電梯節能技術進展、發展困境和應對策略

高 鵬 王 璇 楊 陽 牛衛飛

（天津市特種設備監督檢驗技術研究院 天津 300192）

電梯是建筑物特別是高層建筑物內部運送人員和貨物的機電設備。近年來隨著城市化進程的加快以及人們對便捷生活要求的提高，電梯的產量和保有量快速增長。目前，在國際電梯市場上，發達國家和地區的電梯需求相對平穩，發展中國家和地區需求增長較快。根據《特種設備安全與節能2025科技發展戰略》的統計計算，到2020年，全球電梯年新增量達到150萬臺左右。從我國電梯發展現狀來看，我國已經成為全球最大的電梯制造國、銷售國和使用國。2003～2014年，我國電梯保有量快速增加，從36.17萬臺增長至359.85萬臺，年均增長約20%。據2015年的統計數據，我國當年電梯制造量為76萬臺，同比增長6%，出口7.2萬臺，電梯保有量達到426萬臺。根據國家質檢總局發布的《質檢總局關于2016年全國特種設備安全狀況情況的通報》顯示，截止到2016年底，我國電梯保有量達到493.69萬臺，占特種設備總量的41.24%。

近年來，隨著電氣、材料和自動控制技術的不斷進步，特別是采用永磁同步無齒輪曳引等先進技術后，電梯的能耗水平顯著下降[1]。在我國，電梯界公認的每臺電梯每天平均耗電是40kW·h左右。雖然我國電梯的單臺能耗已經有了較大進步，但是，與美國在用電梯平均日耗電11.1k W·h相比，仍有差距，且由于我國電梯保有量巨大[2]，因此總的電能消耗仍然是一個巨大的數字，進一步降低電梯能耗，仍然是電梯技術工作者的努力方向。

1 電梯能耗分析

電梯能耗水平取決于曳引系統的能耗，包括曳引系統、轎廂和對重裝置損耗、鋼絲繩損耗等；驅動系統能耗；控制、顯示能耗，包括層站和轎廂內的控制顯示等；門機系統能耗，包括門機控制系統和驅動；轎廂內照明；通風系統能耗等[3，4]。電梯的能耗主要集中在曳引驅動裝置上，占總能耗的70%以上[5]。我國電梯能耗分級標準GB/T 30559.1—2014《電梯、自動扶梯和自動人行道的能量性能 第一部分：能量的測量與驗證》，該標準等同采用ISO 25745-1：2012國際標準。該標準將電梯能耗分成兩部分，分別為主要能量和輔助能量。主要能量部分測量控制裝置、電機、變頻器和制動器、門等消耗的電能；輔助能量部分測量轎廂照明、轎頂風扇、報警設備和遠程監控、應急電池等部分的電能。

1.1 曳引系統能耗

平衡系數是影響曳引系統效率的重要因素，合理范圍內的平衡系數可以減小電梯啟停和運動過程中的能耗。但是，由于平衡系數不僅僅取決于電梯出廠時的轎廂和對重重量，同時還受電梯內部裝修情況，電梯安裝條件等因素影響，因此在電梯安裝完成后檢測電梯平衡系數，不僅關系到電梯運行的安全性，而且會影響到電梯的能耗水平。

對于超高層建筑，電梯運行過程中曳引機驅動的隨行重量，除了轎廂和乘客外，曳引繩的重量占重要部分。中國房產報報道，對于提升高度為500m的電梯，采用傳統鋼絲繩，電梯運行所需的電量中有多達3/4被鋼絲繩消耗。一座10部電梯的建筑，640m鋼絲繩的重量達到186.5t，運營電梯能耗達到1180MW。

1.2 驅動系統的損耗

電梯垂直運行所需動力由電梯的驅動系統提供。驅動系統是為電梯正常運行提供動力的系統。影響驅動系統能耗的因素包括電動機、制動器、減速箱效率等。電梯電動機頻繁啟停，電動機的效率高低直接關系到整個系統的能效水平。制動器在電梯停止時負責提供制動力，在電梯停止運行時，制動器通過摩擦力來固定曳引機的轉子。曳引機和制動器配合不當，曳引機在運行過程和制動器發生摩擦或者減速過程中在制動器尚未完全減到零速度時就抱緊曳引機轉子，則會產生大量的摩擦熱量，使得系統整體效率下降。

