曳引式電梯能耗建模及節能分析

王銘鑫

（天津市特種設備監督檢驗技術研究院，天津 300192）

電梯是現代建筑物中的重要構成，其在改善居民生活質量方面起到了良好作用。曳引式電梯是以曳引系統為基礎發揮運輸作用的電梯類型，在現代高層樓宇中廣泛應用。由于其特有的工作原理，曳引驅動電梯在輕載下行、重載上行和減速制動過程中導致大量能力耗散，只有在大量電力能源支撐下，方能正常運行，這和國家倡導的節能減排理念背道而馳。現如今，國家能源有關政策有所改變，對能源消耗產品提出了更確切、嚴格的要求，加強曳引式電梯的選配及節能監管是電梯運行管理中的重要構成。鑒于此，本文擬定建設曳引式電梯節能模型，并對電梯節能措施進行分析、檢驗。

1 曳引式電梯的工作原理和能耗特點

1.1 工作原理

電梯是現代高層建筑中的常用工具之一，其為人們出行、工作以及運輸活動等均創造了便利條件。曳引式電梯是一種常見的電梯類型，其工作原理可以做出如下表述：由鋼絲繩連接的轎廂和對重壓緊在曳引輪輪槽中，組成曳引系統。電動機轉動時，通過曳引鋼絲繩與曳引輪槽之間的摩擦力，帶動鋼絲繩使轎廂和對重做相對運動。通過確定合適的平衡系數，電梯在現實升降活動中，就能減縮曳引輪載荷差，并強化曳引輪電梯功能，可以將代償設施安裝于電梯內部，進而落實以上操作。

1.2 能耗分析

處于運行狀態中的電梯能耗主要和如下兩個方面相關：（1）電梯本身的能耗特性，電梯的調度措施與客流狀況。電梯屬于一個機電系統，與系統外部互換能量，并且系統內部也以多種形式為支撐轉換能量。對曳引系統而言，當電梯設備處于運行狀態時，其會把一定負載運輸至特定高度， 當電梯上行過程中，對重內儲備的勢能會轉變為系統動能及轎廂的勢能；電梯下行時，轎廂勢能會轉型為系統動能與對重勢能。

（2）對驅動系統作出分析，依照有無能量回饋單元可以將變頻變壓調速（VVVF ）電梯分為兩種。當曳引機處于電動狀態時，電能會經由電網側通過整流、濾波、逆變，電機把外部電能轉型成曳引輪的機械能。在這樣的工況下，曳引機驅動曳引系統做功；當曳引機為發電狀態時，機械能被轉化為電能，形成的電能經二極管提升了母線的電壓，制動單元對其起到一定的調控作用，于制動電阻上產熱消耗殆盡。

2 曳引式電梯能耗建模

2.1 能耗模塊

對單體的各系統運行期間能源消耗情況作出分析，發現曳引系統的能耗模塊以轎廂、鋼絲繩等為主，以上構件會誘導能耗過程。

曳引系統能耗模塊有轎廂及其對重、補償電纜、鋼絲繩等。建模過程中，主要分析轎廂負載狀態下所承受的阻力及其與電梯運動狀態間建設的關系。

驅動系統能耗模塊以電機調速形式及曳引機種類為主，建模期間，要重點分析輸出力矩與轉速及驅動系統間的相關性。

構建門機系統能耗模塊期間，應立足于不同的驅動系統及其對應的運作方式，通過建設模型，明確工作門機系統單次開關門時的能耗指標。

控制顯示能耗模塊對應的基本是全控制系統電子模塊的能耗量。依照現實通風空調及照明狀況，檢測其他系統能耗模塊對應的真實值。筆者歷經長期的實踐及總結，認為曳引系統和驅動系統為電梯能耗建模的主要部分。

2.2 運行環境

電梯主要為客流分布特殊的建筑運行提供服務，并在調整計劃中執行工作任務。電梯內部設施及運作軟硬件環境，共同組建了電梯能源消耗系統。為明確某臺電梯的能耗情況，對其予以建模分析，就要明確整個電梯設施對應的樓層數目、建筑物的總高度、客流量，載荷狀況等信息，以上指標均會影響電梯能耗量是多是少。轎廂轉速、曳引系統、勢能改變時對應的效率狀況，共同構成了電梯速度模塊，分析該模塊后，就能獲得電梯能耗狀況相關信息。

2.3 依照動態測量結果建模

從部分的動態能耗信息庫內，依次提取主驅動、門機及通風照明燈系統對應的能耗信息，隨即建設曳引系統和主驅動系統兩者的協同關系，共建曳引電梯的能耗模型。該系統最大的特征是無須大量信息輔助建模，若能明確電梯基礎配置，且對驅動改變、門機等系統的能耗相關知識的掌握情況，便能順利建模，也會被有效應用。利用該種模型能測算電梯系統的動態能源消耗中，解讀信息資源配置及運作趨向對電梯能耗形成的影響，在此基礎上，設定科學評估電梯能源效能的方案，提出節能電梯的構想，促進電梯設施現代化發展進程。一方面，分析基于動態測量的電梯能耗模型，明確能耗原理，引起電能能耗的狀態有開關門、待機、休眠等情況；另一方面，也要滿足建模需求。在設計模型時，需構建建筑樓層信息、客流規劃及電梯調度等多個模塊。

3 電梯節能分析及能耗的實際檢驗

為提升曳引式電梯的節能效果，可以從如下幾個系統著手。

（1）驅動系統。結合模型選用變頻調速方法，選用運行高效的電機，協助驅動系統達成節能的目標。

（2）電梯系統。利用智能群控技術對電梯運轉狀態作出調試。

（3）建筑物和電梯設施合理配置：即立足于建筑物實況，科學選擇電梯型號，規避因型號不匹配而引起的電梯能耗量增加的問題。

為更科學地分析電梯設施的節能情況，本文擬定的試驗中選取的電梯載荷依次是0、20%、40%、80%、100%，在以上工況條件下，依次在有、無能量回饋裝備時，比較理論值與現實能耗值，并對誤差作出分析，見表1。

表1 有無能量回饋驅動裝置和不同載荷下理論與真實的能耗比較

對表1 中的數據進行分析，發現不管電梯是否安裝能量回饋驅動裝置，當載荷在100%的工況下，其測得的實驗值和計算值相對誤差最小，可能是因曳引系統參數指標的微小波動而引起的誤差，在總能耗中占有較大比例，仿真能耗誤差也偏大。當電梯位于平衡載荷周邊時，其平衡位點周邊，曳引系統參數值的些許改變會引起誤差，在能耗總量中所占比例偏大。當曳引機處于發電狀態時，系統能耗過程被迫終止，此時，電梯啟動、停運剎那間是引起能耗誤差的主要原因，因電梯在啟關門、低速上行及部分元器件等瞬時動作，以上曳引式電梯仿真結果誤差均處于相關規范設定的范疇中，提示該臺電梯能耗模型測量結果準確。

4 結語

曳引式電梯是高層建筑的重要構成部分，為全面貫徹落實過年倡導的節能減排政策，通過深入分析電梯的能耗狀況，探究電梯能耗建模情況。明確電梯各個系統、運行環境對能耗建模形成的影響，從驅動系統、電梯系統運行及匹配等方面做出節能分析，并通過實驗予以檢驗，得出建設電梯能耗模型的可行性、有效性，具有一定推廣及應用價值。