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行业新闻

中国电梯与第三代节能电梯的中国创造

时间:2013-7-7 18:50:12   作者:姚永其   来源:中国电梯网   阅读:4300   评论:0
内容摘要:一、概述:中国电梯网的统计数字,我国到2012年底全国电梯保有量已达到245万台,成为世界电梯产销第一大国;而2013年预计电梯销售将继续在48万台到50万台的增长,安装电梯也将达到四十万台以上,预计到2013年底,中国电梯运行数量达到300万台。中国电梯企业取得电梯制造许可证的...

    一、概述:
    中国电梯网的统计数字,我国到2012年底全国电梯保有量已达到245万台,成为世界电梯产销第一大国;而2013年预计电梯销售将继续在48万台到50万台的增长,安装电梯也将达到四十万台以上,预计到2013年底,中国电梯运行数量达到300万台。中国电梯企业取得电梯制造许可证的大概有580家左右,全国安装与维保人员大概20万人,电梯相关从业总人数大概80万人左右。2013年预计年电梯销售产值超过1000亿元,安装市场预计超过200亿元,维保市场预计250亿元。
    中国电梯行业从无到有,从第一批14张许可证开始到现在接近600家制造企业,成为全球电梯第一产销大国,发展迅猛,并且市场发展还将持续。
    在中国电梯行业的发展过程中,国外品牌电梯是有不可替代的作用,特别是上世纪八十年代末到九十年代,合资品牌给中国带来了先进VVVF技术,使电梯行业发展插上翅膀,成为电梯发展的最重要技术支持。
    但是进入二十一世纪后,中国电梯行业自身发展飞速发展,而合资品牌除了通力引进的第三代无机房电梯及永磁同步盘式马达外,没有更新的技术引进到中国。而中国电梯行业自身发展却在过去十年中飞速发展,无论是电梯的制造质量还是技术方面都有了很大突破,而超过世界先进水平的技术也在中国不断发展。控制系统的一体机、节能电梯的永磁同步主机、第四代无机房电梯都超越了国外先进水平,并市场占有率已经超过国外技术。
    现在中国电梯已经从中国制造走向中国创造,中国电梯行业已经有四个制造企业上市,而且电梯的技术上,第三代节能电梯技术、高层建筑火灾电梯运行技术等都突破了国外研究几十年而没解决的瓶颈,也使电梯中国制造走向中国电梯创造。
二、电梯节能技术
    对于节能电梯来说,第一代的节能技术就是国外引进的VVVF技术,该技术由于采用了变频变压变速的技术,使电梯运行比此前的电梯节能,所以该是第一代节能电梯技术;而电梯的第二代节能技术是永磁同步技术在电梯主机上的应用,因为该技术可以用比较小的功率来满足电梯运行,从而使电梯比普通VVVF涡轮蜗杆主机更省电。
    电梯使用变频器驱动电机的方式,电梯在运行过程中,有电动运行与发电运行(也叫制动运行)两种状态。当电梯启动达到最高运行速度时产生的机械动能也是最大的,而当电梯到达目的层前要逐步减速,而这个减速的过程就是电梯释放机械动能的一个过程。在系统设计时是通过电动机可以将这一运动过程的机械能转换成电能存储在变频器内部的大电容中(发电运行状态会产生一部分能量,我们称之为再生能源)。实际上,输送回这个大电容中的电能越多,电容电压就会越高,如果不能及时把电容器储存的这些电能释放掉,电梯就可能产生过压故障,会直接导致电梯无法正常工作运行。因此在使用中会通过外置制动电阻将这些能量以热能的方式消耗掉,这个制动的过程使整个控制屏的温度上升。
    在此之前,很多企业都采用能源反馈的方式,虽然方式理论上有一定可行性,但是实际上无法推广,其原因有两,一是能源反馈电梯发电电能波段不稳定,会对电网造成冲击,如果小区使用,会对小区内住户的家电造成损害;二是国家电网不允许使用该方式,所以最终无法实现能源反馈。无法做到的最重要原因是电梯运行发电都是瞬间,从而会影响电网的正弦波有强大差异,所以会造成对电网的冲击。目前国内外都无法进行推广的原因就在此。但是节能原理是肯定的,也是第三代节能电梯的过渡阶段。
