电梯是建筑物特别是高层建筑物内部运送人员和货物的机电设备。近年来随着城市化进程的加快以及人们对便捷生活要求的提高，电梯的产量和保有量快速增长。目前，在国际电梯市场上，发达国家和地区的电梯需求相对平稳，发展中国家和地区需求增长较快。根据《特种设备安全与节能2025 科技发展战略》的统计计算，到2020 年，全球电梯年新增量达到150 万台左右。从我国电梯发展现状来看，我国已经成为全球最大的电梯制造国、销售国和使用国。
2003 ～ 2014 年，我国电梯保有量快速增加，从36.17万台增长至359.85 万台，年均增长约20%。据2015年的统计数据，我国当年电梯制造量为76 万台，同比增长6%，出口7.2 万台，电梯保有量达到426 万台。根据国家质检总局发布的《质检总局关于2016 年全国特种设备安全状况情况的通报》显示，截止到2016 年底，我国电梯保有量达到493.69 万台，占特种设备总量的41.24%。
近年来，随着电气、材料和自动控制技术的不断进步，特别是采用永磁同步无齿轮曳引等先进技术后，电梯的能耗水平显著下降。在我国，电梯界公认的每台电梯每天平均耗电是40kW·h 左右。虽然我国电梯的单台能耗已经有了较大进步，但是，与美国在用电梯平均日耗电11.1kW·h 相比，仍有差距，且由于我国电梯保有量巨大，因此总的电能消耗仍然是一个巨大的数字，进一步降低电梯能耗，仍然是电梯技术工作者的努力方向。
1 电梯能耗分析
电梯能耗水平取决于曳引系统的能耗，包括曳引系统、轿厢和对重装置损耗、钢丝绳损耗等；驱动系统能耗；控制、显示能耗，包括层站和轿厢内的控制显示等；门机系统能耗，包括门机控制系统和驱动；轿厢内照明；通风系统能耗等。电梯的能耗主要集中在曳引驱动装置上，占总能耗的70% 以上。我国电梯能耗分级标准GB/T 30559.1—2014《电梯、自动扶梯和自动人行道的能量性能 第一部分：能量的测量与验证》，该标准等同采用ISO 25745-1:2012 国际标准。该标准将电梯能耗分成两部分，分别为主要能量和辅助能量。主要能量部分测量控制装置、电机、变频器和制动器、门等消耗的电能；辅助能量部分测量轿厢照明、轿顶风扇、报警设备和远程监控、应急电池等部分的电能。
1.1 曳引系统能耗
平衡系数是影响曳引系统效率的重要因素，合理范围内的平衡系数可以减小电梯启停和运动过程中的能耗。但是，由于平衡系数不仅仅取决于电梯出厂时的轿厢和对重重量，同时还受电梯内部装修情况，电梯安装条件等因素影响，因此在电梯安装完成后检测电梯平衡系数，不仅关系到电梯运行的安全性，而且会影响到电梯的能耗水平。
对于超高层建筑，电梯运行过程中曳引机驱动的随行重量，除了轿厢和乘客外，曳引绳的重量占重要部分。中国房产报报道，对于提升高度为500m 的电梯，采用传统钢丝绳，电梯运行所需的电量中有多达3/4被钢丝绳消耗。一座10 部电梯的建筑，640m 钢丝绳的重量达到186.5t，运营电梯能耗达到1180MW。
1.2 驱动系统的损耗
电梯垂直运行所需动力由电梯的驱动系统提供。驱动系统是为电梯正常运行提供动力的系统。影响驱动系统能耗的因素包括电动机、制动器、减速箱效率等。电梯电动机频繁启停，电动机的效率高低直接关系到整个系统的能效水平。制动器在电梯停止时负责提供制动力，在电梯停止运行时，制动器通过摩擦力来固定曳引机的转子。曳引机和制动器配合不当，曳引机在运行过程和制动器发生摩擦或者减速过程中在制动器尚未完全减到零速度时就抱紧曳引机转子，则会产生大量的摩擦热量，使得系统整体效率下降。
1.3 控制、显示能耗
控制显示部分的能耗通常包括机房、层站和轿厢在内的所有的控制电路和显示电路。通常情况下，人们主要关心电梯运行过程中的能耗情况，忽略控制和显示部分的能耗。但是，由于电梯属于全天候待机的间歇式工作的机电设备，其运送乘客和货物的工作时间远远小于其等待空闲时间。电梯处在等待过程中，电梯的控制系统仍然处于工作状态，以随时响应各层站乘客对电梯的呼叫。此外，各层站的显示界面持续工作，显示轿厢所在楼层。因此，其长期等待的能耗累计起来同样是一个不可忽略的数字。
1.4 门机系统、轿厢照明、通风能耗
