电梯节能技术探讨

□ 叶荣伟

杭州市轻工高级技工学校 杭州 310004

在全球气候变暖的大背景下，采用节能技术以减少温室气体排放已成为世界各国的共识。电梯、锅炉和换热压力容器并称为三大能耗特种设备，据统计，电梯用电量已经占到建筑物总用电量的17%以上，远远高于照明和供水等对电能的消耗［1］。据最新统计，截止到2013年底，全国在用电梯数量已达300万台，每台电梯每日耗电量大约80 kW·h，全国在用电梯每日耗电量2.4×108kW·h， 大约相当于 3万 t标准煤 （理论值），排放二氧化碳约7.2万t。如果全国电梯平均节能1%，那么长年累月聚积的效果就会非常明显［2］。

1 电梯节能的途径

电梯作为一种以电动机为主要动力的垂直升降系统，它的能耗主要存在于控制系统、传动系统和拖动系统三部分中。一般来说，控制系统和拖动系统归类于电气控制领域，传动系统归类于机械领域，因此，电梯的节能技术可以分为电气式节能技术与机械式节能技术两大类。

1.1 电气式节能技术

电气式节能技术包括电气拖动以及优化控制两个方面，前者是通过提高电能和机械能的转换效率来达到节能的目的。后者虽不能直接产生节电效果，但更多的是通过优化电梯的控制来节能，或者是通过减少不必要的运行和待机损耗来实现节能。电气式节能技术主要包含以下2个方面。

（1）变频器再生能量回馈技术。变频器再生能量回馈技术对电梯运行过程中产生的机械能进行转换，并将转换的能量储存在直流母线回路的电容中，通过有源逆变技术将其逆变为与电网同频同相的交流电，进而反送回电网为其它用电设备供电，以达到节能的目的。一般来说，运行层差越大，运行速度越快，节能效果越明显。

（2）优化控制技术。对于办公楼等人流量较大、电梯数量也多的情况，群控电梯会根据人们上下班及大楼的日常上下梯流量情况合理地控制电梯，从而达到节能的目的［1］。而自动待机与停机技术主要考虑的是轿厢内没有乘客时怎样减少电能的浪费。目前，电气式节能技术已经在市场上获得了一定的推广，其技术也日臻完善。

1.2 机械式节能技术

近几年一些学者对机械式节能电梯的理论研究也不少，但是鲜见在实际中的应用，究其原因，除了国家政策问题之外，其主要原因在于其技术问题的本身。

众所周知，电梯是一种垂直运输工具，其负载具有势能特性，如何有效地利用该势能特性，是机械式节能技术的核心问题。目前，机械式节能技术研究的共同点都是利用力矩平衡，让电梯始终处于理想状态（理想状态是指曳引机输出端外负载力矩和接近零），现就几种典型的机械式节能技术进行分析。

（1）飞轮式节能电梯［3］。在控制电梯速度的变频器直流母线上，并接了用于控制飞轮转速的单元，但是飞轮储能技术目前尚不成熟，特别是需要在真空环境中运行，现有技术水平很难满足。

（2）液压蓄能式节能电梯［4］。该节能电梯在电动机轴与液压泵（马达）之间设置离合器，液压泵与液压控制阀连通，并设置有压力传感器、蓄能器，其结构相对复杂，并且储能总量有限。

（3）辅助转矩式节能电梯［5］。该节能电梯具有辅助转矩传递装置，装置与轿厢固接，其上的滚轮可由辅助电机驱动，依靠滚轮与导轨间的摩擦使电梯始终处于理想状态，从而实现节能目的。其主要缺点在于增加了轿厢的自重，并且滚轮滚动时的摩擦损失较大，故节电效率有限。

（4）辅助配重式节能电梯。辅助配重的方式主要包括：轿厢侧增减固定的配重［6］，对重侧增减固定的配重，独立的平衡配重［7］。不管哪种方式，辅助配重式节能电梯相对来说结构都较复杂，相比较而言，独立的平衡配重方式在井道占用面积及可靠性方面具有一定的优势。

2 独立平衡配重式节能电梯的分析

2.1 结构分析

如图1所示，曳引机16、轿厢18、定对重5、张紧轮8、导轨4等零部件构成传统电梯模块；自动变速器14、卷扬式提升机构13、发电电动机11、平衡配重3、位置传感器（1、2、6、7）、导轨 4、离合器 12 等构成平衡配重模块。两个模块是相对独立的，通过联轴器15进行连接，并都接受控制器10的控制［8］。

