能源代码开发，第二部分

本系列的第一部分（《电梯世界》，2014 年 XNUMX 月）讨论了电梯的发展历史 升降机及自动梯装置能源效益实务守则 (CoP) 适用于香港的电梯、自动扶梯和自动人行道。 CoP 现在已合并到合并卷中 屋宇装备装置能源效益实务守则 (BEC) 于 2012 年发布。还强调了欧洲的并行发展。

第二部分将研究 CoP 及其指导方针的一些技术细节和问题，并讨论你的作者在大约 10 年前建议的基准参数和电梯节能方法。 为清楚起见，本文中的“CoP”指的是之前（2000-2011）版本或当前 BEC 中与电梯相关的部分。

CoP 上的 TG^[1]

香港机电工程署 (EMSD) 于 2012 年出版了一套技术指引 (TG)，以澄清守则中的条款并提出遵守这些条款的方法。 本文将首先讨论如何以直接的方式满足 CoP 要求，而那些需要特殊考虑的问题将在稍后逐节讨论。

实际上，CoP 或 BEC 并未涵盖建筑物内所有类型的固定垂直或水平运输系统。 这里给出了一些例子，包括机械化停车系统、货物升降机、楼梯升降机、齿轮齿条升降机和后台升降机。 CoP 中提供了一些表格，用于控制当轿厢满载并向上移动时，牵引升降机驱动器和液压升降机（以 kW 为单位）在不同额定容量（以 kg）和额定速度（以 mps 为单位）下的最大电力消耗。 例如，额定起重量在1350公斤（含）和1600公斤（不含）之间，额定速度在4 mps（含）和5 mps（不含）之间的牵引升降机的限制为49.4千瓦。 当额定容量超过 5000 kg 时，可用公式（而不是规定数字）来表示限制。 在这种情况下，用户需要根据公式进行计算才能达到极限。 例如，容量超过 5000 kg 且额定速度范围介于 2 mps（含）和 2.5 mps（不含）之间的电梯的方程式为：

 话虽如此，有些升降机不受此限制。 例如，额定速度不低于 9 mps 的超高速电梯，服务于 50 层以上的区域（顶部和最低平台之间的距离超过 175 m），额定载荷等于或大于 5000 kg 且额定速度的电梯3 mps 或以上，消防员升降机和空中大堂穿梭升降机仅服务两个主要站点。 对于液压升降机，额定速度不是条件，因为它们通常运行缓慢。 例如，额定载荷在3000公斤（含）至4000公斤（不含）之间的液压升降机的最大电功率为92.2千瓦。

对于自动扶梯，当自动扶梯空载并以额定速度运行时，驱动器消耗的电能由不同标称宽度（600、800 和 1,000 毫米）、垂直高度（米）和额定速度下的表格控制。 就自动扶梯的功能而言，还附加了三个条件：非公共服务、公共服务和重型。 例如标称宽度为1,000毫米的非公用扶梯的限制，垂直上升在5 mps（含）和6.5 mps（不含）之间，速度范围在0.6 mps（含）和0.75 mps（不含）之间是 3.23 千瓦。 香港是一个人口极其密集的大都市，地铁在高峰时段非常拥挤。 为地铁站提供服务需要重型自动扶梯，在 CoP 中定义如下：

• 连续运行不少于 20 小时。 一天，一周 100 天，交替制动负载为 1% 满载，持续 50 小时。 并且在接下来的一小时内至少有 XNUMX% 的制动负载
• 每个平台不少于四个平坦的台阶
• 自动扶梯支撑结构的最大挠度不超过支撑间距的 1/1,500。
• 通过将可见台阶数乘以 120 kg 给出制动负载。
• 链轮直径不小于100mm。

倾斜度不超过6°的自动人行道按长度、宽度、额定速度、非公共服务和公共服务进行管理。 例如宽度为1,000mm、长度范围为16m（含）至20m（不含）、速度范围为0.6mps（含）至0.75mps的非公共服务客运输送机的最大允许电力（不包括）是 4.703 千瓦。 如果宽度为 1,000-1,400 毫米，则该限值是通过对表格内的数字进行插值获得的。

