浅谈电梯节能降耗的技术途径

石家权

深圳市永杰兴茂五金制品有限公司

1 引言

近年来，由于国际、国内能源日趋紧张，能源价格一路飙升，国内电价也在上涨。我国是一个能耗大国，能源利用率较低，节约能源是一项利国利民的大事。根据国家特种设备主管部门近期的统计和预测显示，目前我国在用电梯约500万台左右，每年以10%速度递增，2016年全国电梯耗电量约为1 460亿kWh。中国电梯协会相关负责人表示，我国已成为世界电梯使用最多的国家。国家有关部门也表示，要在一定时间内在全国范围内推广节能电梯。

2 电梯节能降耗的历史机遇

2.1 节能法的实施给电梯节能降耗工作提供了法律支持

《中华人民共和国节约能源法》第七条规定：国家实行有利于节能和环境保护的产业政策，限制发展高耗能、高污染行业，发展节能环保型产业。国务院和省、自治区、直辖市人民政府应当加强节能工作，合理调整产业结构、企业结构、产品结构和能源消费结构，推动企业降低单位产值能耗和单位产品能耗，淘汰落后的生产能力，改进能源的开发、加工、转换、输送、储存和供应，提高能源利用效率。国家鼓励、支持开发和利用新能源、可再生能源。第八条规定：国家鼓励、支持节能科学技术的研究、开发、示范和推广，促进节能技术创新与进步。《中华人民共和国节约能源法》规定：对高耗能的特种设备，按照国务院的规定实行节能审查和监管。国务院关于“十三五”节能减排的通知[国发（2016）74号]第三章 第十三条:开展电梯能效测试与评价，在确保安全的前提下，鼓励永磁同步电机变频调速能量反馈等节能技术的集成应用，开展老旧电梯安全节能降耗试点。

2.2 《电梯能源效率评价与检测技术研究》为电梯节能提供了安全技术规范和监管政策

国家质检总局已明确将大力推进电梯的节能审查和监管政策，实施安全与节能并举的新举措，将采取制订规范、明确指标、逐步更新、逐年推动的策略，逐步提升电梯节能技术的应用范围，力争用5～10 a，实现电梯节能技术的普遍应用。这给电梯节能降耗工作带来新的机遇，国家质检总局已经立项组织开展《电梯能源效率评价与检测技术研究》，并将陆续出台电梯能源效率检验检测、电梯能源效率审查与监管等特种设备安全技术规范。质检总局（2012第5号）关于高耗能特种设备节能技术与产品推广目录中第21项是：电梯能量回馈装置。这给电梯节能降耗工作带来了评价的依据。

3 电梯节能降耗的技术途径（见图1）

图1 电梯节能降耗的技术途径

3.1 电梯发电原理

升降型电梯是一个势能性负载。为了均匀拖动负载，电梯曳引机拖动的负载由载客轿厢和对重平衡块组成，只有当轿厢载重量约为50%（1 t客梯可载7人左右）时，轿厢和对重平衡块才相互平衡。否则，轿厢和对重平衡块就会有质量差，使电梯运行时产生机械势能（电梯重载下行和轻载上行），电梯运行中多余的机械能（含势能和动能），通过曳引机和变频器转换成直流电能储存在变频器直流回路的电容中。此时电容就好比是一个小水库，回送到电容中的电能越多，电容电压就越高，如不及时释放电容器储存的电能，就会产生过压故障，造成变频器停止工作，电梯无法正常运行。目前，国内绝大多数变频调速电梯均采用电阻消耗电容中储存电能的方法来防止电容过压，但是电阻耗能不仅降低了系统的效率，电阻产生的大量热量还恶化了电梯控制柜周边的环境。

电梯发电节能装置的出现很好地解决了这一难题，电梯发电节能装置能有效的将电容中储存的电能回送给交流电网供周边其他用电设备使用，节电效果十分明显，一般节电率可达30%～45%。此外，由于无电阻发热元件，机房温度下降，可以节省机房空调的耗电量，节约空调耗电量往往带来更大的节电效果（见图2）。

图2 电梯电阻消耗装置

3.2 采用先进的梯控节能技术

在进行电梯节能系统控制时，需要合理调配电梯运行方式，以降低不必要的能源消耗。在电梯操控方式上，主要包括并联控制、梯群程序控制与梯群智能控制3种方式。

（1）并联控制方式

多适用于电梯数量为2～3台的情况，共用层部分站外设置召唤按钮，这种控制方式的电梯本身具备集选功能。选择应用并联控制方式，其优点是在没有电梯运行任务时，其所控制的电梯，其中有一台停在基站，一台停靠于预设楼层，为自由梯在出现电梯运行任务时，位于基站的电梯会向上运行，另一台电梯则自动下降到基站；基站外楼层发出电梯召唤指令后，自由梯前往制定楼层，如楼层信号与自由梯运行方向相反，则由基站电梯前往。通过这种控制方式，提高了电梯运行效率。（2）梯群程序控制电梯方式

