電梯節能技術探討

□ 葉榮偉

杭州市輕工高級技工學校 杭州 310004

在全球氣候變暖的大背景下，采用節能技術以減少溫室氣體排放已成為世界各國的共識。電梯、鍋爐和換熱壓力容器并稱為三大能耗特種設備，據統計，電梯用電量已經占到建筑物總用電量的17%以上，遠遠高于照明和供水等對電能的消耗［1］。據最新統計，截止到2013年底，全國在用電梯數量已達300萬臺，每臺電梯每日耗電量大約80 kW·h，全國在用電梯每日耗電量2.4×108kW·h， 大約相當于 3萬 t標準煤 （理論值），排放二氧化碳約7.2萬t。如果全國電梯平均節能1%，那么長年累月聚積的效果就會非常明顯［2］。

1 電梯節能的途徑

電梯作為一種以電動機為主要動力的垂直升降系統，它的能耗主要存在于控制系統、傳動系統和拖動系統三部分中。一般來說，控制系統和拖動系統歸類于電氣控制領域，傳動系統歸類于機械領域，因此，電梯的節能技術可以分為電氣式節能技術與機械式節能技術兩大類。

1.1 電氣式節能技術

電氣式節能技術包括電氣拖動以及優化控制兩個方面，前者是通過提高電能和機械能的轉換效率來達到節能的目的。后者雖不能直接產生節電效果，但更多的是通過優化電梯的控制來節能，或者是通過減少不必要的運行和待機損耗來實現節能。電氣式節能技術主要包含以下2個方面。

（1）變頻器再生能量回饋技術。變頻器再生能量回饋技術對電梯運行過程中產生的機械能進行轉換，并將轉換的能量儲存在直流母線回路的電容中，通過有源逆變技術將其逆變為與電網同頻同相的交流電，進而反送回電網為其它用電設備供電，以達到節能的目的。一般來說，運行層差越大，運行速度越快，節能效果越明顯。

（2）優化控制技術。對于辦公樓等人流量較大、電梯數量也多的情況，群控電梯會根據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，從而達到節能的目的［1］。而自動待機與停機技術主要考慮的是轎廂內沒有乘客時怎樣減少電能的浪費。目前，電氣式節能技術已經在市場上獲得了一定的推廣，其技術也日臻完善。

1.2 機械式節能技術

近幾年一些學者對機械式節能電梯的理論研究也不少，但是鮮見在實際中的應用，究其原因，除了國家政策問題之外，其主要原因在于其技術問題的本身。

眾所周知，電梯是一種垂直運輸工具，其負載具有勢能特性，如何有效地利用該勢能特性，是機械式節能技術的核心問題。目前，機械式節能技術研究的共同點都是利用力矩平衡，讓電梯始終處于理想狀態（理想狀態是指曳引機輸出端外負載力矩和接近零），現就幾種典型的機械式節能技術進行分析。

（1）飛輪式節能電梯［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速的單元，但是飛輪儲能技術目前尚不成熟，特別是需要在真空環境中運行，現有技術水平很難滿足。

（2）液壓蓄能式節能電梯［4］。該節能電梯在電動機軸與液壓泵（馬達）之間設置離合器，液壓泵與液壓控制閥連通，并設置有壓力傳感器、蓄能器，其結構相對復雜，并且儲能總量有限。

（3）輔助轉矩式節能電梯［5］。該節能電梯具有輔助轉矩傳遞裝置，裝置與轎廂固接，其上的滾輪可由輔助電機驅動，依靠滾輪與導軌間的摩擦使電梯始終處于理想狀態，從而實現節能目的。其主要缺點在于增加了轎廂的自重，并且滾輪滾動時的摩擦損失較大，故節電效率有限。

（4）輔助配重式節能電梯。輔助配重的方式主要包括：轎廂側增減固定的配重［6］，對重側增減固定的配重，獨立的平衡配重［7］。不管哪種方式，輔助配重式節能電梯相對來說結構都較復雜，相比較而言，獨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勢。

2 獨立平衡配重式節能電梯的分析

2.1 結構分析

如圖1所示，曳引機16、轎廂18、定對重5、張緊輪8、導軌4等零部件構成傳統電梯模塊；自動變速器14、卷揚式提升機構13、發電電動機11、平衡配重3、位置傳感器（1、2、6、7）、導軌 4、離合器 12 等構成平衡配重模塊。兩個模塊是相對獨立的，通過聯軸器15進行連接，并都接受控制器10的控制［8］。

