曳引電梯能源效率評(píng)價(jià)方法探索

傅 濤

（南京市特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院，江蘇 南京 210017）

曳引電梯能源效率評(píng)價(jià)方法探索

傅 濤

（南京市特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院，江蘇 南京 210017）

近年來，電梯數(shù)量快速增加，截至2015年底，全國(guó)在用電梯已達(dá)420萬臺(tái),而且每年以20%左右的速度遞增,電梯能源消耗也隨之日益增長(zhǎng),為推進(jìn)節(jié)約能源和可持續(xù)發(fā)展，提高乘客電梯和載貨電梯的能源利用效率，規(guī)范乘客電梯和載貨電梯的能源利用效率檢驗(yàn)行為，此次對(duì)曳引式電梯能源效率評(píng)價(jià)方法進(jìn)行深入探索。

電梯；能效；評(píng)價(jià)方法

0 引言

提出電梯能源效率指標(biāo)的目的是為了明確電梯的能效評(píng)價(jià)方法，比較不同種類電梯能效水平的高低，引導(dǎo)電梯制造商設(shè)計(jì)和生產(chǎn)高能效電梯產(chǎn)品，滿足電梯的采購(gòu)者和使用者對(duì)電梯能耗水平的知情權(quán)，為電梯能效的行政管理提供技術(shù)依據(jù)。

1 曳引電梯能源效率指標(biāo)

電梯能源效率指標(biāo)是電梯能源消耗水平的衡量標(biāo)尺，設(shè)立電梯能源效率經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)指標(biāo)，可以直觀的得到電梯實(shí)際的能源消耗，可以評(píng)價(jià)建筑內(nèi)電梯的能源利用效率。但是，建立在建筑內(nèi)電梯配置和實(shí)際使用情況基礎(chǔ)之上的經(jīng)濟(jì)能效指標(biāo)，不僅會(huì)存在較大的誤差，而且實(shí)際的評(píng)價(jià)操作也將比較復(fù)雜。

電梯單位運(yùn)輸量與能源消耗量不具有嚴(yán)格對(duì)應(yīng)關(guān)系。電梯的承載單元是超平衡系統(tǒng)，在平衡系數(shù)為5 0%的條件下，電梯轎廂空載和滿載的全程往返運(yùn)行能量消耗幾乎相同。實(shí)際上，電梯運(yùn)輸?shù)牟皇沁M(jìn)入轎廂的有效移動(dòng)載荷，而是轎廂側(cè)和對(duì)重側(cè)的偏載質(zhì)量。在實(shí)踐中，同型號(hào)電梯平衡系數(shù)，懸掛裝置，補(bǔ)償裝置等質(zhì)量差異是很正常的，即使是同型號(hào)的電梯，其系統(tǒng)質(zhì)量可能差別很大。

另外，電梯實(shí)際運(yùn)輸量和能源消耗量一般采用粗略統(tǒng)計(jì)的方式獲得。由于使用環(huán)境和配置等因素的不同，獲得的電梯能源消耗統(tǒng)計(jì)值往往存在較大的偏差。

2 電梯能源效率技術(shù)指標(biāo)

電梯技術(shù)能源效率指標(biāo)，是使用狹義的能源技術(shù)效率來衡量電梯能源消耗水平。電梯能源技術(shù)效率是指在完成人為設(shè)定的典型工況的垂直運(yùn)輸服務(wù)活動(dòng)中，電梯所得到的有效能與實(shí)際輸入的能源量之比。下面從這一角度探討電梯能源系統(tǒng)效率。

電梯屬于電力驅(qū)動(dòng)的位能負(fù)載恒轉(zhuǎn)矩拖動(dòng)方式，理想運(yùn)輸狀態(tài)（對(duì)重與轎廂重量相等）下的能量消耗應(yīng)該為“零”，當(dāng)然，這種理想的狀態(tài)是不存在的，在電能和勢(shì)能相互轉(zhuǎn)換過程中，產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的熱能損耗，這些損耗包括機(jī)械摩擦損耗、空氣阻力損耗、速度控制損耗、照明通風(fēng)損耗等等。在這里，我們考察的是運(yùn)輸開始和結(jié)束兩個(gè)狀態(tài)，電梯運(yùn)輸是從垂直速度為“零”開始，到運(yùn)行速度為“零”結(jié)束，電梯系統(tǒng)動(dòng)能的增減是單次運(yùn)行中的次一級(jí)能量轉(zhuǎn)換，可以視為電梯速度控制損耗。

通過上述分析，我們可以將曳引式電梯能源技術(shù)效率定義為：承載一定載荷的電梯全程往返運(yùn)行，電梯系統(tǒng)獲取的能量與釋放的能量和全部能量損耗總和的比值。

