淺談電梯節(jié)能降耗的技術(shù)途徑

石家權(quán)

深圳市永杰興茂五金制品有限公司

1 引言

近年來，由于國際、國內(nèi)能源日趨緊張，能源價(jià)格一路飆升，國內(nèi)電價(jià)也在上漲。我國是一個(gè)能耗大國，能源利用率較低，節(jié)約能源是一項(xiàng)利國利民的大事。根據(jù)國家特種設(shè)備主管部門近期的統(tǒng)計(jì)和預(yù)測顯示，目前我國在用電梯約500萬臺(tái)左右，每年以10%速度遞增，2016年全國電梯耗電量約為1 460億kWh。中國電梯協(xié)會(huì)相關(guān)負(fù)責(zé)人表示，我國已成為世界電梯使用最多的國家。國家有關(guān)部門也表示，要在一定時(shí)間內(nèi)在全國范圍內(nèi)推廣節(jié)能電梯。

2 電梯節(jié)能降耗的歷史機(jī)遇

2.1 節(jié)能法的實(shí)施給電梯節(jié)能降耗工作提供了法律支持

《中華人民共和國節(jié)約能源法》第七條規(guī)定：國家實(shí)行有利于節(jié)能和環(huán)境保護(hù)的產(chǎn)業(yè)政策，限制發(fā)展高耗能、高污染行業(yè)，發(fā)展節(jié)能環(huán)保型產(chǎn)業(yè)。國務(wù)院和省、自治區(qū)、直轄市人民政府應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)節(jié)能工作，合理調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、企業(yè)結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)，推動(dòng)企業(yè)降低單位產(chǎn)值能耗和單位產(chǎn)品能耗，淘汰落后的生產(chǎn)能力，改進(jìn)能源的開發(fā)、加工、轉(zhuǎn)換、輸送、儲(chǔ)存和供應(yīng)，提高能源利用效率。國家鼓勵(lì)、支持開發(fā)和利用新能源、可再生能源。第八條規(guī)定：國家鼓勵(lì)、支持節(jié)能科學(xué)技術(shù)的研究、開發(fā)、示范和推廣，促進(jìn)節(jié)能技術(shù)創(chuàng)新與進(jìn)步。《中華人民共和國節(jié)約能源法》規(guī)定：對高耗能的特種設(shè)備，按照國務(wù)院的規(guī)定實(shí)行節(jié)能審查和監(jiān)管。國務(wù)院關(guān)于“十三五”節(jié)能減排的通知[國發(fā)（2016）74號(hào)]第三章 第十三條:開展電梯能效測試與評價(jià)，在確保安全的前提下，鼓勵(lì)永磁同步電機(jī)變頻調(diào)速能量反饋等節(jié)能技術(shù)的集成應(yīng)用，開展老舊電梯安全節(jié)能降耗試點(diǎn)。

2.2 《電梯能源效率評價(jià)與檢測技術(shù)研究》為電梯節(jié)能提供了安全技術(shù)規(guī)范和監(jiān)管政策

國家質(zhì)檢總局已明確將大力推進(jìn)電梯的節(jié)能審查和監(jiān)管政策，實(shí)施安全與節(jié)能并舉的新舉措，將采取制訂規(guī)范、明確指標(biāo)、逐步更新、逐年推動(dòng)的策略，逐步提升電梯節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用范圍，力爭用5～10 a，實(shí)現(xiàn)電梯節(jié)能技術(shù)的普遍應(yīng)用。這給電梯節(jié)能降耗工作帶來新的機(jī)遇，國家質(zhì)檢總局已經(jīng)立項(xiàng)組織開展《電梯能源效率評價(jià)與檢測技術(shù)研究》，并將陸續(xù)出臺(tái)電梯能源效率檢驗(yàn)檢測、電梯能源效率審查與監(jiān)管等特種設(shè)備安全技術(shù)規(guī)范。質(zhì)檢總局（2012第5號(hào)）關(guān)于高耗能特種設(shè)備節(jié)能技術(shù)與產(chǎn)品推廣目錄中第21項(xiàng)是：電梯能量回饋裝置。這給電梯節(jié)能降耗工作帶來了評價(jià)的依據(jù)。

