電梯能量回饋裝置的應(yīng)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(xué)機(jī)械工程學(xué)院，吉隆坡 50603；3.北京工業(yè)大學(xué)，北京 100124）

1 前言

根據(jù)國家市場監(jiān)督管理總局頒布的關(guān)于全國特種設(shè)備安全狀況的通知及相關(guān)文獻(xiàn)數(shù)量統(tǒng)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(shù)量已經(jīng)達(dá)到879.98 萬臺，占我國特種設(shè)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(shè)備能耗占比較大，屬于高能耗特種設(shè)備。電梯數(shù)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(guān)注。

圖1 電梯保有量

能量回饋技術(shù)是實現(xiàn)電梯節(jié)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(jié)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(jié)果可用于補(bǔ)充購物中心的電梯能耗數(shù)據(jù)，為不同類型建筑的電梯節(jié)電策略提供有效的數(shù)據(jù)支撐。

2 電梯及電梯回饋裝置技術(shù)原理

2.1 電梯的基本構(gòu)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(gòu)造都是相同的。主要由曳引機(jī)、轎廂、電動機(jī)、對重裝置、電梯控制系統(tǒng)等組成，如圖2 所示。

圖2 電梯的基本構(gòu)成

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

（1）曳引系統(tǒng)。曳引系統(tǒng)主要起驅(qū)動作用，帶動電梯上下正常運(yùn)行，由曳引機(jī)、鋼絲繩、導(dǎo)向輪、轎廂反繩輪、對重反繩輪組成。驅(qū)動轎廂及對重上下運(yùn)行時，由曳引機(jī)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(chǎn)生曳引力，曳引鋼絲繩經(jīng)導(dǎo)向輪、反繩輪將轎廂和對重連接，并帶動其上下運(yùn)行。轎廂到達(dá)指定位置后，通過曳引機(jī)制動器保持轎廂和對重位置不變。若曳引系統(tǒng)發(fā)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(fā)生。因此，及時維護(hù)可以有效預(yù)防危險情況的發(fā)生。（2）轎廂系統(tǒng)。轎廂系統(tǒng)的主要作用是運(yùn)送人或物品到目標(biāo)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(tǒng)。門系統(tǒng)的主要組成部分為轎門和層門，轎門是由轎廂頂?shù)拈T機(jī)驅(qū)動的設(shè)置在入口的門。層門是轎門門刀驅(qū)動的設(shè)置在層門入口的門，其主要作用就是當(dāng)電梯到達(dá)目標(biāo)樓層時，使人和物品能夠安全出入。（4）重量平衡系統(tǒng)。主要由對重、重量補(bǔ)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(bǔ)償裝置用來補(bǔ)償提升高度較大的電梯轎廂。（5）導(dǎo)向系統(tǒng)。將轎廂和對重限制在導(dǎo)軌之間，使其垂直運(yùn)行。（6）安全保護(hù)系統(tǒng)。當(dāng)電梯出現(xiàn)故障時，能夠及時保護(hù)人和物品的安全，如超速保護(hù)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(yùn)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(tài)。轎廂的負(fù)載情況經(jīng)常發(fā)生變化，因此，曳引機(jī)不僅能作為電動機(jī)，在發(fā)電狀態(tài)下也可以作為一臺發(fā)電機(jī)。在電梯下行的過程中，重力勢能轉(zhuǎn)化為動能，通過曳引機(jī)轉(zhuǎn)化為電能，此時曳引機(jī)是發(fā)電的狀態(tài)。在輕載上行及重載下行時，曳引機(jī)作為發(fā)電機(jī)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能；在輕載下行及重載上行時，曳引機(jī)作為電動機(jī)將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向取決于三相電流的相序。

表1 電梯運(yùn)行情況

電梯能量回饋裝置的工作原理如圖3 所示，系統(tǒng)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(jī)的再生能量轉(zhuǎn)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(chǎn)生的再生電量收集起來反饋到電網(wǎng)。在此系統(tǒng)中，能量回饋系統(tǒng)的輸入端與電梯變頻器的直流母線側(cè)相連，輸出端與電網(wǎng)相連。三相IGBT 全橋模塊是主要的核心元件，它能夠?qū)⒅绷麟娔孀優(yōu)榕c交流電同步的三相電流回送到三相交流電網(wǎng)，供周邊用電設(shè)備使用。一般電梯回饋裝置的節(jié)電率可達(dá)到15%～45%。此外，由于無電阻發(fā)熱元件設(shè)計，機(jī)房溫度下降，可以有效地節(jié)省機(jī)房空調(diào)的耗電量。

