廈門亞太通力電梯有限公司

中國電梯與第三代節能電梯的中國創造

2017.08.31

 一、概述:

    中國電梯網的統計數字,我國到2012年底全國電梯保有量已達到245萬臺,成為世界電梯產銷第一大國;而2013年預計電梯銷售將繼續在48萬臺到50萬臺的增長,安裝電梯也將達到四十萬臺以上,預計到2013年底,中國電梯運行數量達到300萬臺。中國電梯企業取得電梯制造許可證的大概有580家左右,全國安裝與維保人員大概20萬人,電梯相關從業總人數大概80萬人左右。2013年預計年電梯銷售產值超過1000億元,安裝市場預計超過200億元,維保市場預計250億元。
    中國電梯行業從無到有,從第一批14張許可證開始到現在接近600家制造企業,成為全球電梯第一產銷大國,發展迅猛,并且市場發展還將持續。
    在中國電梯行業的發展過程中,國外品牌電梯是有不可替代的作用,特別是上世紀八十年代末到九十年代,合資品牌給中國帶來了先進VVVF技術,使電梯行業發展插上翅膀,成為電梯發展的重要技術支持。
    但是進入二十一世紀后,中國電梯行業自身發展飛速發展,而合資品牌除了通力引進的第三代無機房電梯及永磁同步盤式馬達外,沒有更新的技術引進到中國。而中國電梯行業自身發展卻在過去十年中飛速發展,無論是電梯的制造質量還是技術方面都有了很大突破,而超過世界先進水平的技術也在中國不斷發展。控制系統的一體機、節能電梯的永磁同步主機、第四代無機房電梯都超越了國外先進水平,并市場占有率已經超過國外技術。
    現在中國電梯已經從中國制造走向中國創造,中國電梯行業已經有四個制造企業上市,而且電梯的技術上,第三代節能電梯技術、高層建筑火災電梯運行技術等都突破了國外研究幾十年而沒解決的瓶頸,也使電梯中國制造走向中國電梯創造。
二、電梯節能技術
    對于節能電梯來說,第一代的節能技術就是國外引進的VVVF技術,該技術由于采用了變頻變壓變速的技術,使電梯運行比此前的電梯節能,所以該是第一代節能電梯技術;而電梯的第二代節能技術是永磁同步技術在電梯主機上的應用,因為該技術可以用比較小的功率來滿足電梯運行,從而使電梯比普通VVVF渦輪蝸桿主機更省電。
    電梯使用變頻器驅動電機的方式,電梯在運行過程中,有電動運行與發電運行(也叫制動運行)兩種狀態。當電梯啟動達到高運行速度時產生的機械動能也是大的,而當電梯到達目的層前要逐步減速,而這個減速的過程就是電梯釋放機械動能的一個過程。在系統設計時是通過電動機可以將這一運動過程的機械能轉換成電能存儲在變頻器內部的大電容中(發電運行狀態會產生一部分能量,我們稱之為再生能源)。實際上,輸送回這個大電容中的電能越多,電容電壓就會越高,如果不能及時把電容器儲存的這些電能釋放掉,電梯就可能產生過壓故障,會直接導致電梯無法正常工作運行。因此在使用中會通過外置制動電阻將這些能量以熱能的方式消耗掉,這個制動的過程使整個控制屏的溫度上升。
    在此之前,很多企業都采用能源反饋的方式,雖然方式理論上有一定可行性,但是實際上無法推廣,其原因有兩,一是能源反饋電梯發電電能波段不穩定,會對電網造成沖擊,如果小區使用,會對小區內住戶的家電造成損害;二是國家電網不允許使用該方式,所以終無法實現能源反饋。無法做到的重要原因是電梯運行發電都是瞬間,從而會影響電網的正弦波有強大差異,所以會造成對電網的沖擊。目前國內外都無法進行推廣的原因就在此。但是節能原理是肯定的,也是第三代節能電梯的過渡階段。