3 電梯節(jié)能降耗的技術(shù)途徑（見圖1）

圖1 電梯節(jié)能降耗的技術(shù)途徑

3.1 電梯發(fā)電原理

升降型電梯是一個(gè)勢能性負(fù)載。為了均勻拖動(dòng)負(fù)載，電梯曳引機(jī)拖動(dòng)的負(fù)載由載客轎廂和對重平衡塊組成，只有當(dāng)轎廂載重量約為50%（1 t客梯可載7人左右）時(shí)，轎廂和對重平衡塊才相互平衡。否則，轎廂和對重平衡塊就會(huì)有質(zhì)量差，使電梯運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生機(jī)械勢能（電梯重載下行和輕載上行），電梯運(yùn)行中多余的機(jī)械能（含勢能和動(dòng)能），通過曳引機(jī)和變頻器轉(zhuǎn)換成直流電能儲(chǔ)存在變頻器直流回路的電容中。此時(shí)電容就好比是一個(gè)小水庫，回送到電容中的電能越多，電容電壓就越高，如不及時(shí)釋放電容器儲(chǔ)存的電能，就會(huì)產(chǎn)生過壓故障，造成變頻器停止工作，電梯無法正常運(yùn)行。目前，國內(nèi)絕大多數(shù)變頻調(diào)速電梯均采用電阻消耗電容中儲(chǔ)存電能的方法來防止電容過壓，但是電阻耗能不僅降低了系統(tǒng)的效率，電阻產(chǎn)生的大量熱量還惡化了電梯控制柜周邊的環(huán)境。

電梯發(fā)電節(jié)能裝置的出現(xiàn)很好地解決了這一難題，電梯發(fā)電節(jié)能裝置能有效的將電容中儲(chǔ)存的電能回送給交流電網(wǎng)供周邊其他用電設(shè)備使用，節(jié)電效果十分明顯，一般節(jié)電率可達(dá)30%～45%。此外，由于無電阻發(fā)熱元件，機(jī)房溫度下降，可以節(jié)省機(jī)房空調(diào)的耗電量，節(jié)約空調(diào)耗電量往往帶來更大的節(jié)電效果（見圖2）。

圖2 電梯電阻消耗裝置

3.2 采用先進(jìn)的梯控節(jié)能技術(shù)

在進(jìn)行電梯節(jié)能系統(tǒng)控制時(shí)，需要合理調(diào)配電梯運(yùn)行方式，以降低不必要的能源消耗。在電梯操控方式上，主要包括并聯(lián)控制、梯群程序控制與梯群智能控制3種方式。

（1）并聯(lián)控制方式

多適用于電梯數(shù)量為2～3臺(tái)的情況，共用層部分站外設(shè)置召喚按鈕，這種控制方式的電梯本身具備集選功能。選擇應(yīng)用并聯(lián)控制方式，其優(yōu)點(diǎn)是在沒有電梯運(yùn)行任務(wù)時(shí)，其所控制的電梯，其中有一臺(tái)停在基站，一臺(tái)?？坑陬A(yù)設(shè)樓層，為自由梯在出現(xiàn)電梯運(yùn)行任務(wù)時(shí)，位于基站的電梯會(huì)向上運(yùn)行，另一臺(tái)電梯則自動(dòng)下降到基站；基站外樓層發(fā)出電梯召喚指令后，自由梯前往制定樓層，如樓層信號(hào)與自由梯運(yùn)行方向相反，則由基站電梯前往。通過這種控制方式，提高了電梯運(yùn)行效率。（2）梯群程序控制電梯方式

梯群程序控制電梯方式是依靠微機(jī)進(jìn)行多臺(tái)并列電梯控制與統(tǒng)一調(diào)度，集中排列多臺(tái)電梯，共用召喚按鈕，依據(jù)所設(shè)定的程序進(jìn)行電梯控制及調(diào)度。

（3）梯群智能控制方式

梯群智能控制方式智能化水平較高，可以進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、交換及存儲(chǔ)，并在數(shù)據(jù)獲取的基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。其控制方式可以對電梯運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行顯示，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決電梯運(yùn)行中存在的問題。智能控制方式應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)，編制出最佳運(yùn)行方式，能夠有效節(jié)約電梯運(yùn)行時(shí)間，降低了電梯能耗。

