电梯的能量模型

作者：Ana M. Lorente-Lafuente、José Luis Núñez-Bruis 博士和 Gina Barney 博士

电梯对于建筑物的运行至关重要，并且会增加其能源负担。 它们以三种主要模式之一使用能源：待机（当电梯处于休眠状态时）、运行（当电梯移动时）和空闲（当电梯处于待机和运行模式之间时）。 每种模式所用的时间比例以及所消耗的能源取决于许多因素，包括建筑类型、交通模式和所使用的技术。 本文基于一组建筑物，通过模拟工具为特定安装提供了这些时间比例的数据。 此外，还提供了其他重要参数，以便能够准确估计能源使用情况。

介绍

近年来，对节能电梯的需求有所增加，例如，欧洲建筑能源性能指令。 还有一些建筑分类的国际倡议，如建筑研究机构环境评估方法、能源与环境设计领先、建筑环境效率综合评估系统等，以及国际标准 ISO 25745-1： 2012[1] 和一些国家指南，例如 VDI 4707.[2]

任何评估/分类方法都需要可靠的方法来计算给定时间段内电梯的总能耗，从而可以评估整体能源效率。 其中一些方法包含估算公式，而其他方法则由制造商自行选择。 已经提出了不同的方法，大多数计算电梯在两种主要运行条件下的能耗：运行（当电梯移动时）和站立（当电梯静止时）。 第二种模式可以进一步分为待机模式（当电梯处于休眠状态时）和空闲模式（当电梯处于待机和运行模式之间时）。 电梯的能源效率与其安装所在的建筑物以及建筑物人口如何使用它密切相关。 此用法可用于为电梯安装开发分类标签。

虽然可以轻松测量每种运行条件下消耗的能量，例如，使用 ISO 25745-1:2012 中描述的方法，或根据电梯的机械和电气组件进行估算，但没有关于如何估算能耗的明确规则。其他相关参数。 本文展示了如何通过仿真工具获取参数并提供数据供一般使用。

目标的定义

ISO/TC 178/WG 10 委员会的任务是提供一种方法来对使用中的电梯的能源效率进行分类。 为此，有必要对估计的能源使用量进行准确计算。 此处描述的研究支持第 10 工作组 (WG) 的工作。

对于某个设施，如果建筑物的特征（楼层数、建筑物的总高度、层间高度、人口和需求水平等）和安装在其中的电梯已知，则每天电梯的操作可以使用仿真软件进行仿真。 可以从模拟中获得的结果之一是每辆车运动的空间图。 使用此空间图，可以计算每次可能的行程中的发生次数，特征是在指定时间段内行驶的距离、运动方向和承载的负载。 然后，知道出行次数，就可以轻松估算能耗。 为了协助 WG 10，有必要获取以下参数的值：

• 平均行驶距离
• 承载的平均负载
• 运行和站立状态（空闲和待机）的平均时间

理想情况下，应该为许多建筑类型（住宅、办公室、酒店、医院、机场、交通站、学校、大学等）和不同的使用强度（低、中、高等）获得这些参数，由每天启动的次数。 因此，这项工作的目标是分析影响建筑物使用的因素，并发布可以估算电梯能耗的应用表。 已经选择了一套标准的基准建筑，并定义了主要参数（建筑类型、需求水平、交通模式、电梯机械参数等）。

考虑到人口从一层到另一层的移动，已使用公开可用的交通模拟软件 ELEVATE™（针对本研究进行了一些定制）来模拟不同的场景。 以空间图或行程列表的形式获得的结果已经过处理，平均行驶距离、承载的平均负载、在每种能量模式（跑步和站立 [待机、空闲]）中花费的时间比例的值都有被计算。 此信息允许计算一段时间内消耗的总能量，具体取决于不同的建筑物或电梯配置。

仿真协议设计

分析类型

ELEVATE 使用统计程序进行模拟，以对指定的电梯安装进行数字建模。 大量数据以不同方式收集和呈现（peters-research.com/index.php?option=com_content&view=article&id=96&itemid=91）。