电梯停放模式的可用性以及电梯空转和空调的自动开/关很简单，无需在此讨论。 对于空调，CoP 要求一旦关闭，不能立即打开，即使有乘客走进电梯轿厢。

据了解，在一些城市，电梯在空闲时也会关闭车内照明。 您的作者不支持这样的想法，因为与整个电梯的总闲置消耗相比，轿厢内的灯具（通常只有几十瓦）的能耗通常可以忽略不计。 此外，大多数装置仍为放电型（荧光灯管、紧凑型荧光灯等），由于其使用寿命与开关循环次数成反比，因此不适合频繁开关。 尽管如此，LED灯越来越受欢迎。 如果它们被广泛应用于车内照明，那将是另一个考虑因素。

在我们讨论特殊问题之前要讨论的最后一个项目是提供计量设施。 电气参数，包括电压、电流、总功率因数、总谐波失真、能源消耗和电梯、自动扶梯和自动人行道的最大需求（以 kVA 为单位），将根据 CoP 进行测量。 为每个安装配备的联网永久仪表非常适合这一点，因为业主和维护承包商可以远程持续监控电梯性能。 但是，如果这成本太高，则允许进行测量。 电柜或接线盒可以安装在升降机上，以方便连接和随后拆卸计量装置。 此类连接/拆除操作不得因任何停止或中断而影响电梯的正常运行。 对于自动扶梯和自动人行道，必须打开平台或检查门以进行连接/拆卸。 一旦这些板或门打开，就需要安全开关来停止自动扶梯和自动人行道的运行。

总谐波失真（THD）

电能质量是当今业界最关注的问题。 讨论的主题通常是系统或设备的电源电压质量，可以通过一组参数来描述，^[2＆3] 包括：

• 电压波动（骤升或骤降）
• 电压骤降
• 电压不平衡
• 电源频率变化
• 感应低频电压
• 交流网络中的直流分量
• 辐射低频现象
• 谐波和间谐波

国际标准^[4＆5] 可用于电能质量。 虽然关注的是电压，但读者可能已经听说过更多关于电流谐波的信息。 为什么？ 半个世纪前，所有电器（如电机和白炽灯）本质上都是电阻性、电感性或电容性的。 这些设备被认为是无源的，这意味着它们绘制的电流波形与施加到它们的电压波形具有相同的形状。 交流电压的频率通常为 50 或 60 Hz（f₀) 并以发电厂的固有正弦形状生成。 “正弦”是指可以由以下等式唯一描述的波形：

电子设备在 1960 年代后期变得非常流行。 如今，要找到一种仍然是纯电阻、电感或电容的设备非常困难（尽管并非不可能）。 电子（固态）设备本质上是有源的，这意味着它们的电流和电压波形明显不同（不再是正弦波，如图 1 所示）。 为了分析它笨拙的形状，我们可以使用傅立叶方程，它告诉我们任何周期波形， f(t)，任何形状都可以由无数个正弦波形的组合来表示：

在这里， n 被称为“谐波数”，基波是指 n = 1（即，通常为 50 或 60 Hz）。 对于每个 n，有一个幅度 A_n 和相应的相移 ø_n。 这里， A 可以是电压或电流。 换句话说，高频分量的存在被用来描述不是纯正弦的波形。 虽然关注的是电压，但问题涉及电流。 The source 来自发电厂的电压通常是正弦波，但电力必须通过构成输配电网络的电缆传输给用户。 这种电缆具有电阻、电感和电容。 电感的影响随着频率的增加而增加。 由电子设备汲取的电流，如果具有谐波，则会导致在相应较高频率的电缆两端存在电压降。 再次使用傅立叶方程，公共耦合点（例如靠近设备的建筑物的电源点）处的合成电压波形不再是正弦波（图 2）。 换句话说，有源设备吸收大量谐波的电流会导致电源点的电压波形不佳，这对连接到公共耦合点的所有其他设备都是有害的。 这就是为什么必须减轻电流谐波的原因。

