电梯的能源效率

MRL 与液压 

作者：K. Ferhat Çelik 博士

1. 引言

电梯是专为单个建筑井道设计和安装的复杂工程系统。根据其使用情况，电梯约占建筑能耗的 2% 至 10%。对于电梯使用率较低的建筑（例如五层以下的建筑），这一比例通常在 2% 至 3% 之间。总体而言，电梯能耗与建筑总能耗相比相对较低，而建筑总能耗通常超过总能耗的 40%。因此，在评估建筑能效时，应主要关注隔热、供暖和制冷系统、热水和照明。同样，仅仅关注电梯的运行能耗不足以充分了解电梯的总能效，并且可能导致不准确的结论。这种方法还可能基于不完整的数据错误地确定电梯的优先级，从而可能忽视关键的安全因素。 

目前已开发出各种理论和混合计算方法，用于根据电梯的能效和能耗对其进行分类。VDI 4707-1 和 ISO 25745/1-2 等标准最初鼓励电梯公司利用这些分类作为营销工具，尤其是在低层市场。然而，在实际条件下进行评估时，标有“A”级能效标签的电梯实际上的性能可能会低得多。准确评估电梯的能效需要可靠的数据，包括电梯的运行次数和强度、运行速度、负载条件、待机能耗和配重负载，所有这些都受电梯客流量模式的影响。如今，这些人为的分类已失去其重要性，并被生命周期分析 (LCA) 所取代。 

尽管此类计算模型的可靠性值得怀疑，但市场上出现了一种令人不安的认知：电梯的能耗比（液压系统、齿轮曳引系统和无齿轮无机房系统）分别约为3:2:1。本文基于实际评估，提供了有关电梯能耗性能的详细信息。

2. 防震安全

电梯是建筑物中最昂贵的设备之一，发挥着至关重要的作用。然而，电梯包含各种机械和电气/电子部件，这些部件在自然灾害（尤其是地震）中特别容易损坏。

欧洲和亚洲是地震多发地区，因此确保电梯在地震后仍能正常运行对于最大限度降低相关风险至关重要。EN 81-77 标准概述了在地震多发地区加强电梯安全性的额外措施。然而，仅仅实施这项标准并不能保证在地震多发地区完全安全。6 年 2024 月 81 日土耳其地震后进行的现场检查也发现了这一点。尽管 EN 77-81 标准旨在确保在地震多发地区安全可靠地使用电梯，但它未能采取有效措施防止带对重牵引电梯的缺陷，特别是其无机房设计，这会带来许多安全问题。只有对标准进行必要的补充才能提高安全性，但这会增加成本。因此，伊朗国家标准化办公室在实施 IR EN 77-XNUMX 时应纳入额外要求。

虽然EN 81-77标准及其实施的缺陷常被认为是造成损害的主要原因，但主要问题在于未能根据建筑物特性选择合适的电梯类型。在地震多发地区，除了评估电梯损坏风险外，考虑紧急疏散也同样重要。应考虑火灾隐患、煤气泄漏和水浸等因素，以确保安全救出被困乘客。除了电梯损坏造成的维修费用外，停运还可能造成重大的社会和商业损失。在社会创伤和持续余震频发的震后环境中，保持公共建筑及其电梯的正常运行对于有效的应急响应管理至关重要。因此，为了最大限度地减少地震后的挑战，应优先考虑损坏风险低、易于且经济高效地进行改造以符合IR EN 81-77标准的电梯系统。多次地震后的现场检查报告已明确表明，液压电梯是地震多发地区最安全的选择。这是因为：

• 液压缸吸收振动和振荡，减少地震冲击。
• 液压电梯没有对重装置，从而消除了相关的损坏风险。
• 液压系统直接位于建筑物地基上；因此，它们受到的振动较小，受地震运动的影响较小。
• 它们结构简单，组件较少，因此更加可靠。
• 一旦发生被困情况，它们可以提供更轻松、更安全的撤离。

