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摘 要：人们在乘坐高速电梯时，会有头晕、耳鸣、耳朵有压迫感等不适症状。这并不是因电梯在运行过程中的噪音所导致，而是由于电梯在运行时楼层跨度较大，气压的变化导致乘客产生不良反应。为了解决这个问题，文章主要研究高速电梯轿厢内气压变化的调节技术，笔者将从应用原理、调节方案、气压调节过程及效果等三方面全方位介绍高速电梯轿厢气压变化调节技术。
关键词：高速电梯;气压调节;轿厢气压
中图分类号：TU857 文献标识码：A 文章编号：1674-1064（2020）10-016-02
DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2020.10.008
在我國的大城市中，直耸入云的高楼大厦林立，这一幢幢的高楼大厦中，需要高速电梯的正常运行保证人们的上上下下。高速电梯不仅作为交通工具方便人们的生活，也是高层建筑中楼层与楼层之间必不可少的联系。但是，随着人们对高速电梯的使用越来越多，便捷的交通工具也会有弊端显现出来。大楼中的高速电梯似乎都会使乘客产生不适的感觉，尤其是当电梯的速度增加时，部分乘客会感到耳朵胀痛、头晕目眩，时间长了严重者还会引发呕吐。原因是电梯的速度增加，会带来强烈的空气对流，由于乘客耳朵内外气压不一致，导致乘客耳朵有明显的压迫感。所以，如何调节高速电梯轿厢内的气压、增加乘客的舒适感成为一个值得深入研究的话题。回顾之前关于气体动力学、电梯轿厢升降原理等国内外相关文献，文章将对高速电梯轿厢气压变化调节技术进行研究，寻找一种可以减轻乘客乘坐时不适感或缩短不适感觉时间的一种方法。
1 高速电梯气压调节原理
通常使用的高速电梯轿厢是已经安装了调节气压装置的，主要原理就是在高速电梯运行过程中，通过变频器和鼓风机等调节轿厢内的气压，使轿厢内的气压与人耳鼓膜内外侧气压保持一致，或者调节到人耳可以接受的状态，从而减轻乘客的不适感[1]。轿厢内的气压调节原理图如图1所示。
从图1可以看出，整个轿厢由两组控制装置组成：加压部分和减压部分。通过变频器控制加压鼓风机和减压鼓风机进行加压和减压，同时又通过过滤器进行辅助，从而保证进出轿厢的气体安全。轿厢内有一个气压计随时监测气压值变化。
为了方便研究，可以简单认为电梯轿厢内的气体体积不变，温度也不变。由于气体占据的体积是不变的，根据公式pV=m/MRT可知，轿厢内空气的压力和质量是正比关系，气体质量越小则压力也越小。所以，在这里放置鼓风机的目的并不是改变电梯轿厢内的空气体积，而是改变轿厢内空气的质量，然后气压随空气质量的变化发生变化。上述这些主要是靠变频器来实现的，变频器的速率不同，鼓风机运转的速度和强度也不一样，所以安装变频器的根本目的是改变轿厢内的气压。
2 高速电梯轿厢气压调节方案
高速电梯使乘客感到不适，是由于其在短时间内使乘客的高度迅速发生变化，与其有关的两个主要因素是气压变化幅度和气压变化速率。首先，应保证电梯在开关门时内外气压是一致的或相差不大，这样才能保证在开关门时气流平稳，以免引起大的空气对流或者打不开门的情况发生。
高速电梯轿厢气压调节方案有两个：
