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摘 要：本文主要描述了高层建筑中电梯节能的诸多方法，并阐述了一种高楼电梯与势能供水相结合的一体化系统，通过市场与技术分析，说明该系统在节能方面的巨大优势及其在市场推广的可行性。
关键词：高楼电梯；供水系统；节能
随着我国现代化建设的推进，电梯被广泛使用于各种商务写字楼、高层住宅小区等人们日常进出的场所，成为人们出入这些高层建筑物不可缺少的工具。根据调查统计，电梯用电量占这些高层建筑物总用电量的17%～25%，仅次于空调用电量，高于照明、供水等用电设备的用电量。但是，电梯的节能问题却长期不被社会所重视。
经测算，每台电梯每天用电量为50～150度。按照每台电梯平均每天用电量为80度计算，在2010年，全国150万台电梯每天用电量约为0.88亿度，每年消耗的电量约为437.73亿度。再加上为了解决电梯机房高温问题而使用降温设备（如空调、风机等）消耗的电量，全年电梯的耗电量不少于450亿度。因此，即使仅仅使电梯能够节约1%的电量，每年就可以为全国节省4.5亿度电。由此可见，电梯节能有着十分巨大的发展前景。
有关数据显示，全国大约三分之一的电梯为交流双速、交流调压调速等老旧高耗能电梯，除此之外的大部分电梯为变频调速电梯。可节电30％以上并采用永磁同步拖动技术的电梯不足5%，可以能源再生并应用制动电能回馈技术的电梯不足0.5%。变频调速电梯采用能耗制动的方案，利用电阻耗能来防止电容过压，这不仅降低了系统的效率,而且电阻产生的热量还恶化了电梯控制柜周边的环境。
一、目前电梯节能的主要途径
1、从电动机设计、制造环节入手是电梯节能的主要途径
根据有关资料统计，电梯的耗电有70%是消耗在电动机上。因此，对电梯电动机的节能改造或节能技术的应用尤为重要，也是电梯节能的主要应用空间。永磁同步拖动技术（特别是无齿轮传动）是永磁同步电机技术在电梯中的新应用，它具有传动效率高、噪音低、机械结构简单等特点，目前正处于发展阶段。
2、电动机拖动系统节约电能
（1）提高电动机拖动系统的运行效率。改进机械传动和电力拖动系统，将传统的蜗轮蜗杆减速器改为行星齿轮减速器或采用无齿轮传动，机械效率可提高15%～25%。合理减小传动系统中的摩擦阻尼，对提高电梯拖动系统的运行效率也有影响。
（2）将处于发电制动状态电动机输出的电能利用起来。电梯运行达到目标层前要逐步减速直到电梯停止运动为止，这一过程是电梯曳引机释放机械能量（动能）的过程。利用风机、水泵、发电机等设备进行调速，可以充分利用曳引机释放的这部分能量。能量回馈技术便是该途径的一种实践。一般来说，能量回馈技术对于高速重载电梯的节能效果十分明显，但其设备费用较昂贵。当电梯速度较慢、额载较轻、提升高度较低时节能效果不明显, 收回成本的时间相对较长。而且能量回馈技术的节电率不统一，所回馈的电能存在高次谐波，对电网及用电设备造成不可忽视的影响，产生对环境电源的污染。当电梯轻载上行或者重载下行时，其机械能量（势能）也将释放出来。
除此之外，电梯上下运行时的空气阻力问题，电梯的配置管理等方面都是可以节能的方面。
二、高楼电梯与势能供水系统的设计方案
本系统利用电梯在上升与下降过程中，进行动能与势能的相互转化，由于过程中存在摩擦，且需要时刻控制电梯运动速度，所以需要电机做功来维持其正常运转，这样就造成了电能的消耗。该设计方案的创新之处就在于巧妙的将轿厢、配重和电机串联成一个封闭的链环，并在链环的底部加设变速器，变速器与小型自来水泵相连，这样一来，在轿厢与配重加速升降过程中，水泵由变速器驱动，其阻尼摩擦可以达到调节轿厢运动速度的作用，减小了电机功耗，节省电能。同时，轿厢驱动水泵将水从低处抽到高处，这样一来，就减小了自来水压力泵所需要做的功，从而进一步节能。
