淺談電梯節能降耗的技術途徑

石家權

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、國內能源日趨緊張，能源價格一路飆升，國內電價也在上漲。我國是一個能耗大國，能源利用率較低，節約能源是一項利國利民的大事。根據國家特種設備主管部門近期的統計和預測顯示，目前我國在用電梯約500萬臺左右，每年以10%速度遞增，2016年全國電梯耗電量約為1 460億kWh。中國電梯協會相關負責人表示，我國已成為世界電梯使用最多的國家。國家有關部門也表示，要在一定時間內在全國范圍內推廣節能電梯。

2 電梯節能降耗的歷史機遇

2.1 節能法的實施給電梯節能降耗工作提供了法律支持

《中華人民共和國節約能源法》第七條規定：國家實行有利于節能和環境保護的產業政策，限制發展高耗能、高污染行業，發展節能環保型產業。國務院和省、自治區、直轄市人民政府應當加強節能工作，合理調整產業結構、企業結構、產品結構和能源消費結構，推動企業降低單位產值能耗和單位產品能耗，淘汰落后的生產能力，改進能源的開發、加工、轉換、輸送、儲存和供應，提高能源利用效率。國家鼓勵、支持開發和利用新能源、可再生能源。第八條規定：國家鼓勵、支持節能科學技術的研究、開發、示范和推廣，促進節能技術創新與進步。《中華人民共和國節約能源法》規定：對高耗能的特種設備，按照國務院的規定實行節能審查和監管。國務院關于“十三五”節能減排的通知[國發（2016）74號]第三章 第十三條:開展電梯能效測試與評價，在確保安全的前提下，鼓勵永磁同步電機變頻調速能量反饋等節能技術的集成應用，開展老舊電梯安全節能降耗試點。

2.2 《電梯能源效率評價與檢測技術研究》為電梯節能提供了安全技術規范和監管政策

國家質檢總局已明確將大力推進電梯的節能審查和監管政策，實施安全與節能并舉的新舉措，將采取制訂規范、明確指標、逐步更新、逐年推動的策略，逐步提升電梯節能技術的應用范圍，力爭用5～10 a，實現電梯節能技術的普遍應用。這給電梯節能降耗工作帶來新的機遇，國家質檢總局已經立項組織開展《電梯能源效率評價與檢測技術研究》，并將陸續出臺電梯能源效率檢驗檢測、電梯能源效率審查與監管等特種設備安全技術規范。質檢總局（2012第5號）關于高耗能特種設備節能技術與產品推廣目錄中第21項是：電梯能量回饋裝置。這給電梯節能降耗工作帶來了評價的依據。

3 電梯節能降耗的技術途徑（見圖1）

圖1 電梯節能降耗的技術途徑

3.1 電梯發電原理

升降型電梯是一個勢能性負載。為了均勻拖動負載，電梯曳引機拖動的負載由載客轎廂和對重平衡塊組成，只有當轎廂載重量約為50%（1 t客梯可載7人左右）時，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有質量差，使電梯運行時產生機械勢能（電梯重載下行和輕載上行），電梯運行中多余的機械能（含勢能和動能），通過曳引機和變頻器轉換成直流電能儲存在變頻器直流回路的電容中。此時電容就好比是一個小水庫，回送到電容中的電能越多，電容電壓就越高，如不及時釋放電容器儲存的電能，就會產生過壓故障，造成變頻器停止工作，電梯無法正常運行。目前，國內絕大多數變頻調速電梯均采用電阻消耗電容中儲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的效率，電阻產生的大量熱量還惡化了電梯控制柜周邊的環境。

電梯發電節能裝置的出現很好地解決了這一難題，電梯發電節能裝置能有效的將電容中儲存的電能回送給交流電網供周邊其他用電設備使用，節電效果十分明顯，一般節電率可達30%～45%。此外，由于無電阻發熱元件，機房溫度下降，可以節省機房空調的耗電量，節約空調耗電量往往帶來更大的節電效果（見圖2）。

圖2 電梯電阻消耗裝置

3.2 采用先進的梯控節能技術

在進行電梯節能系統控制時，需要合理調配電梯運行方式，以降低不必要的能源消耗。在電梯操控方式上，主要包括并聯控制、梯群程序控制與梯群智能控制3種方式。

（1）并聯控制方式

多適用于電梯數量為2～3臺的情況，共用層部分站外設置召喚按鈕，這種控制方式的電梯本身具備集選功能。選擇應用并聯控制方式，其優點是在沒有電梯運行任務時，其所控制的電梯，其中有一臺停在基站，一臺停靠于預設樓層，為自由梯在出現電梯運行任務時，位于基站的電梯會向上運行，另一臺電梯則自動下降到基站；基站外樓層發出電梯召喚指令后，自由梯前往制定樓層，如樓層信號與自由梯運行方向相反，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進行多臺并列電梯控制與統一調度，集中排列多臺電梯，共用召喚按鈕，依據所設定的程序進行電梯控制及調度。