其一是先在短时间内使气压快速变化，升至一个趋于稳定的数值，剩余的气压差值以较短的时间、较慢的速度进行变化，使气压变化在人们可接受范围内，不会给乘客带来不适。这种方案的优点是：气压调节的效率高，乘客感到不适的时间只有刚刚开始时气压猛烈变化的一小段时间，后面相对来讲会更加舒服，给乘坐高速电梯的乘客带来更好的体验感受。缺点是：开始时气压变化幅度大，时间迅速效率高，对电梯调节设备硬件设施的要求高，同时要求高速电梯轿厢具有良好的承压能力。总结来讲，这种方案效率高但成本也高，不易于实现。
另一种方案是气压变化的速率不变，只需要匀速变化，保证电梯在开关门的时刻保持内外气压平衡即可。这种方案的优点是：气压平稳变化，算法简单，相对容易实现。最重要的是，能够将气压变化率降低到人耳开始产生不适的阈值（约为130Pa/s）以下[2]。这种方案的缺点是：没有考虑到气压变化对人体、对电梯轿厢等带来的影响。虽然能够保证电梯在开始和结束时可以顺利的开关门，但是对人体的影响大，如头晕、耳鸣的问题未得到真正解决，且气压变化的效率低。
这两种方案都是如今技术可以实现的，通过前文论述的调节系统实现。这两种方案各有利弊，方案一效率高但成本也高，不易实现;方案二容易实现，但会影响到乘客的使用体验。
3 高速电梯轿厢气压调节变化过程及效果
高速电梯轿厢气压调节是一个过程，一个短时而高效的过程。大气压力在海拔两千米以下，按照高度每上升100m，气压减小1200Pa的规律变化。也就是说，气压根据高度的变化是12Pa/m[3]。通过实际测量得知，电梯轿厢运行的速度-时间曲线是一个呈梯形的曲线。开始是一个加速的过程，中间是高度匀速的变化，最后是一个减速变化，最终停下来。高速电梯轿厢是一个相对封闭的空间，但是又有井道相连接，所以高速电梯轿厢内的气压变化会比外界气压变化稍慢一些。这一差距很小，可以忽略不计，同时为了方便研究，笔者将在研究时认为轿厢内的气压始终等于轿厢外的气压。
笔者在前文中写到的气压调节方案一是文章重点研究的方案，通过研究康力电梯股份有限公司研发的KLK2型高速电梯投入使用的情况，对比调节前后乘客的使用感受，得到以下结论：
当电梯从海拔200m的高度下降到一层（假设海拔高度为0m），一层气压比200m高度的楼层气压高2400Pa。在调节之前，乘客感到耳朵不舒服甚至头晕的时间大概有22s（这里以气压变化400Pa为乘客感到不舒服的临界点）。气压调节后，乘客仅在气压变化400Pa～2000Pa的阶段感到不适，整个过程约为7s[4]。但是，2000Pa的强气压变化会使乘客不由自主地做出吞咽等动作打开咽鼓管，以减轻不适感。在这个阶段后，乘客并未出现耳鸣、头晕等不适症状。 基于此，高速电梯需要安装气压调节装置，以缩短乘客感觉不适的时间。电梯运行过程中，电梯轿厢内外存在气压差会导致气体从高压流向低压，这也是人们在日常乘坐电梯时所感受到的“风”。所以气流流动会影响气压的变化，同时也会为气压调节带来一定的困难。为了使气压调节效果不被其他因素影響，同时也为了降低机械运行时的噪音，则需要提高高速电梯轿厢内的密闭性。可以将密闭性好的材料作为高速电梯轿厢内壁材料。其次，要注意电梯的缝隙，尤其是电梯门的缝隙。采用新技术，尽量减小电梯门存在的缝隙。通过减小气体流动，使高速电梯轿厢内的气压调节效果更好。
轿厢内气压调节的整个过程是，当电梯停止运行或在固定楼层暂停（等待）时，通过加压/减压鼓风机以标准转速运行来进行电梯轿厢内的换气循环[5]。电梯运行过程中，气压计实时监测轿厢内的气压变化，同时监测轿厢外的气压值，对比内外气压计算差值，再将需调节的差值传入变频器，由变频器控制鼓风机进行加压减压操作。在进行加压减压操作之后，达到目标气压值反馈给气压计进行监测。
