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(yùn)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(jià)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(yùn)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(jì)如圖1 所示，我國電梯保有量從2009 年的137.0 萬臺(tái)上升至2019 年的709.75 萬臺(tái)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(gè)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(shí)，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(shí)稱為重載。

在電梯傳動(dòng)系統(tǒng)中，電梯相當(dāng)于是進(jìn)行電能與重力勢能之間的轉(zhuǎn)換，曳引機(jī)主要進(jìn)行主動(dòng)做功和被動(dòng)做功兩種過程。主動(dòng)做功為曳引機(jī)消耗電能來增加負(fù)載的重力勢能，既電梯進(jìn)行輕載下行和重載荷上行時(shí)的工作狀態(tài)。而被動(dòng)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(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速大于變頻器輸出的同步轉(zhuǎn)速，此時(shí)重力勢能轉(zhuǎn)化為電能，電機(jī)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裕乖偕娔軆?chǔ)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(jī)工作狀態(tài)

垂直電梯節(jié)電的核心是把電梯曳引機(jī)工作在發(fā)電狀態(tài)時(shí)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(dòng)電阻，將電梯曳引機(jī)工作在發(fā)電狀態(tài)時(shí)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(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生的電能白白浪費(fèi)，電梯機(jī)房溫度也會(huì)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(yùn)行，常常在電梯機(jī)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(jìn)一步上升。

圖2 能耗制動(dòng)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(chǔ)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(dòng)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(jì)性分析

選取夏熱冬冷地區(qū)某大型購物中心電梯進(jìn)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(tái)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(tái)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(jì)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(xiàng)目采用工程模式，綜合電價(jià)格為1.002 元/kWh。根據(jù)現(xiàn)場7 個(gè)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(jì)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(xiàng)目本級，其靜態(tài)投資回收周期T如下[3]：

式中：K-進(jìn)行節(jié)能改造時(shí)用于節(jié)能的總投資，主要包括項(xiàng)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(yùn)行維護(hù)產(chǎn)生的年均費(fèi)用，萬元/年，能量回饋裝置無需維護(hù)，取值為0。

經(jīng)計(jì)算得T≈1.68 年。

若考慮電梯機(jī)房無需安裝專用空調(diào)等投入帶來的節(jié)能量，取機(jī)房配置2 匹空調(diào)，每小時(shí)約1.47 kWh，每天8 小時(shí)為11.8 kWh，則一年可節(jié)電為365*8*1.47≈4292.4 kWh，節(jié)電費(fèi)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(xiàng)目現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)節(jié)能量分析與經(jīng)濟(jì)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(jì)性，若在電梯中擴(kuò)大推廣應(yīng)用范圍，將具有較大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。