门机系统的能耗包括门机系统的控制和驱动电机的能耗。电梯门机系统是机电紧密结合的运动部件。门机系统的动力由轿门上的驱动电机提供。轿厢门是主动门，厅门是从动门，厅门由轿厢门通过‘系合’装置直接带动完成开合动作。门机系统的运行能效主要取决于机械结构和驱动电机的效率。通常，对于轿厢照明系统，电梯轿厢照明能耗为200W。对于一个典型的40ft2（3.7m2） 的轿厢（5ft×8ft， 约1600kg载重的电梯），那就是5W/ft2。如果照明一直不关闭，那么每个轿厢每年的能耗是1750kW·h。对于通风系统，目前国内电梯生产厂商对电梯轿厢通风形式基本上采用直流式的通风方式，风扇在轿厢上部机械送风，基本上都采用小功率的风扇进行吹风，利用轿厢的缝隙排风或者在底部开排风口。通风风扇在连续长时间使用条件下，能耗同样不可忽略。
2 电梯节能措施
针对电梯能耗特点，电梯技术从业人员开发和引入大量新技术用于对电梯进行能效提升。
2.1 曳引系统节能在降低曳引绳自重方面，通力集团为降低曳引绳自重，开发出碳纤维曳引绳，电梯提升高度为800m 时，碳纤维曳引绳可节能45%。碳纤维曳引绳是一种由碳纤维内芯和特殊的高摩擦系数涂层组成的超轻质曳引绳。碳纤维强度很高而特殊涂层坚固耐磨，碳纤维曳引绳结合了两者的特点，所以非常可靠和耐用。由于质量轻，它未来可将电梯的运行高度提升至1000m，是现今电梯技术可达高度的两倍。
2.2 驱动系统的节能
驱动系统的节能技术发展与电梯驱动技术的发展密不可分。早期电梯采用直流电机结合直流调速系统进行驱动。但是由于直流电机和驱动系统具有维护工作量大，能耗高等缺点，已经在电梯领域很少采用，被交流电机和驱动系统所取代。早期的交流电机和调速系统采用交流双速和交流调压调速系统，两种驱动方式均主要采用交流双速电机作为驱动电机，但其速度调节范围有限，逐渐被交流变压变频调速系统所取代，交流变压变频调速系统使用三相异步电动机，通过调节电机的供电电压和频率实现调速，使得电梯的乘坐舒适性大幅提高。近年来，稀土永磁同步电机技术逐渐成熟，电梯能效大幅提高。国内外电梯厂商广泛采用永磁同步无齿轮曳引机代替传统蜗轮蜗杆曳引系统。永磁同步电机体积小，结构简单，可靠性高，高效节能成为当前电梯曳引机的首选。由于采用永磁同步无齿轮曳引机，省去了齿轮传动系统，传动效率大大提升，使得传动效率能够达到90%。
2.3 控制、显示节能
现在电梯普遍采用集成化更高、功耗更低的电子元件设计、加工、制造控制系统，降低了控制系统的能耗。与此同时，电梯在非服务状态时，关闭电梯轿厢内部的楼层等信息显示、降低层站显示部件的亮度，使电梯处于休眠状态，大大提高了电梯的待机能耗。
2.4 门机系统、轿厢照明、通风节能
传统门机多采用曲柄滑块机构或曲柄摇杆机构作为传动系统，驱动系统则主要采用直流电机通过与其串、并联电阻作降压调速，或采用PWM 脉宽调制技术进行的调压调速方法。减速机构主要有链传动、带传动和齿轮传动。上述门机系统结构复杂，尤其是在低速运行时，由于采用串、并联电阻实现调速，效率低。近年来用变频器驱动电机，通过同步齿形带对电梯门机进行直接拖动，使电梯门机装置机械结构简化，提高了系统效率。随着永磁电机技术逐渐成熟，成本大幅下降，采用永磁电机驱动系统的门机逐渐增多，在减少维护成本的同时提高了能效利用率。在轿厢照明方面，采用LED 节能灯替代传统日光灯和白炽灯照明，可节省大量的照明用电。据统计，1050kg 额定载重的轿厢采用LED 照明替代传统日光灯和白炽灯，可节电75%，能耗大大降低。通风风扇的驱动电机也经历了从有刷直流电机、异步电机向稀土永磁无刷直流电梯调速系统的转变。此外，当电梯应答完成所有的指令后关门进入待机状态时，轿厢内部没有乘客时，设定在进入待机一段时间后，自动关闭照明和通风，既可以节能，又可以延长照明和风扇的寿命。对于全透明井道观光电梯，在白天光照充足条件下自动关闭照明系统，也可以降低能耗。
2.5 能量回馈和存储
从节省能源的角度看，采用各种节能措施后，电梯整体的能效大幅度提升，但是这种能效的提升也不断接近于效率天花板。作为一种空间运输和提升机电设备，电梯工作过程中不断将电能和势能进行转化。当电梯重载上行和轻载下行时，曳引机电动运行，此时电网向曳引机供电；当电梯轻载上行和重载下行时，曳引机发电运行，现在通常的做法是利用能耗制动的方式将这部分能量消耗掉，即在直流母线两端并联制动电阻，图1 所示为带制动模块的电梯电路。该类型电梯的缺点是曳引电机所发电能通过热电阻消耗掉，能量的利用效率较低。为了能够有效利用曳引机发电状态所发电能，很多电梯公司推出了能量回馈型和能量储存型电梯节能产品和节能电梯。能量回馈型节能产品其工作原理是将电梯重载下行和轻载上行过程中产生的能量进行回收，在变频器直流母线电压升高到设定阈值时通过逆变模块将直流电逆变成三相交流电回馈电网。