THD 是描述谐波失真严重程度的一个有用参数，它适用于电压和电流。 他们的定义也在 BEC 中采用，如下所示：

在这里， V1 和 I1 被称为基本面。 在 CoP 中，表格给出了升降机、自动扶梯和自动人行道的 THD 限制。 例如，如果电梯满载向上行进的基波电流在40A（含）和80A（不含）之间，则THD不得超过35%。 尽管世界上几乎所有的电气工程学校都教授过这两个方程，但我可以向我的读者保证，它们是不切实际的。 地球上没有任何仪器可以测量电压或电流，以根据这两个方程给出准确的 THD 值。 问题来自无穷大这个词。 因此，在 TG 中，THD 最多只能测量到 31 次谐波（n 31）。

总功率因数

总功率因数 (TPF) 是基波的有功功率 (kW) 与包含基波和所有谐波分量 (kVA) 的视在功率之比。 “双瓦特计法”是一种标准技术，用于测量任何三相三线系统的总有功功率。 瓦特表 1 测量线路 1 的电流，以及线路 1 和 2 之间的电压。瓦特表 2 测量线路 3 的电流和线路 3 和 2 之间的电压。两个瓦特表的有功功率值相加后得出总和有功功率。 有时（特别是三相不平衡时），一个瓦特表可能会给出很大的正值，而另一个可能会给出很小甚至负值。 总和总是正确的答案，这就是这种方法的美妙之处。 无论相序如何，任何线路都可以是任何相。

现有的电梯驱动器存在两个问题。 首先，通常只有三根电线从三相连接到驱动器（没有中性线）。 其次，很难为驱动器提供完全平衡的电源（即，并非所有三个线电压和电流都相等）。 幸运的是，无论电压平衡或电流如何，“双瓦特计法”都足够准确。 至于视在功率，这在三相系统中传统上由以下等式定义：

如果电压和电流不平衡，线电压应该选哪两相，线电流应该选哪一相？ TG至少提供了一个解决方案，尽管学术背景不够强大。 三个线电压的平均值被视为 VL，三个线电流的平均值被视为 IL.

最后要提到的 TPF 一点是，可以在现场测量牵引和液压升降机的 TPF，但不能测量自动扶梯和自动人行道，因为强加的条件是自动扶梯或输送机必须在运行时驱动制动器（满载）测量 TPF。 可以将虚拟负载放置在电梯轿厢内，但不能放置在自动扶梯台阶上。 如果在自动扶梯的所有可见台阶上放置与制动负载相等的虚拟负载，则它无法开始向上运行。 如果允许它向下运行，则在完成任何测量之前，假负载将在较低的着陆井上破碎。 毕竟，如果允许自动扶梯在每个可见台阶上都带有假负载向下移动，那么它就不会驱动满载。 因此，TG指导设计人员或顾问通过理论计算来估算TPF，而真正的实验只能在工厂（而不是现场）进行。

电梯能源性能标杆参数

通过查看香港 BEC 的 CoP 中的最大允许功耗，以及根据欧洲 VDI 4707 和 ISO 25745 的空车参考运行期间消耗的比能量，读者可以得出结论，目前，几乎所有的能源现有规范仅关注电梯驱动器的能源效率。 也许人们并不知道电梯系统的智能监控控制器实际上负责整体能源效率。 在楼宇自动化行业，它通常被称为“好管家”。 关于这个问题的讨论超出了本文的范围，但我想引用以下类比。

对于仅使用 3 小时的房间。 一天，哪种方法消耗更多能源： 90% 效率的灯运行 24 小时。 一天或效率为 87% 的灯只工作 3 小时。？ 近十年来，作者一直在推动将监督控制纳入能源效率的考虑，但问题是缺乏一个普遍可接受的参数，可以兼顾电梯驱动器和调度员。 一个基准参数称为 J/kg·m 大约十年前由你的作者提出。^[6＆7] 巧合的是，它显然与VDI 4707的特定运行能量具有相同的维度，但概念却完全不同。 后一个数字是通过测量运行一个参考周期的空电梯消耗的能量获得的。

J/kg·m （也提到 CIBSE 指南 D：建筑中的交通系统 2010)处理电梯轿厢在正常负载情况下的日常操作。 该参数可以反映一部电梯或一组电梯的能源性能，包括电机驱动的功耗以及监控的智能性。 J/kg·m 现在在 TG 中被推荐为一种新兴的良好工程实践。 需要三个参数来评估 J/kg·m: 总能量 (E_T) 在固定时间段内消耗 (T), 车载 (W) 和行驶距离 (D）。 中 T，一个 N 电梯轿厢的刹车到刹车行程次数，每趟行程载有 W 运行 D，与行进方向无关。 制动器到制动器的行程在松开制动器时开始，并在再次施加制动器时结束。

