能量回馈装置在电梯中的应用分析
2022-07-01黄鹤陈佳琦易检长
黄鹤 陈佳琦 易检长
1 深圳市紫衡技术有限公司
2 广东省建筑设备智慧控制与运维工程技术研究中心
3 南京市绿色建筑与绿色建材发展中心
0 引言
节能减排是中国能源发展的基本国策。在能源价格低迷、电力与煤炭行业产能过剩的今天，节能工作尤其不能放松。资源和环境压力是制约我国长期发展的重要瓶颈，而需求侧的节能降耗或成为重要的解决之道。
电梯作为高层建筑的重要高效运输设备，渐渐成为除空调之外的第二大用电设备，而国内在用电梯90%以上为非节能型电梯。另根据市场监管总局统计如图1 所示，我国电梯保有量从2009 年的137.0 万台上升至2019 年的709.75 万台左右，年复合增长率为16.13%。2019 年我国保有电梯一天耗电约21290 万kWh，全年耗电777.26 亿kWh，研究电梯节能装置具有重大意义。
图1 我国电梯保有量
1 电梯能量回馈装置结构结成及工作原理
电梯可以看作是通过钢丝绳两端分别连接着轿厢和对重组成的一个平衡系统，根据现行国家标准电梯技术条件》GB/T10058 第3.3.8 条规定,各类电梯的平衡系数应在0.4～0.5 范围内。也就是说当轿箱内放置额定载重的45%左右的乘客或物品时，对重侧的配重重量与轿厢重量相等，这样是系统的平衡状态。将轿厢装载少于一半载重的情况称为轻载，而装载超过一半载重时称为重载。
在电梯传动系统中，电梯相当于是进行电能与重力势能之间的转换，曳引机主要进行主动做功和被动做功两种过程。主动做功为曳引机消耗电能来增加负载的重力势能，既电梯进行轻载下行和重载荷上行时的工作状态。而被动做功是电梯处于重载下行和轻载上行工作状态，负载在万有引力的作用下，使得电机的实际转速大于变频器输出的同步转速，此时重力势能转化为电能，电机处于发电状态，如表1 所示。而变频器中的整流二极管的单向导通性，使再生电能储存在变频器的直流母线侧的滤波电容中。这就是电梯能量回馈装置中能量的来源[1]。
表1 电梯曳引机工作状态
垂直电梯节电的核心是把电梯曳引机工作在发电状态时产生的电能回收利用起来。传统的方式是在电梯变频器中增加制动电阻，将电梯曳引机工作在发电状态时产生的电能以热能的形式消耗掉，如图2 所示。这样不仅会导致产生的电能白白浪费，电梯机房温度也会升高，系统稳定性下降、故障率升高。为保证电梯系统的正常运行，常常在电梯机房内设置电梯专用空调，导致电梯系统的能耗进一步上升。
图2 能耗制动方式控制电路图
电梯能量回馈装置的工作原理[2]是能够把变频器直流侧储存在电容中的直流电利用逆变技术转化为交流电，再反馈回电网侧，其系统主回路图如3 所示，主要由单向二极管，串联电感、三相IGBT 全桥、滤波电容等其他电路组成。能量回馈装置的输入端与变频器的直流母线侧相连，内置了扼流电抗器用来消除其他电器设备与电网设备之间的干扰。以减小对电网电压的影响。
图3 电能回馈制动方式控制电路图
2 电梯能量回馈装置节能效果分析与经济性分析
选取夏热冬冷地区某大型购物中心电梯进行能量回馈装置改造，该购物中心有24 层，标准层高3.75 m，共安装有7 台电梯。其加装的电梯能量回馈装置如表2 所示：
表2 夏热冬冷地区某大型购物中心电梯能量回馈装置表
现场安装7 台电梯能量回馈装置及其节电表如图4 所示，节电表可直接计量能量回馈装置反馈回电网侧的电量。
图4 某大型购物中心电梯能量回馈装置及节电表安装
2.1 节能改造技术效果定量分析
该大型购物中心电梯节能改造项目采用工程模式，综合电价格为1.002 元/kWh。根据现场7 个电梯能量回馈装置配套安装的节电表采集数据，对该大型购物中心2017 年10 月～2019 年11 月节电量情况分析如表3 所示：
表3 某大型购物中心节电量情况表
2.2 节能改造技术经济性分析
根据静态投资回收周期修正公式，对于节能改造项目本级，其静态投资回收周期T如下[3]：
式中：K-进行节能改造时用于节能的总投资，主要包括项目营销支出、施工成本，万元；M-节能改造产生的年效益，万元/年；M'-节能改造后节能效益分享期间运行维护产生的年均费用，万元/年，能量回馈装置无需维护，取值为0。
经计算得T≈1.68 年。
若考虑电梯机房无需安装专用空调等投入带来的节能量，取机房配置2 匹空调，每小时约1.47 kWh，每天8 小时为11.8 kWh，则一年可节电为365*8*1.47≈4292.4 kWh，节电费用为4292.4×1.002≈4301.0 元，则其静态投资回收周期T≈1.45 年。
3 结语
根据对本电梯改造项目现场实测数据节能量分析与经济性分析，高层建筑加装能量回馈装置的电梯的确具有可观的节能效果与经济性，若在电梯中扩大推广应用范围，将具有较大的经济和社会效益。
