引言

電梯給人們的生活和工作帶來了極大便利。在各類型電梯中,曳引式電梯的使用最為廣泛。電梯的控制系統(tǒng)和硬件設(shè)施較為復(fù)雜,運行環(huán)境和條件比較多變,容易發(fā)生故障,導(dǎo)致能源消耗過大,嚴(yán)重時還會威脅電梯內(nèi)乘客的人身安全。因此,如何對曳引式電梯進(jìn)行節(jié)能設(shè)計,成為了相關(guān)領(lǐng)域設(shè)計人員共同關(guān)注的問題。

1曳引式電梯結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1電梯結(jié)構(gòu)

按照軟硬件設(shè)施區(qū)分,曳引式電梯主要由電氣組件和機(jī)械硬件兩大部分組成:按照系統(tǒng)組成區(qū)分,曳引式電梯主要包含電氣控制系統(tǒng)、電氣拖動系統(tǒng)、導(dǎo)向系統(tǒng)、曳引系統(tǒng)、重量平衡系統(tǒng)、安全保護(hù)系統(tǒng)、門系統(tǒng)、轎廂等8個主要系統(tǒng)。

1.2工作原理及特點

曳引式電梯的對重裝置和轎廂分別通過曳引鋼絲繩連接在曳引機(jī)兩端,利用平衡對重的重力作用、鋼絲繩與曳引輪間的相互摩擦力,實現(xiàn)轎廂的上下相對運動。其具體工作原理是:打開曳引機(jī),將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能,給曳引機(jī)提供驅(qū)動力,迫使曳引輪和鋼絲繩之間相對移動,從而產(chǎn)生摩擦力,驅(qū)動鋼絲繩,進(jìn)而拉動轎廂上下移動,實現(xiàn)人員或者貨物的輸送。曳引式電梯的主要工作特點是其工作范圍被限定在四個象限內(nèi)。轎廂上行時,對重下行:轎廂下行時,對重上行,總之轎廂和對重一直是反向運動。在轎廂上行過程中一旦轎廂和轎廂內(nèi)重量超過對重,或者轎廂下行過程中轎廂和轎廂內(nèi)重量低于對重,都會觸發(fā)電機(jī)使曳引機(jī)啟動:在轎廂上行過程中,一旦轎廂和轎廂內(nèi)重量低于對重,或者轎廂下行過程中轎廂和轎廂內(nèi)重量超過對重,可以實現(xiàn)曳引機(jī)的驅(qū)動功能:只有當(dāng)轎廂內(nèi)部質(zhì)量和對重質(zhì)量均衡時,電機(jī)負(fù)載才會降至最低。

2能耗分析

2.1電梯能耗組成因素

曳引系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、照明暖通等都會產(chǎn)生能量損耗,其中曳引系統(tǒng)和驅(qū)動系統(tǒng)能耗占比最高,兩者達(dá)到總能耗的3/4。下面分析曳引系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)以及照明暖通的能耗。

2.1.1驅(qū)動系統(tǒng)

驅(qū)動系統(tǒng)能耗即電動機(jī)能耗,驅(qū)動系統(tǒng)功率越大,其能耗自然越大。因此,有必要對電梯驅(qū)動系統(tǒng)能耗進(jìn)行分析。從驅(qū)動系統(tǒng)功能來說,電梯的啟動加速、平穩(wěn)運行及減速等都與驅(qū)動系統(tǒng)有直接關(guān)系,在節(jié)能降耗的設(shè)計過程中,應(yīng)結(jié)合不同形式的驅(qū)動系統(tǒng),有針對性地進(jìn)行節(jié)能設(shè)計。

2.1.2曳引系統(tǒng)

在曳引系統(tǒng)中,相對于鋼絲繩、對重平衡裝置而言,曳引機(jī)是最大的能耗損失裝置,耗能最小的是具備能源回收功能的交流變頻調(diào)速電機(jī)。目前由于能耗差別,交流雙速型曳引機(jī)所占市場份額很低,只有一些老舊小區(qū)內(nèi)可能還用該型曳引機(jī)。而具備能源回收功能的交流變頻調(diào)速電機(jī)由于其造價和故障率較高,也沒有得到大范圍推廣。交流變壓變頻調(diào)速電梯憑借其良好的使用性能和可靠性被廣泛使用。

2.1.3照明暖通

照明暖通能耗損失較小,且其能耗不會突變,能耗損失穩(wěn)定。目前很多小區(qū)都采用了節(jié)能燈和節(jié)能風(fēng)扇,一般夜間或者電梯不運行時均處于休眠狀態(tài),在有乘客時才會自動啟動。但在實際中,由于各個建筑物單體結(jié)構(gòu)不同,其能耗量也有所區(qū)別:電梯目標(biāo)客戶群體也有所區(qū)別,辦公樓和住宅區(qū)的電梯運行行程和時間點各異。但是不管哪一類型的電梯,其基本運行規(guī)律以及能耗規(guī)律大同小異。一般來說,電梯行程量越大,其電梯能耗越大:累計行程量越小,能耗越低。對于沒有安裝能量回收裝置的曳引式電梯來說,即使電梯內(nèi)沒有乘客或者貨物,其發(fā)電機(jī)仍處于發(fā)電狀態(tài),進(jìn)而產(chǎn)生能耗:一旦曳引式電梯處于超重狀態(tài),此時發(fā)電機(jī)耗電嚴(yán)重,導(dǎo)致曳引式電梯的整體能耗激增。

