0 引　言

随着城市化快速发展和居民生活水平提高，电梯成为现代建筑不可或缺的垂直运输工具，显著提升了出行效率，并在社会经济活动中扮演关键角色。过去十年，我国电梯保有量高速增长，由2013年的300.93万台增加到2022年的964.46万台。这一增长趋势不仅反映了城市化建设的蓬勃态势，也揭示了电梯行业的巨大市场需求。然而，电梯数量的迅猛增长也带来了能源消耗的显著增加，使得电梯的能效问题逐渐成为公众和专业人士关注的焦点。能效的提升不仅关系到能源资源的高效利用和环境保护的可持续性，也能直接影响楼宇运营成本和建筑物整体可持续性。在当前全球气候变化和能源危机的大背景下，如何提升电梯能效已成为建筑行业亟待解决的重要课题。

电梯能耗在建筑能耗的占比较高，已成为制约绿色建筑转型的主要瓶颈。为降低电梯能耗，国内外学者围绕电梯能效影响因素展开了系列研究。如Almeida等分析了欧洲电梯和自动扶梯市场的能效潜力，并提出政策措施^[1]。刘桂雄等研制了一套可在电梯实际运行工况下实时监测电梯能效记录仪及系统^[2]。随着能效技术和节能要求的变化，相关研究聚焦新场景和新技术。赵斌等为了仿真模拟高层建筑电梯能耗，搭建了节能综合试验平台^[3]。Jeraputra等为了提高电梯的曳引能效，对插拔式再生制动技术进行了性能和经济性分析^[4]。Martin等提出了由超级电容器组和双向六相多重化DC/DC变换器组成的储能系统，通过利用电梯再生能量，提高能源利用率^[5]。

纵观近年来关于电梯节能技术的相关研究，不难发现电梯节能技术在持续的进步与创新，并在理论上提升了电梯能效。然而，在实践中，电梯节能效果却难以衡量。这一现状揭示了一个显著矛盾：尽管节能技术潜力巨大，但在缺乏有效的测试和评估机制下，这些技术的实施效果和进一步改进潜力难以得到充分挖掘。电梯能效测试技术是衡量节能效果的核心工具，它不仅能够验证节能措施的实际效果，确保资源投入的合理性和有效性，还能揭示系统运行中的能量损耗点，为节能改进提供科学依据和方向指引。此外，电梯能效测试技术对于推动整个电梯行业向更高能效标准和可持续发展目标的转变亦具有重要作用。可见，加强对电梯能效测试技术的研究、把握研究现状与趋势，对于完善电梯节能技术、提升其实际应用效果具有至关重要的意义。鉴于此，本文旨在探讨电梯节能增效的意义、能效影响因素和测试技术发展现状，以期为电梯行业的绿色转型和可持续发展贡献力量。

1 电梯节能增效的必要性

“双碳”目标要求电梯必须采取更高效的节能措施，减轻电梯使用对能源资源的压力。电梯节能增效的必要性主要体现在：以促进能源可持续利用的政策引领；为行业提供明确目标的标准建设；以促进系统内部交互的技术扩散。这些方面相互融合，共同推动电梯行业朝着更节能环保的方向发展。

1.1 政策引领

在《联合国气候变化框架公约》和《巴黎协定》的框架下，中国承诺提高自主减排力度，目标在2030年前达到二氧化碳排放峰值，2060年前实现碳中和。节能减排是党中央、国务院作出的重大决策部署，已成为国家战略的重要组成部分^[6]。据中国建筑节能协会最新发布的《中国城乡建设领域碳排放系列研究报告》可知，建筑能耗是我国经济社会运转的第一能耗，2020年建筑运行能耗为10.6亿吨，占全国能源消费总量21.3%^[7]。面对建筑能耗带来的挑战，住房和城乡建设部印发的《“十四五”建筑节能与绿色建筑发展规划》提出：到2025年，建筑能源利用效率稳步提升，建筑用能结构逐步优化，建筑能耗增长趋势得到有效控制，基本形成绿色、低碳、循环的建设发展方式。

为不断释放电梯产业促进节能环保潜能，充分发挥电梯节能对促进高质量发展的作用，国家市场监督管理总局制定了《特种设备安全与节能事业发展“十四五”规划》，要求加强电梯节能环保标准体系建设，以电梯节能降耗助力绿色发展，到2025年，电梯节能水平显著提高。降低建筑能耗已成为我国实现“双碳”目标的首要任务，研究电梯节能增效路径具有较强的紧迫性。

