節能電梯：珍惜勢能

■ 本報記者 葉昌元

未來城鄉

節能電梯：珍惜勢能

■ 本報記者 葉昌元

乘電梯上樓的人耗費了電力，但制造了勢能

這種勢能既可轉換，也可貯存

電梯就是勢能轉換器

節能的電梯就是要把勢能貯存、利用起來

蹺蹺板：勢能的轉換

在一種蹺蹺板雜技表演中，我們可以看到，一位身材比較嬌小的女演員站在蹺蹺板的一端，一位身材壯碩的男演員從高處跳下，砸向蹺蹺板的另一端，女演員被高高彈起。為了將女演員彈得更高，砸向蹺蹺板另一端的甚至是同時跳下來的兩個人。

我們都知道這種蹺蹺板的原理，就是勢能的轉換。男演員從高臺上跳下，其勢能就是他的重量W1乘以臺子的高度H1，即 W1H1。假設蹺蹺板自身不吸收能量，也不計女演員被彈起時所遇空氣阻力，男演員的勢能完全轉換為女演員的勢能 W2H2，W2是女演員的重量，H2是女演員被彈起來的高度。W1H1=W2H2。男演員的體重越重、女演員的體重越輕，女演員彈得越高。

兩個男演員落在蹺蹺板的一端，女演員從另一端被彈起

體型小的演員才會被彈得更高

電梯是蹺蹺板的變形

我們都知道，一般的電梯主要由三大部分構成：提供動力的電機、載人的轎廂、對重（如下圖）。對重的主體就是重力塊，由鐵塊或混凝土塊組成，與轎廂相對，掛在曳引繩的另一端，其作用就是為了平衡轎廂的重量。一般地，對重的重量是轎廂自身的重量加上半載狀態的乘客重量。假如電梯的額定載客人數是 10人，對重的重量就是轎廂的重量加上5個乘客的重量。當轎廂內的乘客為5個人時，曳引繩的兩端重量是平衡的，也是電梯最“省力”、也就是最省電的狀態。

這里有必要對補償鏈解釋一下。補償鏈就是一種鐵鏈，用于補償懸吊轎廂或對重的鋼索的重量。如果電梯的高度在 30米以上時，鋼索也有相當的分量。當轎廂處于低位時，這一側的鋼索很重，此時的對重處于高位，補償鏈的大部分即處于對重一側，正好平衡了轎廂一側的鋼索的重量；當轎廂處于高位時，情形就反過來了。

我們可以把電梯看成一個蹺蹺板：轎廂上去，對重下來，上升和下降的距離是一樣的；反之亦然；只不過這個“蹺蹺板”是一根柔性的曳引繩，而不是一塊板。

電梯運行時，轎廂與對重的勢能此消彼長。最理想的狀態，就是這一側消減的勢能等于另一側增長的勢能，幾乎不消耗電能。既然一側上升的高度與另一側下降的高度是相等的，只有轎廂一側的重量等于對重的重量，才能使兩邊的增、減勢能相等。這時，無論轎廂是上升還是下降，電機都不用費什么力氣，所要克服的不過是曳引繩與繩輪間的摩擦力，以及轎廂、對重與導軌間的摩擦力（轎廂、對重均不能空懸，任其晃蕩，須在兩根垂直的導軌間滑行）。

但事實上，轎廂常常滿載或空載，這一端的重量遠遠高于或低于對重平衡體的重量。因為兩邊的重量不平衡，電機就要使勁撥動繩輪，消耗較多電力。

電梯重量平衡系統示意圖1—電纜 ；2—轎廂 ；3—對重 ；4—補償鏈

節能電梯：讓對重與轎廂兩側重量相當

轎廂里乘客人數總是變動的，其重量也總是變化的。要想使轎廂這一側的重量與對重那一側相同，就要相應地改變后者的重量。

節能電梯的設計思路是這樣的：在補償鏈上綴以若干重力滑塊，可以沿鏈滑動。進入轎廂的乘客人數穩定后，轎廂門一關上，置于轎廂底板下的電子稱重計對乘客稱重，并將重量數據傳輸到微型電腦里，電腦對轎廂一側、對重一側作出孰重孰輕的判斷，隨即發出指令，指揮相應重量的滑塊向輕的一側移動，以致兩側重量平衡。

有人會說，這樣的裝置增加了電梯的成本，況且移動滑塊同樣需要耗費能量。這不是得不償失嗎？

實際上，滑塊只需置于補償鏈曲線的最底端。當電梯運動時，這個最底端的位置是連續變化的。電腦所要做的就是確定把滑塊歸于轎廂一側，還是歸到對重一側。

滑塊的重量不宜設計得過于精細，可以只用一種規格，比如60千克一塊，大致是一個乘客的重量。不可能、也沒有必要讓兩側的重量完全相等，總會有一側稍重一些。讓哪一側重一些更節能、電機更省力呢？下行一側的重量略高于上行一側的重量。

