随着我国制造业的高速发展，我国不但是全球最大的电梯市场，更发展成为世界的电梯制造中心。从近十年的数据看，中国电梯市场占据了全球市场的60%～65%，“中国制造”的电梯也占全球产量的70%，成为世界电梯第一大国。截至2019年底，全国电梯保有量达到709.75万台。随着近20年来投入使用的电梯数量迅速增加，全社会越来越关注电梯能耗对绿色发展的影响[1]，各行各业都在倡导发展绿色产品、绿色技术、绿色产业和绿色企业，促进经济社会发展全面绿色转型。根据《中华人民共和国节约能源法》相关规定，电梯作为高耗能特种设备，必须接受节能审查和监管[2],2012年6月国家质量监督检验检疫总局发布了《关于进一步加强高耗能特种设备节能工作的通知》。2022年4月1日起，国家标准GB55015—2021《建筑节能与可再生能源利用通用规范》开始实施。电梯是数量庞大且持续快速增长的高耗能特种设备，通常情况下，电梯耗电可占到建筑物整体耗电的5%～15%，如何深入开发电梯的节能技术，对社会的节能事业愈发显得重要。电梯是由曳引机、控制屏、限速器、安全钳、导轨、对重、补偿链、轿厢、厅门、层站呼梯、缓冲器及上下终端开关等部件组成的安装于大楼井道内的垂直运输设备，电梯的传动方式、调速方式、管理方式的技术水平决定了电梯的能耗水平[3]。近年来，新的电梯节能技术得以应用，大致可分为曳引机节能技术、驱动控制节能技术、控制系统节能技术。

1、曳引机节能技术

曳引机是电梯的核心部件，决定电梯能效水平的重要因素之一就是曳引机的能效水平。从曳引机的技术发展史看，主要是蜗轮蜗杆传动、行星齿轮斜齿轮传动和无齿轮传动3大类。蜗轮蜗杆传动式曳引机历史悠久，但采用蜗轮蜗杆减速传动机构只有70%左右的传动效率，还有体积大、减速箱齿轮油污染环境等问题。行星齿轮斜齿轮曳引机虽然传动效率相比蜗轮蜗杆传动曳引机高，但其体积大、部件加工精密度极高、制造成本高，不利于大范围推广。永磁同步无齿轮曳引机是电动机直接驱动，具有力矩大、转速低的特性，没有蜗轮蜗杆传动机构的传动齿轮损耗，其传动效率可以提高20%左右，没有传动齿轮发热，可以降低风扇等降温散热措施的能耗。永磁同步电机的转子磁场是由永磁材料铁芯产生，不需要消耗励磁电流来产生磁场；电机启动后，转子没有电流通过，转子不再产生能量损耗，相比异步电机大大降低了损耗；没有集电环和电刷的摩擦损耗，定子电流和损耗也减小，提高了电动机功率密度，电动机发热小，也减少了降温散热措施带来的能量损耗。永磁同步电机使用矢量变换控制技术，实现模拟直流电机的控制方式，起、制动电流明显低于感应电动机，无需从电网消耗无功电流，进一步提高功率因数接近1。我国是稀土材料储备大国，近年来永磁同步电动机的研发、制造技术不断发展，生产成本不断下降，具备了广泛使用的经济基础，以上永磁同步曳引机的技术特点为实现低能耗和高效率创造了条件。

2、驱动控制节能技术

2.1变频变压调速电梯的节能特性

交流调速是当今主流的电梯调速技术，在调速技术发展历程中，初期是改变电动机极对数的变极调速，后续又发展调控电动机定子电压的调压调速技术，但这2种调速技术都存在能耗较高，可控性差的问题。近30年，同时调控电动机定子电压和频率的变压变频调速技术逐步发展，大大提高了电动机的节能性和可控性[3]。以下分别按电梯运行启动阶段、稳速运行阶段、制动运行阶段来分析变压变频调速电梯的节能性。

2.1.1启动运行阶段

调压调速电梯在启动时电流频率为50 Hz，为产生电梯启动所需要的转矩，启动时的电流远远大于电动机的额定电流，功率损耗大，电动机热损耗也大，且大部分是无功功率。变压变频调速电梯启动时的频率低于50 Hz，在恒转矩运行下，输出功率和输出转速成正比，启动时电梯速度逐渐增大的过程中电动机输出功率逐渐增加，与调压调速电梯相比，启动电流大大减少，降低了能耗[4]。

2.1.2稳速运行阶段

在重载和半载上行的条件下，电动机处于驱动状态，电流频率稳定，调压调速电梯消耗的能量和变频变压调速电梯相差不大。在轻载上行和重载下行时，轿厢与对重平衡后的运动趋势与轿厢运行方向相同，电动机处于发电状态，调压调速电梯通过消耗电网能源产生与运行方向相反的制动转矩来控制电梯按照稳定速度运行[5]。而变压变频调速电梯使用再生发电制动技术，将电动机发电状态的电能消耗在制动电阻上，或者用能量反馈技术，不但不需要从电网中额外消耗能量，还能反馈电能到电网，节能效果非常显著。