    第三代節能電梯技術就是要真正做到電梯發電電能的儲存和再利用,必須包含電梯電能的儲存、儲存電池、儲存電能的使用、控制程序的修改。這樣不但使電梯電能可以再利用,真正做到節能,更可以通過電能儲存技術增加電梯在停電后繼續使用的不間斷電源功能。這樣不但實現了節電的目的,還可以避免大功率電阻的工作,會極大地改善電梯系統的運行,并且避免了因使用能耗電阻而造成的系統效率低、電梯控制柜的發熱,環境溫度過高等缺點。同時電能再生利用,每年節約的電能相當可觀。
    本文所將闡述的是如何真正做到將電能再利用,且能完全做到電梯能量的充分利用。也就是真正的第三代節能電梯技術,該技術比美國奧的斯用在天津新建項目上的技術先進,也比國外其他品牌技術更先進,且更能附加電梯不間斷電源功能與電梯電源穩壓功能。
    一部普通的25層住宅電梯每天約用電120-250度。按照每臺電梯每天用電量150度/天計算。全國電梯按照保守數字245萬臺計算,每天消耗電能約為36750萬度,每年的消耗的電能為1340億度,全國每年電梯消耗的電能相當于三峽工程的發電量,可見電梯消耗電能的巨大。而實際上耗電還要比理論更高,因為其中十五年前的電梯都是渦輪蝸桿主機,甚至有的電梯控制系統還不是VVVF。
    下面分別對電梯電能采集與再利用以及該技術發展前景做一個探討。
三、電梯節能原理闡述
    我們可以把電梯簡單理解成一個兩端分別懸掛轎廂和配重的定滑輪組,起滑輪作用的曳引機實際上就是一部電動機。當電動機正向或者反向旋轉時,轎廂會相應的上行或者下行,實現了電梯運送乘客或者貨物的目的。位于電梯控制系統中的變頻器是驅動電動機運行的裝置。一般來講,電梯平衡系數為50%左右,即轎廂內放置50%左右載重時,轎廂與電梯配重的重量相當。
3.1電梯驅動控制系統的節能
    電梯驅動控制系統經歷了從交流單速雙速的交流異步電機變極調速到交流調壓調速ACVV(Alternation Current Variable Voltage),再到目前的變壓變頻調速VVVF(Variable Voltage Variable Frequency)。一般電梯中的佳搭配是用變壓變頻調速控制永磁同步曳引機驅動。電梯的變壓變頻調速是通過改變電機輸入端的電壓和頻率來實現的,利用變頻器控制輸入電壓和頻率的比值保持固定不變(U/F=const),來實現速度的平滑調節。VVVF調速克服了前兩種調速系統效率低,速度調節不平滑等缺點,且比ACVV調速節能達30%。具有高效、節能、乘坐舒適等特點,是當前電梯理想、受歡迎的調速裝置。實現VVVF電梯是第一代說得上的節能電梯,而永磁同步電機替代了渦輪蝸桿電機,使電梯電機功率大幅度下降,使電梯進入了第二代節能效果,今天我們這里闡述的是第三代節能電梯,適用范圍廣,可以使電梯運行發電的電能再利用。
我們可以將電梯的運行分為以下幾種情況:
    (1)轎箱或配重較輕的一邊上升,比如空車上行和滿載下行,這是系統釋放勢能的過程,此時曳引機工作在發電狀態。
    (2)轎箱或配重較輕的一邊下降,比如空車下行與滿載上行,此時系統勢能在不斷增加,曳引機工作在電動狀態。
    (3)當電梯到達所在樓層減速制動時,系統釋放動能,此時曳引機也工作在發電狀態。
    (4)電梯在半載或在接近半載狀態下運行,此時曳引機工作在平衡或接近平衡情況,這是電梯運行的大概率情況。
    當電梯運行在(1)、(3)情況時,曳引機工作在發電狀態,所產生的能量通過電動機和變頻器轉化為變頻器直流母線上的直流電能。這些能量被臨時存儲在變頻器直流回路的大電容中,隨著電梯工作時間的持續,電容中的電能和電壓會逐漸升高,導致過壓故障,使電梯停止工作。目前,電梯為了避免過壓故障,通常在直流母線上加制動電阻,將這部分能量以發熱的方式消耗在制動電阻上。這種方法不僅將能量白白浪費掉,而且對周圍環境的影響很大。有些情況下,給機房散熱的空調和風機等設備的耗電量甚至超過了電梯本身。