1.3 控制、顯示能耗

控制顯示部分的能耗通常包括機房、層站和轎廂在內的所有的控制電路和顯示電路。通常情況下，人們主要關心電梯運行過程中的能耗情況，忽略控制和顯示部分的能耗。但是，由于電梯屬于全天候待機的間歇式工作的機電設備，其運送乘客和貨物的工作時間遠遠小于其等待空閑時間。電梯處在等待過程中，電梯的控制系統仍然處于工作狀態，以隨時響應各層站乘客對電梯的呼叫。此外，各層站的顯示界面持續工作，顯示轎廂所在樓層。因此，其長期等待的能耗累計起來同樣是一個不可忽略的數字。

1.4 門機系統、轎廂照明、通風能耗

門機系統的能耗包括門機系統的控制和驅動電機的能耗。電梯門機系統是機電緊密結合的運動部件。門機系統的動力由轎門上的驅動電機提供。轎廂門是主動門，廳門是從動門，廳門由轎廂門通過‘系合’裝置直接帶動完成開合動作。門機系統的運行能效主要取決于機械結構和驅動電機的效率。通常，對于轎廂照明系統，電梯轎廂照明能耗為200W。對于一個典型的 40ft2（3.7m2）的轎廂（5ft×8ft，約 1600kg載重的電梯），那就是5W/ft2。如果照明一直不關閉，那么每個轎廂每年的能耗是1750kW·h[6]。對于通風系統，目前國內電梯生產廠商對電梯轎廂通風形式基本上采用直流式的通風方式，風扇在轎廂上部機械送風，基本上都采用小功率的風扇進行吹風，利用轎廂的縫隙排風或者在底部開排風口。通風風扇在連續長時間使用條件下，能耗同樣不可忽略。

2 電梯節能措施

針對電梯能耗特點，電梯技術從業人員開發和引入大量新技術用于對電梯進行能效提升。

2.1 曳引系統節能

在降低曳引繩自重方面，通力集團為降低曳引繩自重，開發出碳纖維曳引繩，電梯提升高度為800m時，碳纖維曳引繩可節能45%。碳纖維曳引繩是一種由碳纖維內芯和特殊的高摩擦系數涂層組成的超輕質曳引繩。碳纖維強度很高而特殊涂層堅固耐磨，碳纖維曳引繩結合了兩者的特點，所以非常可靠和耐用。由于質量輕，它未來可將電梯的運行高度提升至1000m，是現今電梯技術可達高度的兩倍。

2.2 驅動系統的節能

驅動系統的節能技術發展與電梯驅動技術的發展密不可分。早期電梯采用直流電機結合直流調速系統進行驅動。但是由于直流電機和驅動系統具有維護工作量大，能耗高等缺點，已經在電梯領域很少采用，被交流電機和驅動系統所取代。早期的交流電機和調速系統采用交流雙速和交流調壓調速系統，兩種驅動方式均主要采用交流雙速電機作為驅動電機，但其速度調節范圍有限，逐漸被交流變壓變頻調速系統所取代，交流變壓變頻調速系統使用三相異步電動機，通過調節電機的供電電壓和頻率實現調速，使得電梯的乘坐舒適性大幅提高。近年來，稀土永磁同步電機技術逐漸成熟，電梯能效大幅提高。國內外電梯廠商廣泛采用永磁同步無齒輪曳引機代替傳統蝸輪蝸桿曳引系統。永磁同步電機體積小，結構簡單，可靠性高，高效節能成為當前電梯曳引機的首選。由于采用永磁同步無齒輪曳引機，省去了齒輪傳動系統，傳動效率大大提升，使得傳動效率能夠達到90%[1]。