2.1.3制动阶段

调压调速电梯在制动阶段需要消耗电能产生制动力矩，电机因制动电流发热耗能，还需风扇等耗能设备给电动机降温。而变压变频调速电梯在制动阶段电动机处于发电状态时，可将发出的电能消耗在制动电阻上，或者反馈到电网，避免了制动电流的功率损耗和热能损耗，也不需要从电网额外消耗电能，相比调压调速电梯的节能优势明显。

综上所述，变压变频调速电梯具有明显的节能特性，经实际运行测算比较，与调压调速电梯相比，节能达30%以上。

2.2能量回馈技术的节能特性

电梯在轻载上行和重载下行时，变压变频调速电梯处于再生发电状态，电梯系统的动能转化成电能消耗在电机外部散热电阻上[6]。据不完全统计，目前有98%以上的电梯将这部分能量白白浪费在再生电阻发热上。以2019年底全国在用电梯700万台统计，假设每台电梯平均功率为12 k W，再生电阻平均功率为4 k W计算，每天使用8 h，每天再生电阻耗电2.2亿k W·h，全年耗电约818亿k W·h。按照三峡大坝满额日发电量4.3亿k W·h计算，相当于三峡大坝6个月的发电量，这是何等的浪费！电梯的能量反馈技术，就是将电梯这部分再生能量回馈到电网，实现节约电能的目的。不再需要再生电阻散热，大大降低了机房温度，在南方地区还可节约为保障电梯正常运行防止机房温度过高使用空调的电能损耗。

当电梯处于再生发电状态时，机械能转化为电能，根据有源逆变技术的原理，这些电能就可以通过并接在变频器直流母线两端的能量回馈装置高效地逆变为交流电返送回电网。目前主要有下列3种能量反馈技术方案：PWM回馈器、双PWM可逆整流器和矩阵变换器。

2.2.1基于PWM回馈器的能量回馈方式

回馈器可设计成独立的能量回馈装置。但由于该技术存在曳引机电动状态时输入电流侧谐波大、功率因数等缺点，较少用于新装电梯，而主要作为独立的能量回馈装置用于在用电梯的节能改造。

2.2.2基于PWM可逆整流技术的能量回馈方式

目前电梯行业使用的主流能量回馈技术是双PWM可逆整流技术的能量回馈。这种能量回馈技术是使用双PWM逆变整流器和多重滤波器，实现电动机与电网间的电能双向传输，回馈到电网的电能清洁无谐波污染。当曳引电机处于电动工况时，电网电源输入通过PWM整流器进行整流后控制交流电网的电流和电压保持相同相位，而在电机侧使用PWM逆变器进行逆变后通过IGBT控制输出电压和频率的正比关系，以此确保输入电机的电流为正弦波，保持电机转矩恒定，降低高次谐波电流损耗；当曳引电机处于发电工况时，电机侧使用PWM逆变器将电机产生的电能导向中间滤波器，再通过电网侧的PWM整流器中的IGBT将电能回馈交流电网，以此完成能量的双向流动，节约大量的电能。

2.2.3基于矩阵变换器的一体化能量回馈方式

矩阵变换器不需要中间直流储能环节，通过矩阵结构的功率模块实现交流-交流的新型电源变换器，只有一次换能，大幅降低能耗，回馈到电网的电能直接、高效，节能性进一步提升，虽然实用化和商品化仅仅不到十年时间，但从电梯行业发展方向看，矩阵变换器将成为下一代电梯驱动控制回路的基础。

根据2台运行速度1.75 m/s、载重1 050 kg、27层住宅楼电梯实测每天每台耗电约37.7 k W·h，采用能量回馈技术后，实际平均可节能30%以上。2021年我国电梯销售量已超过120万台，如果其中100万台使用能量回馈技术节能，每年预计节约电能41亿k W·h，减少二氧化碳排放约410万t，减少二氧化硫排放约3万t，减少氮氧化物排放约1万t，减少尘埃排放约1.3万t，还可节约煤约139万t[7]，这将为实现碳达峰和碳中和作出巨大的贡献。

2.3超级电容技术的节能特性

超级电容是近年来发展起来的新型储能材料，随着超级电容材料制造技术和控制技术的不断完善，其体积不断缩小、储能密度和储能量增加，冲放电时间缩短，电压承受能力增加，已实际应用于电梯驱动控制系统的节能技术。电梯在轻载上行和重载下行时，变压变频调速电梯处于再生发电状态，通过双向直流变换器（DC-DC）将曳引机的再生电能储存在超级电容内，当电梯在重载上行和轻载下行时，超级电容中储存的电能通过双向直流变换器（DC-DC）给曳引机供电[8]，减少了从电网汲取的能量，实现节约电能的目的。此外，电梯突然停电的紧急情况下，超级电容中储存的电能可提供应急电源，驱动电梯在最近楼层停靠开门，防止电梯突然停电时乘客被困的情况发生。