    第三代节能电梯技术就是要真正做到电梯发电电能的储存和再利用,必须包含电梯电能的储存、储存电池、储存电能的使用、控制程序的修改。这样不但使电梯电能可以再利用,真正做到节能,更可以通过电能储存技术增加电梯在停电后继续使用的不间断电源功能。这样不但实现了节电的目的,还可以避免大功率电阻的工作,会极大地改善电梯系统的运行,并且避免了因使用能耗电阻而造成的系统效率低、电梯控制柜的发热,环境温度过高等缺点。同时电能再生利用,每年节约的电能相当可观。
    本文所将阐述的是如何真正做到将电能再利用,且能完全做到电梯能量的充分利用。也就是真正的第三代节能电梯技术,该技术比美国奥的斯用在天津新建项目上的技术先进,也比国外其他品牌技术更先进,且更能附加电梯不间断电源功能与电梯电源稳压功能。
    一部普通的25层住宅电梯每天约用电120-250度。按照每台电梯每天用电量150度/天计算。全国电梯按照保守数字245万台计算,每天消耗电能约为36750万度,每年的消耗的电能为1340亿度,全国每年电梯消耗的电能相当于三峡工程的发电量,可见电梯消耗电能的巨大。而实际上耗电还要比理论更高,因为其中十五年前的电梯都是涡轮蜗杆主机,甚至有的电梯控制系统还不是VVVF。
    下面分别对电梯电能采集与再利用以及该技术发展前景做一个探讨。
三、电梯节能原理阐述
    我们可以把电梯简单理解成一个两端分别悬挂轿厢和配重的定滑轮组,起滑轮作用的曳引机实际上就是一部电动机。当电动机正向或者反向旋转时,轿厢会相应的上行或者下行,实现了电梯运送乘客或者货物的目的。位于电梯控制系统中的变频器是驱动电动机运行的装置。一般来讲,电梯平衡系数为50%左右,即轿厢内放置50%左右载重时,轿厢与电梯配重的重量相当。
3.1电梯驱动控制系统的节能
    电梯驱动控制系统经历了从交流单速双速的交流异步电机变极调速到交流调压调速ACVV(Alternation Current Variable Voltage),再到目前的变压变频调速VVVF(Variable Voltage Variable Frequency)。一般电梯中的最佳搭配是用变压变频调速控制永磁同步曳引机驱动。电梯的变压变频调速是通过改变电机输入端的电压和频率来实现的,利用变频器控制输入电压和频率的比值保持固定不变(U/F=const),来实现速度的平滑调节。VVVF调速克服了前两种调速系统效率低,速度调节不平滑等缺点,且比ACVV调速节能达30%。具有高效、节能、乘坐舒适等特点,是当前电梯最理想、最受欢迎的调速装置。实现VVVF电梯是第一代说得上的节能电梯,而永磁同步电机替代了涡轮蜗杆电机,使电梯电机功率大幅度下降,使电梯进入了第二代节能效果,今天我们这里阐述的是第三代节能电梯,适用范围广,可以使电梯运行发电的电能再利用。
我们可以将电梯的运行分为以下几种情况:
    (1)轿箱或配重较轻的一边上升,比如空车上行和满载下行,这是系统释放势能的过程,此时曳引机工作在发电状态。
    (2)轿箱或配重较轻的一边下降,比如空车下行与满载上行,此时系统势能在不断增加,曳引机工作在电动状态。
    (3)当电梯到达所在楼层减速制动时,系统释放动能,此时曳引机也工作在发电状态。
    (4)电梯在半载或在接近半载状态下运行,此时曳引机工作在平衡或接近平衡情况,这是电梯运行的最大概率情况。
