電梯能量回饋裝置的應用實例分析

李秋穎，王茜堯，孫天梅，韓迪，劉奕巧

（1.北京旭曜建筑科技有限公司，北京 100080；2.馬來亞大學機械工程學院，吉隆坡 50603；3.北京工業大學，北京 100124）

1 前言

根據國家市場監督管理總局頒布的關于全國特種設備安全狀況的通知及相關文獻數量統計，我國電梯保有量逐年增加，近10 年的電梯保有量如圖1 所示。截至2021 年年底，我國電梯數量已經達到879.98 萬臺，占我國特種設備總量的48.45%。電梯的使用量不斷增加，并且在大型公共建筑中，電梯和電氣設備能耗占比較大，屬于高能耗特種設備。電梯數量劇增，給我國能源帶來了壓力，電梯耗能逐漸受到社會的廣泛關注。

圖1 電梯保有量

能量回饋技術是實現電梯節能的有效措施之一，在人流量大、額定功率大、速度快、和載重大的電梯中節電效果更加明顯,而大型辦公樓和商場的電梯通常符合這些特點。不同類型建筑的電梯使用情況不同，本文中能量回饋裝置實測結果可用于補充購物中心的電梯能耗數據，為不同類型建筑的電梯節電策略提供有效的數據支撐。

2 電梯及電梯回饋裝置技術原理

2.1 電梯的基本構造

曳引式電梯在市場上的類型很多，其電路或者控制方式存在一定的差異，但電梯的基本構造都是相同的。主要由曳引機、轎廂、電動機、對重裝置、電梯控制系統等組成，如圖2 所示。

圖2 電梯的基本構成

電梯可以從功能上劃分為八大系統，即曳引系統、轎廂系統、門系統、重量平衡系統、安全保護系統、導向系統、電力拖動系統和電氣控制系統，且每部分都由不同的部件組成，主要系統具體介紹如下。

（1）曳引系統。曳引系統主要起驅動作用，帶動電梯上下正常運行，由曳引機、鋼絲繩、導向輪、轎廂反繩輪、對重反繩輪組成。驅動轎廂及對重上下運行時，由曳引機通過曳引輪繩槽與曳引鋼絲繩之間的摩擦力使曳引鋼絲繩產生曳引力，曳引鋼絲繩經導向輪、反繩輪將轎廂和對重連接，并帶動其上下運行。轎廂到達指定位置后，通過曳引機制動器保持轎廂和對重位置不變。若曳引系統發生故障，會造成電梯停止、電梯門不受控制、突升、突降等危險狀況發生。因此，及時維護可以有效預防危險情況的發生。（2）轎廂系統。轎廂系統的主要作用是運送人或物品到目標樓層，將物品和人與電梯井道隔開，防止人或物品受到傷害。主要是由轎廂壁、控制面板、通訊報警裝置、轎廂架、轎廂門以及緩沖墊等組成。（3）門系統。門系統的主要組成部分為轎門和層門，轎門是由轎廂頂的門機驅動的設置在入口的門。層門是轎門門刀驅動的設置在層門入口的門，其主要作用就是當電梯到達目標樓層時，使人和物品能夠安全出入。（4）重量平衡系統。主要由對重、重量補償裝置組成。對重裝置的主要作用是平衡轎廂及部分載重。補償裝置用來補償提升高度較大的電梯轎廂。（5）導向系統。將轎廂和對重限制在導軌之間，使其垂直運行。（6）安全保護系統。當電梯出現故障時，能夠及時保護人和物品的安全，如超速保護裝置、緩沖器、救援裝置、報警裝置等。

2.2 電梯回饋基本原理

電梯具有四象限工作特性，其運行特性如表1 所示。電梯可分為上行、下行、靜止三種工作狀態。轎廂的負載情況經常發生變化，因此，曳引機不僅能作為電動機，在發電狀態下也可以作為一臺發電機。在電梯下行的過程中，重力勢能轉化為動能，通過曳引機轉化為電能，此時曳引機是發電的狀態。在輕載上行及重載下行時，曳引機作為發電機，將機械能轉化為電能；在輕載下行及重載上行時，曳引機作為電動機將電能轉化為機械能。電機的旋轉方向取決于三相電流的相序。

表1 電梯運行情況

電梯能量回饋裝置的工作原理如圖3 所示，系統主要由電感、三相IGBT 全橋、濾波電容和外圍電路組成。普通電梯是通過制動電阻將電機的再生能量轉化為熱能消耗的，能量反饋裝置的作用是將減速制動、輕載上行和重載下行產生的再生電量收集起來反饋到電網。在此系統中，能量回饋系統的輸入端與電梯變頻器的直流母線側相連，輸出端與電網相連。三相IGBT 全橋模塊是主要的核心元件，它能夠將直流電逆變為與交流電同步的三相電流回送到三相交流電網，供周邊用電設備使用。一般電梯回饋裝置的節電率可達到15%～45%。此外，由于無電阻發熱元件設計，機房溫度下降，可以有效地節省機房空調的耗電量。

