在用電梯節(jié)能改造的研究

于建明 上海鐵路局科研所

1 引言

國(guó)務(wù)院頒發(fā)的《特種設(shè)備安全監(jiān)察條例》重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)了特種設(shè)備節(jié)能降耗工作的重要性，明確了特種設(shè)備生產(chǎn)單位、使用單位和檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)的各自職責(zé)。同時(shí)，國(guó)家質(zhì)檢總局116號(hào)令頒布的《高能耗特種設(shè)備節(jié)能監(jiān)督管理辦法》，對(duì)電梯節(jié)能降耗工作要求做了進(jìn)一步細(xì)化。上世紀(jì)90年代中期以前投入使用的電梯，已經(jīng)服役十多年，很多已經(jīng)達(dá)不到現(xiàn)代電梯安全和節(jié)能環(huán)保要求，如何使這些老舊電梯達(dá)到節(jié)能要求，成為各級(jí)管理部門關(guān)注的重點(diǎn)之一，老舊電梯的節(jié)能改造工作迫在眉睫。

2 不同類型的電梯能耗分析

根據(jù)國(guó)家質(zhì)檢總局《電梯能效評(píng)價(jià)指標(biāo)與檢測(cè)方法研究》課題組對(duì)全國(guó)10個(gè)城市不同型號(hào)電梯進(jìn)行了1 000 kg貨物運(yùn)送1 000 m的試驗(yàn)，并采用相同的測(cè)試方法測(cè)出能耗，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。

表1 不同類型電梯的能耗比較分析表

測(cè)試結(jié)果表明，完成相同的運(yùn)送量，不同類型的電梯耗電量相差很大。

3 電梯節(jié)能改造途徑

電梯節(jié)能改造主要從兩個(gè)方面開展：第一，降低“拖動(dòng)用電工況”的能耗，主要從驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、拖動(dòng)系統(tǒng)三個(gè)方面提高電梯的運(yùn)行效率；第二，對(duì)電梯“制動(dòng)發(fā)電工況”運(yùn)行過程中產(chǎn)生的再生能源儲(chǔ)存和再利用。

3.1 降低“拖動(dòng)用電工況”的能耗

3.1.1 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)節(jié)能

電梯的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)節(jié)能改造主要是對(duì)原有的曳引機(jī)蝸輪蝸桿變速箱的傳動(dòng)方式進(jìn)行更新改造，采用行星齒輪、永磁同步無齒輪、同步行星齒輪等傳動(dòng)替代設(shè)備。這些先進(jìn)的傳動(dòng)設(shè)備較原有的蝸輪蝸桿傳動(dòng)設(shè)備相比，具有體積小、性能高、控制穩(wěn)定、可節(jié)能20%以上等特點(diǎn)。

3.1.2 控制系統(tǒng)節(jié)能

控制系統(tǒng)節(jié)能改造主要有群控系統(tǒng)優(yōu)化、待機(jī)與自動(dòng)停機(jī)節(jié)能。群控系統(tǒng)是電梯群的調(diào)度系統(tǒng)，群控系統(tǒng)優(yōu)化主要任務(wù)是減少乘客的等待時(shí)間和提高電梯的利用率。優(yōu)化的主要方法有魯棒優(yōu)化模型法、滾動(dòng)優(yōu)化算法等。待機(jī)與自動(dòng)停機(jī)節(jié)能是指電梯不運(yùn)行時(shí)的能耗控制技術(shù)。

3.1.3 拖動(dòng)系統(tǒng)節(jié)能

拖動(dòng)系統(tǒng)節(jié)能改造的主要方法是將原有的電梯交流雙速及調(diào)壓調(diào)速（ACVV）設(shè)備改造為調(diào)頻調(diào)壓調(diào)速（VVVF）設(shè)備。

