吳曉軍 尹 川 鄧 林 陳海林

（內(nèi)江市特種設(shè)備檢驗(yàn)所 內(nèi)江 641000）

近年來(lái)夏季氣溫屢創(chuàng)新高，我國(guó)連續(xù)多日發(fā)布高溫紅色預(yù)警，在炎熱的天氣中，無(wú)機(jī)房觀光電梯由于高溫?zé)岜Ｗo(hù)造成的故障率長(zhǎng)期保持在高位。除部分特殊結(jié)構(gòu)的無(wú)機(jī)房電梯外，與一般電梯相比，無(wú)機(jī)房觀光電梯結(jié)構(gòu)的散熱情況具有特殊性：觀光電梯采用玻璃井道，受陽(yáng)光直射時(shí)熱能直接輻射至井道內(nèi)，各部件溫度容易超過(guò)正常工作范圍；其驅(qū)動(dòng)主機(jī)、控制柜等發(fā)熱部件均位于井道內(nèi)，進(jìn)一步提高了井道內(nèi)氣溫。

由于無(wú)機(jī)房觀光電梯頂部需要考慮防水，部分老舊電梯并未考慮井道內(nèi)頂部的通風(fēng)措施。結(jié)合夏季的實(shí)際情況，無(wú)機(jī)房觀光電梯井道內(nèi)是否采取了通風(fēng)措施，將會(huì)極大影響井道內(nèi)氣溫及各部件的溫度。以某無(wú)機(jī)房觀光電梯為例，在某日16 時(shí)，外界環(huán)境溫度為42.6 ℃時(shí)（見(jiàn)圖1），測(cè)得井道氣溫高達(dá)56.1 ℃（見(jiàn)圖2），制動(dòng)器表面溫度高達(dá)73.8 ℃（見(jiàn)圖3）。

圖1 井道外部氣溫（42.6 ℃）

圖2 井道內(nèi)部氣溫（56.1 ℃）

圖3 井道內(nèi)制動(dòng)器表面溫度（73.8 ℃）

CFD（計(jì)算流體學(xué)）方法通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)值分析并對(duì)流體力學(xué)問(wèn)題進(jìn)行計(jì)算與仿真。常見(jiàn)的流體力學(xué)問(wèn)題由于計(jì)算量大，在工程實(shí)踐中常通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn) 行仿真分析，在對(duì)實(shí)際問(wèn)題進(jìn)行分析時(shí)取得了良好的結(jié)果。本文采用SolidWorks 對(duì)井道結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，分析了電梯各個(gè)主要發(fā)熱部件對(duì)井道氣溫的影響，并比較了是否采取通風(fēng)措施對(duì)井道氣溫的影響，討論了地方標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)井道采取通風(fēng)措施的相關(guān)要求設(shè)置的合理性。

1 模型建立及分析

無(wú)機(jī)房觀光電梯井道內(nèi)熱效應(yīng)主要可分為以下幾個(gè)方面：來(lái)自陽(yáng)光對(duì)井道內(nèi)空氣及電梯部件的直接熱輻射；控制柜、能耗電阻、驅(qū)動(dòng)主機(jī)、制動(dòng)器等部件在工作時(shí)發(fā)熱后通過(guò)對(duì)流加熱井道內(nèi)空氣；井道內(nèi)空氣作用在電梯各部件及井道壁的對(duì)流換熱作用。

為簡(jiǎn)化模型及控制參數(shù)，本文將上述陽(yáng)光輻射效應(yīng)簡(jiǎn)化為與輻射能相等的恒定功率發(fā)熱元件的對(duì)流換熱效應(yīng)，并將制動(dòng)器、能耗電阻、控制柜、驅(qū)動(dòng)主機(jī)作為井道內(nèi)的發(fā)熱元件進(jìn)行分析。采用CFD 方法，通過(guò)建立穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)熱分析模型對(duì)井道在不同通風(fēng)條件下的情況進(jìn)行模擬，并分析其中存在的關(guān)系。

1.1 對(duì)流換熱系數(shù)