3.3 電梯電能回饋器的再生利用

PFE系列電梯回饋裝置（見圖3）是通過國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，廣東省特種設(shè)備檢測院，上海市特種設(shè)備檢測院和深圳電子產(chǎn)品質(zhì)量檢測中心的安全檢測，適用于各類型垂直電梯節(jié)能應(yīng)用。PFE采用了獨(dú)特的柔性雙PWM和LCL濾波技術(shù)，當(dāng)一臺(tái)電機(jī)進(jìn)行制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)階段產(chǎn)生的再生電能將回饋到上級(jí)變頻器，從而導(dǎo)致設(shè)備直流母線電壓升高，影響設(shè)備安全及正常運(yùn)行。PFE并聯(lián)的到變頻器設(shè)備直流母線，將母線電壓限制到可接受水平，并將制動(dòng)再生能量回饋到電網(wǎng)。通過直流母線端子直接連接至變頻器或者逆變器上，當(dāng)直流母線電壓達(dá)到一個(gè)設(shè)定值時(shí)，PFE自動(dòng)開通以防止直流母線電壓繼續(xù)增長。PFE的運(yùn)行與變頻器或者逆變器無關(guān)，且電子器件由直流母線電壓供電。以此可以有效的將位能用動(dòng)能產(chǎn)生的電能轉(zhuǎn)換成交流電回送到電網(wǎng)，起到節(jié)電作用，且沒有電阻耗能產(chǎn)生的熱量，還可以使機(jī)房的環(huán)境溫度降低，有效的改善了電梯控制系統(tǒng)的運(yùn)行溫度，延長電梯的使用壽命。機(jī)房可以減少或者不再使用空調(diào)，又可以節(jié)約機(jī)房空調(diào)設(shè)備的投入和空調(diào)用電，電能損耗可減少≥30%。

圖3 電梯電能源回饋裝置

PFE根據(jù)電機(jī)功率選型，與原系統(tǒng)并聯(lián)使用，不影響電梯的可靠性，安裝和使用方便。電壓諧波畸變率≤5%，完全符合IEC61000-3-2及GB/T14549規(guī)定，故障自動(dòng)脫離，可以使電梯節(jié)省30%的耗電。使電梯效率提高、運(yùn)行平穩(wěn)、設(shè)備壽命延長，結(jié)合PLC或微機(jī)控制，更顯示無觸點(diǎn)控制的優(yōu)越性：線路簡化、控制靈活、運(yùn)行可靠、維護(hù)和故障監(jiān)測方便。

3.4 改進(jìn)電梯機(jī)械傳動(dòng)和曳引的節(jié)能技術(shù)

提高電梯機(jī)械傳動(dòng)效率，是實(shí)現(xiàn)電梯節(jié)能的關(guān)鍵。當(dāng)前，在電梯電動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中，其額定轉(zhuǎn)速相對較高，輸出轉(zhuǎn)矩相對較小，需要通過減速機(jī)構(gòu)降低轉(zhuǎn)速，提高轉(zhuǎn)矩方可驅(qū)動(dòng)曳引輪，并沒有直接對曳引輪進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制。目前高層建筑電梯多采取蝸輪蝸桿式傳動(dòng)方式，其傳動(dòng)方式在應(yīng)用中傳動(dòng)效率較低，為實(shí)現(xiàn)電梯節(jié)能，需要提高電梯傳動(dòng)效率，具體技術(shù)措施如下：

（1）永磁同步無齒輪驅(qū)動(dòng)技術(shù)和同步無齒輪技術(shù)的應(yīng)用。該項(xiàng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了電梯驅(qū)動(dòng)技術(shù)的變革，將電動(dòng)機(jī)軸與曳引輪綜合應(yīng)用，使電梯傳動(dòng)效率由原來的60%提升到85%以上，永磁同步無齒輪驅(qū)動(dòng)技術(shù)在電梯驅(qū)動(dòng)中的應(yīng)用，具有重量輕、振動(dòng)輕、體積小等優(yōu)點(diǎn)。

（2）行星齒輪驅(qū)動(dòng)技術(shù)。行星齒輪驅(qū)動(dòng)技術(shù)的傳動(dòng)效率優(yōu)勢十分突出，最高傳動(dòng)效率可以達(dá)到90%。應(yīng)用行星齒輪驅(qū)動(dòng)技術(shù)取代蝸輪蝸桿傳動(dòng)方式，其加工處理較為復(fù)雜，整體成本較高，限制了該技術(shù)的應(yīng)用及推廣。

