在用電梯節能改造的研究

于建明 上海鐵路局科研所

1 引言

國務院頒發的《特種設備安全監察條例》重點強調了特種設備節能降耗工作的重要性，明確了特種設備生產單位、使用單位和檢驗機構的各自職責。同時，國家質檢總局116號令頒布的《高能耗特種設備節能監督管理辦法》，對電梯節能降耗工作要求做了進一步細化。上世紀90年代中期以前投入使用的電梯，已經服役十多年，很多已經達不到現代電梯安全和節能環保要求，如何使這些老舊電梯達到節能要求，成為各級管理部門關注的重點之一，老舊電梯的節能改造工作迫在眉睫。

2 不同類型的電梯能耗分析

根據國家質檢總局《電梯能效評價指標與檢測方法研究》課題組對全國10個城市不同型號電梯進行了1 000 kg貨物運送1 000 m的試驗，并采用相同的測試方法測出能耗，統計結果如表1所示。

表1 不同類型電梯的能耗比較分析表

測試結果表明，完成相同的運送量，不同類型的電梯耗電量相差很大。

3 電梯節能改造途徑

電梯節能改造主要從兩個方面開展：第一，降低“拖動用電工況”的能耗，主要從驅動系統、控制系統、拖動系統三個方面提高電梯的運行效率；第二，對電梯“制動發電工況”運行過程中產生的再生能源儲存和再利用。

3.1 降低“拖動用電工況”的能耗

3.1.1 驅動系統節能

電梯的驅動系統節能改造主要是對原有的曳引機蝸輪蝸桿變速箱的傳動方式進行更新改造，采用行星齒輪、永磁同步無齒輪、同步行星齒輪等傳動替代設備。這些先進的傳動設備較原有的蝸輪蝸桿傳動設備相比，具有體積小、性能高、控制穩定、可節能20%以上等特點。

3.1.2 控制系統節能

控制系統節能改造主要有群控系統優化、待機與自動停機節能。群控系統是電梯群的調度系統，群控系統優化主要任務是減少乘客的等待時間和提高電梯的利用率。優化的主要方法有魯棒優化模型法、滾動優化算法等。待機與自動停機節能是指電梯不運行時的能耗控制技術。

3.1.3 拖動系統節能

拖動系統節能改造的主要方法是將原有的電梯交流雙速及調壓調速（ACVV）設備改造為調頻調壓調速（VVVF）設備。

交流電機的轉速計算公式為：n=60f（1-s）/P，式中f為定子的供電頻率，s為電機轉差率，P為電機極對數。調頻調壓調速技術就是通過改變f來調節電機的轉速，從而獲得電梯承載的最佳舒適度。電梯采用的恒轉矩拖動系統，電機的轉矩計算公式為：M≈K（U/f）2，K為常數，從而為了獲得電機恒定轉矩，需保持U/f值不變，因此在改變f時，需同比例改變電機的定子電壓。

調頻調壓調速（VVVF）設備與調壓調速（ACVV）設備相比具有顯著的節能效果，主要反映啟動、均速、制動三個階段。

電梯啟動時，調壓調速（ACVV）設備在50 Hz頻率下起動，啟動電流大，轉矩特性差，乘坐舒適度差，能耗大；而變頻變壓調速（VVVF）設備在低頻下起動，隨著電梯速度上升，f不斷升高，直到額定速度，大大降低了能耗。

電梯均速運行時，如果電梯處在重載向上運行或輕載向下運行“ 拖動用電工況”下，（VVVF）與（ACVV）耗能基本相同；如果電梯處在輕載向上運行或重載向下運行“制動發電工況”時，調壓調速（ACVV）電機需要消耗電能產生制動能量，而變頻變壓調速（VVVF）電機則再生發電狀態，不需消耗電能產生制動能量。

電梯制動過程中，調壓調速（ACVV）一般采用能耗制動方式，即從電網中獲得能量形成制動電流。對于有較大慣性輪的電機，制動電流高達60～80 A，對電網的沖擊較大，制動能量變成熱能，消耗在電動機的轉子中，電動機發熱現象比較嚴重。變頻變壓調速（VVVF）因調速性能好，在正常情況下基本做到“零速抱閘”。

因此在電梯節能改造過程中，通常采用調頻調壓調速技術改進老舊電梯的拖動系統，大大降低能耗，同時也提高了電梯乘坐舒適度。

3.2 制動工況耗能利用

電動機驅動曳引輪旋轉，通過曳引輪繩槽與鋼絲繩摩擦傳動，實現鋼絲繩兩端轎廂與對重的上下相向運動。在轎廂的上下運行過程中，根據轎廂側與對重兩側產生拉力差及運行方向的不同可分為4種情況（見表2）。驅動電動機經常在“拖動用電工況”與“制動發動工況”短時交替工作，在“拖動用電工況”電梯驅動電動機需消耗電能，在“制動發動工況”電梯驅動電動機要發出電能。

表2 電梯負荷情況、運行方向和電動機工況的關系表

3.2.1 采用逆變器將再生能量回饋電網

如圖1所示，當電梯處在拖動用電工況下，與傳統的變頻器工作方式相同，即由電網向曳引機供電；當電梯處于制動發電工況下，通過左邊的變流器將電梯的再生電能回饋到電網。由于我國電能反饋目前沒有得到供電部門的普遍認可，回收電費在實際操作中很難兌現，影響了這項技術的推廣。

