节能电梯：珍惜势能

■ 本报记者 叶昌元

未来城乡

节能电梯：珍惜势能

■ 本报记者 叶昌元

乘电梯上楼的人耗费了电力，但制造了势能

这种势能既可转换，也可贮存

电梯就是势能转换器

节能的电梯就是要把势能贮存、利用起来

跷跷板：势能的转换

在一种跷跷板杂技表演中，我们可以看到，一位身材比较娇小的女演员站在跷跷板的一端，一位身材壮硕的男演员从高处跳下，砸向跷跷板的另一端，女演员被高高弹起。为了将女演员弹得更高，砸向跷跷板另一端的甚至是同时跳下来的两个人。

我们都知道这种跷跷板的原理，就是势能的转换。男演员从高台上跳下，其势能就是他的重量W1乘以台子的高度H1，即 W1H1。假设跷跷板自身不吸收能量，也不计女演员被弹起时所遇空气阻力，男演员的势能完全转换为女演员的势能 W2H2，W2是女演员的重量，H2是女演员被弹起来的高度。W1H1=W2H2。男演员的体重越重、女演员的体重越轻，女演员弹得越高。

两个男演员落在跷跷板的一端，女演员从另一端被弹起

体型小的演员才会被弹得更高

电梯是跷跷板的变形

我们都知道，一般的电梯主要由三大部分构成：提供动力的电机、载人的轿厢、对重（如下图）。对重的主体就是重力块，由铁块或混凝土块组成，与轿厢相对，挂在曳引绳的另一端，其作用就是为了平衡轿厢的重量。一般地，对重的重量是轿厢自身的重量加上半载状态的乘客重量。假如电梯的额定载客人数是 10人，对重的重量就是轿厢的重量加上5个乘客的重量。当轿厢内的乘客为5个人时，曳引绳的两端重量是平衡的，也是电梯最“省力”、也就是最省电的状态。

这里有必要对补偿链解释一下。补偿链就是一种铁链，用于补偿悬吊轿厢或对重的钢索的重量。如果电梯的高度在 30米以上时，钢索也有相当的分量。当轿厢处于低位时，这一侧的钢索很重，此时的对重处于高位，补偿链的大部分即处于对重一侧，正好平衡了轿厢一侧的钢索的重量；当轿厢处于高位时，情形就反过来了。

我们可以把电梯看成一个跷跷板：轿厢上去，对重下来，上升和下降的距离是一样的；反之亦然；只不过这个“跷跷板”是一根柔性的曳引绳，而不是一块板。

电梯运行时，轿厢与对重的势能此消彼长。最理想的状态，就是这一侧消减的势能等于另一侧增长的势能，几乎不消耗电能。既然一侧上升的高度与另一侧下降的高度是相等的，只有轿厢一侧的重量等于对重的重量，才能使两边的增、减势能相等。这时，无论轿厢是上升还是下降，电机都不用费什么力气，所要克服的不过是曳引绳与绳轮间的摩擦力，以及轿厢、对重与导轨间的摩擦力（轿厢、对重均不能空悬，任其晃荡，须在两根垂直的导轨间滑行）。

但事实上，轿厢常常满载或空载，这一端的重量远远高于或低于对重平衡体的重量。因为两边的重量不平衡，电机就要使劲拨动绳轮，消耗较多电力。

电梯重量平衡系统示意图1—电缆 ；2—轿厢 ；3—对重 ；4—补偿链

节能电梯：让对重与轿厢两侧重量相当

轿厢里乘客人数总是变动的，其重量也总是变化的。要想使轿厢这一侧的重量与对重那一侧相同，就要相应地改变后者的重量。

节能电梯的设计思路是这样的：在补偿链上缀以若干重力滑块，可以沿链滑动。进入轿厢的乘客人数稳定后，轿厢门一关上，置于轿厢底板下的电子称重计对乘客称重，并将重量数据传输到微型电脑里，电脑对轿厢一侧、对重一侧作出孰重孰轻的判断，随即发出指令，指挥相应重量的滑块向轻的一侧移动，以致两侧重量平衡。

有人会说，这样的装置增加了电梯的成本，况且移动滑块同样需要耗费能量。这不是得不偿失吗？

实际上，滑块只需置于补偿链曲线的最底端。当电梯运动时，这个最底端的位置是连续变化的。电脑所要做的就是确定把滑块归于轿厢一侧，还是归到对重一侧。

滑块的重量不宜设计得过于精细，可以只用一种规格，比如60千克一块，大致是一个乘客的重量。不可能、也没有必要让两侧的重量完全相等，总会有一侧稍重一些。让哪一侧重一些更节能、电机更省力呢？下行一侧的重量略高于上行一侧的重量。