不同的楼层气压不同，所以需要变化的气压量不同，鼓风机和变频器的作用也不同。在增加加压风机转速的同时降低减压风机的转速，可实现轿厢内气压增减的快速响应与跟踪控制。由于PID控制有结构简单合理、可实现性高、实用性高、抗老化性好等特点，因此采用PID控制改进高速电梯轿厢气压调节效果。
4 结语
城市面积是有限的，但每个城市都想要让自己的容量加大，于是高楼大厦随处可见，高速电梯成为常见的高大建筑中必不可少的“一份子”。由于人们日常乘坐高速电梯会产生不适感，笔者就高速电梯轿厢气压调节展开研究，提出通过控制装置进行气压调节，减轻乘客的不适感，缩短气压变化时间。调节气压的主要过程是，先在短时间内使气压快速变化，升至一个趋于稳定的数值，剩余的气压差值以较短的时间、较慢的速度进行变化，使气压变化在人们可接受范围内，之后的过程不会给乘客带来不适。笔者还通过测试和研究康力电梯公司研发的KLK2型高速电梯投入使用的情况，对比调节气压前后人们乘高速电梯的感受，可以发现调节的效果很好[6]。所以，高速电梯轿厢需要通过控制装置调节气压，以给乘客带来更好的乘坐体验。
参考文献
[1] 郑有木.高速电梯轿厢动力学参数对平稳性的影响分析及设计优化[D].杭州：浙江大学，2015.
[2] 李森.高速电梯轿厢气压变化规律建模与补偿设计分析及其应用[D].杭州：浙江大学，2017.
[3] 傅武军，朱昌明，张长友.单绕式电梯动力学建模及仿真分析[J].系统仿真学报，2005，17（3）：126-129.
[4] 梅元贵，周朝晖.高速列车通过隧道时诱发车厢内压力波动的数值分析[J].铁道学报，2005，27（5）：36-40.
[5] 杨谷旸.大气压随高度变化的实验[J].物理通报，1998（12）：26.
[6] 陈春俊，聂锡成，唐猛.车外空气压力作用下的CRH2型动车组车内空气压力传递函数模型[J].中国铁道科学，2013，34（4）：86.
关键词：高速电梯;气压调节;轿厢气压
中图分类号：TU857 文献标识码：A 文章编号：1674-1064（2020）10-016-02
DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2020.10.008
在我國的大城市中，直耸入云的高楼大厦林立，这一幢幢的高楼大厦中，需要高速电梯的正常运行保证人们的上上下下。高速电梯不仅作为交通工具方便人们的生活，也是高层建筑中楼层与楼层之间必不可少的联系。但是，随着人们对高速电梯的使用越来越多，便捷的交通工具也会有弊端显现出来。大楼中的高速电梯似乎都会使乘客产生不适的感觉，尤其是当电梯的速度增加时，部分乘客会感到耳朵胀痛、头晕目眩，时间长了严重者还会引发呕吐。原因是电梯的速度增加，会带来强烈的空气对流，由于乘客耳朵内外气压不一致，导致乘客耳朵有明显的压迫感。所以，如何调节高速电梯轿厢内的气压、增加乘客的舒适感成为一个值得深入研究的话题。回顾之前关于气体动力学、电梯轿厢升降原理等国内外相关文献，文章将对高速电梯轿厢气压变化调节技术进行研究，寻找一种可以减轻乘客乘坐时不适感或缩短不适感觉时间的一种方法。
1 高速电梯气压调节原理
通常使用的高速电梯轿厢是已经安装了调节气压装置的，主要原理就是在高速电梯运行过程中，通过变频器和鼓风机等调节轿厢内的气压，使轿厢内的气压与人耳鼓膜内外侧气压保持一致，或者调节到人耳可以接受的状态，从而减轻乘客的不适感[1]。轿厢内的气压调节原理图如图1所示。
