电梯节能技术的现状与研究方向

2016-08-12田学成李重远广西壮族自治区特种设备检验研究院广西南宁530219

低碳世界 2016年19期

田学成，李重远（广西壮族自治区特种设备检验研究院，广西　南宁　530219）

电梯节能技术的现状与研究方向

田学成，李重远（广西壮族自治区特种设备检验研究院，广西南宁530219）

随着我国城市化进程的不断加快，城市人口逐年增加，高层建筑成为了城市建设的核心组成部分，因此电梯的使用量也急剧增加。但是能源的紧缺局限着电梯的广泛应用，本文将从电梯节能技术的国内外研究现状、电梯节能技术分析、电梯节能技术的发展方向这三个角度对这一问题进行探讨。

电梯节能技术；能量回馈；电磁同步

前言

电梯的广泛应用可以给人们的日常生活带来很大的便利，但是大量使用电梯带来的能源消耗也是一个不容忽视的问题。截止目前，全国很多国家已经开始关于电梯节能技术的研究，瑞士、德国、美国等国家在这方面的研究已经取得了显著的研究成果，当然，我国近些年来在这个方面也有了不少的成果。

1　电梯节能技术的国内外研究现状

1.1瑞士

瑞士能效委员会针对能源消耗专门做了一系列的调查研究，以确定目前全国广泛使用的电梯的能耗水平，并有针对性地提出解决方案。本次调查由多家电梯制造商和个别技术公司共同参与，调查中测量所需要的技术主要是由 Schindler-Aufzüger AG提供。电梯的能效测试是针对电梯在轿厢移动状态下和待机状态下的能耗进行测量，其中对移动轿厢所需能耗的测量，只需要直接测量空厢运行一个来回所需耗费的能源，以此作为标准。经过不懈的努力，瑞士能效委员会在2005年的时候公开发布了自己的研究成果——电梯能耗的研究报告。报告指出，在整个瑞士电梯能耗中待机能耗所占比率高达58%。

1.2德国

德国负责电梯能源研究的机构是德国工程师协会，目前德国该协会VDI起草了一项关于电梯能效控制的方案，即“VDI407 Lifts-Energy efficiency”，这一方案对德国电梯节能技术的发展起到了很好的指导作用。其次，德国在计算能耗问题上也建立了专门的评估体系，以A～G这七个字母作为能耗的等级标准，其中字母A表示能耗最小，字母G表示能耗最大。电梯能耗等级的确定，主要根据统计得知的电梯日常运行所时长和电梯待机所需平均时长与空厢运行耗能和待机耗能的比率决定。

1.3美国

作为能源消耗大国，美国对电梯耗能问题也做了相应的研究。Opportunitiesfor Elevator Energy Efficiency Improvements——该文章由美国能源效率经济委员会（ACEEE）起草，其中集中报告了美国2005年电梯耗能的具体情况。文章表示：当年全美国运行的电梯约有10万台。电梯虽然只是建筑当中很小的一部分，单个电梯的能耗也不是很大，但是单个电梯耗能乘以如此大的底数，其能耗量就不容小觑了。报告指出：2005年全美国电梯总耗能约占建筑物能耗的1/20。此外，该报告中也指出了一些降低电梯能耗的举措，比如尽可能使用低层的液压电梯，提倡电梯建设使用高新技术等。

1.4中国

我国现在处于高速发展的关键环节，在能源紧缺的时代背景之下，能源消耗问题已然成为制约国家发展的关键因素之一。随着城市化的程度不断加深，各种高层建筑物层出不群，电梯的应用范围不断扩大，因此我们必须重视关于电梯能耗问题的研究。截至目前，国内的一些大型电梯企业已经开始着手研究这一问题，比如日立、三菱、奥的斯等。其次，上海交通大学也加入了研究的行列，此外中国特种设备检验协会、广州市特种机电设备检测研究院等机构也做出了一定的成果。中国特种设备检验协会通过对电梯行业的大范围调查研究提出了仿真法、空载法和典型工况三种电梯耗能检测方式。所谓仿真法是指通过实验手段，模拟电梯正常运行以进行测量。空载法则是指在实际测量中以电梯空厢运行所需能量作为测量标准。典型工况，顾名思义就是选定一个最常用的运行状态（最常用的就是75%载重），通过控制电梯的实际载重以进行有效测量，最后在以加权的方式计算总能耗。