相比之下，在地震区最脆弱、最不安全的电梯类型是无机房电梯（MRL）。关于此主题的更多讨论，请参阅参考文献。^[10] 图 2 显示了一些地震后电梯损坏的示例。

3.待机能耗

随着电子控制系统的进步，电梯运行期间的能源利用率不仅有所提升，系统闲置时的能源利用率也同样有所提升。控制系统在闲置模式下的能耗被称为“待机能耗”。不间断电源 (UPS) 设备、门锁系统、驱动器、照明按钮、轿厢显示屏（内部和外部）、警告和安全系统以及其他类似电子元件等功能的加入，显著增加了维持这些系统正常运行所需的待机功耗。

随着无机房电梯的推出，变速驱动器开始在牵引电梯中得到广泛应用。这些驱动器与永磁同步 (PMS) 电机相结合，不仅提升了乘坐体验，而且据报道，与采用较小电机的传统牵引电梯相比，其运行能耗可降低高达 50%。^[1]

除MRL外，配备机房和齿轮系统的传统牵引电梯也采用了变压变频 (VVVF) 驱动系统。因此，采用 VVVF 驱动系统的液压电梯解决方案已作为竞争性替代方案进入市场，加剧了低层建筑领域的竞争。因此，这些驱动系统及其相关外围设备的功耗已成为电梯总能耗的显著组成部分。

瑞士能源效率局 (SAFE) 开展的一项研究^[2] 一项关于33部不同电梯的研究表明，待机模式能耗约占电梯总能耗的80%。图3显示了待机模式能耗（橙色）的显著影响，由于电梯系统中电子元件的广泛应用，待机模式能耗有所上升。该研究还强调，配备VVVF驱动装置的液压解决方案与牵引式MRL系统一样节能。这是因为在液压电梯中使用VVVF驱动装置可以完全消除与传统机械控制阀相关的能量损失。

Lees 的硕士论文，^[3] 一项研究对液压电梯的能耗进行了研究，结果表明采用 VVVF 驱动的液压系统与 MRL 系统一样节能。Blain 的 EV40-VVVF 液压控制阀研究也表明，其节能效果高达 65%，使其成为现代化项目的热门选择。^[7] 这些发现挑战了液压电梯比牵引式MRL能耗更高的普遍看法。然而，Lees也指出，在低负荷电梯中，使用VVVF驱动装置可能会增加待机能耗。因此，在这种情况下，配备机械阀的传统液压电梯仍然是一个可行的选择。这表明，尽管电梯技术不断进步，但在某些情况下，尤其是在低负荷系统中，能耗仍然可能增加。

节能系统有望通过降低能源费用逐步收回投资。回报速度取决于多种因素，包括能源成本、电梯使用情况、系统效率、初始投资成本以及维护频率和费用。高效系统通常采用再生制动技术，将电能回馈给建筑物，而不是以热量的形式散发出去。虽然这项技术有效，但需要大量的前期投资，因此主要适用于使用率极高的电梯。对于中低使用率的电梯，安装再生装置（再生驱动器）在环境和经济上都不切实际，因为投资不太可能在系统使用寿命内收回。在这种情况下，制造和安装节能设备所消耗的资源和能源对环境的影响可能大于降低能耗所带来的效益。因此，如果一项投资不具成本效益，就不太可能实现真正的节能效果。

市场上也有专为待机期间优化能源利用而设计的电梯控制系统。在这些系统中，当电梯闲置一段时间后，能耗会逐渐降低。在第一阶段，轿厢灯变暗，楼层方向指示灯、轿厢显示屏和双照明按钮均关闭。在第二阶段，门控制器、轿厢电子设备、变频风扇和楼层双照明按钮等附加组件均关闭。从此模式重新启动系统通常需要大约 30 秒。然而，待机能耗的主要来源是 VVVF 驱动器和 UPS 设备，为了避免缩短驱动器的使用寿命并出于安全原因，它们通常不会关闭。表 1、2 和 3 显示了电梯控制器、驱动器和 UPS 设备的能耗。

4.哪种电梯最节能？

所有电梯都包含一些通用部件，例如轿厢、门、照明、通风风扇、安全装置和自动控制装置。由于这些部件是牵引电梯和液压电梯的标准配置，因此本讨论将重点关注驱动系统的能效。

