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第 6 卷 第 1 期2023 年 2 月Vol.6 No.1Feb.2023西部特种设备WESTERN SPECIAL EQUIPMENT电梯技术发展趋势与典型案例赵宏伟（忻州市综合检验检测中心山西忻州034000）摘 要：高效的垂直移动电梯是高层建筑开发和施工的关键组成部分。本文通过查阅最近的重大项目中电梯实施的最新技术创新，研究了电梯技术的最新发展，组织和整理了有关电梯技术发展的多个方面的复杂且分散的信息，并探讨了它们对高层建筑发展的影响，为电梯制造业进一步降低成本、提高性能、并提高能源效率提供有益的解决思路。关键词：电梯；能源；成本；绿色中图分类号：TU857 文献标志码：B 文章编号：2096-4765（2023）01-049-005Development Trend and Typical Cases of Elevator TechnologyZhao Hongwei（Xinzhou Comprehensive Inspection and Testing Center,Xinzhou,Shanxi 034000）Abstract:Efficient vertical mobility is a key component of high-rise building development and construction.This paper studies the latest development of elevator technology,organizes and sorts out the complex and scattered information about the development of elevator technology,and discusses their impact on the development of high-rise buildings.It provides useful solutions for the elevator manufacturing industry to further reduce costs,improve performance and improve energy efficiency.Keywords:Elevator；Energy；Cost；Green收稿日期：2022-11-8 作者简介：赵宏伟（1988），男，硕士，工程师，主要从事特种设备质量检验检测与技术改进工作。引言现代城市的快速发展，垂直交通起到了关键作用。现在每天全球高层建筑中有超过 70 亿次的电梯运行，高效的垂直运输对建造越来越高建筑的能力有直接的影响。与此同时，电梯制造商之间竞争也日趋激烈，电梯建造也更快、更高效、更安全、更舒适和更经济，过去 20 年来，电梯的进步可能是高层建筑业中的最大进步。“绿色”理念已成为一种新兴的占主导地位502023 年 2 月西 部 特 种 设 备的建筑设计理念，越来越多的建筑物以“绿色”理念进行设计制造。“绿色”理念大部分侧重于降低能源消耗，目前建筑物消耗了全球约 40%的能源，而电梯占建筑物能源消耗的 2%10%，在高峰使用时段，电梯可能消耗高达 40%的建筑能源1-2。因此，节能电梯在如今碳减排的大环境下更显重要。新型节能电梯不仅消耗更少的能源，而且可以产生清洁能源。电机、再生转换器、控制软件、对重优化和轿厢照明等新技术的应用可以显著节省能源和降低成本。与使用旧型电梯的建筑物相比，新型电梯的效率提高约 30%40%3。目前，各产业机构正在对较新和较旧的电梯技术的能耗进行定量研究，以评估新技术的价值。国际标准电梯的能源计算和分类标准（ISO 257452：2015）可用于估算电梯能耗，为不同类型的电梯提供测量值和计算，并根据电梯的系统能耗数据进行分类。1 电梯技术发展1.1 交流、直流电机电梯技术的重大进步之一是用更高效的交流电机取代传统的有刷直流（直流）电机。