爱华网1.研究背景 随着世界经济的发展，尤其是中国和印度在世界经济和能源市场中的崛起，世界能源需求越趋紧张，2030 年的世界能源需求增幅将远超过 50%，仅中国和印度合计达 45%[1]。为应对潜在能源危机，各国政府相应推出能源政策，鼓励节能技术及节能产品开发，加强耗能产品监管。电梯作为建筑物中的主要耗能设备之一，其能耗情况已成为政府、企业、客户所关注的焦点之一。 随着社会经济的发展，建筑物能耗总量占整个社会耗电总量相当大的比重。据统计，中国建筑物能耗总量约占电力总产量的 29%，西方发达国家约占30%~40%[2]。根据建筑中运行的其它设备的能耗情况，电梯的能耗占整个建筑能耗的 5%~15%[3] 2007 年 10 月《中华人民共和国节约能源法》中规定：对高耗能的特种设备，按照国务院的规定实行节能审查和监管。为此，企业及研究单位投入大量的人力物力，开发出一批具有市场价值的节能技术和产品。电梯永磁同步曳引机驱动技术、制动电能回馈技术、轿厢无人自动关灯技术、驱动器休眠技术、群控楼宇智能管理等技术的应用，取得了良好的节能效果，经济和社会效益显著。 电梯的能耗除了与电梯本身所采用的驱动方式、额定载重量、额定速度、配置参数、控制系统的调度策略等诸多因素有关，而且与所在建筑楼层的数量及使用电梯的客流分布密切相关。 2.国内外研究现状 目前评估电梯能耗的方法主要有：以Doolaard等为代表的测量法，以Schroeder等为代表的计算法，以Lutfi Al-Sharif, Richard Peters等为代表的模型法。英国皇家注册设备工程师协会(CIBSE)在其出版物《建筑运输系统》第 13 部分对以上方法作了总结和适当推广；国际标准化组织电梯、自动扶梯和自动人行道技术委员会(ISO/TC178)在Jin Jung-Yung的基础上给出了推荐的计算法。 3.曳引电梯工作特性和能耗分析 本文的研究对象为曳引式电梯的能耗。曳引电梯采用曳引轮驱动，区别于卷筒、螺杆、液压缸、直线电机驱动的电梯。曳引电梯的驱动技术按拖动方式可分为：直流调速、交流双速、交流调压调速（ACVV）、交流变压变频调速（VVVF）；按采用的曳引电机类型可分为：直流电机、交流异步电机、永磁同步电机；按是否能量回收又分为：无能量回馈型式、有能量回馈型式。随着驱动技术的发展，直流电梯、交流双速电梯趋于淘汰，VVVF 永磁同步电机驱动的曳引电梯成为发展的主流。 曳引电梯工作特性。由于对重装置的作用，随着电梯负载的大小和运行方向的不同，曳引机呈现四象限工作特性。当轿厢空载下行与满载上行时电机负荷最大，电机处于电动状态；当曳引轮两侧的重量几乎相等时（轿厢半载），电机负载最轻；当轿厢空载上行与满载下行时，电机则处于发电状态[4]。所以，根据曳引轮两侧受力情况及运行方向，分析电机的运行情况。图为曳引电机四象限运行图3-1，对应表3-1。图中标明了电机转速方向与输出（输入）力矩方向。 电梯的客流分布直接影响曳引机的工作状态。比如，一部安装在办公楼的电梯，上班早高峰为重载向上、轻载向下运行，下班高峰则为重载向下、轻载向上运行。 电梯能耗分析。运行中的电梯能耗取决于两个方面：电梯设备自身的能耗特性，电梯的调度策略和客流情况。本文建立的电梯能耗模型用于计算单台电梯在指定工况下的能耗，不涉及电梯的客流分布和调度策略。电梯作为一个机电系统，与系统外部进行能量交换，同时系统内部也进行多种形式的能量转换。 电梯从一个楼层将乘客输送到另一个楼层，该过程中电梯系统与外部发生能量交换。图3-2说明了系统与外部的能耗关系。一个输送过程始末，系统势能变化，而动能未发生变化。该过程中，为保证电梯按设定的速度曲线运动，电梯系统的动能不断发生变化，电梯系统的总能量也随之发生变化，系统须从外部获取或输出电能，又由于摩擦、机电转换的损耗，以声、光、热等向外部输出能量。 电梯的主要耗能部件或系统可分为：变频驱动系统、曳引系统、控制显示、通风照明、门机系统等[5]。这些部件或系统的能耗特性存在一定规律，可以从相关部件或系统的试验数据或数学模型中获取。其中电梯的变频驱动系统和曳引系统是能耗的主要部分，为研究的重点。电梯的能耗与其驱动型式、运动控制参数、机械结构配置、安装、维保等多因素相关。