發(fā)熱部件與外界的熱量交換有輻射、對(duì)流、傳導(dǎo)3 種方式，在與空氣進(jìn)行熱量傳遞時(shí)主要通過(guò)對(duì)流換熱實(shí)現(xiàn)，根據(jù)牛頓冷卻公式[見(jiàn)式（1）]，選取合適的對(duì)流換熱系數(shù)，即可對(duì)對(duì)流換熱效應(yīng)進(jìn)行分析。

式中：

q——熱流密度；

h——對(duì)流換熱系數(shù)；

tw，tf——固、流體溫度。

研究表明，對(duì)于上述對(duì)流換熱系數(shù)的確定有理論分析法、試驗(yàn)測(cè)量法和數(shù)值計(jì)算法[1-2]。散熱體由于表面積、發(fā)熱功率、表面空氣流動(dòng)情況均存在差異，大多數(shù)情況下現(xiàn)場(chǎng)不具備試驗(yàn)室測(cè)量條件，在工程實(shí)踐中多選用現(xiàn)場(chǎng)初始參數(shù)與工程軟件參數(shù)調(diào)節(jié)的方法進(jìn)行仿真試驗(yàn)。采用SolidWorks 建立整體模型，見(jiàn)圖4。電梯參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 電梯部分結(jié)構(gòu)參數(shù)及初始條件

圖4 無(wú)機(jī)房觀光電梯井道頂部渲染圖

1.2 井道內(nèi)發(fā)熱部件分析

電梯在井道內(nèi)的主要發(fā)熱部件有制動(dòng)器、能耗電阻、控制柜、驅(qū)動(dòng)主機(jī)等，對(duì)這4 類發(fā)熱部件進(jìn)行初始設(shè)置，采用SolidWorks Simulation 軟件對(duì)單獨(dú)的部件進(jìn)行穩(wěn)態(tài)與瞬態(tài)分析可獲得其相應(yīng)的熱力參數(shù)。采用發(fā)熱功率、對(duì)流換熱系數(shù)作為可變邊界條件對(duì)上述部件的發(fā)熱情況進(jìn)行穩(wěn)態(tài)分析，可通過(guò)仿真計(jì)算獲得實(shí)際的表面換熱系數(shù)。以某無(wú)機(jī)房觀光電梯為例，其部件邊界條件見(jiàn)表2。

表2 各發(fā)熱部件邊界條件設(shè)置表

以塊式制動(dòng)器為例對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析：當(dāng)制動(dòng)器表面換熱系數(shù)取值為160 W/（℃·m2）時(shí)，探測(cè)模型中所示的制動(dòng)器表面位置（見(jiàn)圖5，下稱該點(diǎn)為探測(cè)點(diǎn)），其溫度為73.6 ℃，與實(shí)際表面溫度73.8 ℃基本相符。

圖5 換熱系數(shù)為160 W/（℃·m2）時(shí)制動(dòng)器表面溫度分布圖

對(duì)該模型進(jìn)行時(shí)間長(zhǎng)度為4 h 的瞬態(tài)分析，在探測(cè)點(diǎn)處，溫度變化情況如圖6所示。

圖6 探測(cè)點(diǎn)處0～4 h 內(nèi)溫度變化曲線圖

由圖6 可見(jiàn)，在電梯制動(dòng)器不間斷工作時(shí)，僅需約50 min（3 000 s）其表面溫度即可達(dá)到73.8 ℃左右。同理，采用上述方法對(duì)能耗電阻、控制柜、驅(qū)動(dòng)主機(jī)的環(huán)境溫度、部件表面溫度、發(fā)熱功率、試驗(yàn)時(shí)間作為邊界條件（見(jiàn)表2）進(jìn)行分析，可通過(guò)仿真計(jì)算獲得實(shí)際的表面換熱系數(shù)。

常見(jiàn)的能耗電阻有波紋管與鋁熱電阻管等型式。以鋁熱電阻管為例，能耗電阻通過(guò)三層布置的鋁熱電阻管并聯(lián)組合而成。圖7、圖8 為簡(jiǎn)化的單層鋁熱電阻管進(jìn)行穩(wěn)態(tài)分析的結(jié)果，探測(cè)點(diǎn)處收斂溫度為112.4 ℃，與實(shí)際部件表面溫度基本相符。