在 20 世纪 90 年代之前，直流电机的电源更容易控制电梯的加速、减速和停止，且货运电梯的舒适性和速度不如乘客电梯重要，故电梯系统常依赖于直流电源，交流电源通常仅限于货运电梯。20 世纪 90年代末，因为电机控制器技术已经足够先进，可以调节交流电，从而实现轿厢平稳的停止、加速和减速，较多的电梯已经转而使用交流电机。1.2 齿轮和无齿轮马达高层建筑通常采用能够高速或变速运行的齿轮或无齿轮曳引电梯。在齿轮传动系统中，电机驱动一个减速齿轮箱，其输出转动滑轮，绳索在轿厢和配重之间且穿过该滑轮。相比之下，在无齿轮电梯中，驱动滑轮直接连接到电机，从而消除了齿轮系统的能量损失，因此无齿电机的一个主要优点是可以比减速电机节省约 25%的能量4。由于无齿电机具有更高的扭矩并以更低的转速运行，其运行速度更快，使用寿命更长。但无齿轮电梯的主要缺点是成本较高，其材料、安装、维护成本通常比齿轮式电梯更昂贵。尽管成本较高，但因为效率更高、使用寿命更长的原因，如今越来越多的建筑工程使用交流无齿轮电机。1.3 无机房（MRL）技术无机房（MRL）技术于 20 世纪 90 年代中期推出，是电梯设计自一个世纪前电动化以来最大的进步之一。企业重新设计了通常安装在机房中的电机和所有其他设备，无须再额外建造电梯机房，以适应建筑业的要求。过去电梯设备非常庞大，需要一个专用机房，其通常设置在建筑物井道上方的屋顶，且机房由于需要支撑重型机械，成本高昂。如今 MRL 电梯越来越普遍，MRL 系统与再生制动器结合使用时会变得更加节能。1.4 电梯能量回馈装置电梯能量回馈装置是节能电梯技术的另一个显著进步，其提供了回收能源而不是将其作为热量散失的能力。电梯能量回馈装置的工作原理是捕获和转换制动使用的能量，以用于电梯的运行。具体来说，曳引电梯使用对重来平衡电梯轿厢和乘客的重量，对重的最佳质量是轿厢额定容量的40%50%。运行过程如果对重太重或太轻，那么电梯将使电机和制动系统过度工作。相反，同等重量的轿厢和对重在上下两个方向上都能有效地平衡使用。当电梯轿厢的负载小于或大于额定重量的50%（上行轿厢很轻，或者下行轿厢很重）时，电梯会施加额外制动以保持其额定速度。制动过程通过允许交流电机作为发电机运行，将机械能转换为电能，电能由特殊的热电阻器转化为热能，第 6 卷 第 1 期51赵宏伟：电梯技术发展趋势与典型案例再生制动器捕获能量并将其引导回建筑物或城市电网。运行过程无须冷却传统电机产生的多余热量的设备，从而节省了额外的能源。因此可以比非电梯能量回馈装置电梯使用更少的能量。随着时间的推移，多次少量的能源利用和每天节省的电能累计起来可以节省大量能源。一般再生制动器可以降低 20%40%的能耗5。其最终的节约能量取决于几个因素，包括：行程长度、使用频率、使用模式以及设备使用年限。总体而言，行进距离越长，行程次数越多，产生和回收的能量就越大。1.5 电梯绳索电梯绳索是曳引电梯的重要组成部分，其将电梯曳引机、轿厢、滑轮和对重连接起来。传统绳索由钢制成，钢的强度足以保证各部件连接强度。然而，在超高层和超超高层建筑中，随着绳索的变长，绳索会变得非常重。绳索重量随着高度呈指数级增长，在非常高的建筑物中，绳索可能会因为拉伸太长，增加数十吨的额外重量，进而导致绳索断裂。在超高建筑物中，电梯重量的近 70%来自于绳索，当绳索太长时，将无法支撑自身的重量6。以通力一款电梯为例，在 500 m 的行驶距离内，额定载荷为 2 000 kg 的电梯的总钢丝绳重量约为 27 000 kg。钢丝绳需要随着电梯加速和减速，并且随着高度的增加，启动电流和能耗迅速增长。当一根 50 t70 t 重的绳索仅移动 21 名乘客时，电梯系统的使用效益明显降低。超长绳索的另一个重要问题是，在强风中，其会发生摇摆和振动，会对井道和自身造成损坏。针对这些问题，电梯企业一直在努力提高电梯绳索能力。迅达发明了芳纶纤维绳，比传统的钢丝绳更坚固，更轻便。同样，奥的斯设计了紧凑型 Gen 2 电梯，用封装在聚氨酯护套中的超细线缆代替钢丝绳。奥的斯宣传其新的悬挂系统比其传统钢缆更坚固，使用寿命更长。