1.2 标准支撑

截至2022年底，我国成为全球最大的电梯新装市场和电梯保有量最大的市场，占全球电梯新装市场的62%及全球总量的43%。据中国电梯协会测算，每部电梯每天的能耗约为40 kW·h^[8]，据此推算，我国2022年电梯年度耗电量约为1408亿千瓦时，在第三产业用电量占比达到9.5%（国家能源局：2022年第三产业用电量14859亿千瓦时）。

节能标准是国家节能制度的基础，也是推动全社会节能降碳的重要支撑^[9]。2023年3月，国家发展改革委和市场监管总局印发的《关于进一步加强节能标准更新升级和应用实施的通知》指出，要充分认识加强节能标准更新升级和应用实施的重要意义，加快制定修订机械、电机、运输装备等重点领域节能技术标准，持续提高重点用能产品设备能效水平。电梯是典型的机电类运输装备，尚无自主可控的能耗测试或能效评价相关国家标准，这一定程度导致了虽然电梯节能技术已日趋成熟，但是我国电梯能耗依然较高的“困局”。研究电梯能效评价体系，降低电梯能耗，对促进技术创新、推动产业升级、加快绿色低碳发展发挥重要作用。

1.3 技术扩散

面对实现“双碳”目标带来的挑战，技术创新是推动重点领域绿色低碳转型的核心驱动力。电梯是技术密集型特种设备，研究电梯能效评价体系及优化策略，应深入分析节能技术。电梯具有复杂的机械和电气特性，由曳引、导向、门、轿厢、重量平衡、电力拖动、电气控制和安全保护八大系统组成^[10]。各系统均直接影响电梯能耗，如：曳引系统的曳引比、导向系统的摩擦力、门系统的联动方式、轿厢系统的照明通风装置、重量平衡系统的平衡系数、电力拖动系统的调速模式、电气系统的调度控制、安全保护系统的电气原理。这些能耗影响因素除作用于对应子系统外，还影响着其他子系统^[11]，如：曳引系统和电气系统直接影响电力拖动系统、重量平衡系统直接影响导向系统、门系统和轿厢系统直接关联。

我国电梯节能产业在节能降耗的国际大背景下进入了快速发展时期，能耗测试技术发展已步入成熟期，但是技术应用效率相对于其他节能产业偏低，本质上是缺少对技术本身的研究。而关键技术可代表一定时期社会发展方向，是引起技术系统发生重大变化的先进技术和新兴技术^[12]。在低碳经济背景下，技术的有效扩散对于一个国家或地区来说是技术创新取得社会效益的源泉。因此，有效推动电梯节能产业技术扩散，掌握关键技术的扩散机理，已成为提高能效测试技术应用效率、降低电梯能耗的核心问题。

2 电梯能效影响因素

电梯内部结构复杂，是典型的多部件、高集成的机电类复杂产品，分析电梯能效影响因素，需要从电梯驱动及控制两大子系统切合，结合以能量回馈为代表的外部节能技术展开。

2.1 驱动系统

自电梯诞生至今已逾百载，其技术的革新可谓突飞猛进。特别在驱动技术方面，持续不断的改进与发展使得电梯的能耗日益降低。驱动方式上看，主要有强制驱动、螺杆螺母驱动、液压驱动以及曳引驱动四种方式^[13]。从调速技术的发展来看，我们见证了从交流双速、直流调速、ACVV调速，到VVVF调速和永磁同步VVVF调速的历程，直至如今备受瞩目的永磁同步双PWM的VVVF调速技术^[14]。而在齿轮传动方面，技术的演进也经历了从蜗轮蜗杆传动，到行星差速传动，再到如今的无齿轮传动的变革^[15]。曳引机的发展同样不容小觑，从直流电机、交流异步感应电动机，逐渐发展到现在的交流永磁同步电动机^[16]。随着技术发展，蜗轮蜗杆传动已逐渐退出历史舞台，永磁同步电动机成为主流选择，见图1。在控制器的演进历程中，我们见证了从继电器控制、PLC控制，到现今广泛应用的微机控制的转变^[17]。同时，曳引电梯的曳引悬挂装置也经历了显著的技术革新，从原本单一的钢丝绳，逐渐扩展出钢丝芯聚氨酯带、合成纤维绳等多种材料，性能得到持续提升。根据能耗数据的统计结果，电梯驱动和曳引新技术的应用使得电梯的能耗不断下降，实现了更为高效、节能的运行^[18]。