双轿厢电梯、双坡扶梯

我们在乘电梯时，一想到在同一个梯刊井里，与轿厢相对的另一侧吊着一坨沉重的混凝土块或铁块，是不是觉得有点浪费工料？

我们能不能把对重换成轿厢呢？这样一来，一部电梯就有了两个轿厢，一个轿厢上行的同时，另一个轿厢下行，成了真正的跷跷板。一部电梯就能当两部用了。

双轿厢电梯适用于哪些场合呢？学校、影剧院、地铁、餐馆，这些人流较大，同时有上有下的场合。比如，在影剧院里，上一场电影刚刚结束，观众下楼，而下一场电影的观众正要上楼。一部电梯就同时解决了上下的问题。我们假设两个轿厢都是满载，两边的重量也相当，下楼观众的势能转换给了上楼的观众，电梯几乎不费电。

这种双轿厢电梯的初级产品不妨设置为固定扬程，比如：从地铁站的站台到地面的电梯、从地面直到某一楼面的专用电梯，升降距离都是固定的，不停靠其他楼层。在此基础上积累经验，再推广到普通的住宅、写字楼等。

上图所示的双轿厢电梯—在同一滑轨上有两个轿厢，各自有独立的曳引装置，目的是充分利用电梯井本文所说“双轿厢电梯”则不同，两个轿厢分别置于同一曳引绳的两端，互为对重，等于省略了对重

双轿厢电梯的节能原理也可用于自动扶梯。在一些商场、写字楼、车站或大型商业综合体里，需大量设置扶梯（如后图），每天耗费的电能可想而知。

扶梯的阶梯链、扶手都靠电机驱动，作循环运动（如后图）。乘客上行固然要耗费电能，下行也不太“省力”，因为扶梯不能“挂空档”。

如果仿照双轿厢电梯，建造“双坡扶梯”，就可以省电了（如下图）。我们将上行扶梯与下行扶梯组合在一起，坡面相对，但循环运动的阶梯链只有一套，驱动阶梯链的电机也只需一个。这座双坡电梯上，一面坡上是乘客上行，另一面坡上是乘客下行，下行乘客把自己的势能转换给了上行的乘客，电机就省电了。

双坡扶梯示意图。相对设置，一上一下

势能的传递和贮存

我们可以设想，有一系列的跷跷板按一定距离排列起来。每个跷跷板的b端都站有一个演员。当一个彪形大汉砸在第一块跷跷板的a端后，站在b端的演员就被高高弹起，砸向第二块板的a端，站在第二块板b端的演员又被弹起。依此类推，于是发生连锁反应。这就是势能的连续传递。就一座楼来说，电梯与这座楼里的居民—电梯的乘客，也在进行势能的连续传递。

在一座写字楼里，每天上楼的人数与下楼的人数大致是相等的，上、下的总重量也大致相等。不排除有人上楼乘梯、下楼步行，或下楼乘梯、上楼步行，或上下楼时携带物品的重量不同，但这些显然无关大局。如果该楼安装的是上述节能电梯或双轿厢电梯，全楼的总势能总是在乘客之间、乘客与电梯的对重之间相互传递。即便是全体人员都下班了，楼内一宿无人，势能传递也没有中断，或者说是势能被贮存起来了：楼内所有节能电梯都处于轿厢落地、对重高悬的状态，此时，对重一侧的重量是轿厢重量与最后一拨乘客重量之和。这种状态被锁定，直至第二天上班，对重一侧的势能又将继续传递到上楼的乘客身上。

总之，我们应该看到，无论是乘客，还是轿厢、对重，都是势能的载体，彼此之间的势能可以传递，但传递的前提是用电梯、扶梯这一类工具将其联系在一起。一旦割裂开来，能量交换终止，原有的势能就会浪费。这就是目前的电梯未能充分节能之弊。

相信节能电梯、双轿厢电梯、双坡扶梯不久就会开发出来。

图为香港海洋公园扶梯上的游客。网上有一道题，可供读者思考：小兰在香港海洋公园里搭乘自动扶梯。若小兰质量为 40kg，随扶梯上升高度约为 112m。求扶梯对小兰至少做了多少功？如果再乘上每天乘客的人数，可以算出它每天至少要耗多少电能