2.2電梯能耗建模

曳引式電梯的能耗可以通過建立能耗模型進(jìn)行分析,其主要原理是根據(jù)曳引式電梯轎廂的行駛狀態(tài)、各裝置間的配合關(guān)系以及輸入輸出功率進(jìn)行合理的推理演算,關(guān)鍵是如何搭建各種能耗模型。在建模過程中,需要全面考慮曳引系統(tǒng)、轎廂、對重平衡裝置等組成部分,明確各部分工作性能和能耗情況。根據(jù)能量守恒原理,曳引式電梯上下運動主要是動能與勢能、電能之間的相互轉(zhuǎn)換,還存在由于摩擦和電力轉(zhuǎn)換所引起的能量損耗。所以說,按照曳引式電梯的工作流程,結(jié)合各部分工作性能,曳引式電梯的能耗建模參數(shù)主要包含曳引機(jī)的輸出力矩,各部分的效率、速度及角速度。在建模過程中,如果這些參數(shù)值發(fā)生變化,會導(dǎo)致電梯的平穩(wěn)運行狀態(tài)發(fā)生改變。因此,需要根據(jù)電梯的實際運行狀態(tài)實時調(diào)整參數(shù),以合理制定曳引式電梯的節(jié)能方案。

3節(jié)能設(shè)計

3.1硬件設(shè)備節(jié)能改造

下面主要針對曳引式電梯的機(jī)械結(jié)構(gòu)提出幾項節(jié)能設(shè)計建議。

3.1.1空間設(shè)計

電梯的主要功能是輸送人員或者貨物,需要占用一定空間。對于曳引式電梯而言,根據(jù)建筑物結(jié)構(gòu),可以對井道進(jìn)行一定的優(yōu)化處理,在保證井道空間的前提下,盡量減少曳引設(shè)備數(shù)量和大小。另外,根據(jù)實際的人員和貨物情況,需要對曳引式電梯的行駛速度以及轎廂空間進(jìn)行調(diào)整,盡量避免升降速度和轎廂空間的浪費,從而達(dá)到節(jié)能目的。

3.1.2電路設(shè)計

由于曳引式電梯的工作特點是運行在四象限內(nèi),可針對此特征,對電路進(jìn)行合理設(shè)計。在電梯軟啟動功能上,可以利用低電阻和串聯(lián)電抗進(jìn)行優(yōu)化,實現(xiàn)節(jié)能效果。

3.1.3能量回收

曳引式電梯在滿載和空載狀態(tài)時,可以設(shè)置對應(yīng)的能量回收系統(tǒng),將其與智能電路模塊連接,實現(xiàn)轉(zhuǎn)換和利用電能的目的。能量回收的具體形式如下:將有源逆變器外接變頻器,連接方式為并聯(lián),以此得到電網(wǎng)中的反饋能量,從而實現(xiàn)能量回收。這種方式成本較低,而且安裝比較簡單,可靠性高。另外,還可采用PwM控制方法,通過可關(guān)斷器件將直流電流回饋到電網(wǎng)中,從而降低諧波污染,這種方法較上一種方法略為復(fù)雜,且成本較高。

3.2曳引式電梯的優(yōu)化調(diào)度

3.2.1多電梯協(xié)同調(diào)度

對于某一棟建筑配置有多部電梯的情況,可以配置多電梯協(xié)同調(diào)控系統(tǒng),合理調(diào)控電梯的運行,在有效減少升降次數(shù)的前提下,降低電梯能耗。

3.2.2優(yōu)化電梯控制方式

辦公樓和住宅區(qū)對于電梯的使用習(xí)慣不同,寫字樓又分為高層、中層和低層。因此可以根據(jù)不同的需求和使用程度,優(yōu)化電梯的控制方式。例如,住宅區(qū)的電梯控制方式可以采用下集選控制方式、信號控制方式或按鈕控制方式等:而寫字樓可以按照高、中、低層進(jìn)行分區(qū)域集中控制。另外,可以對電梯采取權(quán)限制,例如采用智能卡模式,給不同的人群提供不同的電梯權(quán)限,可以有效提高電梯工作效率,降低能耗。

3.2.3智能控電

如商場、會議大樓等建筑物,由于人流量集中且規(guī)律,可利用大數(shù)據(jù)等技術(shù),根據(jù)人流和物流的數(shù)據(jù)收集和數(shù)據(jù)處理,對電梯實行智能控電,使其得到最大限度地利用,以減少能耗。

4結(jié)語

本文以曳引式電梯為例,分析了其工作原理,通過構(gòu)建電梯能耗模型,對能耗進(jìn)行分析,在此基礎(chǔ)上提出了曳引式電梯的節(jié)能設(shè)計方案,為我國電梯節(jié)能技術(shù)的研發(fā)及創(chuàng)新提供一定的理論參考。在今后電梯的設(shè)計、安裝、使用過程中,需要更加深入地分析其能耗情況,并根據(jù)具體情況進(jìn)行優(yōu)化,將電梯能耗降到最低范圍內(nèi)。