顯然，傳統電梯模塊可以相對獨立地按照傳統電梯模式運行，當電梯半載時，該節能電梯完全按照傳統電梯模式運行，故傳統模塊不會產生任何額外風險；而平衡配重模塊與強制式電梯（貨梯）基本相似，其風險也非常小。應該說，該節能電梯的關鍵技術在于自動變速器，而汽車上使用該技術已相當成熟，可以考慮將該技術套用在電梯上。因此，從技術角度來看，其可行性是非常高的。

2.2 運行控制分析

如圖1所示，質量傳感器獲得轎廂與對重的質量差，并將該信息反饋給控制器，控制器控制自動變速器動作，調整變速比，使電梯處于理想狀態。在主電機輸出功率較小的情況下，電梯按常規（額定）梯速運行，電梯處于節能運行狀態（常態）。當平衡配重觸發位置傳感器時，轎廂在運行方向就近平層，在平衡配重上升或下降至合理高度過程中，電梯以第二梯速運行 （非常態）。這種雙速控制設計充分考慮了乘客的感受，在節能的同時，保持了乘客的舒適感。位置傳感器總共有4個，充分保證了安全性。因此，從邏輯控制角度來看，這種運行方法是比較可靠的。

2.3 土建分析

▲圖1 節能型曳引式電梯結構

對于電梯的使用者來說，電梯的井道占用面積十分重要，這就要求改進后的電梯井道要盡可能的小。對于13人載（或1 000 kg負載）且對重后置式的電梯來說，其改進前、后的土建對比圖如圖2所示。由圖可知，改進前、后的土建面積可以保存不變，這主要基于兩個方面：第一，將對重及其導軌左移80 mm，對重輪直徑從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較小（即平衡配重做成狹長型）,原因在于其升降高度（行程）可以比對重小。因此，從土建成本角度來看，獨立平衡配重式節能電梯是可行的。

2.4 節能分析

一般來說，傳統電梯的功率計算公式［8］為：

式中：P0為傳統電梯設計功率；η4為傳動效率（一般可取 0.75）；G1為轎廂質量；G2為負載質量；G3為定對重質量；V為電梯速度。

對于涉及到獨立平衡配重式節能電梯來說，其功率計算公式可表達為：

式中：P1為獨立平衡配重式節能電梯設計功率；i為自動變速器的傳動比；G4為平衡配重質量；η5為傳動效率（一般可取0.675）。

取一電梯作為實驗，其工況為：負載1 000 kg、轎廂質量1 000 kg、對重質量1 500 kg、平衡配重2 000 kg，電梯速度為 3 m/s。

根據式（1），傳統電梯的功率為：

根據式（2），獨立平衡配重式節能電梯的設計功率分析見表1。

根據表1，采用獨立平衡配重式設計，可以達到的有益效果如下。

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

▲圖2 對重后置式的電梯土建對比圖

表1 節能分析

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

3 結論

在節能環保呼聲日高的今天，節能電梯的應用必將越來越廣泛。鑒于能量回饋式電梯技術的日益成熟，其節電效率的提升必將遇到瓶頸。而機械式節能電梯技術的節電效率相對較高，這就為其進一步發展掃清了障礙。

［1］ 李敏.電梯節能技術探討［J］.機電信息，2013（12）：110-111．

［2］ 吳志偉.電梯節能技術研究［J］.中國高新技術企業，2014（11）:64-65．

［3］ Aulanko．Energy Storage System for Elevators［P］.US：6，742，630，B2，2010-03-23.

［4］ 權龍，趙斌，權仲翊．一種節能電梯及其運行的控 制 方 法 ［P］. 中 國 專 利 ：201310191889.1，2013-05-22.

［5］ 陳玉東．電梯輔助轉矩裝置、電梯及其控制方法［P］.中國專利：201210058652.1，2014-09-18.

［6］ 丁國務，高勝利，丁東．采用副對重的電梯轎廂與對重自動平衡節能裝置與控制系統 ［P］.中國專利：201210108625.0，2014-02-19.

［7］ 葉榮偉，王秀秀．一種節能型曳引式電梯及其節能方法［P］.中國專利：201310695900.8，2014-12-17.

［8］ 陳繼文，董明曉．電梯控制原理及其應用［M］．北京：北京郵電大學出版社，2012.