梯群程序控制电梯方式是依靠微机进行多台并列电梯控制与统一调度，集中排列多台电梯，共用召唤按钮，依据所设定的程序进行电梯控制及调度。

（3）梯群智能控制方式

梯群智能控制方式智能化水平较高，可以进行数据采集、交换及存储，并在数据获取的基础上进行数据分析。其控制方式可以对电梯运行状态进行显示，能够及时发现并解决电梯运行中存在的问题。智能控制方式应用计算机技术，编制出最佳运行方式，能够有效节约电梯运行时间，降低了电梯能耗。

3.3 电梯电能回馈器的再生利用

PFE系列电梯回馈装置（见图3）是通过国家质量监督检验中心，广东省特种设备检测院，上海市特种设备检测院和深圳电子产品质量检测中心的安全检测，适用于各类型垂直电梯节能应用。PFE采用了独特的柔性双PWM和LCL滤波技术，当一台电机进行制动时，制动阶段产生的再生电能将回馈到上级变频器，从而导致设备直流母线电压升高，影响设备安全及正常运行。PFE并联的到变频器设备直流母线，将母线电压限制到可接受水平，并将制动再生能量回馈到电网。通过直流母线端子直接连接至变频器或者逆变器上，当直流母线电压达到一个设定值时，PFE自动开通以防止直流母线电压继续增长。PFE的运行与变频器或者逆变器无关，且电子器件由直流母线电压供电。以此可以有效的将位能用动能产生的电能转换成交流电回送到电网，起到节电作用，且没有电阻耗能产生的热量，还可以使机房的环境温度降低，有效的改善了电梯控制系统的运行温度，延长电梯的使用寿命。机房可以减少或者不再使用空调，又可以节约机房空调设备的投入和空调用电，电能损耗可减少≥30%。

图3 电梯电能源回馈装置

PFE根据电机功率选型，与原系统并联使用，不影响电梯的可靠性，安装和使用方便。电压谐波畸变率≤5%，完全符合IEC61000-3-2及GB/T14549规定，故障自动脱离，可以使电梯节省30%的耗电。使电梯效率提高、运行平稳、设备寿命延长，结合PLC或微机控制，更显示无触点控制的优越性：线路简化、控制灵活、运行可靠、维护和故障监测方便。

3.4 改进电梯机械传动和曳引的节能技术

提高电梯机械传动效率，是实现电梯节能的关键。当前，在电梯电动机运行过程中，其额定转速相对较高，输出转矩相对较小，需要通过减速机构降低转速，提高转矩方可驱动曳引轮，并没有直接对曳引轮进行驱动控制。目前高层建筑电梯多采取蜗轮蜗杆式传动方式，其传动方式在应用中传动效率较低，为实现电梯节能，需要提高电梯传动效率，具体技术措施如下：

（1）永磁同步无齿轮驱动技术和同步无齿轮技术的应用。该项技术实现了电梯驱动技术的变革，将电动机轴与曳引轮综合应用，使电梯传动效率由原来的60%提升到85%以上，永磁同步无齿轮驱动技术在电梯驱动中的应用，具有重量轻、振动轻、体积小等优点。

（2）行星齿轮驱动技术。行星齿轮驱动技术的传动效率优势十分突出，最高传动效率可以达到90%。应用行星齿轮驱动技术取代蜗轮蜗杆传动方式，其加工处理较为复杂，整体成本较高，限制了该技术的应用及推广。

（3） 同步行星齿轮驱动技术。同步行星齿轮驱动技术综合了永磁同步无齿轮驱动和及行星齿轮驱动技术的优点，在普通中低速电梯中应用同步行星齿轮驱动技术，可以实现1:1曳引比，从而减少了曳引钢丝绳瓦弯折，延长钢丝绳应用寿命。但是同步行星齿轮驱动技术对电梯运行性能改善不大，且造价较高，影响该技术的应用推广。

3.5 电梯轿厢LED照明系统的节能改造

电梯轿厢常规使用的25 W白炽灯6～8个或36 W日光灯3～4个等照明灯具，如果更换成3 W LED灯4～6个，可节约能耗约70%，LED灯寿命大约是常规灯具的40倍。LED灯功率一般仅为3 W，热量很小，而且能实现各种外形设计和光学效果，美观大方，经久耐用。

4 电梯节能的经济效益和社会效益

4.1 电梯节电量分析（见图4）

图4 电梯改造节电量分析

全国在用电梯500万台，按每台节电30%，其经济效益和社会效益十分可观。据检测，在相同的测试方法下，交流双速电梯每t·km耗电量为8.30～8.76 kWh；ACVV调速电梯每t·km耗电量为5.01～5.28 kWh；VVVF有齿轮电梯每t·km耗电量为1.67～3.46 kWh；VVVF无齿轮电梯每t·km耗电量为1.05～2.27 kWh。测试数据显示，完成相等的运送量，不同的电梯的耗电水平相差可达8倍，如果加上电能回馈装置的影响，节能空间差距会更大。