（3） 同步行星齒輪驅(qū)動(dòng)技術(shù)。同步行星齒輪驅(qū)動(dòng)技術(shù)綜合了永磁同步無齒輪驅(qū)動(dòng)和及行星齒輪驅(qū)動(dòng)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，在普通中低速電梯中應(yīng)用同步行星齒輪驅(qū)動(dòng)技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)1:1曳引比，從而減少了曳引鋼絲繩瓦彎折，延長鋼絲繩應(yīng)用壽命。但是同步行星齒輪驅(qū)動(dòng)技術(shù)對電梯運(yùn)行性能改善不大，且造價(jià)較高，影響該技術(shù)的應(yīng)用推廣。

3.5 電梯轎廂LED照明系統(tǒng)的節(jié)能改造

電梯轎廂常規(guī)使用的25 W白熾燈6～8個(gè)或36 W日光燈3～4個(gè)等照明燈具，如果更換成3 W LED燈4～6個(gè)，可節(jié)約能耗約70%，LED燈壽命大約是常規(guī)燈具的40倍。LED燈功率一般僅為3 W，熱量很小，而且能實(shí)現(xiàn)各種外形設(shè)計(jì)和光學(xué)效果，美觀大方，經(jīng)久耐用。

4 電梯節(jié)能的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益

4.1 電梯節(jié)電量分析（見圖4）

圖4 電梯改造節(jié)電量分析

全國在用電梯500萬臺(tái)，按每臺(tái)節(jié)電30%，其經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益十分可觀。據(jù)檢測，在相同的測試方法下，交流雙速電梯每t·km耗電量為8.30～8.76 kWh；ACVV調(diào)速電梯每t·km耗電量為5.01～5.28 kWh；VVVF有齒輪電梯每t·km耗電量為1.67～3.46 kWh；VVVF無齒輪電梯每t·km耗電量為1.05～2.27 kWh。測試數(shù)據(jù)顯示，完成相等的運(yùn)送量，不同的電梯的耗電水平相差可達(dá)8倍，如果加上電能回饋裝置的影響，節(jié)能空間差距會(huì)更大。

若在新電梯產(chǎn)品上廣泛應(yīng)用永磁同步電機(jī)、制動(dòng)電能回饋等節(jié)能技術(shù)，單機(jī)可節(jié)電約30%，全國僅新增電梯一項(xiàng)每年就可節(jié)電438億kWh以上，再加上對在用電梯實(shí)行節(jié)能審查和監(jiān)管，對高耗能電梯實(shí)施節(jié)能技術(shù)改造，采用先進(jìn)的變頻控制技術(shù)和永磁同步電機(jī)可節(jié)能30%～45%左右，如果采用能量反饋技術(shù)最高可節(jié)能70%，按每臺(tái)平均節(jié)能30%計(jì)算，（節(jié)約0.80萬kWh/臺(tái)·年計(jì)），在用電梯改造全國每年節(jié)約40億kWh，新舊梯加起來可節(jié)能400億kWh，如按1元/kWh計(jì)，全年可節(jié)約400億元，具有良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，通過電梯節(jié)能技術(shù)的采用，不僅緩解國內(nèi)日益增長的電力緊張局勢，隨著每年的電梯數(shù)量、用電價(jià)格逐年增長，綜合全國電梯節(jié)能的巨大潛力對社會(huì)將是巨大貢獻(xiàn)。以“能源再生技術(shù)”為例，該技術(shù)能使電梯在下降的過程中將能量返回電網(wǎng)，進(jìn)入電能再生運(yùn)營的狀態(tài)，這種“再生能源”的狀態(tài)使全球電梯市場節(jié)能技術(shù)的運(yùn)用有了質(zhì)的飛躍。目前有些電梯能源再生驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在相同的電梯運(yùn)行條件下，可比非能源再生系統(tǒng)最多節(jié)約45%的電能。

以普通住宅電梯為例：一部變頻電梯，如果處于發(fā)電狀態(tài)運(yùn)行，在空載運(yùn)行的時(shí)候，每次發(fā)出來的電能約為0.2 kWh。送回電網(wǎng)的電能可以用于大樓的照明和空調(diào)等。據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，每年每臺(tái)電梯平均運(yùn)行次數(shù)約20萬次，這樣10萬次左右處于發(fā)電狀態(tài)。如果樓層不高，按每次發(fā)電0.1 kWh來計(jì)算，每年每臺(tái)電梯能節(jié)電約10 000 kWh左右。一個(gè)擁有10萬部電梯的中等城市，如果能在每部電梯上安裝電梯發(fā)電節(jié)能裝置，則每年的節(jié)電量為0.1億kWh。