圖7 能耗電阻模型剖視圖

圖8 簡(jiǎn)化能耗電阻探測(cè)點(diǎn)溫度

控制柜熱量來(lái)源于柜體內(nèi)的發(fā)熱部件，如變頻器、控制板、變壓器等，驅(qū)動(dòng)主機(jī)熱量主要來(lái)源于內(nèi)部驅(qū)動(dòng)線圈阻抗發(fā)熱，對(duì)其簡(jiǎn)化后進(jìn)行分析（見(jiàn)圖9～圖12）。

圖9 控制柜模型

圖10 控制柜表面探測(cè)點(diǎn)溫度收斂至63.6 ℃

圖11 驅(qū)動(dòng)主機(jī)模型

圖12 驅(qū)動(dòng)主機(jī)探測(cè)點(diǎn)溫度收斂至65.9 ℃

對(duì)各部件的熱力仿真結(jié)果進(jìn)行分析，上述4 類熱源的表面換熱系數(shù)與收斂溫度范圍，見(jiàn)表3。

表3 不同換熱系數(shù)對(duì)收斂溫度的影響

經(jīng)試驗(yàn)及仿真分析，由表3 可見(jiàn)，該電梯各發(fā)熱部件的對(duì)流換熱系數(shù)取值，見(jiàn)表4。

表4 各發(fā)熱部件表面對(duì)流換熱系數(shù)取值

1.3 井道內(nèi)綜合熱分析

不考慮陽(yáng)光輻射時(shí)，由于不存在外部熱源，可假設(shè)井道壁為絕熱壁面。單位時(shí)間內(nèi)，發(fā)熱部件與空氣對(duì)流產(chǎn)生的熱量被井道內(nèi)空氣吸收，根據(jù)熱量計(jì)算式（2）及熱功率與熱量換算式（3）：

式中：

E——發(fā)熱部件與空氣對(duì)流產(chǎn)生的熱量；

m——物體質(zhì)量；

c——比熱容；

P——各部件考慮對(duì)流換熱系數(shù)后的功率；

t——單位時(shí)間；

Δt——井道氣溫最終升高值與初始值之差。

將上述4 類熱源的發(fā)熱功率、對(duì)流換熱系數(shù)等參數(shù)加載至井道模型進(jìn)行瞬態(tài)分析發(fā)現(xiàn)：在初始條件下4 h（14 400 s）后，井道內(nèi)平均氣溫為43.9 ℃，僅升高1.3 ℃。圖13 為控制柜（含散熱電阻）、驅(qū)動(dòng)主機(jī)（含制動(dòng)器）附近及無(wú)發(fā)熱部件的井道內(nèi)熱力云圖。

圖13 各發(fā)熱部件及其附近井道熱力云圖

由上述分析可見(jiàn)，在不考慮陽(yáng)光輻射時(shí)：1）井道內(nèi)溫度的升高來(lái)自上述4 類熱源。2）發(fā)熱部件的熱量能被周圍空氣穩(wěn)定吸收，但井道內(nèi)氣溫升高并不明顯，電梯自身部件的散熱不構(gòu)成井道氣溫升高的主要因素。3）在不考慮空氣強(qiáng)制對(duì)流作用時(shí)，井道內(nèi)發(fā)熱部件產(chǎn)生的熱量主要集中在井道頂部，井道其余部分幾乎不受影響。

夏季地面附近陽(yáng)光輻射強(qiáng)度較大，每平方米熱輻射功率約在數(shù)十瓦至數(shù)百瓦之間，觀光電梯的玻璃井道每日有2～3 個(gè)面長(zhǎng)時(shí)間受到陽(yáng)光直射，且井道在垂直方向上受到的熱輻射條件幾乎相同。在不考慮遮擋及主動(dòng)通風(fēng)的情況下，由于陽(yáng)光輻射導(dǎo)致井道內(nèi)氣溫升高較快，且主要散熱方式為對(duì)流散熱。由于井道的玻璃壁對(duì)流換熱系數(shù)較低，導(dǎo)致熱量散失較慢，據(jù)統(tǒng)計(jì)，整體在與周圍環(huán)境達(dá)到換熱平衡時(shí)，各種不同結(jié)構(gòu)的觀光電梯井道內(nèi)氣溫較周圍環(huán)境溫度高約10～30 ℃。