流量控制算法

交通控制系统（调度员算法）决定电梯如何为乘客在系统上拨打的电话提供服务。 ISO 25745系列标准没有考虑交通控制系统的影响，只考虑单部电梯。 为了获得合理的结果，此处报告的研究考虑了在两种简单交通控制算法下运行的两辆车（双工）装置：仅基本组集合 (COL) 和估计到达时间 (ETA) 控制算法。 不考虑现代门厅呼叫分配（目的地控制 - 参见 CIBSE 指南 D：2010，第 9 章 [3]）。

构建数据

最初，决定考虑在主航站楼上方有 10 层、16 层和 10 层的办公楼（后者被认为是建筑区的最大实际楼层数）。 后来，应工作组 25745 的要求，在主航站楼上方的两层、三层和四层进行了一些模拟，以容纳住宅楼。没有考虑带有快速区或停车区的建筑物，因为它们不是 ISO 2010 标准的一部分. 已选择两种额定速度以满足 CIBSE 指南 D：3.5.7 年第 3 节中的标准。[3.75] 假设所有楼层间距离相等且高度为 XNUMX m。

另一个重要变量是每层楼的人口。 出于本研究的目的，建筑物的最大处理能力设定为总人口的 12.5%（被 CIBSE 指南 D 和英国办公室理事会视为大多数办公室交通设计的起点）。 每层楼的人口数是从特定电梯装置所能服务的人口值中获得的。 假定所有楼层人口均相等。 计算公式如《电梯交通手册》的公式 4.9 所示。 [4]

提升数据

如前所述，模拟考虑了简单的双工安装。 最初，选择了 630、1000、1600 和 2500 kg 的额定载荷，以跨越安装在办公室的常见升降机范围。 后来，增加了额定载荷为 450 公斤的电梯，以容纳住宅楼。 选择了其他典型的电梯数据，例如门操作时间、启动延迟、单层飞行时间、加速度值、加加速度值等。 （可应要求提供数据。）

乘客数据

影响安装行为的乘客参数是乘客换乘时间、乘客质量和汽车容量系数 (%)。

流量模式/模板

交通模式由特定楼层和乘客目的地的乘客到达率定义。 此活动将在 5 分钟内发生。 期间。 ELEVATE 可以通过定义多个时段来定制客流流量，每个时段都有自己的一组到达率（每 5 分钟的人数）和从每一层出发的乘客的目的地概率，以创建基准模板。 其中许多在 CIBSE 指南 D：2010 的第 4 章中进行了描述。[3]

在这项研究中，使用了三种不同的模板。 后两个是应 WG 10 的要求：

• Siikonen 全天模板：[5] 这是基于巴黎的多租户办公楼示例。
• Strakosch 住宅全天流量模板：[6] 该配置文件基于住宅楼的要求。
• CIBSE 指南 D：2010：基于 CIBSE 指南 D：2010 的第三个流量配置文件由 Richard Peters 博士提供。

生成的总乘客活动图表可以分别在 ELEVATE 手册和特许建筑服务工程师协会 (CIBSE) 指南中找到。

仿真执行、数据处理和用于收集结果的模板的定义

最初，模拟是在 24 个系统上进行的，这些系统具有三种不同的楼层数（10、16 和 630），每个系统有四个额定载荷（1000、1600、2500 和 0.63 kg）和两个额定速度（1.0、1.6、2.5和 12 mps，成对组合）和一个集体 (COL) 交通控制系统。 模拟使用了 Siikonen 全天（2010 小时）模板，该模板被认为是最具代表性的模板，因为它有上行/下行/楼层间的交通，并且包括午休时间（CIBSE 指南 D：4.6 年，第 3 节[ XNUMX]）。 虽然它对应于办公楼，但它可以模拟其他建筑类型。