交流電機(jī)的轉(zhuǎn)速計(jì)算公式為：n=60f（1-s）/P，式中f為定子的供電頻率，s為電機(jī)轉(zhuǎn)差率，P為電機(jī)極對(duì)數(shù)。調(diào)頻調(diào)壓調(diào)速技術(shù)就是通過改變f來調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而獲得電梯承載的最佳舒適度。電梯采用的恒轉(zhuǎn)矩拖動(dòng)系統(tǒng)，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式為：M≈K（U/f）2，K為常數(shù)，從而為了獲得電機(jī)恒定轉(zhuǎn)矩，需保持U/f值不變，因此在改變f時(shí)，需同比例改變電機(jī)的定子電壓。

調(diào)頻調(diào)壓調(diào)速（VVVF）設(shè)備與調(diào)壓調(diào)速（ACVV）設(shè)備相比具有顯著的節(jié)能效果，主要反映啟動(dòng)、均速、制動(dòng)三個(gè)階段。

電梯啟動(dòng)時(shí)，調(diào)壓調(diào)速（ACVV）設(shè)備在50 Hz頻率下起動(dòng)，啟動(dòng)電流大，轉(zhuǎn)矩特性差，乘坐舒適度差，能耗大；而變頻變壓調(diào)速（VVVF）設(shè)備在低頻下起動(dòng)，隨著電梯速度上升，f不斷升高，直到額定速度，大大降低了能耗。

電梯均速運(yùn)行時(shí)，如果電梯處在重載向上運(yùn)行或輕載向下運(yùn)行“ 拖動(dòng)用電工況”下，（VVVF）與（ACVV）耗能基本相同；如果電梯處在輕載向上運(yùn)行或重載向下運(yùn)行“制動(dòng)發(fā)電工況”時(shí)，調(diào)壓調(diào)速（ACVV）電機(jī)需要消耗電能產(chǎn)生制動(dòng)能量，而變頻變壓調(diào)速（VVVF）電機(jī)則再生發(fā)電狀態(tài)，不需消耗電能產(chǎn)生制動(dòng)能量。

電梯制動(dòng)過程中，調(diào)壓調(diào)速（ACVV）一般采用能耗制動(dòng)方式，即從電網(wǎng)中獲得能量形成制動(dòng)電流。對(duì)于有較大慣性輪的電機(jī)，制動(dòng)電流高達(dá)60～80 A，對(duì)電網(wǎng)的沖擊較大，制動(dòng)能量變成熱能，消耗在電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子中，電動(dòng)機(jī)發(fā)熱現(xiàn)象比較嚴(yán)重。變頻變壓調(diào)速（VVVF）因調(diào)速性能好，在正常情況下基本做到“零速抱閘”。

因此在電梯節(jié)能改造過程中，通常采用調(diào)頻調(diào)壓調(diào)速技術(shù)改進(jìn)老舊電梯的拖動(dòng)系統(tǒng)，大大降低能耗，同時(shí)也提高了電梯乘坐舒適度。

3.2 制動(dòng)工況耗能利用

電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)曳引輪旋轉(zhuǎn)，通過曳引輪繩槽與鋼絲繩摩擦傳動(dòng)，實(shí)現(xiàn)鋼絲繩兩端轎廂與對(duì)重的上下相向運(yùn)動(dòng)。在轎廂的上下運(yùn)行過程中，根據(jù)轎廂側(cè)與對(duì)重兩側(cè)產(chǎn)生拉力差及運(yùn)行方向的不同可分為4種情況（見表2）。驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)經(jīng)常在“拖動(dòng)用電工況”與“制動(dòng)發(fā)動(dòng)工況”短時(shí)交替工作，在“拖動(dòng)用電工況”電梯驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)需消耗電能，在“制動(dòng)發(fā)動(dòng)工況”電梯驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)要發(fā)出電能。

表2 電梯負(fù)荷情況、運(yùn)行方向和電動(dòng)機(jī)工況的關(guān)系表

3.2.1 采用逆變器將再生能量回饋電網(wǎng)