全球超过 90% 的建筑存量为六层以下的建筑。因此，市场的主要竞争实际上在于液压电梯和牵引电梯的结合点。MRL 电梯系统最初由大型电梯公司于 1995 年推出，如今已被大多数电梯制造商广泛提供。PMS 无齿轮曳引机无需减速齿轮，可提供高扭矩和低速，显著提高了系统效率。PMS 机器体积小巧、重量轻，并具有独特的动态特性（例如高稳定性、高精度、低速时更大的扭矩以及精确的转子位置控制），使其成为电梯驱动系统的理想选择。这些进步为 MRL 电梯的发展铺平了道路。MRL 电梯的驱动装置位于井道内，用于低层到中层电梯安装，并且越来越受欢迎。

无机房电梯的引入显著提升了牵引驱动的运行能效和控制特性，使其能够安装在低层建筑中。然而，在无机房电梯受到电梯行业热烈欢迎的过程中，一些关键问题却被忽视了。

电梯安全

安全是电梯应用的首要考虑因素。MRL电梯被认为是市场上安全性最低的电梯。将驱动系统放置在安全机房之外，而将其置于净空高度，这标志着电梯行业在安全性方面的倒退。因此，MRL电梯需要额外的组件才能在安全性较低的工作条件下满足安全标准。组件复杂性的增加增加了安装、维修和维护过程中发生故障的风险。随着MRL电梯应用的日益普及，全球范围内与MRL相关的事故报告也随之增加。MRL电梯的安全规范仍然存在疑问，需要更严格的监管和修订。然而，这些进步往往依赖于大型电梯公司的影响力，这些公司更倾向于降低成本，而不是在此类系统中安装额外的安全功能。值得注意的是，根据多次地震后的现场调查，MRL电梯已被证明是地震区最不耐用的电梯。地震风险高的国家，例如土耳其、伊朗和亚洲大部分地区，应将安全置于能耗之上，并避免在地震区使用MRL电梯。鉴于电梯并非能源消耗问题的主要贡献者，这一点尤为重要。因此，电梯在欧盟不受《生态设计指令》的约束。

另一方面，液压电梯是所有电梯类型中最耐用、最安全的。其安全机房可方便地设在地下室或靠近电梯井的一楼，从而实现安全高效的安装。由于所有部件均在润滑环境中运行，液压电梯可靠性高，使用寿命超过30年。由于液压缸固定在建筑物地基上，因此液压电梯在地震中也具有最强的抗震能力。最重要的是，液压缸起到了减震器的作用，保护整个电梯系统免受损坏。包括最近在土耳其进行的调查在内的众多震后现场调查，一致证明了液压电梯在地震区的坚固性。

尽管液压电梯配备了与MRL兼容的节能控制阀，但关键问题是，为何其全球使用率仍然远低于MRL。主要原因是大型电梯公司在推广MRL解决方案方面占据主导地位，而液压电梯公司规模相对较小。这种有限的存在阻碍了液压行业的竞争能力，也削弱了其市场份额的保护能力。

其次，随着液压电梯市场份额的下降，行业对液压系统的专业知识也随之下降。尽管液压电梯可能更节能、更安全，但这种知识的匮乏导致其报价高于无机房电梯（MRL）解决方案。缺乏液压设计和安装方面的专业知识，导致质量低劣的液压电梯安装数量增加，进一步损害了液压系统的声誉，并降低了其市场需求。

最后，全球电梯市场主要由大型电梯公司驱动，这些公司经常采取激进的低价策略来争取项目。这些公司通过长期服务合同的收入来抵消较低的初始成本，这进一步削弱了液压行业的小型企业的竞争力。

总能耗

大型电梯公司为了抢占低层市场，只关注机械阀门的运行能耗和油耗，并将这些问题作为营销工具，这种做法颇具争议。因此，MRL 解决方案一直被宣传为最节能的选择，完美适用于各种安装方式，并且能够再生能源并反馈到电网。然而，MRL 所宣称的优势并非总是切实可行的，而且可能会导致更高的能耗，尤其是在低负荷电梯中。^[4] 在电梯的使用寿命内，MRL 技术的投资可能永远无法收回。^[5] 这是因为 MRL 控制器需要更多的电子和电气元件 - 例如驱动器、驱动器冷却风扇、UPS 设备、安全电路和其他外围设备 - 这些元件成本高昂，并且即使在电梯静止时也会消耗额外的能量。^[1] 因此，电梯的能耗与电梯的使用情况有直接的关系。 