一部普通的中速電梯，按照每臺(tái)電梯平均用電量約為80 kWh/天計(jì)算，全國在用電梯數(shù)約為500萬臺(tái)，每天耗電約為4億kWh，每年消耗電量約為1 460億kWh。如果將電梯節(jié)能發(fā)電裝置在每部電梯中推廣應(yīng)用，將電梯處于發(fā)電狀態(tài)的電能回饋再生利用，按照平均回饋節(jié)能率30%計(jì)算，每年可為全國節(jié)約電量約438億kWh。采用永磁同步拖動(dòng)于制動(dòng)電能回饋技術(shù)。業(yè)內(nèi)有關(guān)人士認(rèn)為，能源回饋技術(shù)和電梯運(yùn)行的完美結(jié)合將打破傳統(tǒng)無齒輪電梯從節(jié)能到“造”能的飛躍。應(yīng)用制動(dòng)電能回饋技術(shù)節(jié)電率可達(dá)30%～45%。

4.2 老電梯節(jié)能改造的效益分析

現(xiàn)在還有許多電梯仍是采用傳統(tǒng)的交流變極調(diào)速和交流調(diào)在調(diào)速技術(shù)。這部分電梯電能損耗極大，給物業(yè)增加了高昂的電費(fèi)。只要通過改造電梯拖動(dòng)控制系統(tǒng)，采用先進(jìn)的變頻控制技術(shù)和永磁同步電機(jī)可節(jié)電30%～45%，同時(shí)再采用能量反饋技術(shù)可高達(dá)70%，若全國老舊電梯總量計(jì)50萬臺(tái)，按每臺(tái)平均節(jié)能35%計(jì)算，僅此一項(xiàng)，全國每年的節(jié)電量相當(dāng)可觀，同時(shí)還能有效提高電梯運(yùn)行的舒適感、穩(wěn)定性和安全性，在用電梯大部分，都是采用了“交-直-交”變頻拖動(dòng)。現(xiàn)有技術(shù)是把電梯制動(dòng)工況產(chǎn)生的電能整流為直流電，經(jīng)制動(dòng)電阻泄放，變?yōu)闊崮苋绮捎弥苿?dòng)電能回饋裝置就相對簡單，只把制動(dòng)電阻換成回饋裝置即可。該裝置只有5根接線，其中2根接原制動(dòng)電阻的直流母線，另3根接三相動(dòng)力電源。將電機(jī)轉(zhuǎn)換到負(fù)載上的機(jī)械能反變換成電能回饋再生利用，使電動(dòng)機(jī)和負(fù)載在單位時(shí)間內(nèi)消耗的電網(wǎng)電能下降。廣州天河大廈已應(yīng)用該項(xiàng)改造技術(shù)，并取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。大廈共安裝26臺(tái)高層電梯，每臺(tái)電梯每月原有用電量約6 000 kWh；經(jīng)過技術(shù)改造后，每臺(tái)電梯每月的用電量約為3 900 kWh，每月每臺(tái)電梯實(shí)現(xiàn)節(jié)電量約2 100 kWh，節(jié)能率在32%左右。

電梯節(jié)能除了取得顯著的節(jié)電效益的同時(shí)，還具有顯著的社會(huì)效益。若我國今后的電梯都采用能源再生變頻器，全國將節(jié)省電能400億kWh，CO2排放將減少0.5億t左右，約0.8億塵埃不需要排放到空氣中；節(jié)水約1億L，這將為中國建設(shè)節(jié)約型社會(huì)、實(shí)施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略做出巨大的貢獻(xiàn)。

近年來，圍繞電梯節(jié)能技術(shù)創(chuàng)新，很多企業(yè)和相關(guān)單位投入了大量的人力物力，不但開發(fā)出一批具有市場價(jià)值的節(jié)能技術(shù)與產(chǎn)品，而且也確實(shí)在積極推動(dòng)電梯產(chǎn)品及行業(yè)的良性發(fā)展，巨大的市場空間和良好經(jīng)濟(jì)效益讓眾多的電梯節(jié)能技術(shù)及時(shí)推廣應(yīng)用，可以說市場的認(rèn)知與符合市場經(jīng)濟(jì)規(guī)律的利益推動(dòng)，也將是推動(dòng)電梯節(jié)能工作的有序快速發(fā)展的動(dòng)力。