圖1 采用逆變器回將再生電能回饋電網示意圖

3.2.2 采用蓄電池吸收再生電能

如圖2所示，電池組通過雙向DC-DC與電頻器的直接母線相連，當電梯處在拖動用電工況下，電池處于恒流放電狀態；當電梯處于制動發電工況下，并且直流母線電流達到某一特定值時，電池開始充電，充電電流可根據回饋的再生能量進行控制。目前電池的壽命有限，并且需定期更換，成本較大，推廣應用有待新型電池的研制。

圖2 電池吸收再生電能示意圖

3.2.3 采用超級電容吸收再生電能

超級電容是20世紀60、70年代率先在美國出現，到了80年代作為儲能器件走向市場，2010年上海世博會，超級電容公交汽車得到了成功的應用。超級電容作為儲能器件與電池相比優點在于：

（1）充電時間短。最快可在幾十秒內充電完畢，最長充電不過十幾分鐘，而蓄電池則需8-12 h；

（2）充放電具有很長的循環壽命（可循環充電10萬次），而蓄電池只有數百次；

（3）貯存壽命長，因充放電過程中沒有發生化學反應或電化學反應，沒有生成新的物質；

（4）高可靠，低維護，因充放電過程中沒有部件運動，維護工作少。超級電容與鉛酸電池性能，如表3所示。

表3 超級電容器與鉛酸電池性能的比較

采用超級電容吸收電梯再生電能原理與電池吸收再生電能相同（如圖3）。由于超級電容器硬件成本較高，且應用在電梯上的實際經驗少，有待進一步的推廣。

圖3 超級電容吸收再生電能示意圖

4 電梯節能改造技術的應用情況

目前，采用變頻調壓調速技術對交流雙速、調壓調速老舊電梯的改造得到了廣泛的應用。經變頻調壓調速技術（VVVF）改進后的電梯結構緊湊，噪音低，提高了傳動效率。因調壓調速技術（VVVF）為無級調速，從而大大提高了乘客的舒適度。某單位使用調頻調壓調速技術改造一臺調壓調速電梯，對改造前后的用電量進行了統計。改造前1年的總用電量為15 366.5 kwh，日平均用電量為42.1 kwh，改造后總用量8 979.0 kwh，日平均用電量為24.6 kwh，節能可達41.6%。

在已采用了先進的變頻調壓調速技術（VVVF）的電梯，節能的空間依然很大。據廣州省特檢院提供的23臺普通變頻變壓調速（VVVF）電梯增加能量回饋裝置，測試能效指標，與未增加能量回饋裝置相比，平均節電率達23.38%。

5 我局電梯的節能前景

目前，上海鐵路局垂直電梯在用319臺，其中交流雙速電梯75臺，調壓調速電梯66臺，變頻調壓調速電梯178臺，交流雙速電梯占全局垂直電梯的23.5%，調壓調速高能耗電梯占全局垂直梯的20.7%。

根據廣州省特檢院提供的數據：2007年全國在用電梯的日平均用電量為35.15 kwh，我們對全局電梯的能耗進行估算得出，交流雙速電梯改造為變頻調壓調速電梯可節能60～70%；調壓調速電梯改造為變頻調壓調速電梯可節能40～50%。假設我局電梯日平均用電為35.15 kwh；交流雙速電梯、調壓調速電梯、變頻調壓調速電梯占有比例與全國相等；交流雙速電梯改造為變頻調壓調速電梯可節能60%；調壓調速電梯改造為變頻調壓調速電梯可節能40%，則可估算交流雙速電梯日平均用量為59.0 kwh，調壓調速電梯日平均用量為39.3 kwh，變頻調壓調速電梯日平均用量為23.6 kwh。如果我們把全局75臺交流雙速電梯與66臺調壓調速電梯均改造成變頻調壓調速電梯，則改造前全局電梯日平均用電量為11 219.6 kwh，改造后日平均用電量為7 528.4 kwh，每天可節電3 691.2 kwh，節電率達到33%。

6 電梯節能工作推廣

通過上述分析可知，目前我國電梯節能空間很大，對于如何進行推廣和應用，我們認為應該從以下幾個方面著手：

（1）在法律、法規上需明確電梯等特種設備節能監管部門的職責，對能耗大或超出規定能耗標準的電梯設備，有權提出停用或改造的行政指令，否則不得投入運行。

（2）檢驗檢測機構在對電梯等特種設備進行年度檢驗時，應同時對能耗進行檢測，出具設備安全和運行經濟性的檢驗意見，并明確只有兩項檢驗結果均合格時才能再投入使用。

（3）有關技術監督部門應制定電梯能耗等級標準，明確能耗等級，鼓勵優先購買達標的電梯設備，對能耗超標電梯規定使用年限或淘汰時間。

（4）政府和主管部門應加大激勵機制，對生產、使用節能電梯的單位在用電價格上給予特別優惠或補貼，鼓勵使用先進的節電技術和儲能設備；對電梯的節能改造費用，允許企業列入研發費用進行加計扣除；對節能效果特別優秀的單位，由政府給予特別獎勵。