以同样的方式，三菱制造了一种更坚固、更致密的绳索，其中包含同心层钢丝，这些更坚固、更轻便的线缆使得移动和运输电梯轿厢所需的能量更少，从而显著节省了电力。1.6 孪生系统德国蒂森克虏伯与爱神集团联合开发了一种用于高层建筑的 TWIN 系统，优点是两个轿厢在单个井道中独立运行。该系统在彼此重叠运行的两部电梯（上下轿厢）之间保持安全距离，与传统电梯相比，因为将所需的井道数量减少了三分之一，故 TWIN 系统节省了空间，在一栋 31 层建筑的每层安装两个更小的电梯井和一个较小的大堂，总建筑面积节省了 830 m2以上7。除了释放有用的空间外，TWIN 系统还减少了井道所需的建筑材料，从而降低了成本。同一井道内还有一台同时用于两台电梯的控制器，从而进一步节省了空间和能源。通过计算机智能系统，TWIN 系统优化了两个轿厢的运行，为乘客分配了最有效的目的地，提供了高效的服务，最大限度地减少了等待时间，并减少了停留和空车行程，可以节省更多的能源。TWIN 轿厢可以在井道中以高达 7 m/s 的速度向上行驶，以约 4 m/s 的速度向下行驶。当应用 TWIN 系统时，它通常与非 TWIN 电梯混合使用。后者为想要直达的乘客提供服务，例如，从最低楼层到顶层，反之亦然。1.7 目的地调度系统在传统的呼叫系统中，用户按下上下按钮，电梯响应呼叫。该系统在“垂直客流量”低且不会遇到“高峰时段”交通的建筑物中运行良好。在繁忙的运行时段，按下许多按钮将导致较多电梯对应呼叫，增加运行和等待时间。在高速电梯中，如速度为6 m/s，每次停留可能需要多达10 13 s。为了解决这个问题，电梯设计人员发明了目的地调度系统（DDS）。它是在 20 世纪 90 年代522023 年 2 月西 部 特 种 设 备微处理器容量激增之后首次推出的。DDS 是一种用于多电梯安装的优化技术，它将相同目的地的乘客分组到相同的电梯中。该系统实时分析乘客的输入数据，并有效地对目的地进行分组，从而减少每部电梯行程中的停靠次数。使用目的地操作面板（DOP）上的键盘或触摸屏输入目的地后，系统会快速发出信号，并将每位乘客引导到指定的电梯。DDS 能降低能耗，减少等待时间，并最大限度地减少建筑大厅和走廊的拥挤和拥堵。DDS 的制造商声称，其平均运行时间可以减少约 30%。在具有该调度系统的典型 16 层建筑中，电梯的平均等待时间为 13 s，而在具有传统系统的同一建筑物中，电梯的平均等待时间为 138 s。除了节省时间外，因为每个乘客都直接前往特定的电梯，无须急于到达每个到达的电梯，因此还简化了行人交通流量。该系统还改善了便捷性，因为行动不便的乘客可以提前移动到指定的轿厢。由于处理大量人员的效率提高，DDS 在电梯的“高峰时段”最受欢迎。此外，DDS 还减少了所需的电梯数量，因为电梯的停靠次数更少，降低了磨损系数。1.8 人流解决方案与 DDS 类似，人流解决方案旨在适应人员流动并管理电梯需求，但主要是在极端情况下。以沙特阿拉伯的 Abraj Al Bait 酒店大楼为例。该建筑群包括 7 座塔楼，包括最高的钟楼、高达 601 m的皇家钟楼以及一个 15 层的裙楼。如要将居住在建筑中的 75 000 人在 30 min 或更短的时间内进行5 次集中，然后在类似的时间内将他们带回酒店。传统方案则需在酒店大楼内实施 180 多部电梯和100 多部自动扶梯。通力电梯设计人员仔细研究了解“人流”并提供最佳解决方案，该方案包括94 部直梯和 16 部自动扶梯，每个大型轿厢可最多容纳 54 名乘客，同时还实施了一种具有人工智能功能的特殊群控软件，用于学习和跟踪乘客的交通模式，以优化人流解决方案。1.9 待机解决方案待机解决方案需在电梯设备不使用时关闭其电源，从而节省大量能源，特别是在电梯使用率较低的建筑物中。无人使用时电梯轿厢内传感器和软件自动切换到“睡眠模式”，关闭灯光、风扇、音乐和视频屏幕。备用解决方案的节能效果取决于多个因素，在电梯总消耗的25%80%之间变化，其包括每个楼层和电梯轿厢内使用的控制系统、照明类型、楼层显示器、操作控制台等。