本电梯通过电梯轿厢和配重块的重量差产生的拉力做功，通过机械装置带动双动往复泵工作，将水输送到高楼顶上的蓄水池中，供楼居民使用。
工作过程有两种情况：
1、电梯轿厢下降工作时
拉压力传感器测量电梯轿厢（载人时）的总重量，将信号传输给单片机，单片机根据拉压力传感器传输的信号，按预先设定的程序作出判断，当电梯轿厢及载重时的总重量大于配重块的重量，且重量差产生的拉力大于某特定值时，则单片机发出命令使电动机不再工作，同时发出结合的信号命令给电磁离合器，电磁离合器接受到命令使带轮轴与单级减速器结合， 带动单级减速器和曲柄摇杆机构，从而使双动往复泵工作，将水输送到高楼顶上的蓄水池中，这个过程中电梯轿厢的速度通过电梯安全系统中原有的限速器进行控制；当重量差产生的拉力F小于某特定值时，则单片机发出命令使电动机正常工作，同时发出分离的信号命令给电磁离合器，电磁离合器接受到命令使带轮轴与单级减速器分离；当电梯轿厢及载重时的总重量小于配重块的重量时，则单片机发出命令使电动机正常工作，此时电梯需要消耗电能来增加整个系统的势能。
2、电梯轿厢上升工作时
同理，当电梯轿厢及载重时的总重量小于配重块的重量，且重量差产生的拉力F小于某特定值时，双动往复泵正常工作，将水输送到高楼顶上的蓄水池中；其他情况下，电动机正常工作，双动往复泵不再工作，此时电梯是需要消耗电能来增加整个系统的势能。
三、高楼电梯与势能供水系统的主要创新点
1、节省电梯消耗的电能
众所周知，电梯在上升与下降过程中，进行动能与势能的相互转化，由于过程中存在摩擦，且需要时刻控制电梯运动的速度，所以需要电机做功来维持其正常运转，这样就造成了电能的消耗。我们的设计，其创新之处就在于巧妙地将轿厢、配重和电机串联成一个封闭的链环，并在链环的底部加设变速器，变速器与小型自来水泵相连，这样一来，在轿厢与配重加速升降的过程中，水泵由与单级变速器连接的曲柄驱动，其存在的阻尼摩擦等可以起到调节轿厢运动速度的作用，减小了电机的功率，节省了电能
2、减少水泵消耗的能量
利用电梯上升下降过程中的势能做功，将部分电梯的动能和轿厢、配重的势能转化为水泵的动能，将水从低处抽到高处，进而转化为水的势能，这样一来，就减小了高层建筑蓄水池需要自来水压力泵所做的功，因而进一步减少了水泵消耗的电能，从而达到节能的目的。
四、高楼电梯与势能供水系统的市场推广价值
我们列举一个事例来说明情况：对于一座54高米的18层住宅的电梯，载重量为1000kg，额定速度为1.75m/s。18层高楼住宅每层有6户人家，以每户3口人，每人一天出行两次计算，则该系统一天可节约电量5.6度。该高层住宅需要配置蓄水池，通过水泵将水升到54米高的蓄水池中，供楼中的居民用户使用。利用电梯的势能一天可将约2立方米的水输送到蓄水池中。
在能源紧缺的今天，每节约一点能量都是有价值的。现代化城市中高楼林立，电梯随处可见。我们设计的此电梯不仅可以充分利用势能，节约大量能量，还可以为高楼供水，一举两得，必将有广阔的市场前景。
参考文献：
[1]陆萍,葛培琪,孟剑锋.机械设计基础[M].山东科学技术出版社,2010.
[2]苪静康.电梯工程施工技术与质量控制[M].机械工业出版社,2010.
[3]冯维明.理论力学[M].国防工业出版社,2008.