从图1可以看出，整个轿厢由两组控制装置组成：加压部分和减压部分。通过变频器控制加压鼓风机和减压鼓风机进行加压和减压，同时又通过过滤器进行辅助，从而保证进出轿厢的气体安全。轿厢内有一个气压计随时监测气压值变化。
为了方便研究，可以简单认为电梯轿厢内的气体体积不变，温度也不变。由于气体占据的体积是不变的，根据公式pV=m/MRT可知，轿厢内空气的压力和质量是正比关系，气体质量越小则压力也越小。所以，在这里放置鼓风机的目的并不是改变电梯轿厢内的空气体积，而是改变轿厢内空气的质量，然后气压随空气质量的变化发生变化。上述这些主要是靠变频器来实现的，变频器的速率不同，鼓风机运转的速度和强度也不一样，所以安装变频器的根本目的是改变轿厢内的气压。
2 高速电梯轿厢气压调节方案
高速电梯使乘客感到不适，是由于其在短时间内使乘客的高度迅速发生变化，与其有关的两个主要因素是气压变化幅度和气压变化速率。首先，应保证电梯在开关门时内外气压是一致的或相差不大，这样才能保证在开关门时气流平稳，以免引起大的空气对流或者打不开门的情况发生。
高速电梯轿厢气压调节方案有两个：
其一是先在短时间内使气压快速变化，升至一个趋于稳定的数值，剩余的气压差值以较短的时间、较慢的速度进行变化，使气压变化在人们可接受范围内，不会给乘客带来不适。这种方案的优点是：气压调节的效率高，乘客感到不适的时间只有刚刚开始时气压猛烈变化的一小段时间，后面相对来讲会更加舒服，给乘坐高速电梯的乘客带来更好的体验感受。缺点是：开始时气压变化幅度大，时间迅速效率高，对电梯调节设备硬件设施的要求高，同时要求高速电梯轿厢具有良好的承压能力。总结来讲，这种方案效率高但成本也高，不易于实现。
另一种方案是气压变化的速率不变，只需要匀速变化，保证电梯在开关门的时刻保持内外气压平衡即可。这种方案的优点是：气压平稳变化，算法简单，相对容易实现。最重要的是，能够将气压变化率降低到人耳开始产生不适的阈值（约为130Pa/s）以下[2]。这种方案的缺点是：没有考虑到气压变化对人体、对电梯轿厢等带来的影响。虽然能够保证电梯在开始和结束时可以顺利的开关门，但是对人体的影响大，如头晕、耳鸣的问题未得到真正解决，且气压变化的效率低。
这两种方案都是如今技术可以实现的，通过前文论述的调节系统实现。这两种方案各有利弊，方案一效率高但成本也高，不易实现;方案二容易实现，但会影响到乘客的使用体验。
3 高速电梯轿厢气压调节变化过程及效果
高速电梯轿厢气压调节是一个过程，一个短时而高效的过程。大气压力在海拔两千米以下，按照高度每上升100m，气压减小1200Pa的规律变化。也就是说，气压根据高度的变化是12Pa/m[3]。通过实际测量得知，电梯轿厢运行的速度-时间曲线是一个呈梯形的曲线。开始是一个加速的过程，中间是高度匀速的变化，最后是一个减速变化，最终停下来。高速电梯轿厢是一个相对封闭的空间，但是又有井道相连接，所以高速电梯轿厢内的气压变化会比外界气压变化稍慢一些。这一差距很小，可以忽略不计，同时为了方便研究，笔者将在研究时认为轿厢内的气压始终等于轿厢外的气压。
笔者在前文中写到的气压调节方案一是文章重点研究的方案，通过研究康力电梯股份有限公司研发的KLK2型高速电梯投入使用的情况，对比调节前后乘客的使用感受，得到以下结论：