3.2能量再利用系統的節能
    電梯要節電,核心是把電梯曳引機工作在發電狀態時產生的電能利用起來。目前,對于這部分能量的處理是利用“能耗制動方式”即通過內置或外加制動電阻的方法將電能消耗在大功率電阻中。這樣不僅將能量白白浪費掉,同時電阻產生的大量熱量還會污染電梯控制柜周邊的環境。
    能量再利用系統的作用就是將原來消耗在制動電阻上的能量,通過逆變轉化為交流電,并儲存在電池里以供電梯設備使用。據統計,消耗在制動電阻上的能量占電梯總用電量的25%-35%,一般能量逆變的效率約為85%,而本技術采用的方式將逆變損耗也避免,使電梯節能效果更大,幾乎可以是電梯發電電能的節能效果充分利用。
    因此,電梯能量再利用系統的節能效果在25%-35%之間,且樓層越高、電梯速度越快,節能效果愈明顯。能量再利用系統和電梯的完美結合打破了傳統電梯從節能到“造”能的飛躍。這是電梯能耗的歷史性突破,是電梯節能史上的一個分水嶺。是世界上先進的節能技術,該技術已經超越了歐美日等國外的電梯節能技術。成為電梯中國創造!
3.3電梯能量利用技術的研究現狀與技術研究的意義
    隨著現代化工業的高速發展,能源緊缺已成為日益突出的世界性問題。我國近年來電能供需矛盾也日益突出,節能已成為中國經濟生活勢在必行的選擇。作為現代建筑大“用電老虎”之一的電梯,已成為節能研發的首選。據中國電梯協會提供的信息顯示,截止到2012年年底,我國電梯的保有量已達到245萬臺,居世界之首。而且,隨著我國經濟生活進入高速發展時期,電梯的使用量還在以年均15%-20%的速度遞增,預計到2013年底全國電梯保有量達到300萬臺。電梯作為常用的唯一的垂直交通工具,已經成為人們日常生活不可缺少的一部分。
    電梯的運行離不開電能。假如按每臺電梯的平均功率是15KW,即電機連續工作1小時消耗15度電,那么消耗在制動電阻上的平均功率約為4.5KW(按電機功率的30%)。以2012年底全國在用電梯245萬臺計算,相當于我國每小時1100萬度的電在轉化為熱能,浪費驚人,且溫室效應增加。因此,電梯的節能降耗已引起相關行業的高度重視,社會對于電梯能耗的關注程度也在與日俱增,《公共機構節能條例》和《民用建筑節能條例》的實施,更為電梯節能提供了明確的政策和法律依據。電梯能量再利用技術的研究就是要解決電梯運行過程中的能量浪費問題,降低電梯的能耗,這對于國民經濟具有重要的社會意義和經濟效益。
    第三代節能技術針對能源緊缺,電梯節能的迫切需要,基于技術創新,節能環保的設計思想,在現有技術的基礎上,設計了以電梯能量儲存與再利用系統。該系統可以將電梯變頻器直流則的電能儲存到電池,減少了直流逆變成交流的15%電能損耗。從而在充分利用電梯發電電能的同時也減少了電能損耗。儲能再利用技術從而是并且針對電梯運行的實際情況,有效控制在電能再利用過程中的電壓和電流,電梯控制系統壽命更長,使電梯運行更安全,并且有效地避免了電梯熱能污染,也避免了能源反饋技術逆變輸出交流電對電網的諧波污染和無功污染。
四、儲能電池配置
    對電池的配置要符合基本的兩個要求,一是符合電梯電機功率需要的安全的電流與電壓,二是要配置一定量的電池,這里闡述的是指電池滿足電梯直接使用半小時以上的需要。原則上配置半小時、一小時、兩小時三種容量的電池,并且能讓該電池作為電梯的不間斷電源,在電網斷電后繼續使用。