为考虑四种不同的使用强度等级，在楼层人口24%的100座不同建筑中进行了四次运行，分别减少了二分之一、四分之一和八分之一，分别代表密集、沉重，分别为中低使用。 这样，就有了 96 个样本系统。

模拟只运行一次，但由于每个安装中有两部电梯，因此每次模拟获得的结果对应于两种情况。 这给出了 96 X 2 = 192 个案例。 从 ELEVATE 自动提供的报告中，需要获得以下信息：平均行驶距离、平均汽车负载、不同时间段（1、2、5、15 和 30 分钟）的空闲/待机时间和数量。开始。

ELEVATE 软件的标准版本提供空间图和相应的数据表。 全表的处理提供：

• 总运行时间
• 总站立时间
• 电梯按时间段静止的次数（< 1、< 2、< 5、< 15、< 30 和 > 30 分钟）
• 每天总启动次数
• 平均行驶距离

可以从 ELEVATE 提供的“到达楼层时的轿厢装载量”图表中提取轿厢装载量的详细信息，该图表显示了 5 分钟时间段内的平均值和最大值（占额定装载量的百分比）。根据研究目的，这些平均信息可能足够，因为它可以计算电梯在一定时期内运输的平均装载量。但是，对于精确计算来说，它不够精确，因为需要知道每次可能行程的发生次数（由移动方向、行驶距离和装载量定义），这些是计算实际能耗所需的参数。

为此，创建了 Microsoft® Office® Excel 宏来分析与乘客旅行相关的详细信息。 对该数据库的后期处理使得创建事件矩阵成为可能，从中可以轻松计算出装载行程中的平均行驶距离和平均运输质量。 空行程数可以计算为 ELEVATE 在 Excel 表格中自动提供的总启动次数与最终标准行程数之间的差值。 通过这种方式，可以考虑计算平均负载，但不能计算平均行驶距离，因为这些空行程的起点和目的地是未知的。 该软件是为获取这些信息而定制的。

在这些改进结束时再次模拟了 96 个样本建筑物（192 个案例），平均行驶距离的偏差与第一次估计相比有大约 5% 的误差，这支持了工作的初稿。国际标准化组织 (ISO) 标准。 后来对分析软件的改进进一步改进了结果。

初步结果分析

从进行的第一组模拟中得出的结论是，正如预期的那样，启动次数随着使用强度的增加而增加。 这导致了以待机时间为代价延长运行时间的可预测效果，并根据启动次数修改了不同空闲/待机时隙中的行程分布。 趋势还表明，较低的交通水平会产生更低的平均汽车负载和更长的行驶距离。

向负责制定 ISO/DIS 10-25745[2] 草案的 WG 7 电梯专家组展示的结果提出了一些问题：

1. 例如，流量模板有多好？ 除了使用的非常好的办公室模板（Siikonen），ELEVATE 还提供了一个具有合理代表性的住宅模式（Strakosch）和基于 CIBSE Guide D: 2010，图 4.1.[3] 的新模式。 使用额外的交通模式重复模拟以评估其影响。
2. 需要添加低容量汽车（450 公斤）和低层（四分之三层）的系统以容纳住宅建筑。 虽然添加这样的低层建筑会导致模拟模型出现重大错误（由于统计数据不佳），但为了完整性，对这些进行了模拟。
3. 希望每天开始使用 2,000 次以上。 人们常说亚洲国家的启动次数远高于欧洲，因此要求每天启动次数超过 2,000 次的更高使用类别。 虽然这可能表明交通系统设计不正确，但它被包括在内。
4. 交通强度范围更广，达到六级。
5. 需要更多的统计数据来生成回归图。

为了回答所有这些问题，增加了模拟范围。

结果分析

在本节中，展示了软件和模板更新后获得的最终图，并解释了观察到的结果和趋势。 它们包含最后一组示例安装的结果，这些结果经过增加以实现 WG 10 要求的六个使用类别。