如圖1所示，當(dāng)電梯處在拖動(dòng)用電工況下，與傳統(tǒng)的變頻器工作方式相同，即由電網(wǎng)向曳引機(jī)供電；當(dāng)電梯處于制動(dòng)發(fā)電工況下，通過左邊的變流器將電梯的再生電能回饋到電網(wǎng)。由于我國(guó)電能反饋目前沒有得到供電部門的普遍認(rèn)可，回收電費(fèi)在實(shí)際操作中很難兌現(xiàn)，影響了這項(xiàng)技術(shù)的推廣。

圖1 采用逆變器回將再生電能回饋電網(wǎng)示意圖

3.2.2 采用蓄電池吸收再生電能

如圖2所示，電池組通過雙向DC-DC與電頻器的直接母線相連，當(dāng)電梯處在拖動(dòng)用電工況下，電池處于恒流放電狀態(tài)；當(dāng)電梯處于制動(dòng)發(fā)電工況下，并且直流母線電流達(dá)到某一特定值時(shí)，電池開始充電，充電電流可根據(jù)回饋的再生能量進(jìn)行控制。目前電池的壽命有限，并且需定期更換，成本較大，推廣應(yīng)用有待新型電池的研制。

圖2 電池吸收再生電能示意圖

3.2.3 采用超級(jí)電容吸收再生電能

超級(jí)電容是20世紀(jì)60、70年代率先在美國(guó)出現(xiàn)，到了80年代作為儲(chǔ)能器件走向市場(chǎng)，2010年上海世博會(huì)，超級(jí)電容公交汽車得到了成功的應(yīng)用。超級(jí)電容作為儲(chǔ)能器件與電池相比優(yōu)點(diǎn)在于：

（1）充電時(shí)間短。最快可在幾十秒內(nèi)充電完畢，最長(zhǎng)充電不過十幾分鐘，而蓄電池則需8-12 h；

（2）充放電具有很長(zhǎng)的循環(huán)壽命（可循環(huán)充電10萬次），而蓄電池只有數(shù)百次；

（3）貯存壽命長(zhǎng)，因充放電過程中沒有發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或電化學(xué)反應(yīng)，沒有生成新的物質(zhì)；

（4）高可靠，低維護(hù)，因充放電過程中沒有部件運(yùn)動(dòng)，維護(hù)工作少。超級(jí)電容與鉛酸電池性能，如表3所示。

表3 超級(jí)電容器與鉛酸電池性能的比較

采用超級(jí)電容吸收電梯再生電能原理與電池吸收再生電能相同（如圖3）。由于超級(jí)電容器硬件成本較高，且應(yīng)用在電梯上的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)少，有待進(jìn)一步的推廣。

圖3 超級(jí)電容吸收再生電能示意圖

4 電梯節(jié)能改造技術(shù)的應(yīng)用情況

目前，采用變頻調(diào)壓調(diào)速技術(shù)對(duì)交流雙速、調(diào)壓調(diào)速老舊電梯的改造得到了廣泛的應(yīng)用。經(jīng)變頻調(diào)壓調(diào)速技術(shù)（VVVF）改進(jìn)后的電梯結(jié)構(gòu)緊湊，噪音低，提高了傳動(dòng)效率。因調(diào)壓調(diào)速技術(shù)（VVVF）為無級(jí)調(diào)速，從而大大提高了乘客的舒適度。某單位使用調(diào)頻調(diào)壓調(diào)速技術(shù)改造一臺(tái)調(diào)壓調(diào)速電梯，對(duì)改造前后的用電量進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。改造前1年的總用電量為15 366.5 kwh，日平均用電量為42.1 kwh，改造后總用量8 979.0 kwh，日平均用電量為24.6 kwh，節(jié)能可達(dá)41.6%。

在已采用了先進(jìn)的變頻調(diào)壓調(diào)速技術(shù)（VVVF）的電梯，節(jié)能的空間依然很大。據(jù)廣州省特檢院提供的23臺(tái)普通變頻變壓調(diào)速（VVVF）電梯增加能量回饋裝置，測(cè)試能效指標(biāo)，與未增加能量回饋裝置相比，平均節(jié)電率達(dá)23.38%。

