电梯能量回馈装置的应用实例分析

2023-11-15李秋颖王茜尧孙天梅韩迪刘奕巧

中国设备工程 2023年21期

李秋颖，王茜尧，孙天梅，韩迪，刘奕巧

（1.北京旭曜建筑科技有限公司，北京 100080；2.马来亚大学机械工程学院，吉隆坡 50603；3.北京工业大学，北京 100124）

1 前言

根据国家市场监督管理总局颁布的关于全国特种设备安全状况的通知及相关文献数量统计，我国电梯保有量逐年增加，近10 年的电梯保有量如图1 所示。截至2021 年年底，我国电梯数量已经达到879.98 万台，占我国特种设备总量的48.45%。电梯的使用量不断增加，并且在大型公共建筑中，电梯和电气设备能耗占比较大，属于高能耗特种设备。电梯数量剧增，给我国能源带来了压力，电梯耗能逐渐受到社会的广泛关注。

图1 电梯保有量

能量回馈技术是实现电梯节能的有效措施之一，在人流量大、额定功率大、速度快、和载重大的电梯中节电效果更加明显,而大型办公楼和商场的电梯通常符合这些特点。不同类型建筑的电梯使用情况不同，本文中能量回馈装置实测结果可用于补充购物中心的电梯能耗数据，为不同类型建筑的电梯节电策略提供有效的数据支撑。

2 电梯及电梯回馈装置技术原理

2.1 电梯的基本构造

曳引式电梯在市场上的类型很多，其电路或者控制方式存在一定的差异，但电梯的基本构造都是相同的。主要由曳引机、轿厢、电动机、对重装置、电梯控制系统等组成，如图2 所示。

图2 电梯的基本构成

电梯可以从功能上划分为八大系统，即曳引系统、轿厢系统、门系统、重量平衡系统、安全保护系统、导向系统、电力拖动系统和电气控制系统，且每部分都由不同的部件组成，主要系统具体介绍如下。

（1）曳引系统。曳引系统主要起驱动作用，带动电梯上下正常运行，由曳引机、钢丝绳、导向轮、轿厢反绳轮、对重反绳轮组成。驱动轿厢及对重上下运行时，由曳引机通过曳引轮绳槽与曳引钢丝绳之间的摩擦力使曳引钢丝绳产生曳引力，曳引钢丝绳经导向轮、反绳轮将轿厢和对重连接，并带动其上下运行。轿厢到达指定位置后，通过曳引机制动器保持轿厢和对重位置不变。若曳引系统发生故障，会造成电梯停止、电梯门不受控制、突升、突降等危险状况发生。因此，及时维护可以有效预防危险情况的发生。（2）轿厢系统。轿厢系统的主要作用是运送人或物品到目标楼层，将物品和人与电梯井道隔开，防止人或物品受到伤害。主要是由轿厢壁、控制面板、通讯报警装置、轿厢架、轿厢门以及缓冲垫等组成。（3）门系统。门系统的主要组成部分为轿门和层门，轿门是由轿厢顶的门机驱动的设置在入口的门。层门是轿门门刀驱动的设置在层门入口的门，其主要作用就是当电梯到达目标楼层时，使人和物品能够安全出入。（4）重量平衡系统。主要由对重、重量补偿装置组成。对重装置的主要作用是平衡轿厢及部分载重。补偿装置用来补偿提升高度较大的电梯轿厢。（5）导向系统。将轿厢和对重限制在导轨之间，使其垂直运行。（6）安全保护系统。当电梯出现故障时，能够及时保护人和物品的安全，如超速保护装置、缓冲器、救援装置、报警装置等。

2.2 电梯回馈基本原理

电梯具有四象限工作特性，其运行特性如表1 所示。电梯可分为上行、下行、静止三种工作状态。轿厢的负载情况经常发生变化，因此，曳引机不仅能作为电动机，在发电状态下也可以作为一台发电机。在电梯下行的过程中，重力势能转化为动能，通过曳引机转化为电能，此时曳引机是发电的状态。在轻载上行及重载下行时，曳引机作为发电机，将机械能转化为电能；在轻载下行及重载上行时，曳引机作为电动机将电能转化为机械能。电机的旋转方向取决于三相电流的相序。

表1 电梯运行情况

电梯能量回馈装置的工作原理如图3 所示，系统主要由电感、三相IGBT 全桥、滤波电容和外围电路组成。普通电梯是通过制动电阻将电机的再生能量转化为热能消耗的，能量反馈装置的作用是将减速制动、轻载上行和重载下行产生的再生电量收集起来反馈到电网。在此系统中，能量回馈系统的输入端与电梯变频器的直流母线侧相连，输出端与电网相连。三相IGBT 全桥模块是主要的核心元件，它能够将直流电逆变为与交流电同步的三相电流回送到三相交流电网，供周边用电设备使用。一般电梯回馈装置的节电率可达到15%～45%。此外，由于无电阻发热元件设计，机房温度下降，可以有效地节省机房空调的耗电量。