当电梯从海拔200m的高度下降到一层（假设海拔高度为0m），一层气压比200m高度的楼层气压高2400Pa。在调节之前，乘客感到耳朵不舒服甚至头晕的时间大概有22s（这里以气压变化400Pa为乘客感到不舒服的临界点）。气压调节后，乘客仅在气压变化400Pa～2000Pa的阶段感到不适，整个过程约为7s[4]。但是，2000Pa的强气压变化会使乘客不由自主地做出吞咽等动作打开咽鼓管，以减轻不适感。在这个阶段后，乘客并未出现耳鸣、头晕等不适症状。 基于此，高速电梯需要安装气压调节装置，以缩短乘客感觉不适的时间。电梯运行过程中，电梯轿厢内外存在气压差会导致气体从高压流向低压，这也是人们在日常乘坐电梯时所感受到的“风”。所以气流流动会影响气压的变化，同时也会为气压调节带来一定的困难。为了使气压调节效果不被其他因素影響，同时也为了降低机械运行时的噪音，则需要提高高速电梯轿厢内的密闭性。可以将密闭性好的材料作为高速电梯轿厢内壁材料。其次，要注意电梯的缝隙，尤其是电梯门的缝隙。采用新技术，尽量减小电梯门存在的缝隙。通过减小气体流动，使高速电梯轿厢内的气压调节效果更好。
轿厢内气压调节的整个过程是，当电梯停止运行或在固定楼层暂停（等待）时，通过加压/减压鼓风机以标准转速运行来进行电梯轿厢内的换气循环[5]。电梯运行过程中，气压计实时监测轿厢内的气压变化，同时监测轿厢外的气压值，对比内外气压计算差值，再将需调节的差值传入变频器，由变频器控制鼓风机进行加压减压操作。在进行加压减压操作之后，达到目标气压值反馈给气压计进行监测。
不同的楼层气压不同，所以需要变化的气压量不同，鼓风机和变频器的作用也不同。在增加加压风机转速的同时降低减压风机的转速，可实现轿厢内气压增减的快速响应与跟踪控制。由于PID控制有结构简单合理、可实现性高、实用性高、抗老化性好等特点，因此采用PID控制改进高速电梯轿厢气压调节效果。
4 结语
城市面积是有限的，但每个城市都想要让自己的容量加大，于是高楼大厦随处可见，高速电梯成为常见的高大建筑中必不可少的“一份子”。由于人们日常乘坐高速电梯会产生不适感，笔者就高速电梯轿厢气压调节展开研究，提出通过控制装置进行气压调节，减轻乘客的不适感，缩短气压变化时间。调节气压的主要过程是，先在短时间内使气压快速变化，升至一个趋于稳定的数值，剩余的气压差值以较短的时间、较慢的速度进行变化，使气压变化在人们可接受范围内，之后的过程不会给乘客带来不适。笔者还通过测试和研究康力电梯公司研发的KLK2型高速电梯投入使用的情况，对比调节气压前后人们乘高速电梯的感受，可以发现调节的效果很好[6]。所以，高速电梯轿厢需要通过控制装置调节气压，以给乘客带来更好的乘坐体验。
参考文献
[1] 郑有木.高速电梯轿厢动力学参数对平稳性的影响分析及设计优化[D].杭州：浙江大学，2015.
[2] 李森.高速电梯轿厢气压变化规律建模与补偿设计分析及其应用[D].杭州：浙江大学，2017.
[3] 傅武军，朱昌明，张长友.单绕式电梯动力学建模及仿真分析[J].系统仿真学报，2005，17（3）：126-129.
[4] 梅元贵，周朝晖.高速列车通过隧道时诱发车厢内压力波动的数值分析[J].铁道学报，2005，27（5）：36-40.
[5] 杨谷旸.大气压随高度变化的实验[J].物理通报，1998（12）：26.
[6] 陈春俊，聂锡成，唐猛.车外空气压力作用下的CRH2型动车组车内空气压力传递函数模型[J].中国铁道科学，2013，34（4）：86.