我國(guó)電梯能耗現(xiàn)狀及評(píng)估研究

祎興旺慕 石瑾 呂海濤 羅布次仁

(西藏自治區(qū)特種設(shè)備檢測(cè)所,西藏拉薩 850000)

1 引言

電梯日益成為一種普遍的、與人們生活息息相關(guān)的交通大眾化交通工具。隨著電梯數(shù)量的與日俱增,其巨大的能量消耗問(wèn)題已經(jīng)引起了廣大科研工作者以及政府部門的注意。構(gòu)建合理的電梯能耗評(píng)估體系,能夠?yàn)榭蛻暨x擇適合的電梯提供依據(jù),能夠?yàn)殡娞萆a(chǎn)企業(yè)降低能耗提供標(biāo)準(zhǔn),還能夠?yàn)檎七M(jìn)節(jié)能技術(shù)提供技術(shù)支持。目前,電梯能耗評(píng)估的方法主要有三種：測(cè)量法、計(jì)算法和模型法。英國(guó)皇家注冊(cè)設(shè)備工程師協(xié)會(huì)(CIBSE)出版的著作《建筑運(yùn)輸系統(tǒng)》中詳細(xì)的闡述了上述三種方法。

2 我國(guó)電梯能耗現(xiàn)狀

國(guó)民生產(chǎn)總值(GDP)的快速增長(zhǎng)導(dǎo)致了社會(huì)對(duì)電能需求的持續(xù)增加[1]。我國(guó)多地已經(jīng)陷入了電慌。在2002年,就有12個(gè)省、直轄市、自治區(qū)采取了限電政策,電力缺口為2035萬(wàn)千瓦;僅一年之隔,發(fā)展到22個(gè)城市限電,電力缺口翻了一倍;2004年,全國(guó)僅東三省、新疆和西藏沒(méi)有出現(xiàn)電力供應(yīng)短缺[2]。但目前,西藏自治區(qū)在中國(guó)共產(chǎn)黨的正確領(lǐng)導(dǎo)下,其經(jīng)濟(jì)實(shí)現(xiàn)了快速發(fā)展,但也出現(xiàn)了電力供應(yīng)短缺的現(xiàn)象。

隨著我國(guó)現(xiàn)代化進(jìn)程的不斷加速,國(guó)內(nèi)建筑行業(yè)正如日中天。而在建筑物中,電梯和空調(diào)被公認(rèn)為耗電量最高的兩樣設(shè)備。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),電梯在運(yùn)行過(guò)程中的能耗占整個(gè)建筑總能耗的5～15%,可見其能耗總量之大[3]。

《中華人民共和國(guó)節(jié)約能源法》中規(guī)定：對(duì)能耗較高的特種設(shè)備,應(yīng)按國(guó)務(wù)院的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行節(jié)能審查和監(jiān)督。國(guó)家質(zhì)檢總局〔2007〕29號(hào)文件中提到：要對(duì)鍋爐、電梯和壓力容器等能耗較高的特種設(shè)備進(jìn)行能效測(cè)試,加強(qiáng)特種設(shè)備使用過(guò)程中的節(jié)能監(jiān)管。目前我國(guó)還沒(méi)有頒布電梯能耗和能效方面的相關(guān)法規(guī)。

隨著電梯相關(guān)技術(shù),尤其是微控技術(shù)和材料技術(shù)的不斷進(jìn)步,大大的改善了電梯的使用及安全性能,同時(shí)使得電梯的能耗大幅度降低。通常來(lái)講,永磁同步雙P W M變頻變壓調(diào)速電梯相對(duì)于永磁同步變頻變壓調(diào)速電梯平均節(jié)能40%左右;VV VF電梯相對(duì)于ACV V電梯平均節(jié)能10%左右;ACVV比交流雙速電梯平均節(jié)能11.5%左右[4]。采用最新技術(shù)的帶有人工智能控制策略的電梯比普通電梯節(jié)能15%左右。我國(guó)目前在電梯的某些領(lǐng)域已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了全球領(lǐng)先,但是電梯節(jié)能技術(shù)的研發(fā)及普及方面還有很大的不足,可能與新技術(shù)的成本高昂以及人們固有的思想密不可分。很多節(jié)能電梯研制或者引進(jìn)成功了,但是推廣不出去,國(guó)家應(yīng)出臺(tái)相應(yīng)的電梯節(jié)能補(bǔ)貼政策,使得節(jié)能電梯能夠很好的推廣應(yīng)用,以求大幅降低電能的消耗。

