浅析对电梯能量消耗的研究

冯梦奇

摘 要：电梯能量消耗研究主要是通过研究电梯整个运行过程的能耗，借助Energy analyze软件的分析以期降低电梯用电量及提高电梯能效等级。本文主要通过对电梯各个运行状态的能耗研究及评估电梯各个部件对电梯运行能耗的影响两方面来研究降低电梯能耗的方法，最终降低电梯能耗、保护环境、提升电梯的综合竞争力。

关键词：VDI 4707(issue 03-2009)、电梯工作状态、电能分析设备、电梯部件分析

0引言

随着我国社会经济高速发展，人民居住条件得到逐步改善,加上人口密度大，大量的高层建筑如雨后春笋般出现，电梯作为垂直升降工具越来越为广大的老百姓所熟悉，据不完全统计，至2016年我国已安装电梯500余万台。电能是一种珍贵的能源，火电是我国目前主要的发电方式。随着我国提出力争在2030年前实现碳达峰目标，2060年前实现中和的目标，研究降低电梯运行能量消耗越来越迫切。

1电梯工作状态

电梯是一种垂直升降的特种机器，其主要的运作方法为通过曳引机输出动力拉动钢丝绳提升轿厢中的人与货物。

为了能够定量了解电梯能耗，我们需要借助VDI 4707(issue 03-2009)标准（以下简称VDI 4707）来评估，以上标准中电梯的工作状态分为待机及运行状态，电梯两个状态的能耗之和就是其预估耗电量。由于电梯的安装位置各不相同，电梯每天的使用频率也各不相同。VDI 4707中给出了一些定义，电梯根据使用类别不同分为不同类别，如第1类的装在小型建筑的电梯，每天按运行时间0.2小时估算，待机时间为23.8小时，第5类电梯定义为安装在超大型场所的电梯，其运行时间按照6小时估算，待机时间是18小时。那么我可以得出这样一个论断，同一个型号的电梯在不同的安装位置会有不同的能耗结果，这是由于不同的安装地点电梯的运行状态和待机状态是不同的。不同地点的电梯运行和待机的差异较大，不同的电梯其用电构成也不同，这将会严重影响一台电梯的耗电量。

根据VDI 4707的定义电梯的能耗主要为电梯在空载状态下的运行需求及待机需求。我们认为通过分解电梯的“运行状态”和“待机状态”分析可以更加详细地了解电梯的耗电状态。因此，我们把电梯的运行状态定义分为“上行状态”及“下行状态”。上行状态是指电梯从底楼运行到顶楼开门、关门后的运行状态，下行状态是指：电梯从顶楼运行到底层开门、关门结束（以下简称运行状态）。待机状态是指电梯不在运行状态时的状态。通过以上的分解我们大致把电梯的整个工作状态都包含在内。

2电梯工作状态的功率研究

为了方便能耗的统计，我们又把电梯的电路分为主回路和辅助回路。辅助回路是指电梯轿厢中紧急电源、电话、照明和风扇。主回路指的是电梯除辅助回路外电梯主要运行回路。（井道照明不包含在内）。因此我们把电梯能耗的测量分为四个状态，主回路运行状态、主回路待机状态、辅助回路运行状态和辅助回路待机状态。

通过测量电梯以上四个状态的耗电量来评估电梯的能耗，我们希望分析出电梯整个工作过程中主要的耗能状态。

（1）主回路运行状态分析

图1 甲电梯10次主回路运行状态的功率

图1是某甲电梯10次主回路运行状态的功率，通过分析上行状态与下行状态的功率差异较大。上行状态的平均功率约为0.4千瓦，下行的平均功率约为25千瓦，即上行状态基本不消耗能量而下行消耗能量。其实这是符合常理的，因为根据对重计算公式：

W=P+kQ

其中：W是对重质量；

P是轿厢质量；

k是载荷系数；

Q是额定载荷。

因为对重质量大于轿厢，所以电梯在下行的时候是由曳引机做功拉动轿厢下行。上行的时候是由对重的重力势能做功把轿厢往上拉，重力势能做功，产生的能量通常会使用发热电阻来消耗重力做功产生的能量。为了避免这部分能量的浪费，在回路上增加能量反馈装置后，此时重力做功的能量可以发电回到电网。图2是某乙台电梯在安装能量反馈装置后的主回路运行状态功率图。