    当电梯运行在(1)、(3)情况时,曳引机工作在发电状态,所产生的能量通过电动机和变频器转化为变频器直流母线上的直流电能。这些能量被临时存储在变频器直流回路的大电容中,随着电梯工作时间的持续,电容中的电能和电压会逐渐升高,导致过压故障,使电梯停止工作。目前,电梯为了避免过压故障,通常在直流母线上加制动电阻,将这部分能量以发热的方式消耗在制动电阻上。这种方法不仅将能量白白浪费掉,而且对周围环境的影响很大。有些情况下,给机房散热的空调和风机等设备的耗电量甚至超过了电梯本身。
3.2能量再利用系统的节能
    电梯要节电,核心是把电梯曳引机工作在发电状态时产生的电能利用起来。目前,对于这部分能量的处理是利用“能耗制动方式”即通过内置或外加制动电阻的方法将电能消耗在大功率电阻中。这样不仅将能量白白浪费掉,同时电阻产生的大量热量还会污染电梯控制柜周边的环境。
    能量再利用系统的作用就是将原来消耗在制动电阻上的能量,通过逆变转化为交流电,并储存在电池里以供电梯设备使用。据统计,消耗在制动电阻上的能量占电梯总用电量的25%-35%,一般能量逆变的效率约为85%,而本技术采用的方式将逆变损耗也避免,使电梯节能效果更大,几乎可以是电梯发电电能的节能效果充分利用。
    因此,电梯能量再利用系统的节能效果在25%-35%之间,且楼层越高、电梯速度越快,节能效果愈明显。能量再利用系统和电梯的完美结合打破了传统电梯从节能到“造”能的飞跃。这是电梯能耗的历史性突破,是电梯节能史上的一个分水岭。是世界上最先进的节能技术,该技术已经超越了欧美日等国外的电梯节能技术。成为电梯中国创造!
3.3电梯能量利用技术的研究现状与技术研究的意义
    随着现代化工业的高速发展,能源紧缺已成为日益突出的世界性问题。我国近年来电能供需矛盾也日益突出,节能已成为中国经济生活势在必行的选择。作为现代建筑最大“用电老虎”之一的电梯,已成为节能研发的首选。据中国电梯协会提供的信息显示,截止到2012年年底,我国电梯的保有量已达到245万台,居世界之首。而且,随着我国经济生活进入高速发展时期,电梯的使用量还在以年均15%-20%的速度递增,预计到2013年底全国电梯保有量达到300万台。电梯作为常用的唯一的垂直交通工具,已经成为人们日常生活不可缺少的一部分。
    电梯的运行离不开电能。假如按每台电梯的平均功率是15KW,即电机连续工作1小时消耗15度电,那么消耗在制动电阻上的平均功率约为4.5KW(按电机功率的30%)。以2012年底全国在用电梯245万台计算,相当于我国每小时1100万度的电在转化为热能,浪费惊人,且温室效应增加。因此,电梯的节能降耗已引起相关行业的高度重视,社会对于电梯能耗的关注程度也在与日俱增,《公共机构节能条例》和《民用建筑节能条例》的实施,更为电梯节能提供了明确的政策和法律依据。电梯能量再利用技术的研究就是要解决电梯运行过程中的能量浪费问题,降低电梯的能耗,这对于国民经济具有重要的社会意义和经济效益。
    第三代节能技术针对能源紧缺,电梯节能的迫切需要,基于技术创新,节能环保的设计思想,在现有技术的基础上,设计了以电梯能量储存与再利用系统。该系统可以将电梯变频器直流则的电能储存到电池,减少了直流逆变成交流的15%电能损耗。从而在充分利用电梯发电电能的同时也减少了电能损耗。储能再利用技术从而是并且针对电梯运行的实际情况,有效控制在电能再利用过程中的电压和电流,电梯控制系统寿命更长,使电梯运行更安全,并且有效地避免了电梯热能污染,也避免了能源反馈技术逆变输出交流电对电网的谐波污染和无功污染。
四、储能电池配置
    对电池的配置要符合最基本的两个要求,一是符合电梯电机功率需要的安全的电流与电压,二是要配置一定量的电池,这里阐述的是指电池满足电梯直接使用半小时以上的需要。原则上配置半小时、一小时、两小时三种容量的电池,并且能让该电池作为电梯的不间断电源,在电网断电后继续使用。