 之前的一些测量表明，一个非常节能的电梯及其相应的智能监控可以达到 30 J/kg·m （越低越好）。 强烈建议读者在他们的安装中实现这个参数，这样就可以建立一个庞大的数据库。 整个 24 小时。 日， J/kg·m 在非高峰时段可能会上升到一个巨大的值，因为在流量极低（小 W 和小 D）。 因此，一系列运行窗口的平均值，（例如， T = 2 小时。）和运行增量间隔（例如，15 分钟）将给出一个公平的结果。

配重调整方法

基于所提出的参数开发并成功测试了一种节能方法。^[7＆9] 目前，配重设置纯粹是基于安全考虑，在空载和满载条件下都可以获得良好的牵引力。 通常，此设置为电梯轿厢额定容量的 50%。 建议的方法允许在安全范围内（例如，40-60%，取决于绳索布置的类型）重新调整配重设置。

首先进行一系列实验以开发特定电梯在负载（0/20/40/60/80/100%）、区域（低/中/高层）、方向（向上）方面的能耗数据库/向下）、行程距离（一/二……地板跳跃/全行程）和配重设置（40/45/50/55/60%）。

电梯正常运行时，中央服务器记录每次刹车到刹车的行程数据，包括时间、轿厢载重、方向、行程距离和区域。 例如，每两周执行一次计算机模拟，以找到对应于最低能耗的过去两周的最佳配重设置。 如果交通模式或多或少保持不变，那么最佳配重设置可以确保电梯在未来两周内的能耗最低。 一年后，特定电梯的总能量分布是已知的，即使预测准确，设置也可以更加智能。

结语

本系列介绍了香港升降机及自动梯相关能源规范的发展历程，以及它们在欧洲的平行发展历程。 还讨论了香港能源法规中的技术细节和问题。 提出并解释了一个通用基准参数，用于比较不同类型电梯的能量性能，而不管它们的上升、负载和速度。 从统计上讲，通过关注驱动器和监控控制，可以公平地表明特定电梯或电梯组是否节能。 还提到了通过重新调整配重设置来节省电梯能源的技术。

目前，能源规范在全球范围内仍未被广泛采用（与安全规范相反）。 作者希望这些文章能够帮助工程师们参考香港和欧洲的经验，起草或改进能源规范，或者更好地实施这些规范。

案例
[1] 机电工程署，《屋宇装备装置能源效益实务守则技术指引》，2012 年。
[2] Dugan RC、McGranaghan MF、Santoso S. 和 Beaty HW，电力系统质量，第 3 版，McGraw-Hill Professional，2012 年。
[3] Fuchs EF 和 Masoum MAA，《电力系统和电机中的电能质量》，Elsevier Academic Press，波士顿，2008 年。
[4] IEEE，电力系统谐波控制的推荐实践和要求，标准 591，1992。
[5] IEC，电磁兼容性 - 第 3-2 部分：谐波电流发射限值，2001 年。
[6] So A.、Cheng G.、Suen W. 和 Leung A.，“用两个数字评估电梯性能”，《电梯世界》第 LIII 卷第 1 期，2005 年 102 月，第 105-XNUMX 页。
[7] Lam DCM、So ATP 和 Ng TK “香港房屋委员会升降机和自动扶梯的节能解决方案”，电梯技术 16：2006 年 ELEVCON 会议录，IAEE，赫尔辛基，2006 年 190 月，第 199 页。 XNUMX-XNUMX。
[8] 英国特许建筑服务工程师学会 (CIBSE)，CIBSE 指南 D：2010 年建筑中的运输系统，第 13 页。 5-XNUMX。
[9] So, A. 和 Wong，CTC，“实施配重调整以实现节能”，电梯技术 19：2012 年 ELEVCON 会议录，IAEE，迈阿密，2012 年 185 月，第 192 页。 XNUMX-XNUMX。