3 影響電梯能耗的因素

3.1 曳引電梯運行能耗特點

接收到上行下行指令后，電梯的控制系統就會根據行程模擬生成運行的速度曲線，然后按照速度曲線開始運行。要想提高電梯的運行效率，就要提高電梯的運行速度，加速度和加速度變化率，而電梯的運行速度也需要控制在一定的范圍內。理想的電梯運行應該保證快、穩、準的優點。

電梯的運行過程可分為啟動階段、勻速階段和制動階段，如圖4 所示。隨即對應電梯基本運行規律為啟動- 穩定速度運行- 制動。樓層的高度與運行時間直接相關，并決定穩定速度運行的時間。樓層越低穩定速度運行的時間就會越短，甚至可能為0 秒。

圖4 電梯運行曲線示意圖

根據上述的運行過程可將電梯運行能耗分為啟動能耗、勻速能耗和制動能耗。電梯運行的行程和載荷直觀影響著傳統曳引電梯的能耗。

3.2 電梯總能耗影響因素

根據電梯在具體工況下的運行特點將能耗分為啟動能耗、勻速運行能耗、制動能耗，開關門能耗、待機能耗和轎廂內的能耗，包括照明、風扇、空調和顯示裝置的能耗等。對上述各部分能耗測量的總和即為電梯的總能耗。

電梯運行能耗受多種因素的影響，大體可分為電梯自身因素以及電梯使用因素。同時，電梯自身因素可從四個系統進行分類和說明，包括機械系統、驅動系統、電力系統和控制系統。例如，通風和照明是電力系統的常見表示形式，而電梯門的開關和屏顯系統則受控制系統約束。具體影響因素如表2 所示。

表2 電梯運行能耗的影響因素

4 電梯能量回饋數據分析

本文以豐融國際大廈寫字樓的電梯能量回饋裝置為例，本建筑地上15 層、地下5 層，其電氣原理圖如圖5 所示。為了對能量回饋裝置的節能效果進行檢驗，本辦公樓在回饋器的線路上安裝了雙向電表，可同時計量電梯回饋電量和用電量。

圖5 豐融B1 樓電氣原理圖

由圖5 可知，寫字樓共設有3 臺27kW 的電梯，雙向電表安裝在一臺電梯供電開關的前端，雙路開關電源同時控制電梯系統，井道照明系統，轎箱照明通風以及備用開關。雙向電表安裝及示意圖如圖6、圖7所示。

圖6 雙向電表安裝圖

圖7 雙向電表示意圖

本文以電梯能量回饋裝置節能率為節能效果檢測指標，計算節電率：

式中，γ 為綜合節電率；W1為一在規定的同一運能工況下，不配置電源裝置的電梯運行過程中消耗的市電電能，kW·h；W2為在規定的同一運能工況下,配置電源裝置的電梯運行過程中消耗的市電電能，kW·h。

通過2022 年4 月1 日～4 月24 日連續24 天對豐融國際辦公樓電梯電表進行不間斷測量，包含工作日和周末，統一記錄電表數據，回饋器安裝前后能耗對比情況如表3 所示。

表3 北京市豐融國際辦公樓電梯回饋安裝前后能耗對比情況

5 電梯回饋經濟分析

建筑中的能耗系統主要包括照明系統、電梯系統以及空調系統。電梯系統是高層建筑中主要的能耗設備之一，隨著電梯使用年限的增加及技術的落后，電梯性能逐漸下降，從而導致耗電量增加。對于大型商場、辦公樓等的老舊電梯有多種處理方式。若采用直接淘汰耗能嚴重的電梯或更換普通電梯，在電梯數量較大的情況下，用戶會承擔很重的經濟壓力。但是，這些電梯大多是可以進行改造的，可以采用加裝電梯能量回饋裝置的方式實現節能。根據目前關于裝有能量回饋裝置的電梯節能效果的研究來看，一定程度上能夠達到節能降耗的效果，節能效果根據實際應用情況有所不同。本文以豐融國際大廈寫字樓的電梯能量回饋系統為案例，探討電梯能量回饋技術的經濟性。

豐融國際大廈寫字樓未引入電梯能量回饋裝置的日均耗電量為62.53kWh，引入三相電表后，日均節電量11.38kWh，本辦公樓的綜合電價為1.076 元/ 度，每年節省電費（S）由下式計算：

式中，S 為年節電費；W 為日均節電量，kWh。

經計算，未引入電梯能量回饋裝置的年電費為24558 元，加入電梯能量回饋裝置后的年節電費為4469 元，節省18.2%的費用。

6 結語

通過實測豐融國際大廈寫字樓有能量回饋裝置的電梯能耗，對其進行經濟分析和能耗分析，發現該裝置節能率可達18.2%，且節省18.2%的用電費用，具有一定的節能效果。對于非節能電梯而言，加裝電梯能量回饋裝置在運行節能方面具有可觀的經濟性。

目前，電梯能量回饋裝置正面臨著推廣應用較慢等問題。作為再生能量回收利用最行之有效的方法之一，將再生能源系統的設計和控制適應現有的傳統電梯系統庫存是一個挑戰。老舊電梯的系統升級和改造，能量收集功能，也將在當前研究背景下進一步深入探索。