在國(guó)外,對(duì)電梯進(jìn)行能耗研究非常熱門。很多研究機(jī)構(gòu)和電梯公司都在進(jìn)行此方面的研究。其中,對(duì)于能耗評(píng)估的研究最為熱門。Ashok B.Kulkarni[5]和Donald Cooper[6]通過(guò)電能表每天測(cè)量電梯日耗能,但此方法的缺點(diǎn)是不能解釋電梯在不同工況下的能耗。AL-Sharif[7]認(rèn)為,電梯能耗評(píng)估有一下五種方式：

(1)檢測(cè)法;(2)檢測(cè)與計(jì)算相結(jié)合法;(3)圖標(biāo)與經(jīng)驗(yàn)結(jié)合法;(4)現(xiàn)代建模和模擬方法;(5)基于第一動(dòng)力學(xué)定律的計(jì)算方法。而在國(guó)內(nèi),王士琴等人[8]提出了一種基于實(shí)驗(yàn)測(cè)量和理論推算的電梯能耗計(jì)算方法,該方法理論值和實(shí)際值符合良好;劉劍等人[9]針對(duì)電梯能耗的預(yù)測(cè)問(wèn)題,提出了基于ARM A模型預(yù)測(cè)算法和基于徑向基函數(shù)(R BF)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)方法二者結(jié)合的新算法,并進(jìn)行了仿真研究,仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果相符,預(yù)測(cè)精度較高。張冀興等人[10]從電梯能耗的組成及檢測(cè)方法入手,結(jié)合專利檢測(cè)案例,對(duì)更有效的檢測(cè)方法及注意事項(xiàng)進(jìn)行探討。

電梯能耗評(píng)價(jià)最重要的依據(jù)就是電梯各項(xiàng)參數(shù),在能耗評(píng)價(jià)過(guò)程中,可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)行考慮[11]：

(1)電梯的運(yùn)行狀況：主要針對(duì)不同場(chǎng)所的電梯的運(yùn)行高峰時(shí)段不同,如單位辦公樓、住宅、酒店和醫(yī)院等;(2)選型方法：評(píng)價(jià)電梯配置質(zhì)量從兩個(gè)方面體現(xiàn),一是電梯的等候時(shí)間,等候時(shí)間越短,電梯的服務(wù)質(zhì)量越高,二是電梯的輸送能力;(3)模型的構(gòu)建：選購(gòu)電梯時(shí)要結(jié)合建筑物的特點(diǎn),來(lái)確定電梯的配置,其次才是電梯的舒適程度及能效。目前,電梯能耗評(píng)估的最通用的能效評(píng)估方法主要有三種：測(cè)量法、計(jì)算法和模型法。

3 測(cè)量法

選擇不同額定速度下的不同驅(qū)動(dòng)類型(液壓、D C渦流制動(dòng)、交流雙速和V V V F)的電梯,將電梯以空載狀態(tài)運(yùn)行于往返三層樓的高度,測(cè)定其能耗值。再將剛剛測(cè)定的能耗值乘以轎廂質(zhì)量的倒數(shù),由此計(jì)算出單位質(zhì)量轎廂的能耗值。將電梯的額定速度大小和電梯單位能耗值分別作為橫坐標(biāo)與縱坐標(biāo),在Doolaard下繪制不同驅(qū)動(dòng)類型電梯的的能耗曲線。

該能耗曲線能夠看出不同驅(qū)動(dòng)形式的電梯在設(shè)定行程下的能耗值。但是該方法存在一定的不足：其不能對(duì)其它狀態(tài)下的能耗進(jìn)行評(píng)估。原因電梯載荷是固定的,且電梯的額定速度測(cè)量范圍有限。有相關(guān)文獻(xiàn)根據(jù)Doolaard所提供的數(shù)據(jù),研究了不同電梯額定速度下的Doolaard曲線,擴(kuò)大了其使用范圍。