2.3 控制、顯示節能

現在電梯普遍采用集成化更高、功耗更低的電子元件設計、加工、制造控制系統，降低了控制系統的能耗。與此同時，電梯在非服務狀態時，關閉電梯轎廂內部的樓層等信息顯示、降低層站顯示部件的亮度，使電梯處于休眠狀態，大大提高了電梯的待機能耗。

2.4 門機系統、轎廂照明、通風節能

傳統門機多采用曲柄滑塊機構或曲柄搖桿機構作為傳動系統，驅動系統則主要采用直流電機通過與其串、并聯電阻作降壓調速，或采用PWM脈寬調制技術進行的調壓調速方法。減速機構主要有鏈傳動、帶傳動和齒輪傳動。上述門機系統結構復雜，尤其是在低速運行時，由于采用串、并聯電阻實現調速，效率低。近年來用變頻器驅動電機，通過同步齒形帶對電梯門機進行直接拖動，使電梯門機裝置機械結構簡化，提高了系統效率[7]。隨著永磁電機技術逐漸成熟，成本大幅下降，采用永磁電機驅動系統的門機逐漸增多，在減少維護成本的同時提高了能效利用率。在轎廂照明方面，采用LED節能燈替代傳統日光燈和白熾燈照明，可節省大量的照明用電。據統計，1050kg額定載重的轎廂采用LED照明替代傳統日光燈和白熾燈，可節電75%，能耗大大降低[2]。通風風扇的驅動電機也經歷了從有刷直流電機、異步電機向稀土永磁無刷直流電梯調速系統的轉變[8，9]。此外，當電梯應答完成所有的指令后關門進入待機狀態時，轎廂內部沒有乘客時，設定在進入待機一段時間后，自動關閉照明和通風，既可以節能，又可以延長照明和風扇的壽命。對于全透明井道觀光電梯，在白天光照充足條件下自動關閉照明系統，也可以降低能耗。

2.5 能量回饋和存儲

從節省能源的角度看，采用各種節能措施后，電梯整體的能效大幅度提升，但是這種能效的提升也不斷接近于效率天花板。作為一種空間運輸和提升機電設備，電梯工作過程中不斷將電能和勢能進行轉化。當電梯重載上行和輕載下行時，曳引機電動運行，此時電網向曳引機供電；當電梯輕載上行和重載下行時，曳引機發電運行，現在通常的做法是利用能耗制動的方式將這部分能量消耗掉，即在直流母線兩端并聯制動電阻，圖1所示為帶制動模塊的電梯電路。該類型電梯的缺點是曳引電機所發電能通過熱電阻消耗掉，能量的利用效率較低。為了能夠有效利用曳引機發電狀態所發電能，很多電梯公司推出了能量回饋型和能量儲存型電梯節能產品和節能電梯。能量回饋型節能產品其工作原理是將電梯重載下行和輕載上行過程中產生的能量進行回收，在變頻器直流母線電壓升高到設定閾值時通過逆變模塊將直流電逆變成三相交流電回饋電網。該能量回饋技術通常分為兩種拓撲結構，一類是如圖2采用可控整流電梯能量回饋電路所示的AC-DC-AC結構，即采用可控整流模塊代替不可控整流模塊，實現能量的雙向流動。國外品牌中的OTIS和三菱等公司擁有較成熟的技術產品。另一類是將逆變器作為一個獨立單元并聯在變頻器直流母線側，利用外掛的能量回饋裝置將回饋能量回送電網[10]。采用能量回饋技術的優點是節能效率高，成本較低，缺點是有些產品可能存在諧波，污染電網。特別是目前國內電表計量為單向計量，加裝能量回饋裝置后不會直接為用戶節約費用，造成了用戶缺乏使用上的積極性。