2.2 控制系统

电梯控制系统主要节能技术是群控技术，该技术通过计算机实现多台电梯的协调控制。通过对乘坐流量的深入分析，该技术能够确保多台电梯控制系统达到最佳运行状态，从而有效减少能源消耗和浪费。自20世纪40年代提出以来，电梯群控技术不断发展并日益完善。随着硬件技术的提升和计算机技术的日益成熟，该技术经历了几个关键发展阶段^[19]，见表1。

目前，常见的电梯调度方法主要包括追求最短侯梯时间和实现最低能耗等（Tyni等，2004）^[20]。然而，这些方法往往难以在同一部电梯上同时实现。例如，减少电梯数量可以降低能耗，但不可避免地会延长乘客的侯梯时间。实际上，我们很难达到最低电梯能耗标准，因为乘客的满意度与侯梯时间呈反比关系^[21]。刘耀武等^[22]提出了一种电梯能耗损失的计算方法，并构建了考虑时间约束的电梯节能调度模型。他们应用粒子群算法，分别对已知目标楼层和预测目标楼层两种情况下的电梯节能调度问题进行建模和求解。另外，Narayanan等^[23]设计了一种电梯控制系统，该系统采用精确的轮廓检测技术来确定候梯人数，并通过算法优化不同电梯服务不同楼层候梯人群的方式。随着人工智能技术的不断发展，模糊控制、总线控制、计算机视觉及人工神经网络等先进技术也将逐渐应用于电梯群控系统中，进一步提升电梯的节能效果^[24-26]，部分大型电梯使用单位已应用该技术，如：成都天府软件园，见图2。

2.3 能量回馈

能量回馈是指电梯在重载下行、轻载上行与制动三种状态下处于发电状态，对于这部分回馈能量存储并再利用。再生能量直接回馈电网容易产生谐波污染，不适合大力推广。随着储能技术研究逐渐成熟，超级电容的高效率、寿命长、密度大的优势逐渐在电梯能量回馈领域占据优势。

超级电容是一种介于传统蓄电池与电解电容器之间性能特殊的新型储能元件^[27]。超级电容，作为一种新兴的环保且高效实用的元件，凭借其出色的绿色环保特性、高循环利用率和寿命，以及强大的大电流输入输出能力，展现了巨大的应用价值与市场潜力，并持续快速发展，逐渐成为新型储能重点研究方向^[28-30]。在国内，王婧怡等^[31]为了有效回收电梯制动时的再生电能，降低系统损耗，提出一种储能回馈型电梯能量控制方案，仿真结果表面，方案具有良好的驱动控制和能量管理能力，有效降低了电梯系统中的能量损耗。2018年公布的一项国际专利设计了一种基于超级电容储能的电梯节能与故障急停平层救援装置。该装置采用非隔离双向DC/DC变换器来降低开关能耗，并主要聚焦于自平层救援装置等系统配置与实验的介绍，然而，该专利并未对系统的具体控制算法进行深入优化研究^[32]。影响电梯能效的节能技术能区分出以驱动节能、控制节能和能量回馈技术为代表的三条分支。电梯驱动和控制子系统是节能技术的主要应用环节，随着节能技术的发展，能量回馈为代表的能量再生技术在电梯也开始应用。研发并推广适合我国国情的电梯能效测试方法，不仅能快速测量电梯能效水平，还能验证节能技术的应用效果，已成为电梯领域亟需解决的现实问题，秦皇岛前景光电技术有限公司已成功研发适配电梯的电能回馈装置，见图3。

3 电梯能效 3.1 电梯能效测试方法

电梯能效测试方法是评估电梯能源利用效率的系统化流程，其目的是测量、分析和评估电梯在不同运行条件下的能源消耗和效率，以便为电梯制造、维护和使用单位提供关于电梯能效的准确信息，促进电梯节能技术的落地应用。

国际主流电梯能效测试标准有ISO 25745《电梯、自动扶梯及人行道能源效率验证》和VDI 4707《电梯能源效率认证》。ISO 25745首先考虑电梯使用场景，再根据使用需求区分待机时间和运行时间，计算能量需求值，最后测量运行、停机和待机能耗，得出电梯单日和全年能源消耗量，并把整体能效从高到低分为七类（从A到G）。而VDI 4707标准不仅适用于载人电梯，还能用于载货电梯能效评估和分级，从建筑种类、载荷要求、运行模式、运行效率等方面界定电梯使用类别，测量电梯正常运行和待机状态能耗，对照相应标准参数，确定电梯能效等级。