交通模式对启动次数的影响

模拟期间的启动次数随着每次电梯服务的人口数量而增加（图 1）。 COL 和预计到达时间 (ETA) 交通控制算法的结果几乎相同。 使用住宅 (Strakosch) 模板获得的住宅建筑的值较高，其次是办公室 (Siikonen) 模板和现代办公室 (CIBSE) 模板。 但是，必须注意的是，模拟时段有所不同（略有不同），但影响应该很小，具体取决于所使用的流量模板：

• (RS) Strakosch 住宅 14 小时。
• (OS) Siikonen 办公室 12.25 小时。
• (OC) CIBSE 办公室 12 小时。

 如果显示每小时平均启动次数而不是绝对值的图（图 2），则不同的线将与 Modern Office 模板靠得更近，产生最高的每小时启动次数，而Residential 则是最低。

• CIBSE：每小时/人 1.04 次启动
• Sikonen：0.96 次/小时/人
• Strakosch：每小时 0.88 次/人

该图的第一部分显示了线性相关性，在最大值约为 2,200 次时变为非线性（三次多项式）。 达到此最大值后，曲线开始下降，表明电梯安装已达到饱和。

尽管从逻辑上讲，人们可能会认为不断增加的人口需求（服务的人数）会导致停靠次数限制为最大值，但实际效果是它们会下降。 原因似乎是在更高的需求水平下，电梯安装已达到其交通处理能力的极限。 结果是大堂的交通流量增加：乘客上/下车时间增加，交通效率低下。 在显示在不同操作条件下花费的时间分布的图中也可以观察到这些低效率。 但是，可能会使用额外的样本进行进一步的研究，以确认这种推理的有效性。

这些图表证实了交通模板（交通模式）不会产生很大差异，并表明住宅和办公楼的值相似。 另一个重要结论是，只有将运行时间从 12 小时增加到 14 小时，才能实现亚洲国家报告的更高启动次数。 包括高水平的夜间活动。

平均行驶距离与平均出发次数

平均行驶距离随着启动次数的增加而减少（图 3）。 它的范围从最大平均约 50%，除了非常低的建筑物（参见图中的矩形），以及最低 20% 的非常密集的使用。 如果结果表示为平均距离与每小时启动次数，则交通模板之间的差异将很小。

 电梯专业人士经常表示，凭直觉（根据他们自己的经验），平均行驶距离应该更长。 进行了进一步分析以检查这种印象。 会不会是因为观察者只有在乘坐满载的汽车时才会看到这种效果？ 获得的图表（图 4）证实距离的平均值受使用强度的严重影响，这大大降低了该平均值。

运输的平均负载与平均启动次数

平均传输负载与平均启动次数的关系图显示了密集的“群”点，这有力地表明传输的平均负载取决于另一个因素，而不仅仅是使用强度。 查看较低强度的结果，其中点更集中，可以看到五组点，这与分析的不同额定容量一致。 另一个发现是，正如预期的那样，负载随着处理的人口而增加。 变化范围很大（5-25%）。 然而，通过取中值，结果不会随着所使用的交通模板（对于大量服务的人数最多为 3%）或交通控制算法而发生很大变化。 这可以在图 6 中更清楚地观察到，其中仅显示了 1000 公斤容量汽车的结果。

 如果针对单个模板绘制数据，并将结果按汽车容量分组，则根据汽车容量（图 7），可以看到负载随着使用定界范围带而增加的更明显趋势。

运行、空闲和待机时间与平均启动次数的分布

两次出行之间的平均时间显示出非常明显的指数趋势，在建筑物占用率非常低时达到最大值。 可以观察到，只有非常少的启动次数才会使电梯花费超过 5 分钟。 在连续行程之间静止。 这是非常重要的结果，因为目前大多数电梯会在此时间之后切换到低能耗模式。 （ISO 25745-1 将待机定义为闲置 5 分钟后开始。）这导致假设在日常操作时间和非操作时间可能无法达到待机状态。