在选择 MRL 系统之前，应将电梯控制器的每日能耗与预期使用模式进行比较。此外，为了降低成本，许多 MRL 驱动系统现在使用带齿轮箱的异步电机，而不是更昂贵的 PMS 无齿轮电机。然而，随着齿轮比的增加，齿轮机构中大量的功率损耗会导致系统效率下降。这些系统无法像 PMS 电机那样提供显著的节能效果和高性能。

低使用率电梯

对于家用电梯或每天启动次数少于 100 次的特殊用途电梯来说，MRL 并不节能 — — 根据 MRL 系统的控制器效率，每天启动次数可能会增加到 300 次。对于此类应用，配备机械阀的液压电梯是更好的选择，不仅因为它们能耗更低，还因为它们具有卓越的安全性能和易于安装。在低使用率设置中，MRL 的待机能耗通常超过使用机械阀的液压电梯。此外，与液压系统相比，MRL 的可靠性较低，这使其不太适用，尤其是在考虑夹伤风险时。另一方面，液压电梯可以在轿厢内提供自救机制，这是别墅电梯和老年用户电梯的关键安全功能。

中高使用率电梯

每天启动次数在 200 至 500 次之间的电梯可归类为中等使用率。对于此类使用率，MRL 系统和 VVVF 驱动的液压系统（例如 Blain EV40-VVVF）均能提供相当的能耗性能。然而，驱动器的使用寿命受启动次数的影响。液压解决方案仅在上行方向上利用驱动器，可最大限度地节省能源，并有效地使驱动器的使用寿命比 MRL 系统延长一倍。此外，伺服电子阀（例如 Blain 的 SEV07）也可用于此类系统，具体取决于能源性能要求。^[6] 电子阀门可节能高达 30%，尤其适用于低使用率和高使用率之间的过渡区域。由于电子阀门无需 VVVF 驱动及其相关外围设备，因此待机能耗更低，能量损失更少。

每天启动超过 500 次的电梯属于高使用率类别，此时 MRL 系统和 VVVF 驱动的控制阀都是可行的选择。在这一类别中，虽然 VVVF 驱动的液压系统可以减少高达 50% 的发热量，但机房内仍然需要适当的空气通风。对于每天启动超过 1,100 次的系统，除了充足的通风外，可能还需要采取额外措施（例如使用小容量油冷却器），以确保 VVVF 驱动的液压解决方案达到最佳性能。在这种极高的使用率下，如果节能是主要目标，牵引电梯可能是首选。然而，对于优先考虑安全性和可靠性的应用，例如在地震区或无故障运行至关重要的场合，液压电梯仍然是最佳选择。

预计未来驱动技术的发展将降低待机能耗和驱动器成本。在这种情况下，更安全、简单、经济、易于维护且与现有系统高度兼容的环保解决方案有望在未来几年得到广泛应用。从这个角度来看，MRL需要的维护最密集，安全性最低，并且安装和维护难度最大。这是因为它们安装在净空高度，并且拥有更多组件以提供足够的安全性，但在不安全的安装和服务条件下，这无法得到保证。相比之下，液压电梯在低层市场中具有最安全、最耐用的特性，可防止故障、安装和维护。

5.液压电梯配重的使用

众所周知，牵引电梯的能耗降低得益于对重装置。液压电梯通常不使用对重装置，因此安装更简单，成本更低，安全性更高（尤其是在地震多发地区），但代价是增加了电机功率。为了降低电机功率，减轻轿厢和车架的重量至关重要。使用复合材料制造轿厢和车架可以使轿厢重量减轻约 70%。虽然目前复合材料制造的初始成本较高，但将轿厢和车架集成在一起可以简化安装，并且使用尺寸更小的电机可以显著降低能耗。

另一方面，虽然并非优选，但在适当条件下（例如在无地震地区），液压电梯可以安装对重装置，从而节省大量能源。表4列出了搭载八人液压电梯（有/无对重装置）的电机功率。可以看出，通过减轻2/3的轿厢重量（通过安装对重装置），电机功率可降低29%。

图4展示了液压电梯配重的另一种配置，其中配重被放置在拉力柱塞上。这样，可以使用直径较小的柱塞和泵。这种配置可以将电机功率和泵流量降低高达40%。该设计还可以防止配重在井道内摆动。