例如，电梯轿厢内的照明可以在重量传感器“感觉”到里面没有人后 40 s 关闭，降低待机功率可以大大减少总能耗。1.10 高能效软件新的电梯控制软件可以用于电梯交通研究。通过观察和研究电梯运行的不规则性、行驶的楼层数、峰值负载期以及低负载和空载行程，研究人员可以创建能耗模型，以帮助制定有效的控制策略并为最佳电梯管理提出建议。2 案例研究上海中心大厦是不断发展的上海天际线中的一个新的标志性建筑，它包含超过 41 万 m2的地上空间和 16.8 万 m2的地下空间。其电梯系统由三菱公司生产的 106 部电梯组成。三组超高速电梯，直接在地下 2 层和 119 层的观景台之间以 18 m/s 的速度行驶，是世界上最快的电梯之一。从地下室到观景台的旅程，565.4 m 的距离只需要大约32 s。四组双层电梯在 1 楼和 101 楼的酒店大堂之间以 10 m/s 速度行驶。所有电梯都配备了节能解决方案，包括再生转换器和组控制系统，可将能耗降低多达 30%。电梯轿厢顶部和底部的采用空气动力学设计用于第 6 卷 第 1 期53减少高速行驶时的空气阻力和风噪声。轿厢悬挂在一组先进的 sfleX 绳索的一端，另一端悬挂着一个 13 t 的配重。sfleX 绳索由用塑料包裹的高强度钢丝线制成，允许在紧急制动下承受超过 85%的负载，而绳索的重量仅增加 18%。电梯井顶部的310 kW 精密电机通过转动滑轮来升高和降低轿厢。为了确保电梯在更高的速度和更长的行驶距离下的安全性，三菱提出一种新的制动解决方案。如果“绳索被剪切”，安全齿轮将自动激活制动器，进而抓住导轨。使用陶瓷制动器的新型双层制动系统能够有效承受冲击和超过 1000的过热。因此，在正常运行期间，盘式制动器会作为制动机构，如果系统检测到轿厢移动过快，会触发轿厢底部的安全机构来抱紧导轨，将其停止在 15 m 以内。由于安装了主动滚轮导轨，乘客在电梯行驶过程中感受到的振动要少得多。电梯在两个坚固的导轨上行驶，主动滚柱导轨通过振动来吸收高速抖动。连接到轿厢的加速度计在微晃动时会感应到振动，然后滚轮内的电磁执行器将轿厢向相反的方向微小地推动。此外，在轿厢周围安装了隔音设备，以确保静音。轿厢内还实施了气动系统来处理气压差以防止乘客耳朵受伤。中央计算机确定何时以及以何种顺序派遣电梯来接载乘客，这样可以最大限度地减少等待时间，同时防止任何两部电梯并排运行，在井道中产生风噪和过大压力。3 总结本文重点介绍了电梯技术的最新进展，包括提高速度，节省能源，减少等待时间，降低成本，所有这些都有助于建造越来越高的建筑物。大规模的城市化也对环境提出了巨大的要求，因此电梯行业未来的研究将继续专注于开发节省空间和节能的“绿色”电梯，这些电梯将采用更高效的电机、更坚固的材料和更智能的调度系统，目前一些机构正在研究提供零能耗甚至“正”能电梯，如太阳能电梯或电磁悬浮系统。新型电梯不断采用多种先进技术的组合，逐渐提高和优化速度、容量、控制、能源效率、舒适性和安全性等参数，进而增强未来高层建筑开发的可持续性。参考文献周璐璐，卢俊文，陈敏.曳引式电梯的能耗分析及节能方法探讨 J.中国电梯，2021，32（22）：40-42.薛季爱.电梯节能技术M.长沙：湖南大学出版社，2016.田学成，李重远.电梯节能技术的现状与研究方向J.低碳世界，2016，（19）：266-267.于长顺，于洁聪.浅析电梯节能问题 J.中国设备工程，2018，（14）：85-86.张帆，王盛慧.电梯能量回馈装置的节能性研究J.科学技术创新，2019，（8）：141-142.De Jong.J.Innovative Elevator Technologies to Future Proof Your BuildingJ.CTBUH，2014:817-823.Lau,T.Power,Elevator and Customer-Oriented Sustainability StrategiesJ.CTBUH,2014:84-93.1 2 34567赵宏伟：电梯技术发展趋势与典型案例