全按照傳統(tǒng)電梯模式運(yùn)行，故傳統(tǒng)模塊不會(huì)產(chǎn)生任何額外風(fēng)險(xiǎn)；而平衡配重模塊與強(qiáng)制式電梯（貨梯）基本相似，其風(fēng)險(xiǎn)也非常小。應(yīng)該說(shuō)，該節(jié)能電梯的關(guān)鍵技術(shù)在于自動(dòng)變速器，而汽車上使用該技術(shù)已相當(dāng)成熟，可以考慮將該技術(shù)套用在電梯上。因此，從技術(shù)角度來(lái)看，其可行性是非常高的。

2.2 運(yùn)行控制分析

如圖1所示，質(zhì)量傳感器獲得轎廂與對(duì)重的質(zhì)量差，并將該信息反饋給控制器，控制器控制自動(dòng)變速器動(dòng)作，調(diào)整變速比，使電梯處于理想狀態(tài)。在主電機(jī)輸出功率較小的情況下，電梯按常規(guī)（額定）梯速運(yùn)行，電梯處于節(jié)能運(yùn)行狀態(tài)（常態(tài)）。當(dāng)平衡配重觸發(fā)位置傳感器時(shí)，轎廂在運(yùn)行方向就近平層，在平衡配重上升或下降至合理高度過(guò)程中，電梯以第二梯速運(yùn)行 （非常態(tài)）。這種雙速控制設(shè)計(jì)充分考慮了乘客的感受，在節(jié)能的同時(shí)，保持了乘客的舒適感。位置傳感器總共有4個(gè)，充分保證了安全性。因此，從邏輯控制角度來(lái)看，這種運(yùn)行方法是比較可靠的。

2.3 土建分析

▲圖1 節(jié)能型曳引式電梯結(jié)構(gòu)

對(duì)于電梯的使用者來(lái)說(shuō)，電梯的井道占用面積十分重要，這就要求改進(jìn)后的電梯井道要盡可能的小。對(duì)于13人載（或1 000 kg負(fù)載）且對(duì)重后置式的電梯來(lái)說(shuō)，其改進(jìn)前、后的土建對(duì)比圖如圖2所示。由圖可知，改進(jìn)前、后的土建面積可以保存不變，這主要基于兩個(gè)方面：第一，將對(duì)重及其導(dǎo)軌左移80 mm，對(duì)重輪直徑從400 mm增加到560 mm，增加了平衡配重的安裝空間；第二，平衡配重的跨距可以相對(duì)較?。雌胶馀渲刈龀瑟M長(zhǎng)型）,原因在于其升降高度（行程）可以比對(duì)重小。因此，從土建成本角度來(lái)看，獨(dú)立平衡配重式節(jié)能電梯是可行的。

2.4 節(jié)能分析

一般來(lái)說(shuō)，傳統(tǒng)電梯的功率計(jì)算公式［8］為：

式中：P0為傳統(tǒng)電梯設(shè)計(jì)功率；η4為傳動(dòng)效率（一般可取 0.75）；G1為轎廂質(zhì)量；G2為負(fù)載質(zhì)量；G3為定對(duì)重質(zhì)量；V為電梯速度。

對(duì)于涉及到獨(dú)立平衡配重式節(jié)能電梯來(lái)說(shuō)，其功率計(jì)算公式可表達(dá)為：

式中：P1為獨(dú)立平衡配重式節(jié)能電梯設(shè)計(jì)功率；i為自動(dòng)變速器的傳動(dòng)比；G4為平衡配重質(zhì)量；η5為傳動(dòng)效率（一般可取0.675）。

取一電梯作為實(shí)驗(yàn)，其工況為：負(fù)載1 000 kg、轎廂質(zhì)量1 000 kg、對(duì)重質(zhì)量1 500 kg、平衡配重2 000 kg，電梯速度為 3 m/s。

根據(jù)式（1），傳統(tǒng)電梯的功率為：

根據(jù)式（2），獨(dú)立平衡配重式節(jié)能電梯的設(shè)計(jì)功率分析見(jiàn)表1。

根據(jù)表1，采用獨(dú)立平衡配重式設(shè)計(jì)，可以達(dá)到的有益效果如下。

（1）綜合節(jié)電效率可達(dá)77.8%，而當(dāng)前回饋式電梯的節(jié)電效率只有50%左右；

▲圖2 對(duì)重后置式的電梯土建對(duì)比圖

表1 節(jié)能分析

（2）主電機(jī)（即曳引機(jī)）選配功率將大大減小。根據(jù)GB7588的規(guī)定，為保證電梯加速度在1 m/s2以上，電機(jī)功率的選配功率只需要6 kW。

3 結(jié)論

在節(jié)能環(huán)保呼聲日高的今天，節(jié)能電梯的應(yīng)用必將越來(lái)越廣泛。鑒于能量回饋式電梯技術(shù)的日益成熟，其節(jié)電效率的提升必將遇到瓶頸。而機(jī)械式節(jié)能電梯技術(shù)的節(jié)電效率相對(duì)較高，這就為其進(jìn)一步發(fā)展掃清了障礙。

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