2　电梯节能技术分析

目前我国广泛使用的电梯节能技术主要有能量回馈及能量再生、永磁同步驱动和一体化微机控制变频技术三种：

2.1能量回馈及能量再生

电梯运行的耗能是一种不能改变的客观存在，所以要想节省电梯能量消耗总量就需要从电能的利用着手，即尽可能最大化地利用电网输出的电能。电梯的运行是在上下垂直方向的，半载状态下电梯向上运行和向下运行所需能耗基本持平，但是大多电梯的一般运行过程都是轻载空载或重载运行。半载运行次数少之又少，因此在整个运行的过程当中，当电梯空载轻载上行或者重载下行时，电梯驱动主机均是处于制动发电状态，并将轿厢和对重的重力势能转化成电能，但是这部分转化的电能一部分被电动机的绕组消耗，这种消耗不仅浪费资源，还会导致电动机发热，影响电梯运行。另一部分则在外加的发热电阻当中被大量消耗，这种电能的消耗在浪费电能的同时也会使得机房温度升高，影响电梯正常运行。如果在电梯运行系统当中安装一种电梯能量回馈系统，将可以大大减少电能的浪费。其工作原理是将原系统中通过发热电阻消耗掉的电能转化为符合电网要求的交流电反馈回电网，供给周围的其他设备直接使用。这种技术也可以被称作是能量再生技术，该技术可以有效降低电梯的能耗，并已经广泛应用于具体应用如图1所示。

在电梯的设计当中，能量反馈系统可以被视作一个独立运行的装置，因此可以直接与变频器连接。如图1，3根线与交流电网相连，另外2根线与变频器直流端子相连。

图1　能量反馈系统的电路接线简图

2.2永磁同步驱动

上述方式是从电梯的运行过程中减少能耗，此外还可以从电梯耗能的根源上着手解决，即从电梯的设计和制造环节入手，提高电梯的节能水平。电梯设计当中可以改进的内容主要是电动机设计，目前普通电梯使用的电动机是机械传动系统，为了更好地实现节能的目的，我们可以将永磁同步无齿轮马达作为电动机的曳引机。永磁同步电动机简图如图2。

图2　永磁同步驱动简图

电磁同步电动机的运作机制还是跟传统电动机大同小异，只是电磁同步电动机转子的表面多加了一块磁场较强的永磁铁，这样一来就可以在电源频率不变的情况之下保证恒定的转速。同时，这种曳引机结构紧凑，重量小，同时所占体积也相对较小，以这种曳引机为基础的电动机还有效率高、稳定性强、运行噪音小等优势。由于永磁同步驱动，电梯的设计就不需要减速箱，传动效率从原来的35%直接提升到85%。

2.3一体化微机控制变频技术

一体化微机控制变频技术是目前电梯节能中最先进的技术，这一技术采用的是智能化矢量控制系统，这种新系统可以将电梯控制与电动机变频驱动二者有效结合在一起进行一体化控制。传统的电梯制造企业是将控制板和变频器分开设计，二者各司其职、互不干扰。新型系统的采用可以有效反映控制意图，及时准确的诊断电梯故障并进行控制操作。这一技术的引用不仅可以达到节能的效果，也可以更好地保障电梯使用者的安全。

3　电梯节能技术的发展方向

电梯节能技术作为一项新型技术有着很大的发展空间，其主要发展方向有以下几个：

3.1采用绿色节能资源

目前电梯系统主要的能量来源都是电动机，但是众所周知，我们现在正处于能源紧缺的时代，石油价格高居不下。另外环境问题也是全人类面临的大问题，因此我们有必要，也有义务使得电梯的能源需求主要转向绿色节能资源，努力达到建成绿色建筑的目标。比如，电梯一般都在高层建筑中使用，因此在电梯设计中可是适当地利用太阳能，白天有太阳照射可以有效提供所需电能并尽可能储存剩余电能以供晚上电梯运行所需。电源设计可以以太阳能为主，但是不能将其作为唯一的供电来源，避免阴雨天缺乏电源供给。

3.2减少待机时长

瑞士能源委员会在报告已经明确指出，在电梯能耗中待机能耗所占比率高达58%。因此电梯节能技术未来的一个发展方向就是要尽可能地减少待机时长。调度控制算法是指对电梯乘客的需求做出最快的反应，并综合考虑各楼层乘客要求，以最快、最有效的方式到达电梯呼叫楼层，在满足乘客要求的同时减少电梯待机时长、电梯运行时长、电梯停机次数等，以达到节能的目的。比如，设计者可以通过调研计算出该建筑中客流的特点，包括什么时候客流量最大？主要集中在哪几层？然后根据所掌握的信息建立电梯运行的智能模式，在高峰期自动选择单轿厢运行或者多轿厢运行，以尽可能地提高满载率，降低能源消耗。

3.3合适的平衡系数

按照规定，电梯的平衡系数应在0.4～0.5之间，因此在电梯使用过程中，可根据电梯运行工况，选取合适的平衡系数，降低电梯能耗。如长期轻载运行的电梯，可以选取较小的平衡系数，经常重载使用的电梯，则选取较大的平衡系数。