国际标准化组织的工作组（ISO/TC178/WG10）已经证实 18 个影响电梯设备能耗的因素[6]。 4.曳引系统能耗建模及分析 曳引系统建模的目标：根据曳引系统具体的机械配置，推导电梯轿厢负载、外阻力及其运动状态与驱动系统输出功率之间的函数关系，即 （4-1） 式中，为驱动系统输出功率，为轿厢负载，为轿厢速度， 为外阻力，导轨及空气阻力。 电梯曳引系统主要由曳引机、轿厢、对重、钢丝绳、导向轮等组成，从能量守恒的角度来看，电梯运行时，系统内部的势能和动能相互转换，但是，由于导轨摩擦、空气阻力、绳轮传动效率等因素耗散掉一部分能量，为保证电梯按照设定的曲线运动，控制系统控制曳引机产生相应的拖动力或制动力，电机处于电动或发电状态。 曳引系统的转动部件有曳引轮、导向轮、反绳轮，直线运动部件有轿厢、对重、钢丝绳、随行电缆、补偿装置。曳引系统的动能为转动部件动能与直线运动部件动能之和，设为。系统所受外力有重力、轿厢和对重所受的导轨摩擦力、运行中空气阻力、传动轮摩擦力等。 设曳引比为2:1，系统受外力做功之和，设为，式(4-2)~(4-11)中的符号说明见表4-1。 由系统功、能关系，得 (4-2) 曳引轮输入(或输出)功： (4-3) 系统转动部件动能变化： (4-4) 直线运动部件动能变化： (4-5) 系统势能变化： (4-6)
阻力对系统做功： (4-7) 显然， 由式(3-2)至(3-7)推得曳引系统的能耗方程， (4-8) 曳引系统还存在其他结构形式，如曳引比变化，传动轮数目变化等。由以上曳引系统的功能分析，从式(4-8)可以推广获得一个更为通用的曳引系统能耗方程，即 (4-9) 又因为，驱动系统输出功率： (4-10) 显然，从式(4-9)、(4-10)即可推得式(4-1)的显性表达式， (4-11) 工程应用中，由于电梯安装、装潢、调试等原因，代入式(4-11)中的参数值多为近似或估计值，并且部分参数值随电梯运动而变化，为保证能耗模型仿真结果的准确性，可以通过动态测量的电梯能耗数据对式(4-11)中部分参数值大小，如曳引系统补偿装置线密度，进行修正。 由式(4-4)、(4-5)曳引系统的动能变化为， (4-12) 曳引系统的势能变化为,由式(4-6)表示。 则，曳引系统的机械能的变化为， (4-13) 其中，、、为曳引系统某个状态的机械能、动能、势能。 显然，只要对某个时间段的积分，可以计算曳引系统某状态下的机械能。 5.结束语 本文主要建立并详细分析了电梯曳引系统的能耗数学模型，讨论了曳引系统中的功能关系。假设一台理想电梯：轿厢的运动曲线为电梯理想速度曲线；驱动系统（包括电机及能量回馈装置）的效率为 1。从曳引系统能量的变化就可以获得电梯曳引系统运行需要的功耗。 对典型曳引式电梯的曳引系统进行简化，建立了典型曳引系统的能耗数学模型。在此基础上讨论了曳引系统能耗方程的主要组成，并给出更具有通用性的曳引系统能耗方程。 笔者将进一步具体分析动能，势能，补偿装置对曳引系统的机械能影响，将通过动态测量驱动系统建立更加完善的能耗模型并加以验证和更深入的分析。 参考文献 [1] International Energy Agency (IEA). Word Energy Outlook 2007[R].Paris: IEA. 2007 [2]江亿.我国建筑能耗现状与节能重点[J]. 建设科技（建设部）. 2007.05 [3] Dr. Lutfi Al-Sharif. Lift Power Consumption [J]. Elevator World. 1996. 44 [4] 陈志溪，余至林，叶志刚 等. 电梯工作特性与能耗分析[J]. 中国电梯. 2008.19 [5]万忠培,朱武标,何新民.关于电梯能耗的探讨[J].中国电梯. 2007.18 [6] Eur.Ing Gina Barney. Energy efficiency of lifts [J]. Elevatori. 2005.03 [7] 吴国政.电梯原理、使用、维修[M]. 北京：电子工业出版社.1996 [8] 张琦.现代电梯构造与使用[M]. 北京：清华大学出版社. 2004