作者信息：薛钢（1990-），男，山东淄博人，山东大学机械工程学院2009级机械制造及自动化专业本科生；徐勤杰（1991-），男，山东临沂人，山东大学机械工程学院2009级卓越工程师专业本科生。
关键词：高楼电梯；供水系统；节能
随着我国现代化建设的推进，电梯被广泛使用于各种商务写字楼、高层住宅小区等人们日常进出的场所，成为人们出入这些高层建筑物不可缺少的工具。根据调查统计，电梯用电量占这些高层建筑物总用电量的17%～25%，仅次于空调用电量，高于照明、供水等用电设备的用电量。但是，电梯的节能问题却长期不被社会所重视。
经测算，每台电梯每天用电量为50～150度。按照每台电梯平均每天用电量为80度计算，在2010年，全国150万台电梯每天用电量约为0.88亿度，每年消耗的电量约为437.73亿度。再加上为了解决电梯机房高温问题而使用降温设备（如空调、风机等）消耗的电量，全年电梯的耗电量不少于450亿度。因此，即使仅仅使电梯能够节约1%的电量，每年就可以为全国节省4.5亿度电。由此可见，电梯节能有着十分巨大的发展前景。
有关数据显示，全国大约三分之一的电梯为交流双速、交流调压调速等老旧高耗能电梯，除此之外的大部分电梯为变频调速电梯。可节电30％以上并采用永磁同步拖动技术的电梯不足5%，可以能源再生并应用制动电能回馈技术的电梯不足0.5%。变频调速电梯采用能耗制动的方案，利用电阻耗能来防止电容过压，这不仅降低了系统的效率,而且电阻产生的热量还恶化了电梯控制柜周边的环境。
一、目前电梯节能的主要途径
1、从电动机设计、制造环节入手是电梯节能的主要途径
根据有关资料统计，电梯的耗电有70%是消耗在电动机上。因此，对电梯电动机的节能改造或节能技术的应用尤为重要，也是电梯节能的主要应用空间。永磁同步拖动技术（特别是无齿轮传动）是永磁同步电机技术在电梯中的新应用，它具有传动效率高、噪音低、机械结构简单等特点，目前正处于发展阶段。
2、电动机拖动系统节约电能
（1）提高电动机拖动系统的运行效率。改进机械传动和电力拖动系统，将传统的蜗轮蜗杆减速器改为行星齿轮减速器或采用无齿轮传动，机械效率可提高15%～25%。合理减小传动系统中的摩擦阻尼，对提高电梯拖动系统的运行效率也有影响。
（2）将处于发电制动状态电动机输出的电能利用起来。电梯运行达到目标层前要逐步减速直到电梯停止运动为止，这一过程是电梯曳引机释放机械能量（动能）的过程。利用风机、水泵、发电机等设备进行调速，可以充分利用曳引机释放的这部分能量。能量回馈技术便是该途径的一种实践。一般来说，能量回馈技术对于高速重载电梯的节能效果十分明显，但其设备费用较昂贵。当电梯速度较慢、额载较轻、提升高度较低时节能效果不明显, 收回成本的时间相对较长。而且能量回馈技术的节电率不统一，所回馈的电能存在高次谐波，对电网及用电设备造成不可忽视的影响，产生对环境电源的污染。当电梯轻载上行或者重载下行时，其机械能量（势能）也将释放出来。
除此之外，电梯上下运行时的空气阻力问题，电梯的配置管理等方面都是可以节能的方面。
二、高楼电梯与势能供水系统的设计方案
本系统利用电梯在上升与下降过程中，进行动能与势能的相互转化，由于过程中存在摩擦，且需要时刻控制电梯运动速度，所以需要电机做功来维持其正常运转，这样就造成了电能的消耗。该设计方案的创新之处就在于巧妙的将轿厢、配重和电机串联成一个封闭的链环，并在链环的底部加设变速器，变速器与小型自来水泵相连，这样一来，在轿厢与配重加速升降过程中，水泵由变速器驱动，其阻尼摩擦可以达到调节轿厢运动速度的作用，减小了电机功耗，节省电能。同时，轿厢驱动水泵将水从低处抽到高处，这样一来，就减小了自来水压力泵所需要做的功，从而进一步节能。