雙轎廂電梯、雙坡扶梯

我們在乘電梯時，一想到在同一個梯刊井里，與轎廂相對的另一側吊著一坨沉重的混凝土塊或鐵塊，是不是覺得有點浪費工料？

我們能不能把對重換成轎廂呢？這樣一來，一部電梯就有了兩個轎廂，一個轎廂上行的同時，另一個轎廂下行，成了真正的蹺蹺板。一部電梯就能當兩部用了。

雙轎廂電梯適用于哪些場合呢？學校、影劇院、地鐵、餐館，這些人流較大，同時有上有下的場合。比如，在影劇院里，上一場電影剛剛結束，觀眾下樓，而下一場電影的觀眾正要上樓。一部電梯就同時解決了上下的問題。我們假設兩個轎廂都是滿載，兩邊的重量也相當，下樓觀眾的勢能轉換給了上樓的觀眾，電梯幾乎不費電。

這種雙轎廂電梯的初級產品不妨設置為固定揚程，比如：從地鐵站的站臺到地面的電梯、從地面直到某一樓面的專用電梯，升降距離都是固定的，不?？科渌麡菍?。在此基礎上積累經驗，再推廣到普通的住宅、寫字樓等。

上圖所示的雙轎廂電梯—在同一滑軌上有兩個轎廂，各自有獨立的曳引裝置，目的是充分利用電梯井本文所說“雙轎廂電梯”則不同，兩個轎廂分別置于同一曳引繩的兩端，互為對重，等于省略了對重

雙轎廂電梯的節能原理也可用于自動扶梯。在一些商場、寫字樓、車站或大型商業綜合體里，需大量設置扶梯（如后圖），每天耗費的電能可想而知。

扶梯的階梯鏈、扶手都靠電機驅動，作循環運動（如后圖）。乘客上行固然要耗費電能，下行也不太“省力”，因為扶梯不能“掛空檔”。

如果仿照雙轎廂電梯，建造“雙坡扶梯”，就可以省電了（如下圖）。我們將上行扶梯與下行扶梯組合在一起，坡面相對，但循環運動的階梯鏈只有一套，驅動階梯鏈的電機也只需一個。這座雙坡電梯上，一面坡上是乘客上行，另一面坡上是乘客下行，下行乘客把自己的勢能轉換給了上行的乘客，電機就省電了。

雙坡扶梯示意圖。相對設置，一上一下

勢能的傳遞和貯存

我們可以設想，有一系列的蹺蹺板按一定距離排列起來。每個蹺蹺板的b端都站有一個演員。當一個彪形大漢砸在第一塊蹺蹺板的a端后，站在b端的演員就被高高彈起，砸向第二塊板的a端，站在第二塊板b端的演員又被彈起。依此類推，于是發生連鎖反應。這就是勢能的連續傳遞。就一座樓來說，電梯與這座樓里的居民—電梯的乘客，也在進行勢能的連續傳遞。

在一座寫字樓里，每天上樓的人數與下樓的人數大致是相等的，上、下的總重量也大致相等。不排除有人上樓乘梯、下樓步行，或下樓乘梯、上樓步行，或上下樓時攜帶物品的重量不同，但這些顯然無關大局。如果該樓安裝的是上述節能電梯或雙轎廂電梯，全樓的總勢能總是在乘客之間、乘客與電梯的對重之間相互傳遞。即便是全體人員都下班了，樓內一宿無人，勢能傳遞也沒有中斷，或者說是勢能被貯存起來了：樓內所有節能電梯都處于轎廂落地、對重高懸的狀態，此時，對重一側的重量是轎廂重量與最后一撥乘客重量之和。這種狀態被鎖定，直至第二天上班，對重一側的勢能又將繼續傳遞到上樓的乘客身上。

總之，我們應該看到，無論是乘客，還是轎廂、對重，都是勢能的載體，彼此之間的勢能可以傳遞，但傳遞的前提是用電梯、扶梯這一類工具將其聯系在一起。一旦割裂開來，能量交換終止，原有的勢能就會浪費。這就是目前的電梯未能充分節能之弊。

相信節能電梯、雙轎廂電梯、雙坡扶梯不久就會開發出來。

圖為香港海洋公園扶梯上的游客。網上有一道題，可供讀者思考：小蘭在香港海洋公園里搭乘自動扶梯。若小蘭質量為 40kg，隨扶梯上升高度約為 112m。求扶梯對小蘭至少做了多少功？如果再乘上每天乘客的人數，可以算出它每天至少要耗多少電能