（3）梯群智能控制方式

梯群智能控制方式智能化水平較高，可以進行數據采集、交換及存儲，并在數據獲取的基礎上進行數據分析。其控制方式可以對電梯運行狀態進行顯示，能夠及時發現并解決電梯運行中存在的問題。智能控制方式應用計算機技術，編制出最佳運行方式，能夠有效節約電梯運行時間，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）是通過國家質量監督檢驗中心，廣東省特種設備檢測院，上海市特種設備檢測院和深圳電子產品質量檢測中心的安全檢測，適用于各類型垂直電梯節能應用。PFE采用了獨特的柔性雙PWM和LCL濾波技術，當一臺電機進行制動時，制動階段產生的再生電能將回饋到上級變頻器，從而導致設備直流母線電壓升高，影響設備安全及正常運行。PFE并聯的到變頻器設備直流母線，將母線電壓限制到可接受水平，并將制動再生能量回饋到電網。通過直流母線端子直接連接至變頻器或者逆變器上，當直流母線電壓達到一個設定值時，PFE自動開通以防止直流母線電壓繼續增長。PFE的運行與變頻器或者逆變器無關，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能產生的電能轉換成交流電回送到電網，起到節電作用，且沒有電阻耗能產生的熱量，還可以使機房的環境溫度降低，有效的改善了電梯控制系統的運行溫度，延長電梯的使用壽命。機房可以減少或者不再使用空調，又可以節約機房空調設備的投入和空調用電，電能損耗可減少≥30%。

圖3 電梯電能源回饋裝置

PFE根據電機功率選型，與原系統并聯使用，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規定，故障自動脫離，可以使電梯節省30%的耗電。使電梯效率提高、運行平穩、設備壽命延長，結合PLC或微機控制，更顯示無觸點控制的優越性：線路簡化、控制靈活、運行可靠、維護和故障監測方便。

3.4 改進電梯機械傳動和曳引的節能技術

提高電梯機械傳動效率，是實現電梯節能的關鍵。當前，在電梯電動機運行過程中，其額定轉速相對較高，輸出轉矩相對較小，需要通過減速機構降低轉速，提高轉矩方可驅動曳引輪，并沒有直接對曳引輪進行驅動控制。目前高層建筑電梯多采取蝸輪蝸桿式傳動方式，其傳動方式在應用中傳動效率較低，為實現電梯節能，需要提高電梯傳動效率，具體技術措施如下：

（1）永磁同步無齒輪驅動技術和同步無齒輪技術的應用。該項技術實現了電梯驅動技術的變革，將電動機軸與曳引輪綜合應用，使電梯傳動效率由原來的60%提升到85%以上，永磁同步無齒輪驅動技術在電梯驅動中的應用，具有重量輕、振動輕、體積小等優點。

（2）行星齒輪驅動技術。行星齒輪驅動技術的傳動效率優勢十分突出，最高傳動效率可以達到90%。應用行星齒輪驅動技術取代蝸輪蝸桿傳動方式，其加工處理較為復雜，整體成本較高，限制了該技術的應用及推廣。

（3） 同步行星齒輪驅動技術。同步行星齒輪驅動技術綜合了永磁同步無齒輪驅動和及行星齒輪驅動技術的優點，在普通中低速電梯中應用同步行星齒輪驅動技術，可以實現1:1曳引比，從而減少了曳引鋼絲繩瓦彎折，延長鋼絲繩應用壽命。但是同步行星齒輪驅動技術對電梯運行性能改善不大，且造價較高，影響該技術的應用推廣。

3.5 電梯轎廂LED照明系統的節能改造

電梯轎廂常規使用的25 W白熾燈6～8個或36 W日光燈3～4個等照明燈具，如果更換成3 W LED燈4～6個，可節約能耗約70%，LED燈壽命大約是常規燈具的40倍。LED燈功率一般僅為3 W，熱量很小，而且能實現各種外形設計和光學效果，美觀大方，經久耐用。

4 電梯節能的經濟效益和社會效益

4.1 電梯節電量分析（見圖4）

圖4 電梯改造節電量分析

全國在用電梯500萬臺，按每臺節電30%，其經濟效益和社會效益十分可觀。據檢測，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。測試數據顯示，完成相等的運送量，不同的電梯的耗電水平相差可達8倍，如果加上電能回饋裝置的影響，節能空間差距會更大。