5 我局電梯的節(jié)能前景

目前，上海鐵路局垂直電梯在用319臺(tái)，其中交流雙速電梯75臺(tái)，調(diào)壓調(diào)速電梯66臺(tái)，變頻調(diào)壓調(diào)速電梯178臺(tái)，交流雙速電梯占全局垂直電梯的23.5%，調(diào)壓調(diào)速高能耗電梯占全局垂直梯的20.7%。

根據(jù)廣州省特檢院提供的數(shù)據(jù)：2007年全國(guó)在用電梯的日平均用電量為35.15 kwh，我們對(duì)全局電梯的能耗進(jìn)行估算得出，交流雙速電梯改造為變頻調(diào)壓調(diào)速電梯可節(jié)能60～70%；調(diào)壓調(diào)速電梯改造為變頻調(diào)壓調(diào)速電梯可節(jié)能40～50%。假設(shè)我局電梯日平均用電為35.15 kwh；交流雙速電梯、調(diào)壓調(diào)速電梯、變頻調(diào)壓調(diào)速電梯占有比例與全國(guó)相等；交流雙速電梯改造為變頻調(diào)壓調(diào)速電梯可節(jié)能60%；調(diào)壓調(diào)速電梯改造為變頻調(diào)壓調(diào)速電梯可節(jié)能40%，則可估算交流雙速電梯日平均用量為59.0 kwh，調(diào)壓調(diào)速電梯日平均用量為39.3 kwh，變頻調(diào)壓調(diào)速電梯日平均用量為23.6 kwh。如果我們把全局75臺(tái)交流雙速電梯與66臺(tái)調(diào)壓調(diào)速電梯均改造成變頻調(diào)壓調(diào)速電梯，則改造前全局電梯日平均用電量為11 219.6 kwh，改造后日平均用電量為7 528.4 kwh，每天可節(jié)電3 691.2 kwh，節(jié)電率達(dá)到33%。

6 電梯節(jié)能工作推廣

通過上述分析可知，目前我國(guó)電梯節(jié)能空間很大，對(duì)于如何進(jìn)行推廣和應(yīng)用，我們認(rèn)為應(yīng)該從以下幾個(gè)方面著手：

（1）在法律、法規(guī)上需明確電梯等特種設(shè)備節(jié)能監(jiān)管部門的職責(zé)，對(duì)能耗大或超出規(guī)定能耗標(biāo)準(zhǔn)的電梯設(shè)備，有權(quán)提出停用或改造的行政指令，否則不得投入運(yùn)行。

（2）檢驗(yàn)檢測(cè)機(jī)構(gòu)在對(duì)電梯等特種設(shè)備進(jìn)行年度檢驗(yàn)時(shí)，應(yīng)同時(shí)對(duì)能耗進(jìn)行檢測(cè)，出具設(shè)備安全和運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的檢驗(yàn)意見，并明確只有兩項(xiàng)檢驗(yàn)結(jié)果均合格時(shí)才能再投入使用。

（3）有關(guān)技術(shù)監(jiān)督部門應(yīng)制定電梯能耗等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，明確能耗等級(jí)，鼓勵(lì)優(yōu)先購買達(dá)標(biāo)的電梯設(shè)備，對(duì)能耗超標(biāo)電梯規(guī)定使用年限或淘汰時(shí)間。

（4）政府和主管部門應(yīng)加大激勵(lì)機(jī)制，對(duì)生產(chǎn)、使用節(jié)能電梯的單位在用電價(jià)格上給予特別優(yōu)惠或補(bǔ)貼，鼓勵(lì)使用先進(jìn)的節(jié)電技術(shù)和儲(chǔ)能設(shè)備；對(duì)電梯的節(jié)能改造費(fèi)用，允許企業(yè)列入研發(fā)費(fèi)用進(jìn)行加計(jì)扣除；對(duì)節(jié)能效果特別優(yōu)秀的單位，由政府給予特別獎(jiǎng)勵(lì)。