图2乙电梯10次主回路运行状态的功率

由图2可以分析出，此台电梯的上行产生6千瓦的电能，下行的能耗约为15千瓦。通过安装能量反馈装置的方式可以回收动能变成电能，可以直接的为电梯运行节约能耗。

但经过进一步的研究并不是所有情况下安装能量反馈装置都能取得显著的效果，图3为某丙台电梯的主回路运行状态功率图。

图3 丙电梯10次主回路运行状态的功率

丙电梯上行达到-25千瓦时，下行的功率达到35千瓦时就回落，并没有持续。也说明此电梯的运行时加速达到额定速度后就减速。说明此台电梯的提升高度并不高，能量反馈装置无法在额定速度情况下稳定的做功发电。鉴于以上的分析，我们可以获得一个结论，电梯在提升高度比较高的情况时安装能量反馈装置可以产生更加显著的节能效果。

（2）辅助回路运行状态的分析

在分析辅助回路的运行状态时，发现了一个有趣的现象。当主回路没有安装能量反馈时辅助会的运行状态的功率没有发生太大变化。

而主回路安装了能量反馈装置后，辅助回路的运行状态的功率却发生了一些变化。

图4 丁电梯10次辅助回路运行状态的功率

图4的辅助回路的功率在上行时（能量反馈装置其作用时）功率有所降低。

图5 丁电梯10次辅助回路运行状态的电流

为了研究功率发生变化的原因，分别分析了电压和电流变化曲线。如图5所示，电流在上行时下降明显，虽然电压在上行时会略微增大，但电流下降更明显。因此能量反馈装置对辅助回路的运行状态的节能表现也会有所帮助。

对于主回路和辅助回路的待机状况，通常会测量待机回路一分钟的功率。一分钟的功率无法对电梯能效的提升有所帮助。

3电梯部件能耗的研究

我考虑另辟蹊径从电梯部件的角度来考虑影响电梯能耗的影响。我列出了电梯的一些主要部件，评估其在不同状态下的工作情况。

电梯部件：曳引机、电梯机械部件、能量反馈装置、控制柜、轿厢照明、轿厢风扇。

曳引机作为电梯能耗的主要部件用来驱动电梯上下运行，一般只有在工作状态消耗能量。根据网上公开资料，曳引机其能耗占到电梯耗电量的80%以上。因此选择低能耗的曳引机是降低电梯运行状态能耗的重要办法。

电梯机械部件对电梯运行影响也较大，平稳运行的电梯，降低运行摩擦力的设计可以降低电梯能耗，但在待机时机械部件并不耗能。在能效测试时，新的电梯会有较好的测试结果。

能量反馈装置对电梯能耗影响也较大，在运行阶段能量反馈装置在电梯上行的时候产生电能可以降低电梯能耗，在待机状态时，能量反馈装置从发电部件变成了耗电部件，实验证明其待机耗电会严重降低电梯的能耗等级，所以对待机较久的电梯影响很大。所以合理地设置能量反馈装置待机，可以明显提升电梯的能耗表现。常见的待机设定一般为设定待机时间和温控待机。但是提升高度较低的电梯不一定对能耗有利，因为其发电并不多，反而可能产生待机能耗。

控制器在电梯的运行状态和待机状态都可能耗电，为了提高能耗表现可以从两方面着手。1）合理配置电梯电器部件，如不需要安装过多功能的电梯，合理的配置变压器，减少能量消耗。2）合理设置待机功能，合理地设定变频器进入待机模式可以降低待机状态能耗。其他的如外呼在无人使用时关闭显示，减少门机电机在待机状态的输出等。

最后就是轿厢风扇和轿厢照明，选择节能LED照明和低功率风扇可以降低电梯的运行能耗。电梯待机时，关闭轿厢风扇和照明对于电梯的待机能耗也有不错的表现。

根据以上分析我得出了一些可以降低电梯使用能效的可行方法和设置：

1. 曳引机使用低能耗型号降低运行和待机的能耗；

2. 良好平稳的电梯安装降低电梯运行能耗；

3. 安装能量反馈装置，并设置合理的待机模式，同时降低电梯的运行和待机能耗；

4. 控制器部件设置待机模式降低电梯待机能耗；

5. 轿厢风扇和照明设置待机节能，降低待机能耗。

4总结

提高电梯能效等级，降低电梯能耗是一种复杂的系统工程。从研究来看合理安装使用能量反馈装置、选择低能耗电梯部件与合理的设置电梯部件的待机功能可以降低电梯能耗。

【参考文献】

[1] VDI 4707 (issue 03-2009) lifts energy efficiency. Düsseldorf. Verein Deutscher Ingenieure e.V. 2009(03)

[2] 电梯结构与原理第2版.李乃夫.机械工业出版社.2019(09)

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