该能量回馈技术通常分为两种拓扑结构，一类是如图2 采用可控整流电梯能量回馈电路所示的AC-DC-AC 结构，即采用可控整流模块代替不可控整流模块，实现能量的双向流动。国外品牌中的OTIS和三菱等公司拥有较成熟的技术产品。另一类是将逆变器作为一个独立单元并联在变频器直流母线侧，利用外挂的能量回馈装置将回馈能量回送电网。采用能量回馈技术的优点是节能效率高，成本较低，缺点是有些产品可能存在谐波，污染电网。特别是目前国内电表计量为单向计量，加装能量回馈装置后不会直接为用户节约费用，造成了用户缺乏使用上的积极性。
为了解决能量回馈装置技术推广中存在的困难，技术人员开发了回馈能量的存储技术。电梯曳引机工作于发电状态时，通过储能装置储能，曳引机工作于电动状态时，储能装置释放能量，从而达到节能目的，如图4 所示为带储能装置节能电梯的电路原理。储能装置通常选择能量密度高，功率密度大的储能元件，例如锂离子电池和超级电容器等。国外品牌如OTIS 和三菱等都开发了带储能装置节能电梯，国内多家厂商和高校也在该技术领域申请了大量专利。带储能装置节能电梯优点是不向电网回馈电能，停电期间可以作为电梯救援装置使用，缺点是增加了储能装置，提高了系统成本。

图1 带制动模块的电梯电路

图2 采用可控整流电梯能量回馈电路

图3 外挂式能量回馈电路

图4 带储能装置节能电梯的电路原理
3 电梯节能技术推广的困境
驱动系统采用永磁同步电机，在控制和显示系统中采用低功耗技术，在照明系统中采用LED 节能技术，这些技术在电梯行业中由于除了节能外，还具有降低成本，提高美观性等特点，均有不同程度的采用，但是对于电梯能量回馈和储存技术，虽然其节能效果更加明显，但是其推广程度缓慢，究其原因主要存在以下几个方面：
1）带能量回馈装置的电梯，由于加装了能量回馈装置，因此其成本相对于其他电梯要高。在我国现有的国情条件下，这部分成本要由房产开发商买单，但是其收益方往往是写字楼、商场和住宅物业公司，这就造成开发商不愿在采购电梯时采用价格较高的带能量回馈装置的电梯。
2）虽然我国政府和各地方分别出台了电梯节能方面的相关标准，如GB/T 32271—2015《电梯能量回馈装置》、GB/T 30559.1—2014《电梯、自动扶梯和自动人行道的能量性能 第一部分：能量的测量与验证》，浙江省、海南省、广东省分别出台了地方标准DB33/T 771—2009《电梯能源效率评价技术规范》、DB46/T 1544—2009《电梯节能改造技术指南》、DB44/T 890—2011《电梯能效等级》，但是对于是否采用节能电梯并无明确要求，造成市场对节能电梯采购意愿不足。
3）投资成本回收时间较长。对于节能电梯，特别是在用电梯进行节能改造，除了能量回馈装置外，改造费用和其他成本投入使得需要较长时间才能收回投入成本，按照每天保守估计节约10 度电计算，需要3年时间收回成本，回收的时间较长。
4 电梯节能技术推广的应对策略
从我国国情出发，针对节能电梯和电梯节能产品的推广，给出如下建议：
1）在政府采购中，对节能电梯和电梯节能产品给予适度倾斜，对非政府采购的电梯市场形成带动和示范总用。
2）鼓励电梯企业加大电梯能效方面的研发投入力度。引导电梯行业形成能效意识，做大做强绿色节能电梯产业，促进电梯节能产业形成规模效应。
3）鼓励电梯企业树立品牌意识，提高品牌形象。国外著名品牌电梯大多采用节能技术，但是由于其形象好，产品附加值高，有较高的溢价。采用节能技术，即使成本有所增加，其品牌溢价仍然能够弥补成本的上升，且其节能特性反过来进一步增强了其品牌的认可度。因此我国电梯企业更应该加强品牌建设，摆脱单纯的拼价格，追求低价竞争策略，顺应供给侧改革发展趋势，进一步优化产品结构。
4）引入高能耗电梯的淘汰机制，进一步明确高耗能电梯的标准，对于高能耗的电梯采取分阶段淘汰措施，给出高耗能电梯的退出时间表，激励我国电梯产业向着绿色、环保可持续发展的目标迈进。
5 结论
据《特种设备安全与节能2025 科技发展战略》所述，截止到2015 年，我国电梯行业规模达到3064 亿元，保守估计每天有超过20 亿人次乘坐电梯。我国已经成为当之无愧的电梯大国。与此同时，我国也正处于从电梯大国向电梯强国转变的重要时期。提高我国电梯产业发展水平，树立我国电梯品牌良好形象，高效节能是重要发展方向，也是我国电梯产业深化供给侧改革的有力抓手。