圖1 帶制動模塊的電梯電路

圖2 采用可控整流電梯能量回饋電路

圖3 外掛式能量回饋電路

為了解決能量回饋裝置技術推廣中存在的困難，技術人員開發了回饋能量的存儲技術。電梯曳引機工作于發電狀態時，通過儲能裝置儲能，曳引機工作于電動狀態時，儲能裝置釋放能量，從而達到節能目的，如圖4所示為帶儲能裝置節能電梯的電路原理。儲能裝置通常選擇能量密度高，功率密度大的儲能元件，例如鋰離子電池和超級電容器等[11，12]。國外品牌如OTIS和三菱等都開發了帶儲能裝置節能電梯，國內多家廠商和高校也在該技術領域申請了大量專利。帶儲能裝置節能電梯優點是不向電網回饋電能，停電期間可以作為電梯救援裝置使用，缺點是增加了儲能裝置，提高了系統成本。

圖4 帶儲能裝置節能電梯的電路原理

3 電梯節能技術推廣的困境

驅動系統采用永磁同步電機，在控制和顯示系統中采用低功耗技術，在照明系統中采用LED節能技術，這些技術在電梯行業中由于除了節能外，還具有降低成本，提高美觀性等特點，均有不同程度的采用，但是對于電梯能量回饋和儲存技術，雖然其節能效果更加明顯，但是其推廣程度緩慢，究其原因主要存在以下幾個方面：

1）帶能量回饋裝置的電梯，由于加裝了能量回饋裝置，因此其成本相對于其他電梯要高。在我國現有的國情條件下，這部分成本要由房產開發商買單，但是其收益方往往是寫字樓、商場和住宅物業公司，這就造成開發商不愿在采購電梯時采用價格較高的帶能量回饋裝置的電梯。

2）雖然我國政府和各地方分別出臺了電梯節能方面的相關標準，如GB/T 32271—2015《電梯能量回饋裝置》、GB/T 30559.1—2014《電梯、自動扶梯和自動人行道的能量性能 第一部分：能量的測量與驗證》，浙江省、海南省、廣東省分別出臺了地方標準DB33/T 771—2009《電梯能源效率評價技術規范》、DB46/T 1544—2009《電梯節能改造技術指南》、DB44/T 890—2011《電梯能效等級》，但是對于是否采用節能電梯并無明確要求，造成市場對節能電梯采購意愿不足。

3）投資成本回收時間較長。對于節能電梯，特別是在用電梯進行節能改造，除了能量回饋裝置外，改造費用和其他成本投入使得需要較長時間才能收回投入成本，按照每天保守估計節約10度電計算，需要3年時間收回成本，回收的時間較長[13]。

4 電梯節能技術推廣的應對策略

從我國國情出發，針對節能電梯和電梯節能產品的推廣，給出如下建議：

1）在政府采購中，對節能電梯和電梯節能產品給予適度傾斜，對非政府采購的電梯市場形成帶動和示范總用。

2）鼓勵電梯企業加大電梯能效方面的研發投入力度。引導電梯行業形成能效意識，做大做強綠色節能電梯產業，促進電梯節能產業形成規模效應。

3）鼓勵電梯企業樹立品牌意識，提高品牌形象。國外著名品牌電梯大多采用節能技術，但是由于其形象好，產品附加值高，有較高的溢價。采用節能技術，即使成本有所增加，其品牌溢價仍然能夠彌補成本的上升，且其節能特性反過來進一步增強了其品牌的認可度。因此我國電梯企業更應該加強品牌建設，擺脫單純的拼價格，追求低價競爭策略，順應供給側改革發展趨勢，進一步優化產品結構。

4）引入高能耗電梯的淘汰機制，進一步明確高耗能電梯的標準，對于高能耗的電梯采取分階段淘汰措施，給出高耗能電梯的退出時間表，激勵我國電梯產業向著綠色、環保可持續發展的目標邁進。

5 結論

據《特種設備安全與節能2025科技發展戰略》所述，截止到2015年，我國電梯行業規模達到3064億元，保守估計每天有超過20億人次乘坐電梯。我國已經成為當之無愧的電梯大國。與此同時，我國也正處于從電梯大國向電梯強國轉變的重要時期。提高我國電梯產業發展水平，樹立我國電梯品牌良好形象，高效節能是重要發展方向，也是我國電梯產業深化供給側改革的有力抓手。