    该种方式最重要的作用是电梯电能储存后可以完全利用,减少了电池直流逆变为交流的15%损耗。同时还可以起到电梯不间断电源的作用,在电网停电后,电梯可以使用电池中的电能进行运行,确保乘客安全以及消防救援需要。
    上面我们介绍了电梯工作的基本原理,根据电梯运行过程中的几种情况分析曳引机的工作状态,给出传统降低直流母线电压的方法。分析电梯能量再利用系统的工作原理,给出能量再利用过程中系统应满足的控制条件,最后根据控制要求给出电梯能量再利用系统的控制方案。
    该技术比能源反馈技术更能节省15%直流到交流的逆变损耗,同时也可以使电梯电机取电更安全,减少电网电压电流对电梯电气造成的不稳定的冲击。
中国电梯与第三代节能电梯的中国创造 
五、第三代电梯节能技术节能效果
以普通住宅电梯为例:一部25层变频电梯,如果处于发电状态运行,在空载运行的时候,每次发出来的电能约为0.3度左右。据有关数据统计,每年每台电梯平均运行次数大概在20—30万次,这样就有约10万次左右处于发电状态。如果楼层不高,按每次发电0.2度来计算,每年每台电梯能节电2万度左右。
节能效果与电梯功率、电梯整个系统、电梯的平衡系统等方面有关,以下几类情况节能效果更好:
①楼层越高的电梯,制动频繁,节能越多;
②越新安装使用的电梯,机械惯性大,节能越多;
③使用时间越久的电梯,摩擦力大,节能越多;
④速度越快的电梯,制动频繁,节能越多;
⑤使用越频繁的电梯,制动频繁,节能越多。
    一个拥有1万部电梯的城市,如果能在每部电梯上安装电能再利用系统,这个城市每年的节电量为2亿度。
    一部普通的电梯,每天约用电量为80-150度;按照每台电梯平均每天用电量约为120度/天计算,至2012年底,全国在用电梯数约为245万台,每天耗电约为30000万度,每年消耗电量约为1073亿度。如果将能量再利用在每部电梯中推广应用,将电梯处于发电状态的电能回馈再生利用,按照平均回馈节能率30%计算,每年可为全国节约电量约322亿度。 国家黄河小浪底工程每年发电量平均为51亿度;大亚湾核电站每年发电量平均为137亿度;刘家峡水电站每年发电量平均为51亿度; 如果将能量再利用应用于全国所有的电梯,全国电梯每年节约的电量约相当于6个小浪底工程的发电量;相当于2.35个大亚湾核电站的发电量;相当于6个刘家峡水电站的发电量。而到2013年底全国电梯使用将达到300万台,每年电梯耗电将达到1300亿度,而全面推广能量再利用技术,节能就将达到400亿度。
故使用能收集电梯再生能源,同时也降低了电梯运行中的发热量,即减少了需保持工作温度而带来的能源投入,也将大大降低电梯控制系统的故障率,延长使用寿命。
21世纪能源将日益紧张,我国又是能源消耗大国,节能势在必行。因此,使用电能采集技术收集电梯再生能源是利国利民的一件好事,是造福子孙后代的大事。
5.1电梯能源利用节能效果及使用对比
1000KG载重,1.75M/S速度,25层25站,电梯自动运行一小时能耗对比
涡轮蜗杆主机电梯 永磁同步主机电梯 能源反馈利用电梯 电能储存再利用电梯
电机功率11.5KW 电机功率9.5KW 电机功率9.5KW 电机功率9.5KW
一小时耗电12度 一小时耗电9.8度 一小时耗电7.38度 一小时耗电6.18度
电网波动率1.12 电网波动率1.05 电网波动率1.35 电网波动率0
控制冲击率1.1 控制冲击率1.02 控制冲击率1.23 控制冲击率0.65
控制柜寿命10 控制柜寿命12 控制柜寿命8 控制柜寿命18
放射影响1.0 放射影响1.05 放射影响1.25 放射影响0.65
用钢用电大 比较节能 有节能效果不安全 最节能、安全,寿命长
社会成本大 社会成本小 社会成本较大 社会成本最小
电梯成本系数105 电梯成本系数100 电梯成本系数110 电梯成本系数115
综合评分75分 85分 75分 98分