本电梯通过电梯轿厢和配重块的重量差产生的拉力做功，通过机械装置带动双动往复泵工作，将水输送到高楼顶上的蓄水池中，供楼居民使用。
工作过程有两种情况：
1、电梯轿厢下降工作时
拉压力传感器测量电梯轿厢（载人时）的总重量，将信号传输给单片机，单片机根据拉压力传感器传输的信号，按预先设定的程序作出判断，当电梯轿厢及载重时的总重量大于配重块的重量，且重量差产生的拉力大于某特定值时，则单片机发出命令使电动机不再工作，同时发出结合的信号命令给电磁离合器，电磁离合器接受到命令使带轮轴与单级减速器结合， 带动单级减速器和曲柄摇杆机构，从而使双动往复泵工作，将水输送到高楼顶上的蓄水池中，这个过程中电梯轿厢的速度通过电梯安全系统中原有的限速器进行控制；当重量差产生的拉力F小于某特定值时，则单片机发出命令使电动机正常工作，同时发出分离的信号命令给电磁离合器，电磁离合器接受到命令使带轮轴与单级减速器分离；当电梯轿厢及载重时的总重量小于配重块的重量时，则单片机发出命令使电动机正常工作，此时电梯需要消耗电能来增加整个系统的势能。
2、电梯轿厢上升工作时
同理，当电梯轿厢及载重时的总重量小于配重块的重量，且重量差产生的拉力F小于某特定值时，双动往复泵正常工作，将水输送到高楼顶上的蓄水池中；其他情况下，电动机正常工作，双动往复泵不再工作，此时电梯是需要消耗电能来增加整个系统的势能。
三、高楼电梯与势能供水系统的主要创新点
1、节省电梯消耗的电能
众所周知，电梯在上升与下降过程中，进行动能与势能的相互转化，由于过程中存在摩擦，且需要时刻控制电梯运动的速度，所以需要电机做功来维持其正常运转，这样就造成了电能的消耗。我们的设计，其创新之处就在于巧妙地将轿厢、配重和电机串联成一个封闭的链环，并在链环的底部加设变速器，变速器与小型自来水泵相连，这样一来，在轿厢与配重加速升降的过程中，水泵由与单级变速器连接的曲柄驱动，其存在的阻尼摩擦等可以起到调节轿厢运动速度的作用，减小了电机的功率，节省了电能
2、减少水泵消耗的能量
利用电梯上升下降过程中的势能做功，将部分电梯的动能和轿厢、配重的势能转化为水泵的动能，将水从低处抽到高处，进而转化为水的势能，这样一来，就减小了高层建筑蓄水池需要自来水压力泵所做的功，因而进一步减少了水泵消耗的电能，从而达到节能的目的。
四、高楼电梯与势能供水系统的市场推广价值
我们列举一个事例来说明情况：对于一座54高米的18层住宅的电梯，载重量为1000kg，额定速度为1.75m/s。18层高楼住宅每层有6户人家，以每户3口人，每人一天出行两次计算，则该系统一天可节约电量5.6度。该高层住宅需要配置蓄水池，通过水泵将水升到54米高的蓄水池中，供楼中的居民用户使用。利用电梯的势能一天可将约2立方米的水输送到蓄水池中。
在能源紧缺的今天，每节约一点能量都是有价值的。现代化城市中高楼林立，电梯随处可见。我们设计的此电梯不仅可以充分利用势能，节约大量能量，还可以为高楼供水，一举两得，必将有广阔的市场前景。
参考文献：
[1]陆萍,葛培琪,孟剑锋.机械设计基础[M].山东科学技术出版社,2010.
[2]苪静康.电梯工程施工技术与质量控制[M].机械工业出版社,2010.
[3]冯维明.理论力学[M].国防工业出版社,2008.
作者信息：薛钢（1990-），男，山东淄博人，山东大学机械工程学院2009级机械制造及自动化专业本科生；徐勤杰（1991-），男，山东临沂人，山东大学机械工程学院2009级卓越工程师专业本科生。