若在新電梯產品上廣泛應用永磁同步電機、制動電能回饋等節能技術，單機可節電約30%，全國僅新增電梯一項每年就可節電438億kWh以上，再加上對在用電梯實行節能審查和監管，對高耗能電梯實施節能技術改造，采用先進的變頻控制技術和永磁同步電機可節能30%～45%左右，如果采用能量反饋技術最高可節能70%，按每臺平均節能30%計算，（節約0.80萬kWh/臺·年計），在用電梯改造全國每年節約40億kWh，新舊梯加起來可節能400億kWh，如按1元/kWh計，全年可節約400億元，具有良好的社會效益和經濟效益，通過電梯節能技術的采用，不僅緩解國內日益增長的電力緊張局勢，隨著每年的電梯數量、用電價格逐年增長，綜合全國電梯節能的巨大潛力對社會將是巨大貢獻。以“能源再生技術”為例，該技術能使電梯在下降的過程中將能量返回電網，進入電能再生運營的狀態，這種“再生能源”的狀態使全球電梯市場節能技術的運用有了質的飛躍。目前有些電梯能源再生驅動系統在相同的電梯運行條件下，可比非能源再生系統最多節約45%的電能。

以普通住宅電梯為例：一部變頻電梯，如果處于發電狀態運行，在空載運行的時候，每次發出來的電能約為0.2 kWh。送回電網的電能可以用于大樓的照明和空調等。據有關數據統計，每年每臺電梯平均運行次數約20萬次，這樣10萬次左右處于發電狀態。如果樓層不高，按每次發電0.1 kWh來計算，每年每臺電梯能節電約10 000 kWh左右。一個擁有10萬部電梯的中等城市，如果能在每部電梯上安裝電梯發電節能裝置，則每年的節電量為0.1億kWh。

一部普通的中速電梯，按照每臺電梯平均用電量約為80 kWh/天計算，全國在用電梯數約為500萬臺，每天耗電約為4億kWh，每年消耗電量約為1 460億kWh。如果將電梯節能發電裝置在每部電梯中推廣應用，將電梯處于發電狀態的電能回饋再生利用，按照平均回饋節能率30%計算，每年可為全國節約電量約438億kWh。采用永磁同步拖動于制動電能回饋技術。業內有關人士認為，能源回饋技術和電梯運行的完美結合將打破傳統無齒輪電梯從節能到“造”能的飛躍。應用制動電能回饋技術節電率可達30%～45%。

4.2 老電梯節能改造的效益分析

現在還有許多電梯仍是采用傳統的交流變極調速和交流調在調速技術。這部分電梯電能損耗極大，給物業增加了高昂的電費。只要通過改造電梯拖動控制系統，采用先進的變頻控制技術和永磁同步電機可節電30%～45%，同時再采用能量反饋技術可高達70%，若全國老舊電梯總量計50萬臺，按每臺平均節能35%計算，僅此一項，全國每年的節電量相當可觀，同時還能有效提高電梯運行的舒適感、穩定性和安全性，在用電梯大部分，都是采用了“交-直-交”變頻拖動。現有技術是把電梯制動工況產生的電能整流為直流電，經制動電阻泄放，變為熱能如采用制動電能回饋裝置就相對簡單，只把制動電阻換成回饋裝置即可。該裝置只有5根接線，其中2根接原制動電阻的直流母線，另3根接三相動力電源。將電機轉換到負載上的機械能反變換成電能回饋再生利用，使電動機和負載在單位時間內消耗的電網電能下降。廣州天河大廈已應用該項改造技術，并取得了良好的經濟效益和社會效益。大廈共安裝26臺高層電梯，每臺電梯每月原有用電量約6 000 kWh；經過技術改造后，每臺電梯每月的用電量約為3 900 kWh，每月每臺電梯實現節電量約2 100 kWh，節能率在32%左右。

電梯節能除了取得顯著的節電效益的同時，還具有顯著的社會效益。若我國今后的電梯都采用能源再生變頻器，全國將節省電能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；節水約1億L，這將為中國建設節約型社會、實施可持續發展戰略做出巨大的貢獻。

近年來，圍繞電梯節能技術創新，很多企業和相關單位投入了大量的人力物力，不但開發出一批具有市場價值的節能技術與產品，而且也確實在積極推動電梯產品及行業的良性發展，巨大的市場空間和良好經濟效益讓眾多的電梯節能技術及時推廣應用，可以說市場的認知與符合市場經濟規律的利益推動，也將是推動電梯節能工作的有序快速發展的動力。