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)展方向這三個角度對這一問題進(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很大的便利，但是大量使用電梯帶來的能源消耗也是一個不容忽視的問題。截止目前，全國很多國家已經(jīng)開始關(guān)于電梯節(jié)能技術(shù)的研究，瑞士、德國、美國等國家在這方面的研究已經(jīng)取得了顯著的研究成果，當(dāng)然，我國近些年來在這個方面也有了不少的成果。

1　電梯節(jié)能技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1瑞士

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

1.2德國

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

1.3美國

作為能源消耗大國，美國對電梯耗能問題也做了相應(yīng)的研究。Opportunitiesfor Elevator Energy Efficiency Improvements——該文章由美國能源效率經(jīng)濟(jì)委員會（ACEEE）起草，其中集中報告了美國2005年電梯耗能的具體情況。文章表示：當(dāng)年全美國運(yùn)行的電梯約有10萬臺。電梯雖然只是建筑當(dāng)中很小的一部分，單個電梯的能耗也不是很大，但是單個電梯耗能乘以如此大的底數(shù)，其能耗量就不容小覷了。報告指出：2005年全美國電梯總耗能約占建筑物能耗的1/20。此外，該報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

我國現(xiàn)在處于高速發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在能源緊缺的時代背景之下，能源消耗問題已然成為制約國家發(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)于電梯能耗問題的研究。截至目前，國內(nèi)的一些大型電梯企業(yè)已經(jīng)開始著手研究這一問題，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，此外中國特種設(shè)備檢驗(yàn)協(xié)會、廣州市特種機(jī)電設(shè)備檢測研究院等機(jī)構(gòu)也做出了一定的成果。中國特種設(shè)備檢驗(yàn)協(xié)會通過對電梯行業(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方式。所謂仿真法是指通過實(shí)驗(yàn)手段，模擬電梯正常運(yùn)行以進(jìn)行測量。空載法則是指在實(shí)際測量中以電梯空廂運(yùn)行所需能量作為測量標(biāo)準(zhǔn)。典型工況，顧名思義就是選定一個最常用的運(yùn)行狀態(tài)（最常用的就是75%載重），通過控制電梯的實(shí)際載重以進(jìn)行有效測量，最后在以加權(quán)的方式計算總能耗。

2　電梯節(jié)能技術(shù)分析

目前我國廣泛使用的電梯節(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，因此在整個運(yùn)行的過程當(dāng)中，當(dāng)電梯空載輕載上行或者重載下行時，電梯驅(qū)動主機(jī)均是處于制動發(fā)電狀態(tài)，并將轎廂和對重的重力勢能轉(zhuǎn)化成電能，但是這部分轉(zhuǎn)化的電能一部分被電動機(jī)的繞組消耗，這種消耗不僅浪費(fèi)資源，還會導(dǎo)致電動機(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)電能的同時也會使得機(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)計當(dāng)中，能量反饋系統(tǒng)可以被視作一個獨(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)的電路接線簡圖

2.2永磁同步驅(qū)動

上述方式是從電梯的運(yùn)行過程中減少能耗，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)計和制造環(huán)節(jié)入手，提高電梯的節(jié)能水平。電梯設(shè)計當(dāng)中可以改進(jìn)的內(nèi)容主要是電動機(jī)設(shè)計，目前普通電梯使用的電動機(jī)是機(jī)械傳動系統(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齒輪馬達(dá)作為電動機(jī)的曳引機(jī)。永磁同步電動機(jī)簡圖如圖2。

圖2　永磁同步驅(qū)動簡圖

電磁同步電動機(jī)的運(yùn)作機(jī)制還是跟傳統(tǒng)電動機(jī)大同小異，只是電磁同步電動機(jī)轉(zhuǎn)子的表面多加了一塊磁場較強(qiáng)的永磁鐵，這樣一來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，這種曳引機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，重量小，同時所占體積也相對較小，以這種曳引機(jī)為基礎(chǔ)的電動機(jī)還有效率高、穩(wěn)定性強(qiáng)、運(yùn)行噪音小等優(yōu)勢。由于永磁同步驅(qū)動，電梯的設(shè)計就不需要減速箱，傳動效率從原來的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機(jī)變頻驅(qū)動二者有效結(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設(shè)計，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：

3.1采用綠色節(jié)能資源

目前電梯系統(tǒng)主要的能量來源都是電動機(jī)，但是眾所周知，我們現(xiàn)在正處于能源緊缺的時代，石油價格高居不下。另外環(huán)境問題也是全人類面臨的大問題，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)計中可是適當(dāng)?shù)乩锰柲?，白天有太陽照射可以有效提供所需電能并盡可能儲存剩余電能以供晚上電梯運(yùn)行所需。電源設(shè)計可以以太陽能為主，但是不能將其作為唯一的供電來源，避免陰雨天缺乏電源供給。

3.2減少待機(jī)時長

瑞士能源委員會在報告已經(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)未來的一個發(fā)展方向就是要盡可能地減少待機(jī)時長。調(diào)度控制算法是指對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減少電梯待機(jī)時長、電梯運(yùn)行時長、電梯停機(jī)次數(shù)等，以達(dá)到節(jié)能的目的。比如，設(shè)計者可以通過調(diào)研計算出該建筑中客流的特點(diǎn)，包括什么時候客流量最大？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)

中國是一個人口基數(shù)巨大的國家，因此在全球范圍內(nèi)我們已經(jīng)成為電梯使用大國，但是巨大電梯數(shù)量并不能奠定我們電梯大國的地位。截至目前，我國電梯設(shè)計、電梯制造、電梯安裝的技術(shù)都相對落后，電梯節(jié)能的研究雖然已經(jīng)取得一些成果，但是對電梯節(jié)能技術(shù)開發(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)開發(fā)（下半月），2014（8）：107～108.

［3］王新華，邱東勇.國內(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。