2 井道流體分析

GB/T 7588.1—2020《電梯制造與安裝安全規(guī)范第1 部分：乘客電梯和載貨電梯》中E.3.2 條規(guī)定，對(duì)處于轎廂、井道中工作的人員應(yīng)考慮其舒適性與安全性[3]。與舒適性、安全性相關(guān)的因素包括：井道的環(huán)境溫度、陽(yáng)光是否直接照射、井道內(nèi)空氣是否新鮮等。

自2020年起，四川省發(fā)布了《四川省既有住宅加裝電梯檢驗(yàn)規(guī)范（試行）》，其中要求：既有住宅加裝電梯時(shí)井道應(yīng)采取通風(fēng)措施。當(dāng)采取自然通風(fēng)時(shí)，其風(fēng)口應(yīng)分別設(shè)置在井道的頂部、下部，風(fēng)口面積應(yīng)不小于0.6 m2，風(fēng)口處應(yīng)設(shè)置采用金屬防蟲(chóng)網(wǎng)的防雨百葉窗。

上述規(guī)定對(duì)井道內(nèi)、外空氣的交換提出了要求，在對(duì)電梯各部件設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮溫度的影響。在電梯正常運(yùn)行時(shí)，井道內(nèi)外空氣交換的位置主要來(lái)自層門周邊間隙（包括層門與層門之間、層門與立柱之間）、電梯開(kāi)關(guān)門運(yùn)動(dòng)（開(kāi)關(guān)門時(shí)層門與轎門之間間隙、轎廂與井道之間通風(fēng)孔）、井道其他固有開(kāi)口。

2.1 風(fēng)量調(diào)整系數(shù)

當(dāng)電梯采用自然通風(fēng)且頂部、底部存在風(fēng)口時(shí)，風(fēng)口風(fēng)量與電梯運(yùn)行速度、轎廂體積、層門附近縫隙大小存在一定關(guān)系。電梯持續(xù)運(yùn)行時(shí)，井道內(nèi)空氣在一定時(shí)間內(nèi)會(huì)與外界自然環(huán)境中空氣發(fā)生完全交換，這種交換作用也使得井道內(nèi)外溫度達(dá)到平衡。

自然通風(fēng)狀態(tài)下，井道風(fēng)口空氣體積流量取決于風(fēng)口面積與電梯運(yùn)行速度，即：

式中：

Q——風(fēng)口空氣體積流量；

S1——轎廂運(yùn)行方向橫截面；

v——電梯速度。

顯然，理想條件下，井道內(nèi)空氣與外界自然環(huán)境發(fā)生完全交換所用的時(shí)間可用式（5）表示：

式中：

V1——井道體積；

V2——轎廂體積；

H——井道高度。

考慮到對(duì)重運(yùn)行方向與轎廂方向相反，電梯轎廂在井道內(nèi)為往復(fù)運(yùn)動(dòng)且層門周邊存在間隙，上述式（4）、式（5）可引入風(fēng)量調(diào)整系數(shù)δ來(lái)表征風(fēng)口理論流量與實(shí)際流量的關(guān)系，式（4）、式（5）可化為式（6）：

經(jīng)試驗(yàn)可知δ取值范圍為0.3～0.5。以本模型為例，當(dāng)井道上、下部風(fēng)口面積均為0.6 m2時(shí)，由式（6）可得井道風(fēng)口體積流量取值為1.66～2.77 m3/s。

2.2 井道內(nèi)流體仿真

由于陽(yáng)光輻射產(chǎn)生的熱能最終通過(guò)對(duì)流加熱井道內(nèi)空氣，且仿真時(shí)不易獲得云層系數(shù)等基本參數(shù)，為簡(jiǎn)化條件，在本例中井道壁受到陽(yáng)光輻射的熱功率采用Flow Simulation 利用對(duì)流熱效應(yīng)代替輻射效應(yīng)進(jìn)行仿真。建立內(nèi)流場(chǎng)模型，以玻璃井道壁作為計(jì)算域邊界，模擬井道壁在3 個(gè)方向受到陽(yáng)光直射的狀態(tài)。將井道壁作為發(fā)熱部件進(jìn)行分析，圖14 為不同輻射功率與4 h 后井道內(nèi)平均氣溫曲線圖。

