左林岳 朱嘉豪 趙 沂 周薛豹 趙 軍

上海理工大學 能源與動力工程學院

0 引言

國家有關部門對高效電機節(jié)能系統(tǒng)的推廣要求是基于國家重點研發(fā)計劃項目“先進高效中小型三相異步電動機技術方案和能效標準研究”［1］。電動機拖動系統(tǒng)用途廣泛，用電量大，其中，工業(yè)用氣中的風機系統(tǒng)和壓縮空氣系統(tǒng)的耗電量超出了全國總用電量的20%，是“節(jié)能減排”工作的關鍵領域。進入“十四五”后，節(jié)能工作進入“深度節(jié)能”階段，從單個設備的節(jié)能擴展到了系統(tǒng)節(jié)能，節(jié)能更加深入而細致，同時，各種先進的節(jié)能技術也亟須在各個領域中進一步推廣應用。

1 國際電機系統(tǒng)使用情況

根據(jù)國際能源署(International Energy Agency)的數(shù)據(jù)，電機用電量占全球總電力消耗45%，因此電機驅(qū)動電子設備的可靠性和能效會對世界各地的舒適、便利和環(huán)境及各種應用產(chǎn)生影響［2］。

工業(yè)上的電機系統(tǒng)(EMDSS)的用電量占全球電力消耗的29%，工業(yè)電力消耗的69%［3］。每年電機系統(tǒng)消耗的能源花費估計為3 620億美元。通過使用現(xiàn)有的技術和經(jīng)驗，工業(yè)企業(yè)管理決策支持系統(tǒng)（EMDSS）可以使用電效率有效提高20%～30%。這樣的改善有可能每年減少全球電力消耗3.2～4.8 EJ，削減770～1 100 tCO2的排放量，并且節(jié)省720億～1 080億美元的費用［4］。

當前運行的電機系統(tǒng)中高效電機的市場占有率偏低，電機和拖動設備效率較低。從國家惠民工程實施情況來看，我國高效電機的市場占有率已從實施前不足5%提高到25%左右，但高效電機的市場占有率仍然偏低［5］。

2 國內(nèi)外高效電機政策對比

2.1 國內(nèi)政策

我國從20 世紀90 年代開始，將電機作為重要的用能產(chǎn)品列入節(jié)能產(chǎn)品認證。2002 年國家質(zhì)檢總局批準發(fā)布第一版的GB 18613-2002《中小型三相異步電動機能效限定值及節(jié)能評價值》，于2006年作了修改，2012年發(fā)布了第三版，2020年5月，我國批準發(fā)布了新修訂的電機能效標準GB 18613-2020《電動機能效限定值及能效等級》，該標準提高了三相異步電動機能效限定值的要求，已于 2021 年 6 月開始實施。目前，GB 18613 對中小型三相異步電動機效率規(guī)定了三個等級，分別是3級（能效限定值）、2級（目標能效限定值）、1級（節(jié)能評價值）［6-7］。

我國電機能效標準與國際標準對比如表1 所示。目前的三級能效對應IEC 標準的IE3 效率等級［8］；二級能效對應IEC標準的IE4效率等級；一級能效對應IEC 標準的IE5 效率等級，為最高能效值［9］。

表1 最新電動機能效標準對比

除電機能效標準外，在電機系統(tǒng)節(jié)能方面，我國還制定了高效節(jié)能電機產(chǎn)品、能效分級、節(jié)能改造、綠色制造等標準，涵蓋了高效節(jié)能電機設計、制造、測試、應用、評價與認證等各個環(huán)節(jié)，基本建立了電機系統(tǒng)節(jié)能標準體系框架，主要包括設備能效標準、系統(tǒng)經(jīng)濟運行標準和節(jié)能控制標準等。

2.2 國外政策

歐洲高效電機推廣政策。2010 年6 月11 日，歐盟分別發(fā)布了 M/470 和 M/476 指令，M/470 指令主要針對電機產(chǎn)品如何執(zhí)行IEC 60034-30能效分級標準，而M/476指令則針對電機系統(tǒng)PDS的能效要求。由于IEC 也無電機系統(tǒng)能效標準，因此，2012年歐盟啟動了項目23551號，著手進行電機系統(tǒng)能效標準的制訂，標準完成后，IEC有意向?qū)⒅苯右谩?014 年歐盟發(fā)布了針對綜合布線系統(tǒng)（Premises Distribution System，PDS）的能效分級標準EN 50598［10］。

從2011 年6 月16 日起，新的針對低壓電機的歐盟最低能效標準法規(guī)開始生效。新法規(guī)涉及的功率 0.75～375 kW、50 Hz 和 60 Hz 的 2 極、4 極、6極交流電機。

第一階段(從2011年6月16日起)，新法規(guī)所涉及的電機在歐盟市場上出售時，都必須至少達到國際能效等級2級(IE2)標準。

第二階段(從2015 年1 月起實施)，要求輸出功率在 7.5～375 kW 的電機必須達到IE3 能效等級，或者在達到IE2等級的同時加裝變頻器。

第三階段(從2017 年1 月起實施)，涉及范圍擴展到輸出功率0.75～375 kW 的電機，它們必須達到IE3 能效等級，或者在達到IE2 等級的同時加裝變頻器。

