黃鶴 陳佳琦 易檢長

1 深圳市紫衡技術(shù)有限公司

2 廣東省建筑設(shè)備智慧控制與運維工程技術(shù)研究中心

3 南京市綠色建筑與綠色建材發(fā)展中心

0 引言

節(jié)能減排是中國能源發(fā)展的基本國策。在能源價格低迷、電力與煤炭行業(yè)產(chǎn)能過剩的今天，節(jié)能工作尤其不能放松。資源和環(huán)境壓力是制約我國長期發(fā)展的重要瓶頸，而需求側(cè)的節(jié)能降耗或成為重要的解決之道。

電梯作為高層建筑的重要高效運輸設(shè)備，漸漸成為除空調(diào)之外的第二大用電設(shè)備，而國內(nèi)在用電梯90%以上為非節(jié)能型電梯。另根據(jù)市場監(jiān)管總局統(tǒng)計如圖1 所示，我國電梯保有量從2009 年的137.0 萬臺上升至2019 年的709.75 萬臺左右，年復(fù)合增長率為16.13%。2019 年我國保有電梯一天耗電約21290 萬kWh，全年耗電777.26 億kWh，研究電梯節(jié)能裝置具有重大意義。

圖1 我國電梯保有量

1 電梯能量回饋裝置結(jié)構(gòu)結(jié)成及工作原理

電梯可以看作是通過鋼絲繩兩端分別連接著轎廂和對重組成的一個平衡系統(tǒng)，根據(jù)現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)電梯技術(shù)條件》GB/T10058 第3.3.8 條規(guī)定,各類電梯的平衡系數(shù)應(yīng)在0.4～0.5 范圍內(nèi)。也就是說當(dāng)轎箱內(nèi)放置額定載重的45%左右的乘客或物品時，對重側(cè)的配重重量與轎廂重量相等，這樣是系統(tǒng)的平衡狀態(tài)。將轎廂裝載少于一半載重的情況稱為輕載，而裝載超過一半載重時稱為重載。

在電梯傳動系統(tǒng)中，電梯相當(dāng)于是進行電能與重力勢能之間的轉(zhuǎn)換，曳引機主要進行主動做功和被動做功兩種過程。主動做功為曳引機消耗電能來增加負(fù)載的重力勢能，既電梯進行輕載下行和重載荷上行時的工作狀態(tài)。而被動做功是電梯處于重載下行和輕載上行工作狀態(tài)，負(fù)載在萬有引力的作用下，使得電機的實際轉(zhuǎn)速大于變頻器輸出的同步轉(zhuǎn)速，此時重力勢能轉(zhuǎn)化為電能，電機處于發(fā)電狀態(tài)，如表1 所示。而變頻器中的整流二極管的單向?qū)ㄐ?，使再生電能儲存在變頻器的直流母線側(cè)的濾波電容中。這就是電梯能量回饋裝置中能量的來源[1]。

表1 電梯曳引機工作狀態(tài)

垂直電梯節(jié)電的核心是把電梯曳引機工作在發(fā)電狀態(tài)時產(chǎn)生的電能回收利用起來。傳統(tǒng)的方式是在電梯變頻器中增加制動電阻，將電梯曳引機工作在發(fā)電狀態(tài)時產(chǎn)生的電能以熱能的形式消耗掉，如圖2 所示。這樣不僅會導(dǎo)致產(chǎn)生的電能白白浪費，電梯機房溫度也會升高，系統(tǒng)穩(wěn)定性下降、故障率升高。為保證電梯系統(tǒng)的正常運行，常常在電梯機房內(nèi)設(shè)置電梯專用空調(diào)，導(dǎo)致電梯系統(tǒng)的能耗進一步上升。

圖2 能耗制動方式控制電路圖

電梯能量回饋裝置的工作原理[2]是能夠把變頻器直流側(cè)儲存在電容中的直流電利用逆變技術(shù)轉(zhuǎn)化為交流電，再反饋回電網(wǎng)側(cè)，其系統(tǒng)主回路圖如3 所示，主要由單向二極管，串聯(lián)電感、三相IGBT 全橋、濾波電容等其他電路組成。能量回饋裝置的輸入端與變頻器的直流母線側(cè)相連，內(nèi)置了扼流電抗器用來消除其他電器設(shè)備與電網(wǎng)設(shè)備之間的干擾。以減小對電網(wǎng)電壓的影響。

圖3 電能回饋制動方式控制電路圖

2 電梯能量回饋裝置節(jié)能效果分析與經(jīng)濟性分析

選取夏熱冬冷地區(qū)某大型購物中心電梯進行能量回饋裝置改造，該購物中心有24 層，標(biāo)準(zhǔn)層高3.75 m，共安裝有7 臺電梯。其加裝的電梯能量回饋裝置如表2 所示：

表2 夏熱冬冷地區(qū)某大型購物中心電梯能量回饋裝置表

現(xiàn)場安裝7 臺電梯能量回饋裝置及其節(jié)電表如圖4 所示，節(jié)電表可直接計量能量回饋裝置反饋回電網(wǎng)側(cè)的電量。

圖4 某大型購物中心電梯能量回饋裝置及節(jié)電表安裝

2.1 節(jié)能改造技術(shù)效果定量分析

該大型購物中心電梯節(jié)能改造項目采用工程模式，綜合電價格為1.002 元/kWh。根據(jù)現(xiàn)場7 個電梯能量回饋裝置配套安裝的節(jié)電表采集數(shù)據(jù)，對該大型購物中心2017 年10 月～2019 年11 月節(jié)電量情況分析如表3 所示：

表3 某大型購物中心節(jié)電量情況表

2.2 節(jié)能改造技術(shù)經(jīng)濟性分析

根據(jù)靜態(tài)投資回收周期修正公式，對于節(jié)能改造項目本級，其靜態(tài)投資回收周期T如下[3]：

式中：K-進行節(jié)能改造時用于節(jié)能的總投資，主要包括項目營銷支出、施工成本，萬元；M-節(jié)能改造產(chǎn)生的年效益，萬元/年；M'-節(jié)能改造后節(jié)能效益分享期間運行維護產(chǎn)生的年均費用，萬元/年，能量回饋裝置無需維護，取值為0。

經(jīng)計算得T≈1.68 年。

若考慮電梯機房無需安裝專用空調(diào)等投入帶來的節(jié)能量，取機房配置2 匹空調(diào)，每小時約1.47 kWh，每天8 小時為11.8 kWh，則一年可節(jié)電為365*8*1.47≈4292.4 kWh，節(jié)電費用為4292.4×1.002≈4301.0 元，則其靜態(tài)投資回收周期T≈1.45 年。

3 結(jié)語

根據(jù)對本電梯改造項目現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)節(jié)能量分析與經(jīng)濟性分析，高層建筑加裝能量回饋裝置的電梯的確具有可觀的節(jié)能效果與經(jīng)濟性，若在電梯中擴大推廣應(yīng)用范圍，將具有較大的經(jīng)濟和社會效益。