圖14 4 h 時(shí)井道平均氣溫與輻射功率曲線圖

圖中數(shù)據(jù)為仿真發(fā)熱功率，曲線為井道內(nèi)平均氣溫?cái)M合值。陽(yáng)光輻射熱功率經(jīng)計(jì)算約為9.5 kW，4 h后井道內(nèi)平均氣溫從42.6 ℃升溫至57.4 ℃。

在井道上、下部設(shè)置總面積為0.6 m2的風(fēng)口，并對(duì)模型進(jìn)行重建。轎廂上行時(shí)，井道內(nèi)空氣通過(guò)井道下部風(fēng)口進(jìn)入，由設(shè)置在上部的2 個(gè)大小相同的開(kāi)口流出，流動(dòng)跡線見(jiàn)圖15。

圖15 井道上部風(fēng)口流動(dòng)跡線圖

由上述分析可見(jiàn)，在井道通風(fēng)條件良好時(shí)，井道內(nèi)平均氣溫在4 h 內(nèi)僅從42.6 ℃上升至44.5 ℃。實(shí)際上，本文中井道內(nèi)空氣體積約為95.2 m3，在電梯不間斷運(yùn)行的理想條件下風(fēng)口體積流量在1.66 m3/s 時(shí)，井道內(nèi)、外空氣完全交換所需時(shí)間僅需約1 min。

3 結(jié)束語(yǔ)

由上述分析可見(jiàn)，來(lái)自陽(yáng)光的輻射熱效應(yīng)是引起夏季高溫天氣時(shí)井道溫度環(huán)境惡化的主要原因，采取合適的方法可大幅優(yōu)化井道內(nèi)的熱環(huán)境，如：對(duì)玻璃井道懸掛遮陽(yáng)簾，可使得輻射熱量減少50%以上；增大風(fēng)口面積可使風(fēng)口附近的氣壓減小，進(jìn)而增大換熱效率。經(jīng)分析可知，風(fēng)口是井道內(nèi)陽(yáng)光輻射熱量能否散發(fā)的關(guān)鍵因素，即使風(fēng)口較小、電梯速度較低，井道內(nèi)空氣仍能在數(shù)分鐘內(nèi)與外界發(fā)生完全交換從而降低井道氣溫。但對(duì)于部分運(yùn)行不頻繁的無(wú)機(jī)房觀光電梯而言，利用風(fēng)口進(jìn)行被動(dòng)散熱效果不理想，宜加裝風(fēng)扇進(jìn)行強(qiáng)制散熱。

井道內(nèi)外的熱效應(yīng)是一個(gè)復(fù)雜的模型，本文側(cè)重分析井道內(nèi)熱量產(chǎn)生的原因及井道內(nèi)外熱量交換的最終效果，對(duì)于如轎廂與對(duì)重運(yùn)行時(shí)在井道內(nèi)可能產(chǎn)生阻礙空氣交換的湍流現(xiàn)象仍需進(jìn)行進(jìn)一步研究[4]，而轎廂、對(duì)重在運(yùn)行時(shí)的相互作用會(huì)對(duì)井道風(fēng)口的風(fēng)量大小有較為明顯的影響[5]，對(duì)于風(fēng)口的位置及形狀還需進(jìn)行更深層次的分析。

以此為邊界條件進(jìn)行瞬態(tài)分析，在初始條件下4 h（14 400 s）后，上述圖13中對(duì)應(yīng)的井道截面熱力云圖（控制柜、散熱電阻附近及井道氣溫，驅(qū)動(dòng)主機(jī)、制動(dòng)器附近及井道氣溫，無(wú)發(fā)熱部件處井道氣溫）見(jiàn)圖16。

圖16 各發(fā)熱部件及其附近井道熱力云圖