曳引式电梯的节能设计分析

引言

电梯给人们的生活和工作带来了极大便利。在各类型电梯中,曳引式电梯的使用最为广泛。电梯的控制系统和硬件设施较为复杂,运行环境和条件比较多变,容易发生故障,导致能源消耗过大,严重时还会威胁电梯内乘客的人身安全。因此,如何对曳引式电梯进行节能设计,成为了相关领域设计人员共同关注的问题。

1曳引式电梯结构及工作原理

1.1电梯结构

按照软硬件设施区分,曳引式电梯主要由电气组件和机械硬件两大部分组成:按照系统组成区分,曳引式电梯主要包含电气控制系统、电气拖动系统、导向系统、曳引系统、重量平衡系统、安全保护系统、门系统、轿厢等8个主要系统。

1.2工作原理及特点

曳引式电梯的对重装置和轿厢分别通过曳引钢丝绳连接在曳引机两端,利用平衡对重的重力作用、钢丝绳与曳引轮间的相互摩擦力,实现轿厢的上下相对运动。其具体工作原理是:打开曳引机,将电能转化为机械能,给曳引机提供驱动力,迫使曳引轮和钢丝绳之间相对移动,从而产生摩擦力,驱动钢丝绳,进而拉动轿厢上下移动,实现人员或者货物的输送。曳引式电梯的主要工作特点是其工作范围被限定在四个象限内。轿厢上行时,对重下行:轿厢下行时,对重上行,总之轿厢和对重一直是反向运动。在轿厢上行过程中一旦轿厢和轿厢内重量超过对重,或者轿厢下行过程中轿厢和轿厢内重量低于对重,都会触发电机使曳引机启动:在轿厢上行过程中,一旦轿厢和轿厢内重量低于对重,或者轿厢下行过程中轿厢和轿厢内重量超过对重,可以实现曳引机的驱动功能:只有当轿厢内部质量和对重质量均衡时,电机负载才会降至最低。

2能耗分析

2.1电梯能耗组成因素

曳引系统、驱动系统、照明暖通等都会产生能量损耗,其中曳引系统和驱动系统能耗占比最高,两者达到总能耗的3/4。下面分析曳引系统、驱动系统以及照明暖通的能耗。

2.1.1驱动系统

驱动系统能耗即电动机能耗,驱动系统功率越大,其能耗自然越大。因此,有必要对电梯驱动系统能耗进行分析。从驱动系统功能来说,电梯的启动加速、平稳运行及减速等都与驱动系统有直接关系,在节能降耗的设计过程中,应结合不同形式的驱动系统,有针对性地进行节能设计。

2.1.2曳引系统

在曳引系统中,相对于钢丝绳、对重平衡装置而言,曳引机是最大的能耗损失装置,耗能最小的是具备能源回收功能的交流变频调速电机。目前由于能耗差别,交流双速型曳引机所占市场份额很低,只有一些老旧小区内可能还用该型曳引机。而具备能源回收功能的交流变频调速电机由于其造价和故障率较高,也没有得到大范围推广。交流变压变频调速电梯凭借其良好的使用性能和可靠性被广泛使用。

2.1.3照明暖通

照明暖通能耗损失较小,且其能耗不会突变,能耗损失稳定。目前很多小区都采用了节能灯和节能风扇,一般夜间或者电梯不运行时均处于休眠状态,在有乘客时才会自动启动。但在实际中,由于各个建筑物单体结构不同,其能耗量也有所区别:电梯目标客户群体也有所区别,办公楼和住宅区的电梯运行行程和时间点各异。但是不管哪一类型的电梯,其基本运行规律以及能耗规律大同小异。一般来说,电梯行程量越大,其电梯能耗越大:累计行程量越小,能耗越低。对于没有安装能量回收装置的曳引式电梯来说,即使电梯内没有乘客或者货物,其发电机仍处于发电状态,进而产生能耗:一旦曳引式电梯处于超重状态,此时发电机耗电严重,导致曳引式电梯的整体能耗激增。

2.2电梯能耗建模

曳引式电梯的能耗可以通过建立能耗模型进行分析,其主要原理是根据曳引式电梯轿厢的行驶状态、各装置间的配合关系以及输入输出功率进行合理的推理演算,关键是如何搭建各种能耗模型。在建模过程中,需要全面考虑曳引系统、轿厢、对重平衡装置等组成部分,明确各部分工作性能和能耗情况。根据能量守恒原理,曳引式电梯上下运动主要是动能与势能、电能之间的相互转换,还存在由于摩擦和电力转换所引起的能量损耗。所以说,按照曳引式电梯的工作流程,结合各部分工作性能,曳引式电梯的能耗建模参数主要包含曳引机的输出力矩,各部分的效率、速度及角速度。在建模过程中,如果这些参数值发生变化,会导致电梯的平稳运行状态发生改变。因此,需要根据电梯的实际运行状态实时调整参数,以合理制定曳引式电梯的节能方案。

3节能设计

3.1硬件设备节能改造

下面主要针对曳引式电梯的机械结构提出几项节能设计建议。

3.1.1空间设计

电梯的主要功能是输送人员或者货物,需要占用一定空间。对于曳引式电梯而言,根据建筑物结构,可以对井道进行一定的优化处理,在保证井道空间的前提下,尽量减少曳引设备数量和大小。另外,根据实际的人员和货物情况,需要对曳引式电梯的行驶速度以及轿厢空间进行调整,尽量避免升降速度和轿厢空间的浪费,从而达到节能目的。

3.1.2电路设计

由于曳引式电梯的工作特点是运行在四象限内,可针对此特征,对电路进行合理设计。在电梯软启动功能上,可以利用低电阻和串联电抗进行优化,实现节能效果。

3.1.3能量回收

曳引式电梯在满载和空载状态时,可以设置对应的能量回收系统,将其与智能电路模块连接,实现转换和利用电能的目的。能量回收的具体形式如下:将有源逆变器外接变频器,连接方式为并联,以此得到电网中的反馈能量,从而实现能量回收。这种方式成本较低,而且安装比较简单,可靠性高。另外,还可采用PwM控制方法,通过可关断器件将直流电流回馈到电网中,从而降低谐波污染,这种方法较上一种方法略为复杂,且成本较高。

3.2曳引式电梯的优化调度

3.2.1多电梯协同调度

对于某一栋建筑配置有多部电梯的情况,可以配置多电梯协同调控系统,合理调控电梯的运行,在有效减少升降次数的前提下,降低电梯能耗。

3.2.2优化电梯控制方式

办公楼和住宅区对于电梯的使用习惯不同,写字楼又分为高层、中层和低层。因此可以根据不同的需求和使用程度,优化电梯的控制方式。例如,住宅区的电梯控制方式可以采用下集选控制方式、信号控制方式或按钮控制方式等:而写字楼可以按照高、中、低层进行分区域集中控制。另外,可以对电梯采取权限制,例如采用智能卡模式,给不同的人群提供不同的电梯权限,可以有效提高电梯工作效率,降低能耗。

3.2.3智能控电

如商场、会议大楼等建筑物,由于人流量集中且规律,可利用大数据等技术,根据人流和物流的数据收集和数据处理,对电梯实行智能控电,使其得到最大限度地利用,以减少能耗。

4结语

本文以曳引式电梯为例,分析了其工作原理,通过构建电梯能耗模型,对能耗进行分析,在此基础上提出了曳引式电梯的节能设计方案,为我国电梯节能技术的研发及创新提供一定的理论参考。在今后电梯的设计、安装、使用过程中,需要更加深入地分析其能耗情况,并根据具体情况进行优化,将电梯能耗降到最低范围内。