3 影响电梯能耗的因素

3.1 曳引电梯运行能耗特点

接收到上行下行指令后，电梯的控制系统就会根据行程模拟生成运行的速度曲线，然后按照速度曲线开始运行。要想提高电梯的运行效率，就要提高电梯的运行速度，加速度和加速度变化率，而电梯的运行速度也需要控制在一定的范围内。理想的电梯运行应该保证快、稳、准的优点。

电梯的运行过程可分为启动阶段、匀速阶段和制动阶段，如图4 所示。随即对应电梯基本运行规律为启动- 稳定速度运行- 制动。楼层的高度与运行时间直接相关，并决定稳定速度运行的时间。楼层越低稳定速度运行的时间就会越短，甚至可能为0 秒。

图4 电梯运行曲线示意图

根据上述的运行过程可将电梯运行能耗分为启动能耗、匀速能耗和制动能耗。电梯运行的行程和载荷直观影响着传统曳引电梯的能耗。

3.2 电梯总能耗影响因素

根据电梯在具体工况下的运行特点将能耗分为启动能耗、匀速运行能耗、制动能耗，开关门能耗、待机能耗和轿厢内的能耗，包括照明、风扇、空调和显示装置的能耗等。对上述各部分能耗测量的总和即为电梯的总能耗。

电梯运行能耗受多种因素的影响，大体可分为电梯自身因素以及电梯使用因素。同时，电梯自身因素可从四个系统进行分类和说明，包括机械系统、驱动系统、电力系统和控制系统。例如，通风和照明是电力系统的常见表示形式，而电梯门的开关和屏显系统则受控制系统约束。具体影响因素如表2 所示。

表2 电梯运行能耗的影响因素

4 电梯能量回馈数据分析

本文以丰融国际大厦写字楼的电梯能量回馈装置为例，本建筑地上15 层、地下5 层，其电气原理图如图5 所示。为了对能量回馈装置的节能效果进行检验，本办公楼在回馈器的线路上安装了双向电表，可同时计量电梯回馈电量和用电量。

图5 丰融B1 楼电气原理图

由图5 可知，写字楼共设有3 台27kW 的电梯，双向电表安装在一台电梯供电开关的前端，双路开关电源同时控制电梯系统，井道照明系统，轿箱照明通风以及备用开关。双向电表安装及示意图如图6、图7所示。

图6 双向电表安装图

图7 双向电表示意图

本文以电梯能量回馈装置节能率为节能效果检测指标，计算节电率：

式中，γ 为综合节电率；W1为一在规定的同一运能工况下，不配置电源装置的电梯运行过程中消耗的市电电能，kW·h；W2为在规定的同一运能工况下,配置电源装置的电梯运行过程中消耗的市电电能，kW·h。

通过2022 年4 月1 日～4 月24 日连续24 天对丰融国际办公楼电梯电表进行不间断测量，包含工作日和周末，统一记录电表数据，回馈器安装前后能耗对比情况如表3 所示。

表3 北京市丰融国际办公楼电梯回馈安装前后能耗对比情况

5 电梯回馈经济分析

建筑中的能耗系统主要包括照明系统、电梯系统以及空调系统。电梯系统是高层建筑中主要的能耗设备之一，随着电梯使用年限的增加及技术的落后，电梯性能逐渐下降，从而导致耗电量增加。对于大型商场、办公楼等的老旧电梯有多种处理方式。若采用直接淘汰耗能严重的电梯或更换普通电梯，在电梯数量较大的情况下，用户会承担很重的经济压力。但是，这些电梯大多是可以进行改造的，可以采用加装电梯能量回馈装置的方式实现节能。根据目前关于装有能量回馈装置的电梯节能效果的研究来看，一定程度上能够达到节能降耗的效果，节能效果根据实际应用情况有所不同。本文以丰融国际大厦写字楼的电梯能量回馈系统为案例，探讨电梯能量回馈技术的经济性。

丰融国际大厦写字楼未引入电梯能量回馈装置的日均耗电量为62.53kWh，引入三相电表后，日均节电量11.38kWh，本办公楼的综合电价为1.076 元/ 度，每年节省电费（S）由下式计算：

式中，S 为年节电费；W 为日均节电量，kWh。

经计算，未引入电梯能量回馈装置的年电费为24558 元，加入电梯能量回馈装置后的年节电费为4469 元，节省18.2%的费用。