曳引式电梯能耗建模及节能分析

王铭鑫

（天津市特种设备监督检验技术研究院，天津 300192）

电梯是现代建筑物中的重要构成，其在改善居民生活质量方面起到了良好作用。曳引式电梯是以曳引系统为基础发挥运输作用的电梯类型，在现代高层楼宇中广泛应用。由于其特有的工作原理，曳引驱动电梯在轻载下行、重载上行和减速制动过程中导致大量能力耗散，只有在大量电力能源支撑下，方能正常运行，这和国家倡导的节能减排理念背道而驰。现如今，国家能源有关政策有所改变，对能源消耗产品提出了更确切、严格的要求，加强曳引式电梯的选配及节能监管是电梯运行管理中的重要构成。鉴于此，本文拟定建设曳引式电梯节能模型，并对电梯节能措施进行分析、检验。

1 曳引式电梯的工作原理和能耗特点

1.1 工作原理

电梯是现代高层建筑中的常用工具之一，其为人们出行、工作以及运输活动等均创造了便利条件。曳引式电梯是一种常见的电梯类型，其工作原理可以做出如下表述：由钢丝绳连接的轿厢和对重压紧在曳引轮轮槽中，组成曳引系统。电动机转动时，通过曳引钢丝绳与曳引轮槽之间的摩擦力，带动钢丝绳使轿厢和对重做相对运动。通过确定合适的平衡系数，电梯在现实升降活动中，就能减缩曳引轮载荷差，并强化曳引轮电梯功能，可以将代偿设施安装于电梯内部，进而落实以上操作。

1.2 能耗分析

处于运行状态中的电梯能耗主要和如下两个方面相关：（1）电梯本身的能耗特性，电梯的调度措施与客流状况。电梯属于一个机电系统，与系统外部互换能量，并且系统内部也以多种形式为支撑转换能量。对曳引系统而言，当电梯设备处于运行状态时，其会把一定负载运输至特定高度， 当电梯上行过程中，对重内储备的势能会转变为系统动能及轿厢的势能；电梯下行时，轿厢势能会转型为系统动能与对重势能。

（2）对驱动系统作出分析，依照有无能量回馈单元可以将变频变压调速（VVVF ）电梯分为两种。当曳引机处于电动状态时，电能会经由电网侧通过整流、滤波、逆变，电机把外部电能转型成曳引轮的机械能。在这样的工况下，曳引机驱动曳引系统做功；当曳引机为发电状态时，机械能被转化为电能，形成的电能经二极管提升了母线的电压，制动单元对其起到一定的调控作用，于制动电阻上产热消耗殆尽。

2 曳引式电梯能耗建模

2.1 能耗模块

对单体的各系统运行期间能源消耗情况作出分析，发现曳引系统的能耗模块以轿厢、钢丝绳等为主，以上构件会诱导能耗过程。

曳引系统能耗模块有轿厢及其对重、补偿电缆、钢丝绳等。建模过程中，主要分析轿厢负载状态下所承受的阻力及其与电梯运动状态间建设的关系。

驱动系统能耗模块以电机调速形式及曳引机种类为主，建模期间，要重点分析输出力矩与转速及驱动系统间的相关性。

构建门机系统能耗模块期间，应立足于不同的驱动系统及其对应的运作方式，通过建设模型，明确工作门机系统单次开关门时的能耗指标。

控制显示能耗模块对应的基本是全控制系统电子模块的能耗量。依照现实通风空调及照明状况，检测其他系统能耗模块对应的真实值。笔者历经长期的实践及总结，认为曳引系统和驱动系统为电梯能耗建模的主要部分。

2.2 运行环境

电梯主要为客流分布特殊的建筑运行提供服务，并在调整计划中执行工作任务。电梯内部设施及运作软硬件环境，共同组建了电梯能源消耗系统。为明确某台电梯的能耗情况，对其予以建模分析，就要明确整个电梯设施对应的楼层数目、建筑物的总高度、客流量，载荷状况等信息，以上指标均会影响电梯能耗量是多是少。轿厢转速、曳引系统、势能改变时对应的效率状况，共同构成了电梯速度模块，分析该模块后，就能获得电梯能耗状况相关信息。

2.3 依照动态测量结果建模

从部分的动态能耗信息库内，依次提取主驱动、门机及通风照明灯系统对应的能耗信息，随即建设曳引系统和主驱动系统两者的协同关系，共建曳引电梯的能耗模型。该系统最大的特征是无须大量信息辅助建模，若能明确电梯基础配置，且对驱动改变、门机等系统的能耗相关知识的掌握情况，便能顺利建模，也会被有效应用。利用该种模型能测算电梯系统的动态能源消耗中，解读信息资源配置及运作趋向对电梯能耗形成的影响，在此基础上，设定科学评估电梯能源效能的方案，提出节能电梯的构想，促进电梯设施现代化发展进程。一方面，分析基于动态测量的电梯能耗模型，明确能耗原理，引起电能能耗的状态有开关门、待机、休眠等情况；另一方面，也要满足建模需求。在设计模型时，需构建建筑楼层信息、客流规划及电梯调度等多个模块。

3 电梯节能分析及能耗的实际检验

为提升曳引式电梯的节能效果，可以从如下几个系统着手。

（1）驱动系统。结合模型选用变频调速方法，选用运行高效的电机，协助驱动系统达成节能的目标。

（2）电梯系统。利用智能群控技术对电梯运转状态作出调试。

（3）建筑物和电梯设施合理配置：即立足于建筑物实况，科学选择电梯型号，规避因型号不匹配而引起的电梯能耗量增加的问题。

为更科学地分析电梯设施的节能情况，本文拟定的试验中选取的电梯载荷依次是0、20%、40%、80%、100%，在以上工况条件下，依次在有、无能量回馈装备时，比较理论值与现实能耗值，并对误差作出分析，见表1。

表1 有无能量回馈驱动装置和不同载荷下理论与真实的能耗比较

对表1 中的数据进行分析，发现不管电梯是否安装能量回馈驱动装置，当载荷在100%的工况下，其测得的实验值和计算值相对误差最小，可能是因曳引系统参数指标的微小波动而引起的误差，在总能耗中占有较大比例，仿真能耗误差也偏大。当电梯位于平衡载荷周边时，其平衡位点周边，曳引系统参数值的些许改变会引起误差，在能耗总量中所占比例偏大。当曳引机处于发电状态时，系统能耗过程被迫终止，此时，电梯启动、停运刹那间是引起能耗误差的主要原因，因电梯在启关门、低速上行及部分元器件等瞬时动作，以上曳引式电梯仿真结果误差均处于相关规范设定的范畴中，提示该台电梯能耗模型测量结果准确。

4 结语

曳引式电梯是高层建筑的重要构成部分，为全面贯彻落实过年倡导的节能减排政策，通过深入分析电梯的能耗状况，探究电梯能耗建模情况。明确电梯各个系统、运行环境对能耗建模形成的影响，从驱动系统、电梯系统运行及匹配等方面做出节能分析，并通过实验予以检验，得出建设电梯能耗模型的可行性、有效性，具有一定推广及应用价值。