公式（1）中：η為電梯能源技術(shù)效率，取值范圍是0－1。η＝1是電梯運(yùn)行無損耗的理想狀態(tài)。

Ep為負(fù)載上行時(shí)位能負(fù)載勢(shì)能增加值和負(fù)載下行時(shí)位能負(fù)載勢(shì)能減少值，由負(fù)載質(zhì)量和提升高度決定。這里的負(fù)載是指曳引式電梯轎廂和對(duì)重兩側(cè)的偏載質(zhì)量。

Ee為承載一定載荷的電梯完成往返運(yùn)行過程中，全部的電能損耗。電能損耗指減去反饋電網(wǎng)或存儲(chǔ)的再生電能的全部用電量。

提高電梯等垂直升降設(shè)備能源效率的根本途徑是提高電梯系統(tǒng)和各組成部件的電氣和機(jī)械效率，減少能量損耗。

圖1是額定速度1.0m/s，額定載重量1000kg，采用永磁同步電機(jī)無齒輪曳引機(jī)，懸掛比為2:1，平衡系數(shù)為42.6%的電梯系統(tǒng)效率示意圖。圖中縱坐標(biāo)表示電梯的系統(tǒng)效率η，橫坐標(biāo)表示電梯轎廂負(fù)載率（電梯轎廂承載質(zhì)量占額定載重量的百分比）。圖中效率曲線是通過電梯轎廂分別承載空載、10%額定載重量、20%額定載重量等1 1種負(fù)載工況，電梯全程往返運(yùn)行，測(cè)量相應(yīng)參數(shù)并利用公式（1）計(jì)算獲得的。從圖1可以看出，額定速度和額定載重量等參數(shù)確定的電梯，其能源技術(shù)效率隨著電梯承載質(zhì)量的不同而變化。另外，如果改變電梯額定載重量、系統(tǒng)質(zhì)量、平衡系數(shù)、額定速度、起制動(dòng)加速度、提升高度中任何一個(gè)參數(shù)，重新測(cè)試計(jì)算，則電梯的能源技術(shù)效率也將發(fā)生變化。因此，利用公式（1）評(píng)價(jià)不同電梯的能源技術(shù)效率，即使是評(píng)價(jià)同型號(hào)電梯時(shí)都會(huì)產(chǎn)生比較明顯的誤差。

3 電梯能效指數(shù)

上節(jié)提出的公式（1）可以用來評(píng)價(jià)電梯的能源效率，但是，存在不同電梯之間比較能源效率會(huì)產(chǎn)生誤差、可操作性不強(qiáng)。需要對(duì)該方法進(jìn)一步簡(jiǎn)化，以達(dá)到評(píng)價(jià)方法簡(jiǎn)單、規(guī)范和可操作性強(qiáng)的目的。

圖1 電梯系統(tǒng)效率示意圖

電梯提升高度是確定公式（1）中Ep值的變量之一，而表示電梯主要參數(shù)有兩個(gè)：額定載重量和額定運(yùn)行速度。不同性能參數(shù)的電梯由于系統(tǒng)質(zhì)量的不同，能源效率沒有可比性。因此，需要設(shè)計(jì)僅與電梯額定載重量和額定運(yùn)行速度相關(guān)的能源效率評(píng)價(jià)指標(biāo)。

電梯過渡運(yùn)行狀態(tài)（起動(dòng)、制動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)）的能源消耗與電梯系統(tǒng)質(zhì)量和起動(dòng)、制動(dòng)運(yùn)行加速度有關(guān)。然而電梯系統(tǒng)質(zhì)量的大小與電梯的曳引安全、懸掛安全和電梯壽命有關(guān)。電梯能源效率指標(biāo)的提出，不僅不應(yīng)該鼓勵(lì)電梯系統(tǒng)質(zhì)量盲目的減小，還應(yīng)該盡量減少對(duì)其他質(zhì)量特征如運(yùn)輸效率、舒適性的影響。因此，電梯能源效率的評(píng)價(jià)方法需要回避電梯的過渡運(yùn)行狀態(tài)，只考察電梯勻速運(yùn)行階段的能源利用效率。

電梯承載裝置是超平衡系統(tǒng)，電梯實(shí)際運(yùn)輸?shù)氖寝I廂和對(duì)重兩側(cè)的偏載質(zhì)量。由于補(bǔ)償裝置不可能對(duì)曳引繩和隨行電纜全部質(zhì)量進(jìn)行補(bǔ)償，偏載質(zhì)量是隨著轎廂在垂直方向的位置不同而變化的利用這一特點(diǎn)，選取電梯轎廂與對(duì)重在井道中運(yùn)行到同一位置時(shí)，電梯勻速運(yùn)行的片段來評(píng)價(jià)電梯能源效率，能夠?qū)︻~定載重量相同的不同型號(hào)電梯之間能源效率進(jìn)行比較。