若在新电梯产品上广泛应用永磁同步电机、制动电能回馈等节能技术，单机可节电约30%，全国仅新增电梯一项每年就可节电438亿kWh以上，再加上对在用电梯实行节能审查和监管，对高耗能电梯实施节能技术改造，采用先进的变频控制技术和永磁同步电机可节能30%～45%左右，如果采用能量反馈技术最高可节能70%，按每台平均节能30%计算，（节约0.80万kWh/台·年计），在用电梯改造全国每年节约40亿kWh，新旧梯加起来可节能400亿kWh，如按1元/kWh计，全年可节约400亿元，具有良好的社会效益和经济效益，通过电梯节能技术的采用，不仅缓解国内日益增长的电力紧张局势，随着每年的电梯数量、用电价格逐年增长，综合全国电梯节能的巨大潜力对社会将是巨大贡献。以“能源再生技术”为例，该技术能使电梯在下降的过程中将能量返回电网，进入电能再生运营的状态，这种“再生能源”的状态使全球电梯市场节能技术的运用有了质的飞跃。目前有些电梯能源再生驱动系统在相同的电梯运行条件下，可比非能源再生系统最多节约45%的电能。

以普通住宅电梯为例：一部变频电梯，如果处于发电状态运行，在空载运行的时候，每次发出来的电能约为0.2 kWh。送回电网的电能可以用于大楼的照明和空调等。据有关数据统计，每年每台电梯平均运行次数约20万次，这样10万次左右处于发电状态。如果楼层不高，按每次发电0.1 kWh来计算，每年每台电梯能节电约10 000 kWh左右。一个拥有10万部电梯的中等城市，如果能在每部电梯上安装电梯发电节能装置，则每年的节电量为0.1亿kWh。

一部普通的中速电梯，按照每台电梯平均用电量约为80 kWh/天计算，全国在用电梯数约为500万台，每天耗电约为4亿kWh，每年消耗电量约为1 460亿kWh。如果将电梯节能发电装置在每部电梯中推广应用，将电梯处于发电状态的电能回馈再生利用，按照平均回馈节能率30%计算，每年可为全国节约电量约438亿kWh。采用永磁同步拖动于制动电能回馈技术。业内有关人士认为，能源回馈技术和电梯运行的完美结合将打破传统无齿轮电梯从节能到“造”能的飞跃。应用制动电能回馈技术节电率可达30%～45%。

4.2 老电梯节能改造的效益分析

现在还有许多电梯仍是采用传统的交流变极调速和交流调在调速技术。这部分电梯电能损耗极大，给物业增加了高昂的电费。只要通过改造电梯拖动控制系统，采用先进的变频控制技术和永磁同步电机可节电30%～45%，同时再采用能量反馈技术可高达70%，若全国老旧电梯总量计50万台，按每台平均节能35%计算，仅此一项，全国每年的节电量相当可观，同时还能有效提高电梯运行的舒适感、稳定性和安全性，在用电梯大部分，都是采用了“交-直-交”变频拖动。现有技术是把电梯制动工况产生的电能整流为直流电，经制动电阻泄放，变为热能如采用制动电能回馈装置就相对简单，只把制动电阻换成回馈装置即可。该装置只有5根接线，其中2根接原制动电阻的直流母线，另3根接三相动力电源。将电机转换到负载上的机械能反变换成电能回馈再生利用，使电动机和负载在单位时间内消耗的电网电能下降。广州天河大厦已应用该项改造技术，并取得了良好的经济效益和社会效益。大厦共安装26台高层电梯，每台电梯每月原有用电量约6 000 kWh；经过技术改造后，每台电梯每月的用电量约为3 900 kWh，每月每台电梯实现节电量约2 100 kWh，节能率在32%左右。

电梯节能除了取得显著的节电效益的同时，还具有显著的社会效益。若我国今后的电梯都采用能源再生变频器，全国将节省电能400亿kWh，CO2排放将减少0.5亿t左右，约0.8亿尘埃不需要排放到空气中；节水约1亿L，这将为中国建设节约型社会、实施可持续发展战略做出巨大的贡献。

近年来，围绕电梯节能技术创新，很多企业和相关单位投入了大量的人力物力，不但开发出一批具有市场价值的节能技术与产品，而且也确实在积极推动电梯产品及行业的良性发展，巨大的市场空间和良好经济效益让众多的电梯节能技术及时推广应用，可以说市场的认知与符合市场经济规律的利益推动，也将是推动电梯节能工作的有序快速发展的动力。