3、控制系统中的节能技术

电梯控制系统中采用的运行效率提升技术、部件节能技术和智能化，也为电梯节能事业起到重要作用。

3.1运行效率提升技术

电梯群控系统通过模拟人类脑神经细胞的信息处理而形成自适应神经元网络系统，在专家系统基础上利用神经网络的深度自主学习技能，根据大楼内每台电梯不同时间段的实际乘客流量变化，计算分析后实时调整制定综合效率最佳的运行方式来对电梯进行群控管理，实现综合效率最佳的派梯方案，不仅可以将乘客平均候梯时间缩短，还能减少电梯启动、加速、减速及停靠次数，缩短乘客的平均乘梯时间，节约电梯运行时间，实现降低电梯能耗的目的。

电梯轿厢负载在平衡重量区间时，曳引机没有工作在满负荷功率下，多出来的这部分曳引机功率就可用在提升电梯速度上，在电梯行程的中间段可提高电梯匀速运行的速度。应用可变速电梯技术，在乘客人数变化时充分利用电梯功率来提高电梯运行速度，提升运行效率。以1台额定速度为1.75 m/s、轿厢载客14人的电梯为例，当电梯乘客为2～4人或者10～11人时，电梯匀速运行时的速度可提高到2.0 m/s；当电梯乘客为5～9人时，轿厢负荷接近平衡负载，电梯匀速运行时的速度可提高到2.5 m/s，大大提高电梯的运输效率。

控制系统效率模式，使用优化算法和相关措施最大程度减少每一次“停靠时间”，提升运行效率。

3.2智能化技术

3.2.1目的层去向预报系统

在层站设立目的层按钮，电梯控制系统根据乘客去向的楼层信息，将到达楼层相同的乘客指示去乘坐同一台电梯，可有效减少电梯停层次数，提高电梯运行效率。

3.2.2照明和风扇自动控制系统

当电梯检测到一定时间内未运行时，电梯控制系统会自动关闭电梯轿厢内的照明和风扇。按照每台电梯照明和风扇耗电50 W/h，每天关闭8 h，每台电梯全年可节约电能146 k W·h。

3.2.3层站显示的自动低亮显示

没有乘客登记的层站，显示器以低亮方式显示，仅在本层按钮按下时才以正常亮度显示，以节约电能。

3.2.4错误指令取消功能

如果有一位乘客在电梯内同时登记了多个楼层，控制系统会根据检测到的轿厢内乘客重量，自动取消这些楼层；乘客还可以在短时间内反复按压已登记的楼层按钮来主动取消已登记的楼层，从而避免电梯无效运行、浪费能源。

3.2.5自动扶梯和自动人行道采用变频控制技术

当检测到2批乘客之间的间隙时间超过一定值时，降低运行速度，直至停止运行，实现节能的目的。

3.3节能器件应用

采用双向直流变换技术（DC-DC）的全开关电源供电系统替代传统变压器供电，避免传统变压器的铜线圈绕组损耗，能耗比传统变压器减少20%。

轿厢照明使用LED灯，LED发光二极管相比日光灯或白炽灯的能耗至少可以减少90%。采用日光灯轿厢照明约需200 W，而采用LED照明后仅需20 W。

功率开关器件IGBT、IPM等的升级迭代降低变频系统的无功损耗。

4、结束语

“十一五”以来，国务院在每个五年规划期均制定节能减排综合工作方案，促进经济社会绿色转型。广泛研究和应用电梯节能技术势在必行，是符合国家节能减排大政方针、利国利民的一件大事，是我国高质量发展的重要一环。永磁同步无齿轮曳引机、变频变压调速、能量回馈技术的应用，以及先进的电梯节能控制技术、智能化技术的应用，使电梯的节能效果日益提升，不仅具有良好的社会效益和经济效益，还能促进生态效益最大化。先进的节能技术和产品设备研发推广将是未来电梯行业发展的必然方向。

参考文献:

[1]朱武标.上海三菱电梯的节能技术[J]建设科技, 2009(2):84-85.

[2]李峻毅浅谈现代电梯节电技术[J].能源与节能, 2012(11):48-49,54.

[3]朱武标,甘靖戈论菱云(LEHY )电梯的节能与环保[J].智能建筑,2005(12):31-33.

[4]邹萍变频调速技术在电梯改造中的应用[J]中国特种设备安全, 2012,28(9):46,70.

[5]高浩电梯节能技术应用探索[J].机电信息, 2012(3):91,93.

[6]徐卫玉,吴国良.浅谈节能型电梯与智能电网的衔接[J]..上海节能, 2010(8):26-29,35.

[7]阮前途.上海坚强智能电网建设[J]..上海节能, 2011(12):21-24.

[8]陶源,宁鑫,黄华基于超级电容的电梯双向储能系统设计与应用研究[J].机电信息, 2019(21):36-39.

文章来源:林捷晖.电梯节能技术探讨[J].科技创新与应用,2023,13(25):159-162.