4 計(jì)算法

計(jì)算法是根據(jù)公式(1)得來(lái)的,其可以計(jì)算出一臺(tái)電梯一天(24h)所消耗的能量值。假定電梯每天平均運(yùn)行10層樓高,在公式(1)中：E表示每天電梯能耗,R表示馬達(dá)的額定功率,ST表示電梯每天啟動(dòng)的次數(shù)(估值),TP表示運(yùn)行時(shí)間(估值)。

ISO/DIS 25745-1提供了電梯能耗的一種估算方法,用公式(2)表示。公式中k1-k3分別表示驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)因素、平均行程因素和平均行載荷因素,H為最大形成,F為每年啟動(dòng)次數(shù),P為電梯額定功率,st為每年待機(jī)能耗。

從公式(1)和公式(2)中可以看到,公式中的參數(shù)(變量)很多,并且這些公式的得出都是有前提條件的。計(jì)算法有其特有的不足,其不能獲得電梯在多種狀態(tài)下的功率變化和使用情況,也沒(méi)有對(duì)電梯的結(jié)構(gòu)配置和速度曲線等因素進(jìn)行分析。但計(jì)算法能夠從額定功率、額定速度、驅(qū)動(dòng)方式和電梯使用狀態(tài)等因素對(duì)能耗進(jìn)行計(jì)算,得出估計(jì)值。

5 模型法

Elevate(電梯客流分析和仿真軟件)集成了幾種電梯能耗模型,模型參數(shù)分為標(biāo)準(zhǔn)和高級(jí)模塊兩類：在標(biāo)準(zhǔn)模塊中的主要參數(shù)有：運(yùn)行曲線、驅(qū)動(dòng)型式、額定載荷等;在高級(jí)模塊中需要設(shè)置的主要參數(shù)有：鋼絲繩密度、系統(tǒng)效率(100%、25%和0%載荷時(shí))和補(bǔ)償裝置密度等參數(shù)。在電梯能耗仿真過(guò)程中,Elevate應(yīng)用較為廣泛,但該軟件僅是在三種載荷下的多種因素中對(duì)電梯的能耗進(jìn)行推算,誤差很大,且Elevate作為一款商業(yè)化軟件,其能耗算法并未公開,在電梯企業(yè)中使用較多,但推廣困難。

6 結(jié)語(yǔ)

綜上所述,我國(guó)電力供應(yīng)的現(xiàn)狀不容樂(lè)觀,開發(fā)新型節(jié)能電梯勢(shì)在必行。但目前大多數(shù)能耗評(píng)價(jià)方法都具有一定的局限性,缺乏一種通用的并且計(jì)算相對(duì)準(zhǔn)確的一套電梯能耗評(píng)價(jià)體系,來(lái)指導(dǎo)電梯生產(chǎn)廠家進(jìn)行節(jié)能電梯的生產(chǎn),這將成為未來(lái)數(shù)十年研究的重點(diǎn)方向。此外,國(guó)家應(yīng)大力扶持節(jié)能電梯相關(guān)產(chǎn)業(yè),使之大范圍推廣并應(yīng)用。

[1] 陳建林,張少勇.我國(guó)電力需求與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)系分析[J].經(jīng)濟(jì)論壇,2005,(6)：39-40.

[2] 劉思強(qiáng),柏雪.現(xiàn)階段電力供需矛盾的成因與對(duì)策[J].大眾用電,2005,(5)：5-7.

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

[4] 萬(wàn)健如,劉英培,沈虹,等.電梯技術(shù)進(jìn)步與節(jié)能方式[J].中國(guó)電梯,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,張鵬,等.電梯能耗測(cè)量新方法[J].起重運(yùn)輸機(jī)械,2009,(9)：35-39.

[9] 劉劍,侯冉,李曉剛.電梯能耗的混合預(yù)測(cè)控制方法[J].沈陽(yáng)建筑大學(xué)學(xué)報(bào),2006,(2)：319-322.

[10] 張冀興.電梯能耗檢測(cè)方法的專利研究[J].中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品,2014,(7)：36.

[11] 王士琴.電梯能耗測(cè)量與能效評(píng)價(jià)方法的研究[D].上海交通大學(xué),2009.