按照上面的分析和思路，我們?cè)O(shè)計(jì)出下面的電梯能源效率評(píng)價(jià)指標(biāo)——電梯能效指數(shù)。

電梯能源效率指數(shù)簡(jiǎn)稱“電梯能效指數(shù)”，電梯能效指數(shù)包括運(yùn)行能效指數(shù)（ηr）和待機(jī)能效指數(shù)（ηs）。

3.1 運(yùn)行能效指數(shù)

將電梯轎廂空載、滿載狀態(tài)時(shí)，以額定速度全程往返運(yùn)行四種工況作為一個(gè)考核周期，在電梯轎廂上、下運(yùn)行通過平衡點(diǎn)時(shí)，電梯系統(tǒng)在單位時(shí)間內(nèi)獲得的有效能量總和(∑Pout)與單位時(shí)間內(nèi)釋放的能量和實(shí)際消耗的電能總和(∑Pin)之比。

3.2 待機(jī)能效指數(shù)

電梯最后一次運(yùn)行結(jié)束5分鐘后，電梯總電源側(cè)單位時(shí)間內(nèi)電能消耗值（總有功功率Ps）。

運(yùn)行能效指數(shù)表達(dá)公式為：

公式（4）中，ηr電梯運(yùn)行能效指數(shù)，取值范圍0－1,ηr＝1是沒有損耗的理想狀態(tài)。

P1電梯空載上行，電梯總電源處測(cè)量的單位時(shí)間內(nèi)有功電能；

P01電梯空載上行，偏載質(zhì)量單位時(shí)間內(nèi)勢(shì)能減少計(jì)算值。

P2電梯空載下行，電梯總電源處測(cè)量的單位時(shí)間內(nèi)有功電能。

P02電梯空載下行，偏載質(zhì)量單位時(shí)間內(nèi)勢(shì)能增加計(jì)算值。

P3電梯滿載上行，電梯總電源處測(cè)量的單位時(shí)間內(nèi)有功電能。

P03電梯滿載上行，偏載質(zhì)量單位時(shí)間內(nèi)勢(shì)能增加計(jì)算值。

P4電梯滿載下行，電梯總電源處測(cè)量的單位時(shí)間內(nèi)有功電能。

P04電梯滿載下行，偏載質(zhì)量單位時(shí)間內(nèi)勢(shì)能減少計(jì)算值。

其中：

上兩公式中，符號(hào)q為電梯平衡系數(shù)，Q為電梯額定載重量，v為電梯額定運(yùn)行速度。

因此，公式（4）可以表示為,

圖2是一臺(tái)是額定速度2.5m/s，額定載重量1000kg，采用永磁同步電機(jī)無齒輪曳引機(jī)，具有能量反饋功能，懸掛比為2:1，平衡系數(shù)為42.6%的電梯全程往返運(yùn)行在平衡點(diǎn)處，單位時(shí)間能量（功率）轉(zhuǎn)換示意圖。

4 電梯能效指數(shù)的分級(jí)

電梯能效指數(shù)的分級(jí)，如圖3—4所示。

5 電梯能效標(biāo)示制度

目前，我國(guó)政府和相關(guān)部門設(shè)計(jì)和制定了一系列的節(jié)能政策和節(jié)能措施大力推進(jìn)節(jié)能減排和提高能源利用效率，其中能效標(biāo)識(shí)制度是我國(guó)一項(xiàng)重要強(qiáng)制性節(jié)能管理措施。建立電梯的類似于其他產(chǎn)品能效標(biāo)示制度的能效管理制度，或推動(dòng)電梯納入能效標(biāo)示管理制度，促進(jìn)電梯行業(yè)生產(chǎn)高效能電梯，引導(dǎo)消費(fèi)者選擇高效能電梯產(chǎn)品，將有效地降低新增電梯和在用電梯改造后能量的消耗。而制定強(qiáng)制性能效標(biāo)準(zhǔn)是實(shí)施電梯產(chǎn)品能效管理最重要的基礎(chǔ)工作。

To explore the energy efficiency evaluation method of traction elevator

Fu Tao
(Nanjing special equipment safety supervision and Inspection Institute, Nanjing, 210017, China)

In recent years, the rapid increase in the number of elevator, by the end of 2015, in the elevator already amounted to 4 million 200 thousand nationwide, and an annual rate of about 20% annually, elevator energy consumption also is increasing, in order to promote energy conservation and sustainable development, improve the passenger elevator and cargo elevator energy efficiency standard and passenger elevator cargo elevator energy efficiency inspection, the further exploration of the energy efficiency evaluation method of elevator traction.

Elevator; energy efficiency; evaluation method

圖2 能量反饋電梯全程往返運(yùn)行平衡點(diǎn)功率曲線

圖3 曳引電梯能效指數(shù)分級(jí)2

圖4 曳引電梯能效指數(shù)分級(jí)

傅濤（1979— ），男，漢族，江蘇南京人，工程師，電梯、起重機(jī)檢驗(yàn)師；研究方向：特種設(shè)備，電梯節(jié)能環(huán)保。