如果对于任何特定的启动次数，将运行时间、空闲时间和待机时间相加，结果将始终为 100%（图 8）。

在图 9-11 中，可以观察到，电梯在运行条件下花费的时间随着使用量的增加而增加，对于高活动（50 次启动）最多达到 2,000%。 如前所述，当启动次数增加到此数量以上时，电梯将失去效率。 非运行条件下的时间分为“空闲”（图 10）和“待机”（图 11）。 空闲时间图（图 10）还显示了当启动次数增加到 2,000 以上时乘客处理效率低下，因为它的静止时间再次增加。 电梯处于非活动状态 5 分钟后，将激活待机模式（低能耗）。

电梯在日常运行期间运行或静止状态所花费的时间分布如图8所示。 图表清楚地表明（根据连续行程之间的平均时间趋势，图12）对于高交通需求，电梯没有时间经常切换到待机状态； 超过 10 次启动，在这种低能量状态下花费的时间不到 500%。

结语

表 1 总结了研究结果，其中许多已被 WG 10 采用。请注意，有六个使用级别。 令人惊讶的是，ISO 45745-1 中假设的经验法则是在许多情况下，空车在航站楼之间的距离约为一半。

 进一步的工作

ISO 25745 系列标准只考虑单个单元。 从获得的结果来看，两种简单的交通控制算法似乎没有影响分析的建筑物类型的结果。 然而，为了更加科学严谨，将开展其他交通控制系统的工作——特别是门厅呼叫分配交通算法。 该算法与其他调度程序有很大不同。 模拟也应该针对至少四台而不是两台电梯的组进行。 还应研究楼层人口/需求分布不均的影响。

应更详细地分析快速区域的影响，以便将该方法用于位于建筑物高处的区域。 希望这些结果能够通过行业合作得到验证，因为大多数现实生活中的测量都是由电梯公司进行的。

结论

本文中详述的研究是基于数千次模拟的结果，这些模拟被视为实验数据。 然而，模拟因提供在真实系统中不会出现的答案而臭名昭著，但这些答案将与其生产中使用的流量模式一样好。 使用模拟工具来预测参数值以计算电梯的能耗似乎是目前可用的最准确的方法。

尽管平均表（针对标准化建筑物计算以涵盖 ISO 25745 中定义的范围）对于标准化目的而言已经足够精确，但为了更好地预测任何商业报价，建议计算每个特定案例，同时考虑到建筑物的真实特征一个建筑物和电梯和最合适的交通模式。

致谢

作者希望对来自 Instituto Tecnológico de Aragón 的 Vega Rodrigálvarez 在计算相关问题上的支持表示最诚挚的感谢； Richard Peters 博士允许在研究许可下使用他的 ELEVATE 软件，回答了出现的许多问题并进行了一些更改以促进这项工作； 以及 ISO/TC 178/WG 10 工作组技术委员会的所有成员：电梯、自动扶梯和自动人行道，他们丰富的知识和经验使这项工作受益匪浅。 特别值得一提的是 Gerhard Schiffner 博士 (ThyssenKrupp) 的许多搜索和刺激性评论，以及 Richard Fargo (Otis)，他召集了一个工作组，为这项工作提供了许多目标。 第一作者感谢 CIBSE Lifts Group 为参加 WG 10 会议提供的旅行助学金。

案例
[1] ISO 25745-1:2012 – 升降机、自动扶梯和自动人行道的能源性能，第 1 部分：能源测量和验证。
[2] VDI 4707-1:2009 – 电梯指南：能源效率。
[3] CIBSE 指南 D：2010：建筑中的运输系统。
[4] Barney，GC 电梯交通手册：理论与实践：Taylor 和 Francis，2003 年。
[5] 西科宁，ML。 “交通规划方法论”，电梯技术 10：Elevcon 2000 会议录。
[6] Strakosch, GR：垂直运输手册，1998 年。
[7] ISO/DIS 25745-2:2012 – 升降机、自动扶梯和自动人行道的能源性能，第 2 部分：升降机的能源计算和分类。