6. LCA对环境影响的比较

LCA 是一种用于评估产品环境影响的方法。就电梯而言，LCA 提供了一种全面的可持续性评估方法，它通过考虑电梯整个生命周期（从原材料提取到最终处置）的总体能源/环境影响性能。LCA 方法能够更准确地反映电梯的环境足迹。相比之下，仅仅关注电梯的能耗并划分能效等级是大型机房电梯 (MRL) 制造商常用的营销策略，不应被高度重视。电梯的实际能效只能通过安装现场的测量来确定。

液压电梯拥有更大的电机，且无需对重。因此，它在下行时​​无需消耗任何能量，而是依靠自身重量下降。无对重设计使电梯安装更简单、可靠性更高、更安全、更经济，这些都为LCA带来了附加价值。

阿拉贡技术研究所 ITAINNOVA 公布了一项 LCA 研究结果，研究对象为四站电梯，载重量为 450 公斤，使用类别为 1、2 和 3（每天启动次数为 50 至 300 次）。^[8] 如图 5 所示。这些结果比较了牵引式 MRL 电梯和传统液压电梯。值得注意的是，尽管 MRL 电梯需要更频繁地进行纠正性维护，但概述如何将 LCA 应用于电梯的“电梯产品类别规则”程序仅考虑定期维护，并没有考虑纠正性维护（出现问题时需要进行的额外维修）。换句话说，如果 LCA 中包含纠正性维护，则结果对 MRL 电梯更为不利。根据 Ecoindicator ReCiPe 方法，液压电梯在 22 年的使用寿命内对环境的影响结果始终较低（图 6）。

在现代化改造中，液压电梯对环境的影响始终小于任何其他新型无机房电梯（MRL）牵引电梯。这是因为现有液压系统的大部分部件（例如液压缸、油箱、连接器等）均可重复使用，用于现代化改造。事实上，用牵引式无机房电梯改造液压电梯会对环境造成更严重的污染（见图5和图6）。在生命周期评估（LCA）中，假设电梯每80年进行一次现代化改造，并采用20年的建筑寿命，那么即使在使用类别3（每天启动300次）下，液压电梯也更环保。^[9]

一般来说，液压电梯比牵引电梯可靠得多，这意味着它们的维护对 LCA 的影响要小得多。它们设计简单，部件更少，并配有完全润滑的系统，有助于延长其使用寿命并减少系统停机时间，从而显著节省成本。值得注意的是，电梯维护成本可能是年能耗的 10 到 30 倍。此外，牵引 MRL 驱动系统中最昂贵的部件占电梯总成本的 6% 以上，而对于液压电梯来说，这一比例仅为 8% 到 300% 左右。基于这些发现，与牵引 MRL 电梯相比，低层建筑中带有机械控制阀的传统液压电梯（每天启动次数最多 XNUMX 次）对整体环境的影响（包括总能耗）较低。

7.水力控制阀的选择

市面上电梯控制阀主要有机械式、电子式和VVVF（变频调速）式三种。其中，VVVF驱动的电梯控制阀最为节能，在中高负荷运行中，可降低能耗高达65%，发热量降低50%。^[7] 尽管效率较低，机械控制阀仍是最广泛的应用。这是因为它们目前是低使用率应用（例如家用和住宅电梯）的最佳选择，因为它们成本显著降低、调节简单且可靠性高。此外，对于每天启动次数少于 350 次的应用，VVVF 驱动阀门的投资回收期相当长。然而，一些混合 VVVF 驱动控制阀解决方案，例如 Blain 的 Smart EV40-vvvf，价格合理，对于每天启动次数超过 200 次的电梯，投资回收期可达 XNUMX 至 XNUMX 年。^[7] 这些混合解决方案仅在上行运行期间使用 VVVF 驱动，这使得它们成为低负荷电梯最节能的选择。此外，如果使用节能驱动器（例如安川 GA700），并在空闲 10 分钟后关闭，则可以实施混合 VVVF 解决方案，以实现每天 130 次启动的较低负荷水平。混合 VVVF 驱动的控制阀搭配节能驱动器似乎是低负荷电梯应用的理想选择。值得注意的是，再生驱动器通常不适用于低负荷应用，因为它们的投资回收期过长，成本高昂，而且能量回收率极低。