现阶段，我国已经出台了电梯能效测试相关的国家标准，等同采用ISO 25745^[33-35]。GB/T 30559系列标准对电梯、自动扶梯和自动人行道的能量性能进行了全面覆盖。其中，GB/T 30559.1—2014标准，即《电梯、自动扶梯和自动人行道的能量性能 第1部分：能量测量与验证》，已于2014年12月1日开始实施。随后，GB/T 30559.2—2017标准与GB/T 30559.3—2017标准，即《电梯、自动扶梯和自动人行道的能量性能 第2部分：电梯的能量计算与分级》和《电梯、自动扶梯和自动人行道的能量性能 第3部分：自动扶梯和自动人行道的能量计算与分级》，分别于2018年5月正式生效。这些标准的推出，为我国开展电梯及相关设备的能效测试、评价和认证工作提供了坚实的国家标准依据。与此同时，虽然已发布相关国家标准，但是等同采用国际标准，未考虑我国电梯使用环境。故部分地方标准仍然占据电梯能效主导地位，具有代表性的有：辽宁省DB21/T 3790—2023《电梯节能监测与改造技术要求》、安徽省DB34/T 3892—2021《电梯能源效率评价导则》、湖北省DB42/T 1521—2019《电梯能效测试与评价规则》、北京市DB11/T 1161—2015《电梯节能监测》。本文通过系统梳理国内外相关标准后发现，相关标准的测试流程、测试项目、评价指标等技术要求相对统一，但在电梯运行能效测试方法方面参在明显差异。具体来说，这些测试方法主要分为模拟法和空载法两类^[36-39]，反映了不同的测试条件和能效评估方式。

3.1.1 模拟法

模拟法是通过在轿厢加入相应的标准砝码^[37]，模拟空载、25%、50%、75%、100%额定载重量运行工况，测试不同载荷情况下的电能消耗。为准确模拟电梯运行时载荷变化情况，使用该方法时应根据表2考虑不同载荷对应权重。

考虑不同载荷权重的电梯工况能效指数$ {\varphi }_{m} $计算公式为：

式中：$ {E}_{i} $——电梯负载$ i\% $额定载荷时，完成一个测试周期消耗的电量；

$ {W}_{i} $——电梯负载$ i\% $额定载荷时，测试周期轿厢运输量。

电梯运输量$ {W}_{i} $计算公式为：

式中：$ Q $——电梯额定载荷；

$ H $——电梯提升高度。

3.1.2 空载法

空载法是电梯轿厢处于空载状态时，测量电梯运行时的电量消耗。电梯空载能效指数$ {\varphi }_{0} $计算公式为：

式中：$ {E}_{0} $——电梯空载完成一个测试周期消耗的电量；

$ {W}_{0} $——电梯空载时的运输量。

采用空载法时，需引入载荷系数，以完整分析不同工况时电梯能效，现行载荷系数确定方法有以下两种。

1） 载荷系数固定取值0.7^[13]，电梯运行能效$ \varphi $计算公式为：

2） 载荷系数动态取值^[14]，引入换算系数$ \mu $、平衡系数修正系数$ \sigma $、被测电梯平衡系数$ k $，电梯运行能效$ \varphi $计算公式为：

式中：$ \mu $的取值为2.17；$ \sigma $计算公式为：

两种方法在实践应用中各有优缺点。模拟法分别还原了五种典型电梯运行工况，测试结果准确度较高，但是测试流程复杂，耗时更长。空载法则具有测试流程简单、时间短的优点，但是存在不同场景载荷系数确定难的缺点。

3.2 电梯能效测试实例

通过一则电梯能效测试实例，分析两种测试方法的技术特点和载荷系数取值的适用性。

3.2.1 电梯参数

被测电梯位于成都市高新区，电梯类别为曳引驱动乘客电梯，制造日期为2009年，最近一次定期检验合格，相关参数见表3。此外，需要补充说明的是本研究主要关注电梯传动方式为永磁同步的电梯类型。其原因在于：一方面，永磁同步曳引机为主的电梯以其体积小、损耗低、效率高、低噪音等优点，占据了市场主流地位。另一方面，永磁同步电梯的核心优势之一是其高效率，这直接导致能源消耗降低。因此，评估这种类型电梯的能效可以帮助我们了解在实际应用中节能的潜力和效果。

3.2.2 测试过程

测试前，确认电梯满足正常运行环境条件，并确定电梯待机停靠基站。准备电梯维护保养和电能测试相关工具（电能测量工具为Fluke 435-II电能质量分析仪），以确保测试结果的准确性和可靠性。

测试中，取消电梯并联控制，屏蔽电梯外部呼叫信号，通过专用检修工具操作电梯运行，避免电梯运行状态受人为和环境因素干扰。分别在轿厢空载、25%、50%、75%和100%额定载荷情况下，完成两次完整行程（第一次执行上、下行全部提升高度；第二次执行上、下行全部提升高度的同时，中途在基站停靠），运用电能测量工具，实测电梯能耗值见表4。