5.2目前现状的情况与困惑
  在变频电梯上使用能量采集安装比较简单,只需几根线即可完成安装,既然有如  此简单方便的电梯节能产品,比起一般的旧梯改造操作简单得多,在推广上应该是顺水推舟的事情,然而在目前仍是举步维艰。电梯拥有量在2012年年底已经达到了245万台,而用户总会考虑电梯采购成本。
  到底会是什么问题阻碍了新电梯与在用电梯在节能方面的推广呢?笔者在推广此类节能产品过程中分析出的几个原因:
  (1)到目前为止,我国有关部门并没有对电梯节能实行强制标准和强制验收,忽视了电梯节能的实际意义,并缺少对节能电梯的宣传;对于加装能量采集基本上是由电梯企业或使用单位出于自身情况而销售和使用的,但使用普及率非常低,尤其是在用的电梯客户上;
  (2)在新梯销售上,由于安装同类型的节能电梯比普通电梯的成本高,开发商过分追求经济利益,更多地考虑建设成本而不考虑使用成本,作为新梯的销售上,使用电能采集非常之少。
  (3)易于忽略。 作为电梯设备来说,电梯的用电量占整栋大厦已是很少的一部分,若再以节约的度数比较,更是微乎其微;如在酒店这类场所的电梯台数不多,所占的份额低,尽管能节省一定比例的电费,但积极性不高;而且由于节能改造初期投资大,成本回收所需时间较长,产出的周期过长,用户不愿意在前期投入资源搞节能。在居民小区里,有的物业主管认为,反正电费是住户承担的,改造了自己没什么实惠,不如维持现状。
  (4)以电能采集的投入与产出来计算,以一台设备投入两万元,每天节省20度电,一年节省的电费为730度即相当于7300元,需要三年才能收回成本,回收的时间长。
  (5)客户使用的迫切性不高,由于加装电能采集不同于电梯维修,可有可无,不同于电梯出故障必须要马上修复,故推进缓慢。
  (6)节电的效果难以衡量,由于能量再利用的电能直接电梯使用,难以以直观的效果呈现,宣传上有一定的难度,一般的市民没有此方面的知识难以理解节能效果。
  (7)从电梯检验的角度来说,增加电能采集虽然只是在变频器旁边一个电池箱,但由于是改变了系统的控制方式,按电梯的检验规则来说是改造的项目,必须经过政府部门的检验,这样又带来了检测费用,必然导致加装成本的增加投入,严重阻碍了节能项目的推进。
  六、几点解决的措施
  虽然电梯电能采集能在经济上、环保上带来很大的效果,但在推广的过程中仍未能引起各方面的重视,总结如下:
  (1)从符合电梯的标准方面推介
  `针对国家标准GB7588对于机房的温度要求,在夏天的时候室外温度已达35度,如加上制动电阻的发热,电机的发热,整个机房的温度将大大超过40度,个别地方(如控制屏内部)甚至达到70-80度,大大缩短了设备的寿命。为符合该电梯机房的标准机房内要安装空调或中央空调散热以达到机房温度5-40度,可以与客户算一笔经济帐,一般用户在机房内安装空调,空调的功率以为3.8KW来算,一年按需要运行的天数为200天,每天按运行12小时计算,一年即用电9120度。如果采用能量电能采集后,仅散热空调的运行的电费即可收回成本,还没有计算空调的硬件投入和日后的维护成本。再加上能量再利用可节省30%的电能,更使得收回成本的时间缩短。即通过客户需改善机房温度时,通过经济的角度去推介电能采集,是一个非常有效的时机。
  (2)从设备使用的寿命方面推介
  由于变频器在制动的时候,制动模块工作有大电流经过会产生热量, 由于通过制动电阻进行能量转换,把多余的能量转换为热能,使得制动电阻发热,从而导致整个控制屏和机房温度不断地升高。众所周知,温度的升高会大幅缩短设备的使用寿命,会使元器件的寿命大幅下降,器件老化故障不断等。
  变频器一般工作环境要求:最低环境温度-5℃,最高环境温度40℃。有研究表明,变频器的故障率随温度升高而成指数的上升,使用寿命随温度升高而成指数的下降,环境温度升高10度,变频器使用寿命将减半。故夏季一般是变频器故障的多发季节,要确保变频器能长期稳定和可靠地运行,关键在于减低变频器自身的发热。
  然而制动电阻的发热产生热源更加速了机房空气中尘埃的流动,最致命的这些尘埃吸附着静电,电子元器件对静电是非常敏感的,如被静电放电破坏后,将造成电子元器件软击穿,软击穿会导致线路板无法正常工作。
  故在与用户推介时,注重明确机房温度的问题,一旦加装电能采集后,整个控制屏的温度趋于常温,大大降低了变频器的工作温度,也就使得设备的寿命大大延长,也就降低了设备的维护成本,效益也出来了。
  (3)从政府部门制定能耗标准,确立准入门槛。
  政府相关部门参照家用电器的能效指标制定电梯的能效等级,定义节能电梯以及旧电梯改造后必须达到的能效等级的规定及管理办法,将电梯的能效检查列入电梯的日常年检中。故电梯能效标准的研究制订显得迫在眉捷,有了标准才能有依据,才能对电梯是否节能提供综合测评,从制度上有力推广能电梯新技术。如国内部分城市实施的汽车排放超标强制报废一样,并强令能效等级低的电梯必须进行淘汰,让用户感受节能的压力,迫使早日使用节能产品。
  (4)政府资金的支持
  政府应出台扶持政策,由当地政府设立电梯专项补贴资金,给予更新节能电梯一定的费用补贴等支持措施。对节能电梯的生产商以政策扶持,比如给予一定的税收或检验费用的优惠,在检测费用给予优惠,或对电梯节能的企业进行奖励政策,加快电能采集的推广。


