我国电梯能耗现状及评估研究

祎兴旺慕 石瑾 吕海涛 罗布次仁

(西藏自治区特种设备检测所,西藏拉萨 850000)

1 引言

电梯日益成为一种普遍的、与人们生活息息相关的交通大众化交通工具。随着电梯数量的与日俱增,其巨大的能量消耗问题已经引起了广大科研工作者以及政府部门的注意。构建合理的电梯能耗评估体系,能够为客户选择适合的电梯提供依据,能够为电梯生产企业降低能耗提供标准,还能够为政府推进节能技术提供技术支持。目前,电梯能耗评估的方法主要有三种：测量法、计算法和模型法。英国皇家注册设备工程师协会(CIBSE)出版的著作《建筑运输系统》中详细的阐述了上述三种方法。

2 我国电梯能耗现状

国民生产总值(GDP)的快速增长导致了社会对电能需求的持续增加[1]。我国多地已经陷入了电慌。在2002年,就有12个省、直辖市、自治区采取了限电政策,电力缺口为2035万千瓦;仅一年之隔,发展到22个城市限电,电力缺口翻了一倍;2004年,全国仅东三省、新疆和西藏没有出现电力供应短缺[2]。但目前,西藏自治区在中国共产党的正确领导下,其经济实现了快速发展,但也出现了电力供应短缺的现象。

随着我国现代化进程的不断加速,国内建筑行业正如日中天。而在建筑物中,电梯和空调被公认为耗电量最高的两样设备。据不完全统计,电梯在运行过程中的能耗占整个建筑总能耗的5～15%,可见其能耗总量之大[3]。

《中华人民共和国节约能源法》中规定：对能耗较高的特种设备,应按国务院的相关规定进行节能审查和监督。国家质检总局〔2007〕29号文件中提到：要对锅炉、电梯和压力容器等能耗较高的特种设备进行能效测试,加强特种设备使用过程中的节能监管。目前我国还没有颁布电梯能耗和能效方面的相关法规。

随着电梯相关技术,尤其是微控技术和材料技术的不断进步,大大的改善了电梯的使用及安全性能,同时使得电梯的能耗大幅度降低。通常来讲,永磁同步双P W M变频变压调速电梯相对于永磁同步变频变压调速电梯平均节能40%左右;VV VF电梯相对于ACV V电梯平均节能10%左右;ACVV比交流双速电梯平均节能11.5%左右[4]。采用最新技术的带有人工智能控制策略的电梯比普通电梯节能15%左右。我国目前在电梯的某些领域已经实现了全球领先,但是电梯节能技术的研发及普及方面还有很大的不足,可能与新技术的成本高昂以及人们固有的思想密不可分。很多节能电梯研制或者引进成功了,但是推广不出去,国家应出台相应的电梯节能补贴政策,使得节能电梯能够很好的推广应用,以求大幅降低电能的消耗。

在国外,对电梯进行能耗研究非常热门。很多研究机构和电梯公司都在进行此方面的研究。其中,对于能耗评估的研究最为热门。Ashok B.Kulkarni[5]和Donald Cooper[6]通过电能表每天测量电梯日耗能,但此方法的缺点是不能解释电梯在不同工况下的能耗。AL-Sharif[7]认为,电梯能耗评估有一下五种方式：

(1)检测法;(2)检测与计算相结合法;(3)图标与经验结合法;(4)现代建模和模拟方法;(5)基于第一动力学定律的计算方法。而在国内,王士琴等人[8]提出了一种基于实验测量和理论推算的电梯能耗计算方法,该方法理论值和实际值符合良好;刘剑等人[9]针对电梯能耗的预测问题,提出了基于ARM A模型预测算法和基于径向基函数(R BF)神经网络预测方法二者结合的新算法,并进行了仿真研究,仿真结果与实测结果相符,预测精度较高。张冀兴等人[10]从电梯能耗的组成及检测方法入手,结合专利检测案例,对更有效的检测方法及注意事项进行探讨。

电梯能耗评价最重要的依据就是电梯各项参数,在能耗评价过程中,可以从以下几个方面进行考虑[11]：

(1)电梯的运行状况：主要针对不同场所的电梯的运行高峰时段不同,如单位办公楼、住宅、酒店和医院等;(2)选型方法：评价电梯配置质量从两个方面体现,一是电梯的等候时间,等候时间越短,电梯的服务质量越高,二是电梯的输送能力;(3)模型的构建：选购电梯时要结合建筑物的特点,来确定电梯的配置,其次才是电梯的舒适程度及能效。目前,电梯能耗评估的最通用的能效评估方法主要有三种：测量法、计算法和模型法。