    該種方式重要的作用是電梯電能儲存后可以完全利用,減少了電池直流逆變為交流的15%損耗。同時還可以起到電梯不間斷電源的作用,在電網停電后,電梯可以使用電池中的電能進行運行,確保乘客安全以及消防救援需要。
    上面我們介紹了電梯工作的基本原理,根據電梯運行過程中的幾種情況分析曳引機的工作狀態,給出傳統降低直流母線電壓的方法。分析電梯能量再利用系統的工作原理,給出能量再利用過程中系統應滿足的控制條件,后根據控制要求給出電梯能量再利用系統的控制方案。
    該技術比能源反饋技術更能節省15%直流到交流的逆變損耗,同時也可以使電梯電機取電更安全,減少電網電壓電流對電梯電氣造成的不穩定的沖擊。
 
五、第三代電梯節能技術節能效果
以普通住宅電梯為例:一部25層變頻電梯,如果處于發電狀態運行,在空載運行的時候,每次發出來的電能約為0.3度左右。據有關數據統計,每年每臺電梯平均運行次數大概在20—30萬次,這樣就有約10萬次左右處于發電狀態。如果樓層不高,按每次發電0.2度來計算,每年每臺電梯能節電2萬度左右。
節能效果與電梯功率、電梯整個系統、電梯的平衡系統等方面有關,以下幾類情況節能效果更好:
①樓層越高的電梯,制動頻繁,節能越多;
②越新安裝使用的電梯,機械慣性大,節能越多;
③使用時間越久的電梯,摩擦力大,節能越多;
④速度越快的電梯,制動頻繁,節能越多;
⑤使用越頻繁的電梯,制動頻繁,節能越多。
    一個擁有1萬部電梯的城市,如果能在每部電梯上安裝電能再利用系統,這個城市每年的節電量為2億度。
    一部普通的電梯,每天約用電量為80-150度;按照每臺電梯平均每天用電量約為120度/天計算,至2012年底,全國在用電梯數約為245萬臺,每天耗電約為30000萬度,每年消耗電量約為1073億度。如果將能量再利用在每部電梯中推廣應用,將電梯處于發電狀態的電能回饋再生利用,按照平均回饋節能率30%計算,每年可為全國節約電量約322億度。 國家黃河小浪底工程每年發電量平均為51億度;大亞灣核電站每年發電量平均為137億度;劉家峽水電站每年發電量平均為51億度; 如果將能量再利用應用于全國所有的電梯,全國電梯每年節約的電量約相當于6個小浪底工程的發電量;相當于2.35個大亞灣核電站的發電量;相當于6個劉家峽水電站的發電量。而到2013年底全國電梯使用將達到300萬臺,每年電梯耗電將達到1300億度,而全面推廣能量再利用技術,節能就將達到400億度。
故使用能收集電梯再生能源,同時也降低了電梯運行中的發熱量,即減少了需保持工作溫度而帶來的能源投入,也將大大降低電梯控制系統的故障率,延長使用壽命。
21世紀能源將日益緊張,我國又是能源消耗大國,節能勢在必行。因此,使用電能采集技術收集電梯再生能源是利國利民的一件好事,是造福子孫后代的大事。
5.1電梯能源利用節能效果及使用對比
1000KG載重,1.75M/S速度,25層25站,電梯自動運行一小時能耗對比
渦輪蝸桿主機電梯 永磁同步主機電梯 能源反饋利用電梯 電能儲存再利用電梯
電機功率11.5KW 電機功率9.5KW 電機功率9.5KW 電機功率9.5KW
一小時耗電12度 一小時耗電9.8度 一小時耗電7.38度 一小時耗電6.18度
電網波動率1.12 電網波動率1.05 電網波動率1.35 電網波動率0
控制沖擊率1.1 控制沖擊率1.02 控制沖擊率1.23 控制沖擊率0.65
控制柜壽命10 控制柜壽命12 控制柜壽命8 控制柜壽命18
放射影響1.0 放射影響1.05 放射影響1.25 放射影響0.65
