能量回饋裝置在電梯中的應用分析

黃鶴 陳佳琦 易檢長

1 深圳市紫衡技術有限公司

2 廣東省建筑設備智慧控制與運維工程技術研究中心

3 南京市綠色建筑與綠色建材發展中心

0 引言

節能減排是中國能源發展的基本國策。在能源價格低迷、電力與煤炭行業產能過剩的今天，節能工作尤其不能放松。資源和環境壓力是制約我國長期發展的重要瓶頸，而需求側的節能降耗或成為重要的解決之道。

電梯作為高層建筑的重要高效運輸設備，漸漸成為除空調之外的第二大用電設備，而國內在用電梯90%以上為非節能型電梯。另根據市場監管總局統計如圖1 所示，我國電梯保有量從2009 年的137.0 萬臺上升至2019 年的709.75 萬臺左右，年復合增長率為16.13%。2019 年我國保有電梯一天耗電約21290 萬kWh，全年耗電777.26 億kWh，研究電梯節能裝置具有重大意義。

圖1 我國電梯保有量

1 電梯能量回饋裝置結構結成及工作原理

電梯可以看作是通過鋼絲繩兩端分別連接著轎廂和對重組成的一個平衡系統，根據現行國家標準電梯技術條件》GB/T10058 第3.3.8 條規定,各類電梯的平衡系數應在0.4～0.5 范圍內。也就是說當轎箱內放置額定載重的45%左右的乘客或物品時，對重側的配重重量與轎廂重量相等，這樣是系統的平衡狀態。將轎廂裝載少于一半載重的情況稱為輕載，而裝載超過一半載重時稱為重載。

在電梯傳動系統中，電梯相當于是進行電能與重力勢能之間的轉換，曳引機主要進行主動做功和被動做功兩種過程。主動做功為曳引機消耗電能來增加負載的重力勢能，既電梯進行輕載下行和重載荷上行時的工作狀態。而被動做功是電梯處于重載下行和輕載上行工作狀態，負載在萬有引力的作用下，使得電機的實際轉速大于變頻器輸出的同步轉速，此時重力勢能轉化為電能，電機處于發電狀態，如表1 所示。而變頻器中的整流二極管的單向導通性，使再生電能儲存在變頻器的直流母線側的濾波電容中。這就是電梯能量回饋裝置中能量的來源[1]。

表1 電梯曳引機工作狀態

垂直電梯節電的核心是把電梯曳引機工作在發電狀態時產生的電能回收利用起來。傳統的方式是在電梯變頻器中增加制動電阻，將電梯曳引機工作在發電狀態時產生的電能以熱能的形式消耗掉，如圖2 所示。這樣不僅會導致產生的電能白白浪費，電梯機房溫度也會升高，系統穩定性下降、故障率升高。為保證電梯系統的正常運行，常常在電梯機房內設置電梯專用空調，導致電梯系統的能耗進一步上升。

圖2 能耗制動方式控制電路圖

電梯能量回饋裝置的工作原理[2]是能夠把變頻器直流側儲存在電容中的直流電利用逆變技術轉化為交流電，再反饋回電網側，其系統主回路圖如3 所示，主要由單向二極管，串聯電感、三相IGBT 全橋、濾波電容等其他電路組成。能量回饋裝置的輸入端與變頻器的直流母線側相連，內置了扼流電抗器用來消除其他電器設備與電網設備之間的干擾。以減小對電網電壓的影響。

圖3 電能回饋制動方式控制電路圖

2 電梯能量回饋裝置節能效果分析與經濟性分析

選取夏熱冬冷地區某大型購物中心電梯進行能量回饋裝置改造，該購物中心有24 層，標準層高3.75 m，共安裝有7 臺電梯。其加裝的電梯能量回饋裝置如表2 所示：

表2 夏熱冬冷地區某大型購物中心電梯能量回饋裝置表

現場安裝7 臺電梯能量回饋裝置及其節電表如圖4 所示，節電表可直接計量能量回饋裝置反饋回電網側的電量。

圖4 某大型購物中心電梯能量回饋裝置及節電表安裝

2.1 節能改造技術效果定量分析

該大型購物中心電梯節能改造項目采用工程模式，綜合電價格為1.002 元/kWh。根據現場7 個電梯能量回饋裝置配套安裝的節電表采集數據，對該大型購物中心2017 年10 月～2019 年11 月節電量情況分析如表3 所示：

表3 某大型購物中心節電量情況表

2.2 節能改造技術經濟性分析

根據靜態投資回收周期修正公式，對于節能改造項目本級，其靜態投資回收周期T如下[3]：

式中：K-進行節能改造時用于節能的總投資，主要包括項目營銷支出、施工成本，萬元；M-節能改造產生的年效益，萬元/年；M'-節能改造后節能效益分享期間運行維護產生的年均費用，萬元/年，能量回饋裝置無需維護，取值為0。

經計算得T≈1.68 年。

若考慮電梯機房無需安裝專用空調等投入帶來的節能量，取機房配置2 匹空調，每小時約1.47 kWh，每天8 小時為11.8 kWh，則一年可節電為365*8*1.47≈4292.4 kWh，節電費用為4292.4×1.002≈4301.0 元，則其靜態投資回收周期T≈1.45 年。

3 結語

根據對本電梯改造項目現場實測數據節能量分析與經濟性分析，高層建筑加裝能量回饋裝置的電梯的確具有可觀的節能效果與經濟性，若在電梯中擴大推廣應用范圍，將具有較大的經濟和社會效益。