3 测量法

选择不同额定速度下的不同驱动类型(液压、D C涡流制动、交流双速和V V V F)的电梯,将电梯以空载状态运行于往返三层楼的高度,测定其能耗值。再将刚刚测定的能耗值乘以轿厢质量的倒数,由此计算出单位质量轿厢的能耗值。将电梯的额定速度大小和电梯单位能耗值分别作为横坐标与纵坐标,在Doolaard下绘制不同驱动类型电梯的的能耗曲线。

该能耗曲线能够看出不同驱动形式的电梯在设定行程下的能耗值。但是该方法存在一定的不足：其不能对其它状态下的能耗进行评估。原因电梯载荷是固定的,且电梯的额定速度测量范围有限。有相关文献根据Doolaard所提供的数据,研究了不同电梯额定速度下的Doolaard曲线,扩大了其使用范围。

4 计算法

计算法是根据公式(1)得来的,其可以计算出一台电梯一天(24h)所消耗的能量值。假定电梯每天平均运行10层楼高,在公式(1)中：E表示每天电梯能耗,R表示马达的额定功率,ST表示电梯每天启动的次数(估值),TP表示运行时间(估值)。

ISO/DIS 25745-1提供了电梯能耗的一种估算方法,用公式(2)表示。公式中k1-k3分别表示驱动系统因素、平均行程因素和平均行载荷因素,H为最大形成,F为每年启动次数,P为电梯额定功率,st为每年待机能耗。

从公式(1)和公式(2)中可以看到,公式中的参数(变量)很多,并且这些公式的得出都是有前提条件的。计算法有其特有的不足,其不能获得电梯在多种状态下的功率变化和使用情况,也没有对电梯的结构配置和速度曲线等因素进行分析。但计算法能够从额定功率、额定速度、驱动方式和电梯使用状态等因素对能耗进行计算,得出估计值。

5 模型法

Elevate(电梯客流分析和仿真软件)集成了几种电梯能耗模型,模型参数分为标准和高级模块两类：在标准模块中的主要参数有：运行曲线、驱动型式、额定载荷等;在高级模块中需要设置的主要参数有：钢丝绳密度、系统效率(100%、25%和0%载荷时)和补偿装置密度等参数。在电梯能耗仿真过程中,Elevate应用较为广泛,但该软件仅是在三种载荷下的多种因素中对电梯的能耗进行推算,误差很大,且Elevate作为一款商业化软件,其能耗算法并未公开,在电梯企业中使用较多,但推广困难。

6 结语

综上所述,我国电力供应的现状不容乐观,开发新型节能电梯势在必行。但目前大多数能耗评价方法都具有一定的局限性,缺乏一种通用的并且计算相对准确的一套电梯能耗评价体系,来指导电梯生产厂家进行节能电梯的生产,这将成为未来数十年研究的重点方向。此外,国家应大力扶持节能电梯相关产业,使之大范围推广并应用。

[1] 陈建林,张少勇.我国电力需求与经济发展的关系分析[J].经济论坛,2005,(6)：39-40.

[2] 刘思强,柏雪.现阶段电力供需矛盾的成因与对策[J].大众用电,2005,(5)：5-7.

[3] Dr. Lutfi Al-Sharif. Lift Power Consumption[J]. Elevator World,1996,(5)：85-87.

[4] 万健如,刘英培,沈虹,等.电梯技术进步与节能方式[J].中国电梯,2008,(16)：42-43.

[5] Ashok B. Kulkarni. Energy Consumption Analysis for Geared Elevator Modernization： Upgrade from DC Ward Leonard System to AC Vector Controlled Drive, IEEE Trans[J]. Ind. Applcat,2000,(8-12)：2066-2070.

[6] Donald Cooper. Energy Consumption of Various Elevator Drives[J]. Elevator World, 1987,(3)：20-23.

[7] Dr. Lutfi Al-Sharif. Lift Energy Consumption general overview(1974-2001)[J]. Elevator World, 2004,(10)：61-67.[8]王士琴,朱昌明,张鹏,等.电梯能耗测量新方法[J].起重运输机械,2009,(9)：35-39.

[9] 刘剑,侯冉,李晓刚.电梯能耗的混合预测控制方法[J].沈阳建筑大学学报,2006,(2)：319-322.

[10] 张冀兴.电梯能耗检测方法的专利研究[J].中国新技术新产品,2014,(7)：36.

[11] 王士琴.电梯能耗测量与能效评价方法的研究[D].上海交通大学,2009.