显然，传统电梯模块可以相对独立地按照传统电梯模式运行，当电梯半载时，该节能电梯完全按照传统电梯模式运行，故传统模块不会产生任何额外风险；而平衡配重模块与强制式电梯（货梯）基本相似，其风险也非常小。应该说，该节能电梯的关键技术在于自动变速器，而汽车上使用该技术已相当成熟，可以考虑将该技术套用在电梯上。因此，从技术角度来看，其可行性是非常高的。

2.2 运行控制分析

如图1所示，质量传感器获得轿厢与对重的质量差，并将该信息反馈给控制器，控制器控制自动变速器动作，调整变速比，使电梯处于理想状态。在主电机输出功率较小的情况下，电梯按常规（额定）梯速运行，电梯处于节能运行状态（常态）。当平衡配重触发位置传感器时，轿厢在运行方向就近平层，在平衡配重上升或下降至合理高度过程中，电梯以第二梯速运行 （非常态）。这种双速控制设计充分考虑了乘客的感受，在节能的同时，保持了乘客的舒适感。位置传感器总共有4个，充分保证了安全性。因此，从逻辑控制角度来看，这种运行方法是比较可靠的。

2.3 土建分析

▲图1 节能型曳引式电梯结构

对于电梯的使用者来说，电梯的井道占用面积十分重要，这就要求改进后的电梯井道要尽可能的小。对于13人载（或1 000 kg负载）且对重后置式的电梯来说，其改进前、后的土建对比图如图2所示。由图可知，改进前、后的土建面积可以保存不变，这主要基于两个方面：第一，将对重及其导轨左移80 mm，对重轮直径从400 mm增加到560 mm，增加了平衡配重的安装空间；第二，平衡配重的跨距可以相对较小（即平衡配重做成狭长型）,原因在于其升降高度（行程）可以比对重小。因此，从土建成本角度来看，独立平衡配重式节能电梯是可行的。

2.4 节能分析

一般来说，传统电梯的功率计算公式［8］为：

式中：P0为传统电梯设计功率；η4为传动效率（一般可取 0.75）；G1为轿厢质量；G2为负载质量；G3为定对重质量；V为电梯速度。

对于涉及到独立平衡配重式节能电梯来说，其功率计算公式可表达为：

式中：P1为独立平衡配重式节能电梯设计功率；i为自动变速器的传动比；G4为平衡配重质量；η5为传动效率（一般可取0.675）。

取一电梯作为实验，其工况为：负载1 000 kg、轿厢质量1 000 kg、对重质量1 500 kg、平衡配重2 000 kg，电梯速度为 3 m/s。

根据式（1），传统电梯的功率为：

根据式（2），独立平衡配重式节能电梯的设计功率分析见表1。

根据表1，采用独立平衡配重式设计，可以达到的有益效果如下。

（1）综合节电效率可达77.8%，而当前回馈式电梯的节电效率只有50%左右；

▲图2 对重后置式的电梯土建对比图

表1 节能分析

（2）主电机（即曳引机）选配功率将大大减小。根据GB7588的规定，为保证电梯加速度在1 m/s2以上，电机功率的选配功率只需要6 kW。

3 结论

在节能环保呼声日高的今天，节能电梯的应用必将越来越广泛。鉴于能量回馈式电梯技术的日益成熟，其节电效率的提升必将遇到瓶颈。而机械式节能电梯技术的节电效率相对较高，这就为其进一步发展扫清了障碍。

［1］ 李敏.电梯节能技术探讨［J］.机电信息，2013（12）：110-111．

［2］ 吴志伟.电梯节能技术研究［J］.中国高新技术企业，2014（11）:64-65．

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

［4］ 权龙，赵斌，权仲翊．一种节能电梯及其运行的控 制 方 法 ［P］. 中 国 专 利 ：201310191889.1，2013-05-22.

［5］ 陈玉东．电梯辅助转矩装置、电梯及其控制方法［P］.中国专利：201210058652.1，2014-09-18.

［6］ 丁国务，高胜利，丁东．采用副对重的电梯轿厢与对重自动平衡节能装置与控制系统 ［P］.中国专利：201210108625.0，2014-02-19.

［7］ 叶荣伟，王秀秀．一种节能型曳引式电梯及其节能方法［P］.中国专利：201310695900.8，2014-12-17.

［8］ 陈继文，董明晓．电梯控制原理及其应用［M］．北京：北京邮电大学出版社，2012.