8. SMART EV40-VVVF

Blain Hydraulics 利用物联网 (IoT) 技术和嵌入式系统来收集、发送和处理从环境中收集的数据，并将之前设计的 EV4-VVVF 产品演进为 Smart-EV40-VVVF 解决方案（图 5）。Smart-EV40-vvvf 是一种混合系统，具有以下优势：

• 使用标准 GA700 Yaskawa 驱动器
• 提供高品质的乘坐体验
• 通过接口板提供简单的诊断
• 节能高达 65%，减少 50% 的热量
• 可以使用 Wi-Fi 连接的智能设备监控、记录和调整电梯运行。
• 驱动器和升降控制器的接线简单
• 功能输入参数减少了 60%。
• 不需要额外的压力开关。
• 减少旁路和平整时间，进一步提高节能效果。
• 配有集成式意外车辆移动安全阀。

图7和图8分别显示了Smart-EV40-VVVF解决方案的连接和应用软件的一些输入菜单。

9。 结论

为了实现电梯的最佳能效，必须仔细考虑待机能耗和使用模式。虽然配备变频调速 (VVVF) 驱动装置的牵引式无机房电梯 (MRL) 已作为节能解决方案推出，但配备变频调速 (VVVF) 驱动装置的液压电梯也已在市场上占有一席之地，并提供相当的能效。然而，这些系统的效率在使用率较低时会降低，而待机能耗需求显著降低的简易电梯则更具优势。因此，对于使用率较低的家用和住宅电梯而言，配备机械阀门的液压电梯仍然是最佳选择。它们能耗低、价格实惠、易于安装、维护简便且可靠性高，是此类应用的理想解决方案。

Blain 的 Smart-EV40-VVVF 解决方案采用物联网和先进的数字技术，解决了系统缺陷并提升了可用性。借助用户友好的移动应用程序，可以快速完成系统设置，同时可以使用通过 Wi-Fi 连接的智能设备监控、记录和调整电梯运行。除了提供平稳卓越的乘坐体验外，Smart-EV40-VVVF 还能缩短绕行和重新调平时间，从而减少总行驶时间和能耗。

需要强调的是，在电梯应用中，安全必须优先于节能。在地震多发地区，高层建筑应根据需要安装有机房牵引电梯。除非采取额外的安全措施，否则应避免使用无机房电梯系统。对于地震多发地区的低层建筑，液压电梯应是首选，因为它们具有卓越的耐用性和减震性能，可以有效减轻地震震动的影响。由于低层建筑的电梯能耗并不高，因此最好优先考虑抗震电梯系统，而不是节能。这种方法可以确保建筑物保持正常运行，方便乘客轻松安全地撤离，并有助于防止社会、商业和人员损失。

案例

[1] HM Sachs，“提高电梯能效的机会”，美国能源效率经济委员会，2005 年 XNUMX 月。 

[2] J. Nipkow，“Elektrizitätsverbrauch und Einspar-Potenziale beä Aufzügen”，SAFE，2005 年，苏黎世。 

[3] G. Lees，“变频驱动液压系统的实际功率与理论功率消耗关系研究及其对用户的好处”，硕士论文，北安普顿大学学院，2005 年 XNUMX 月。 

[4] Almedia AT，《电梯与自动扶梯的能源效率》，第四届欧洲电梯大会，4 年。 

[5] Celik KF，“低使用率电梯的待机能耗”， ELEVATOR WORLD India，第2卷，第58页，2009年。 

[6] Celik KF，“电子控制阀的设计与控制”，《电梯技术》第17卷，Elevcon会刊，第34-45页，2008年 

[7] Celik KF，“一种利用逆变器实现绿色液压升降机负载和温度补偿的方法”，Elevcon 会议论文集，IAEE，迈阿密，2012 年。 

[8] ITAINNOVA，阿拉贡理工学院，液压和牵引升降机的生命周期评估，2017 年 XNUMX 月。 

[9] Hydroware.de/lib/get/file.php?id=155f9221554af7 

[10] F. Celik，“地震地区的电梯安全”，EW，2005 年 140 月，第 XNUMX 页。