2013 年IEC/TC22/SC22G 成立工作組并與IEC/TC2 協(xié)調(diào)，共同推進歐盟標準EN 50598 轉化為IEC 標準的工作，即IEC 61800-9-2PDS 系統(tǒng)的能效分級及測試標準［11］。

加拿大在1991 年由加拿大標準協(xié)會與加拿大電機行業(yè)協(xié)會共同制訂了推薦性電機最低能效標準。1992年加拿大議會通過了能源效率法令(EEACT)，法案包括了電機的最低能效標準，其電機效率指標和美國EPACT 指標相同，該法案在2010 年作了一次修改。

澳大利亞于1999 年開始針對家用電器和工業(yè)設備實施強制性能效標準計劃(Mandatory energy efficiency performance standards)或稱 MEPS 計劃，由澳大利亞政府下屬溫室氣體辦公室和澳大利亞標準委員會管理，電機也在管理范圍內(nèi)。電機強制性標準于2001 年10 月批準生效，標準號為AS/NZS 1359.5［12］。澳洲和新西蘭生產(chǎn)和進口的電機均需達到或超過此標準所規(guī)定的最低效率指標。該標準對應的試驗有2 種：一套為方法A 的指標，對應于美國IEEE 112-B 方法；另一套為B 方法的指標，對應于IEC 34-2，其指標數(shù)值與歐盟EU-CEMEP 的Eff2 基本相同。該標準除規(guī)定了強制性的最低標準外，還規(guī)定了高效率電機指標為推薦性標準，并鼓勵用戶采用。其數(shù)值與歐盟EU-CEMEP相近。

因各國測試電機效率的方法有所差異，所以單純地比較效率值是不準確的。即使是同一型號電機，由于評價方法不同，效率值也會產(chǎn)生差異［13］。因此采用了規(guī)定同一范圍的標準進行比較。由此可以看出，我國高效電機的能效標準逐步與國際靠攏，但由于我國電機使用需求量大，高效電機的使用率小，導致即使有相似的標準，也無法達到預期的節(jié)能效果。

3 高效電機推廣建議

1）制訂更細化的電機系統(tǒng)標準

電機運行系統(tǒng)是一個復雜的系統(tǒng)，其中多種技術的耗能普遍很高，我國電機能效標準規(guī)范了總體的效率，導致多數(shù)企業(yè)為滿足節(jié)能需求，僅在單一技術方面進行改造，其他環(huán)節(jié)管理較少，存在“電機系統(tǒng)節(jié)能就是更換高效電機或加變頻器”等誤區(qū)。應當將電機能效標準落實到各個技術環(huán)節(jié)中，可有效解決能源低效率利用的問題。“系統(tǒng)節(jié)能”和“提高運行效率”，促進電機運行與生產(chǎn)工藝的緊密結合。

2）加強電機系統(tǒng)使用單位與第三方機構的合作

鑒于多數(shù)企業(yè)缺乏對電機系統(tǒng)的節(jié)能改造能力［14］，無法達到上述標準，為加快推行高效電機系統(tǒng)，建議從第三方包括設計、改造、運行、管理等方面入手，分塊跟進節(jié)能工作。以市場為導向，個性化設計改造電機系統(tǒng)，對癥下藥，針對不同類型的電機系統(tǒng)，給予獨特的運行及管理方式。推動形成高效電機及電機系統(tǒng)技術研發(fā)、成果轉化和技術服務一體化的推廣鏈條。

3）加大補貼政策，加強政府強制性管理

政府應鼓勵企業(yè)推進高效電機的改造，安排必要的資金獎勵，對已完成電機改造的企業(yè)給予額外的支持，并在后續(xù)的運行及維護中持續(xù)跟蹤，提供保障。同時政府要加強對企業(yè)的管理，建立更嚴格的獎懲制度，貫徹落實方案，給出企業(yè)電機改造完畢的最低時間限度，對超出規(guī)定時間及改造程度不達標的企業(yè)給予相應的處罰，并監(jiān)督其后續(xù)工作。

4）開展關鍵技術的研究

近幾年來，我國持續(xù)加大高效電機的研發(fā)投入，加強自主創(chuàng)新能力，并已形成較為完整的產(chǎn)業(yè)鏈［15］，但生產(chǎn)的電機多數(shù)為高能耗的普通電機。為此建議以研發(fā)稀土永磁同步電機［16］為例的高效電機（其在高速列車的牽引系統(tǒng)、塞拉門系統(tǒng)等系統(tǒng)上應用），淘汰低效電機及電機系統(tǒng)。要把握住高效電機推廣的黃金時期，推動節(jié)能減排，從源頭上帶動電機系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)構造升級。

4 總結

通過電機使用情況和國內(nèi)外高效電機的標準對比，并根據(jù)國內(nèi)外的差距，提出了針對性建議：我國推廣高效電機的阻礙，在于無法將任務細分到指定部門，導致高效電機系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)鏈中的企業(yè)之間無法形成良好的配合，只著重于電機本體的節(jié)能改造，忽略了系統(tǒng)中設計、融資等環(huán)節(jié)對推進節(jié)能也有重要作用。建議將節(jié)能標準細分，強化運行、管理等部門節(jié)能改造工作，在政府的扶持下開展關鍵技術的研究，強化管理，加強監(jiān)督。