用鋼用電大 比較節能 有節能效果不安全 節能、安全,壽命長
社會成本大 社會成本小 社會成本較大 社會成本小
電梯成本系數105 電梯成本系數100 電梯成本系數110 電梯成本系數115
綜合評分75分 85分 75分 98分
5.2目前現狀的情況與困惑
在變頻電梯上使用能量采集安裝比較簡單,只需幾根線即可完成安裝,既然有如  此簡單方便的電梯節能產品,比起一般的舊梯改造操作簡單得多,在推廣上應該是順水推舟的事情,然而在目前仍是舉步維艱。電梯擁有量在2012年年底已經達到了245萬臺,而用戶總會考慮電梯采購成本。
到底會是什么問題阻礙了新電梯與在用電梯在節能方面的推廣呢?筆者在推廣此類節能產品過程中分析出的幾個原因: 
(1)到目前為止,我國有關部門并沒有對電梯節能實行強制標準和強制驗收,忽視了電梯節能的實際意義,并缺少對節能電梯的宣傳;對于加裝能量采集基本上是由電梯企業或使用單位出于自身情況而銷售和使用的,但使用普及率非常低,尤其是在用的電梯客戶上; 
(2)在新梯銷售上,由于安裝同類型的節能電梯比普通電梯的成本高,開發商過分追求經濟利益,更多地考慮建設成本而不考慮使用成本,作為新梯的銷售上,使用電能采集非常之少。
(3)易于忽略。 作為電梯設備來說,電梯的用電量占整棟大廈已是很少的一部分,若再以節約的度數比較,更是微乎其微;如在酒店這類場所的電梯臺數不多,所占的份額低,盡管能節省一定比例的電費,但積極性不高;而且由于節能改造初期投資大,成本回收所需時間較長,產出的周期過長,用戶不愿意在前期投入資源搞節能。在居民小區里,有的物業主管認為,反正電費是住戶承擔的,改造了自己沒什么實惠,不如維持現狀。
(4)以電能采集的投入與產出來計算,以一臺設備投入兩萬元,每天節省20度電,一年節省的電費為730度即相當于7300元,需要三年才能收回成本,回收的時間長。
(5)客戶使用的迫切性不高,由于加裝電能采集不同于電梯維修,可有可無,不同于電梯出故障必須要馬上修復,故推進緩慢。
(6)節電的效果難以衡量,由于能量再利用的電能直接電梯使用,難以以直觀的效果呈現,宣傳上有一定的難度,一般的市民沒有此方面的知識難以理解節能效果。
(7)從電梯檢驗的角度來說,增加電能采集雖然只是在變頻器旁邊一個電池箱,但由于是改變了系統的控制方式,按電梯的檢驗規則來說是改造的項目,必須經過政府部門的檢驗,這樣又帶來了檢測費用,必然導致加裝成本的增加投入,嚴重阻礙了節能項目的推進。
六、幾點解決的措施
雖然電梯電能采集能在經濟上、環保上帶來很大的效果,但在推廣的過程中仍未能引起各方面的重視,總結如下: 
(1)從符合電梯的標準方面推介
`針對國家標準GB7588對于機房的溫度要求,在夏天的時候室外溫度已達35度,如加上制動電阻的發熱,電機的發熱,整個機房的溫度將大大超過40度,個別地方(如控制屏內部)甚至達到70-80度,大大縮短了設備的壽命。為符合該電梯機房的標準機房內要安裝空調或中央空調散熱以達到機房溫度5-40度,可以與客戶算一筆經濟帳,一般用戶在機房內安裝空調,空調的功率以為3.8KW來算,一年按需要運行的天數為200天,每天按運行12小時計算,一年即用電9120度。如果采用能量電能采集后,僅散熱空調的運行的電費即可收回成本,還沒有計算空調的硬件投入和日后的維護成本。再加上能量再利用可節省30%的電能,更使得收回成本的時間縮短。即通過客戶需改善機房溫度時,通過經濟的角度去推介電能采集,是一個非常有效的時機。
(2)從設備使用的壽命方面推介