  结束语:
截至去年2012年底,我国在用电梯约245万台,全国电梯年耗电量约为1300亿千瓦时。近年来,我国每年新增电梯均在15%以上,若在新电梯产品上广泛应用永磁同步电机、制动电能回馈电网等节能技术,单机可节电30%,全国每年可减少50亿千瓦时以上的用电增长幅度。
附注:全国宏观电梯节能数据与环保数据
按火力发电,全国火电机组平均供电煤耗349克/千瓦时,一吨标准煤可以发三千千瓦时(3000度)的电。 工业锅炉每燃烧一吨标准煤,就产生二氧化碳2620公斤,二氧化硫8.5 公斤,氮氧化物7.4公斤。
一台电梯安装该节能装置后,一年节约1.533万度电,就等于少燃烧煤5.11吨;减少二氧化碳排放13.39吨。
全国现有 245万台电梯全部使用节能电梯技术,每年节约用电375.59亿度,减少燃煤1251.95亿吨,减少二氧化碳排放3280亿吨,减少PM2.5颗粒19.9吨公斤。
上述数据是保守计算,而高层电梯节能效果更高。而到十年后,全国电梯使用量将超过达到750万台,一年节约用电1150亿度,节约的燃煤将超过3480亿吨,而一年减少二氧化碳排放9100亿吨。
从宏观上,国家黄河小浪底工程每年发电量平均为51亿度;大亚湾核电站每年发电量平均为300亿度;刘家峡水电站每年发电量平均为51亿度;十年后电梯节能可以减少发电厂投入二十个黄河小浪底工程。
从上述单台电梯成本及宏观数据看,该技术是值得推广应用的,而且为国为民都是好事,符合国家发展战略,符合国民经济发展要求,也是造福于社会的举措。

 

专利发明和本文作者: 姚永其

 

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中国电梯与第三代节能电梯的中国创造 

    目前国外品牌都只有能源反馈技术,而该技术无法做到真正反馈电网。
 


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