曳引式電梯的節(jié)能設計分析

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)和硬件設施較為復雜,運行環(huán)境和條件比較多變,容易發(fā)生故障,導致能源消耗過大,嚴重時還會威脅電梯內乘客的人身安全。因此,如何對曳引式電梯進行節(jié)能設計,成為了相關領域設計人員共同關注的問題。

1曳引式電梯結構及工作原理

1.1電梯結構

按照軟硬件設施區(qū)分,曳引式電梯主要由電氣組件和機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)、導向系統(tǒng)、曳引系統(tǒng)、重量平衡系統(tǒng)、安全保護系統(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,將電能轉化為機械能,給曳引機提供驅動力,迫使曳引輪和鋼絲繩之間相對移動,從而產生摩擦力,驅動鋼絲繩,進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。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重量超過對重,或者轎廂下行過程中轎廂和轎廂內重量低于對重,都會觸發(fā)電機使曳引機啟動:在轎廂上行過程中,一旦轎廂和轎廂內重量低于對重,或者轎廂下行過程中轎廂和轎廂內重量超過對重,可以實現(xiàn)曳引機的驅動功能:只有當轎廂內部質量和對重質量均衡時,電機負載才會降至最低。

2能耗分析

2.1電梯能耗組成因素

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

2.1.1驅動系統(tǒng)

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

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速電機。目前由于能耗差別,交流雙速型曳引機所占市場份額很低,只有一些老舊小區(qū)內可能還用該型曳引機。而具備能源回收功能的交流變頻調速電機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構不同,其能耗量也有所區(qū)別:電梯目標客戶群體也有所區(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,即使電梯內沒有乘客或者貨物,其發(fā)電機仍處于發(fā)電狀態(tài),進而產生能耗:一旦曳引式電梯處于超重狀態(tài),此時發(fā)電機耗電嚴重,導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行分析,其主要原理是根據曳引式電梯轎廂的行駛狀態(tài)、各裝置間的配合關系以及輸入輸出功率進行合理的推理演算,關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、電能之間的相互轉換,還存在由于摩擦和電力轉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,會導致電梯的平穩(wěn)運行狀態(tài)發(fā)生改變。因此,需要根據電梯的實際運行狀態(tài)實時調整參數(shù),以合理制定曳引式電梯的節(jié)能方案。

3節(jié)能設計

3.1硬件設備節(jié)能改造

下面主要針對曳引式電梯的機械結構提出幾項節(jié)能設計建議。

3.1.1空間設計

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,根據建筑物結構,可以對井道進行一定的優(yōu)化處理,在保證井道空間的前提下,盡量減少曳引設備數(shù)量和大小。另外,根據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行調整,盡量避免升降速度和轎廂空間的浪費,從而達到節(jié)能目的。

3.1.2電路設計

由于曳引式電梯的工作特點是運行在四象限內,可針對此特征,對電路進行合理設計。在電梯軟啟動功能上,可以利用低電阻和串聯(lián)電抗進行優(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,可以設置對應的能量回收系統(tǒng),將其與智能電路模塊連接,實現(xiàn)轉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,通過可關斷器件將直流電流回饋到電網中,從而降低諧波污染,這種方法較上一種方法略為復雜,且成本較高。

3.2曳引式電梯的優(yōu)化調度

3.2.1多電梯協(xié)同調度

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)同調控系統(tǒng),合理調控電梯的運行,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)對于電梯的使用習慣不同,寫字樓又分為高層、中層和低層。因此可以根據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、低層進行分區(qū)域集中控制。另外,可以對電梯采取權限制,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)據等技術,根據人流和物流的數(shù)據收集和數(shù)據處理,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結語

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