由于變頻器在制動的時候,制動模塊工作有大電流經過會產生熱量, 由于通過制動電阻進行能量轉換,把多余的能量轉換為熱能,使得制動電阻發熱,從而導致整個控制屏和機房溫度不斷地升高。眾所周知,溫度的升高會大幅縮短設備的使用壽命,會使元器件的壽命大幅下降,器件老化故障不斷等。
變頻器一般工作環境要求:低環境溫度-5℃,高環境溫度40℃。有研究表明,變頻器的故障率隨溫度升高而成指數的上升,使用壽命隨溫度升高而成指數的下降,環境溫度升高10度,變頻器使用壽命將減半。故夏季一般是變頻器故障的多發季節,要確保變頻器能長期穩定和可靠地運行,關鍵在于減低變頻器自身的發熱。
然而制動電阻的發熱產生熱源更加速了機房空氣中塵埃的流動,致命的這些塵埃吸附著靜電,電子元器件對靜電是非常敏感的,如被靜電放電破壞后,將造成電子元器件軟擊穿,軟擊穿會導致線路板無法正常工作。
故在與用戶推介時,注重明確機房溫度的問題,一旦加裝電能采集后,整個控制屏的溫度趨于常溫,大大降低了變頻器的工作溫度,也就使得設備的壽命大大延長,也就降低了設備的維護成本,效益也出來了。
(3)從政府部門制定能耗標準,確立準入門檻。
政府相關部門參照家用電器的能效指標制定電梯的能效等級,定義節能電梯以及舊電梯改造后必須達到的能效等級的規定及管理辦法,將電梯的能效檢查列入電梯的日常年檢中。故電梯能效標準的研究制訂顯得迫在眉捷,有了標準才能有依據,才能對電梯是否節能提供綜合測評,從制度上有力推廣能電梯新技術。如國內部分城市實施的汽車排放超標強制報廢一樣,并強令能效等級低的電梯必須進行淘汰,讓用戶感受節能的壓力,迫使早日使用節能產品。
(4)政府資金的支持
政府應出臺扶持政策,由當地政府設立電梯專項補貼資金,給予更新節能電梯一定的費用補貼等支持措施。對節能電梯的生產商以政策扶持,比如給予一定的稅收或檢驗費用的優惠,在檢測費用給予優惠,或對電梯節能的企業進行獎勵政策,加快電能采集的推廣。
 
結束語:
截至去年2012年底,我國在用電梯約245萬臺,全國電梯年耗電量約為1300億千瓦時。近年來,我國每年新增電梯均在15%以上,若在新電梯產品上廣泛應用永磁同步電機、制動電能回饋電網等節能技術,單機可節電30%,全國每年可減少50億千瓦時以上的用電增長幅度。
附注:全國宏觀電梯節能數據與環保數據
按火力發電,全國火電機組平均供電煤耗349克/千瓦時,一噸標準煤可以發三千千瓦時(3000度)的電。 工業鍋爐每燃燒一噸標準煤,就產生二氧化碳2620公斤,二氧化硫8.5 公斤,氮氧化物7.4公斤。
一臺電梯安裝該節能裝置后,一年節約1.533萬度電,就等于少燃燒煤5.11噸;減少二氧化碳排放13.39噸。
全國現有 245萬臺電梯全部使用節能電梯技術,每年節約用電375.59億度,減少燃煤1251.95億噸,減少二氧化碳排放3280億噸,減少PM2.5顆粒19.9噸公斤。
上述數據是保守計算,而高層電梯節能效果更高。而到十年后,全國電梯使用量將超過達到750萬臺,一年節約用電1150億度,節約的燃煤將超過3480億噸,而一年減少二氧化碳排放9100億噸。
從宏觀上,國家黃河小浪底工程每年發電量平均為51億度;大亞灣核電站每年發電量平均為300億度;劉家峽水電站每年發電量平均為51億度;十年后電梯節能可以減少發電廠投入二十個黃河小浪底工程。
從上述單臺電梯成本及宏觀數據看,該技術是值得推廣應用的,而且為國為民都是好事,符合國家發展戰略,符合國民經濟發展要求,也是造福于社會的舉措。

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