测试结束，恢复电梯正常运行。

3.2.3 测试结果

1）使用模拟法，通过公式（2）结合电梯额定载荷Q和提升高度H，计算得到电梯运输量W_i（见表5）。

将电梯运输量$ {W}_{i} $和电梯能耗值$ {E}_{i} $代入公式（1），计算电梯工况能效指数$ {\varphi }_{m} $：

2）采用空载法时，将空载时电梯能耗值$ {E}_{0} $和电梯运输量$ {W}_{0} $代入公式（3），计算电梯空载能效指数$ {\varphi }_{0} $：

电梯工况能效可等同于电梯运行能效$ \varphi $：

电梯空载能效可转换为电梯运行能效。当采用载荷系数固定取值时，代入公式（6），计算转换后电梯运行能效$ {\varphi }_{1} $：

当采用载荷系数动态取值时，代入公式（7），计算转换后电梯运行能效$ {\varphi }_{2} $：

上述结果分析可知：载荷系数固定取值时，电梯运行能效值误差较大，达到66%；载荷系数动态取值时，电梯运行能效值误差为1.2%。

4 电梯能效测试技术展望 4.1 电梯能效测试方法标准化

本文展示的电梯能效测试实例运用了两种典型的测试方法，模拟法耗时约2 h，空载法耗时约20 min，我国电梯保有量巨大，要提供工作效率，应优先采用空载法。电梯空载能效测试结果转换成电梯运行能效需考虑载荷系数，国内相关地方标准提出了估值取值和动态取值两种方法，测试结果表明，动态取值误差更小。

针对不同测试方法在测试难度和测试结果方面存在明显差异的现实情况下，电梯主管部门及标准化委员会应广泛调研不同使用场景、不同使用年限及不同设备类型电梯能效现状，细化载荷系数动态取值方案，研究提出适合国情的电梯能效测试标准。为更好应用测试结果，还应制定电梯能效分级标准，设计电梯能效标志，让电梯使用单位更直观地认识电梯能效性能，促进节能技术应用。

4.2 电梯能效监测产品智能化

在物联网和人工智能技术不断进步的当代，为了实现电梯能耗的根本性降低，亟需加强对电梯能效监测产品的研发力度。以能效在线监测、综合能效测试、能量验证等为代表的智能化技术已在电系统^[40]、锅炉^[41]等众多领域得到成熟应用，并取得了显著节能效果。

电梯作为电机驱动特种设备，与锅炉等特种设备在某些技术应用上存在共通性，因此，电梯能效监测产品的研发可借鉴其成功经验。例如，为提升电梯能效监测的精确性和实时性，研究电梯能耗在线监测系统，不仅能够提供连续的能耗数据，还能够通过数据分析，识别低能效环节，为电梯能效的改进提供科学依据。此外，考虑到电梯能效分配将越来越趋向于动态化和个性化，开发智能调度系统亦是另一个重要研究方向。智能调度系统应根据实时需求和流量情况，从节约能源的角度优化电梯运行策略，并自动识别异常状态、预测潜在故障，提供及时的能效优化建议，最大程度减少能源浪费和停机时间。

5 结束语

在实现“双碳”目标的背景下，电梯作为重要的建筑能耗设备，其能源消耗和能效提升受到了越来越多的关注。鉴于我国庞大的电梯保有量及其导致的显著能耗，电梯节能和能效提升已成为行业内的一个核心议题。因此，提升电梯能效和实施节能措施已经成为行业发展的重点方向。

历史经验和现有研究表明，开展电梯能效评价是提升能效和降低能耗的有效途径。电梯能效评价不仅为节能目标的实现提供了量化的基准，而且通过评价结果指导电梯系统的优化和改进。本文通过对比分析现有的主流电梯能效测试方法，发现模拟法虽然能够精确模拟电梯的实际运行状态，提供高准确度的测试结果，但其测试过程较为繁琐且耗时较长。相对而言，空载法虽然受载荷系数影响较大，但因其操作简单和测试时间短的特点而广受欢迎。

电梯能效测试技术预期将在多个方面取得进一步发展。如：测试方法的标准化，监测产品的智能化，以及针对新产品的研发创新。在“双碳”目标的推动下，随着电梯能效分级制度的建立和动态调度策略的应用，结合智能监测技术的发展，将有效促进电梯行业的节能减排，推动电梯行业向更高能效标准迈进，为建筑行业的能源节约和环境保护目标的实现做出重要贡献。