3 影響電梯能耗的因素

3.1 曳引電梯運(yùn)行能耗特點

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

電梯的運(yùn)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(yīng)電梯基本運(yùn)行規(guī)律為啟動- 穩(wěn)定速度運(yùn)行- 制動。樓層的高度與運(yùn)行時間直接相關(guān)，并決定穩(wěn)定速度運(yùn)行的時間。樓層越低穩(wěn)定速度運(yùn)行的時間就會越短，甚至可能為0 秒。

圖4 電梯運(yùn)行曲線示意圖

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

3.2 電梯總能耗影響因素

根據(jù)電梯在具體工況下的運(yùn)行特點將能耗分為啟動能耗、勻速運(yùn)行能耗、制動能耗，開關(guān)門能耗、待機(jī)能耗和轎廂內(nèi)的能耗，包括照明、風(fēng)扇、空調(diào)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(yùn)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(tǒng)進(jìn)行分類和說明，包括機(jī)械系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、電力系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。例如，通風(fēng)和照明是電力系統(tǒng)的常見表示形式，而電梯門的開關(guān)和屏顯系統(tǒng)則受控制系統(tǒng)約束。具體影響因素如表2 所示。

表2 電梯運(yùn)行能耗的影響因素

4 電梯能量回饋數(shù)據(jù)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(jié)能效果進(jìn)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(shè)有3 臺27kW 的電梯，雙向電表安裝在一臺電梯供電開關(guān)的前端，雙路開關(guān)電源同時控制電梯系統(tǒng)，井道照明系統(tǒng)，轎箱照明通風(fēng)以及備用開關(guān)。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(jié)能率為節(jié)能效果檢測指標(biāo)，計算節(jié)電率：

式中，γ 為綜合節(jié)電率；W1為一在規(guī)定的同一運(yùn)能工況下，不配置電源裝置的電梯運(yùn)行過程中消耗的市電電能，kW·h；W2為在規(guī)定的同一運(yùn)能工況下,配置電源裝置的電梯運(yùn)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(xù)24 天對豐融國際辦公樓電梯電表進(jìn)行不間斷測量，包含工作日和周末，統(tǒng)一記錄電表數(shù)據(jù)，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(jīng)濟(jì)分析

建筑中的能耗系統(tǒng)主要包括照明系統(tǒng)、電梯系統(tǒng)以及空調(diào)系統(tǒng)。電梯系統(tǒng)是高層建筑中主要的能耗設(shè)備之一，隨著電梯使用年限的增加及技術(shù)的落后，電梯性能逐漸下降，從而導(dǎo)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(yán)重的電梯或更換普通電梯，在電梯數(shù)量較大的情況下，用戶會承擔(dān)很重的經(jīng)濟(jì)壓力。但是，這些電梯大多是可以進(jìn)行改造的，可以采用加裝電梯能量回饋裝置的方式實現(xiàn)節(jié)能。根據(jù)目前關(guān)于裝有能量回饋裝置的電梯節(jié)能效果的研究來看，一定程度上能夠達(dá)到節(jié)能降耗的效果，節(jié)能效果根據(jù)實際應(yīng)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(tǒng)為案例，探討電梯能量回饋技術(shù)的經(jīng)濟(jì)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(jié)電量11.38kWh，本辦公樓的綜合電價為1.076 元/ 度，每年節(jié)省電費（S）由下式計算：

式中，S 為年節(jié)電費；W 為日均節(jié)電量，kWh。

經(jīng)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(jié)電費為4469 元，節(jié)省18.2%的費用。

6 結(jié)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(jìn)行經(jīng)濟(jì)分析和能耗分析，發(fā)現(xiàn)該裝置節(jié)能率可達(dá)18.2%，且節(jié)省18.2%的用電費用，具有一定的節(jié)能效果。對于非節(jié)能電梯而言，加裝電梯能量回饋裝置在運(yùn)行節(jié)能方面具有可觀的經(jīng)濟(jì)性。

目前，電梯能量回饋裝置正面臨著推廣應(yīng)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(tǒng)的設(shè)計和控制適應(yīng)現(xiàn)有的傳統(tǒng)電梯系統(tǒng)庫存是一個挑戰(zhàn)。老舊電梯的系統(tǒng)升級和改造，能量收集功能，也將在當(dāng)前研究背景下進(jìn)一步深入探索。