Quanto possono essere veloci gli ascensori più veloci?

Esaminare cosa limita la velocità dell'ascensore per passeggeri e quanto più velocemente saranno disponibili quelli

dal Dr. Albert So e Ricky Chan

L'anno scorso, il primo autore di questo articolo ha pubblicato "Fastest Elevator – A Competition in High Technology" (ELEVATOR WORLD, settembre 2014), discutendo di varie tecnologie sviluppate da produttori internazionali per battere il record di velocità, ora a 1,200 mpm (anche se non ancora installato), mentre i record precedenti erano 750 mpm nella Yokohama Landmark Tower, 1,010 mpm nel Taipei 101 e 1,080 nella Shanghai Tower. L'ultima frase dell'articolo affermava "una rivoluzione nel record di velocità degli ascensori è inesorabile" a causa della continua crescita in altezza degli edifici ultra-alti in tutto il mondo, che mirano a 1 km di altezza.

Un lettore, Pieter J. de Groot, ha commentato (EW, dicembre 2014) che la velocità massima degli ascensori è limitata dalla velocità di variazione della pressione dell'aria che può essere tollerata dai passeggeri. È noto che la pressione dell'aria atmosferica diminuisce ad una velocità di circa 12 millibar (mb) per 100 m, come menzionato nel commento di de Groot. Ha inoltre sottolineato che la pressurizzazione delle auto, che è una complicazione indesiderabile ma con vantaggi minimi di tempo, non risolve il problema della riduzione del tasso di variazione della pressione dell'aria per i passeggeri. Questo perché il controllo della pressione dell'aria all'interno dell'auto per mantenere un tasso di variazione costante richiede sia la depressurizzazione durante la prima metà di un viaggio in salita, sia la pressurizzazione durante la seconda metà del viaggio in salita.

La risposta dell'autore, anche nell'ultimo numero di EW, ha affermato che il produttore degli ascensori ad altissima velocità che servono Taipei 101 ha ottenuto una velocità controllata di variazione della pressione dell'aria in cabina a 1.26 mb al secondo (mbps), che è accettabile per maggior parte dei passeggeri. In effetti, la particolare cabina dell'ascensore di Taipei 101 è ermetica e ha un barometro in cabina sotto il controllo continuo e complicato di un ventilatore. In altre parole, i passeggeri dovrebbero sentirsi a proprio agio quando viaggiano in un ascensore super veloce, qualunque sia la velocità, a condizione che il tasso di variazione della pressione in cabina sia sotto controllo. Questo articolo continuerà la risposta dell'autore spiegando la fisica dietro la risposta, quindi introdurrà una potenziale soluzione per i produttori per battere continuamente i record di velocità.

Il limite di velocità basato sulla fisica delle variazioni della pressione dell'aria

La velocità effettiva di variazione della pressione dell'aria che limita la velocità dell'ascensore è la pressione esterna al vano corsa, non all'interno della cabina. Sebbene alcune auto siano a tenuta d'aria, il vano di corsa esistente e l'interno dell'edificio non lo sono. Ciò significa che la pressione dell'aria all'esterno del vano corsa diminuirà a una velocità di 0.12 mb per metro verso l'alto. Anche se l'auto stessa può mantenere una velocità costante e confortevole di riduzione della pressione dell'aria a 1.26 mbps, la pressione dell'aria esterna non scende alla stessa velocità se la velocità dell'ascensore è troppo elevata.

Prendiamo un esempio estremo di una velocità di un'auto di, diciamo, 30 mps. In 33 s., l'auto ha già percorso una salita di circa 1,000 m con una comoda riduzione della pressione dell'aria di 1.26 X 33 = 41.6 mb in totale (senza considerare l'accelerazione e la decelerazione). Tuttavia, all'esterno dell'auto, la riduzione totale della pressione dell'aria è pari a 1,000 X 0.12 = 120 mb. Quando l'auto si ferma al piano di 1,000 m e le porte cabina/piano vengono aperte, i passeggeri affrontano un'immediata caduta di pressione dell'aria di 120 – 41.6 = 78.4 mb, che non è tollerabile dalla maggior parte dei passeggeri. Va notato che il cambio esatto dovrebbe essere molto inferiore, perché qui non viene considerato il tempo per l'accelerazione e la decelerazione (anche se sarà più tardi).

Sembra che il comodo calo o aumento di 1.26 mb al secondo e il cambiamento di 0.12 mb della pressione atmosferica esterna per metro di dislivello abbiano già limitato la velocità dell'auto a 1.26/0.12 = 10.5 mps. Ma gli ascensori Taipei 101 hanno infranto questo limite per più di un decennio. Questo perché dobbiamo affrontare tutti e tre i tipi di movimento: accelerazione, funzionamento a velocità nominale e decelerazione.

Il seguente modello matematico potrebbe aiutarci a capire di più sull'intero evento e stimare teoricamente il limite di velocità. La Figura 1 mostra la curva velocità/tempo di una tipica cabina di ascensore. La zona I è la regione di accelerazione a a mps², da t = 0 s. a t = t1 s.; La zona II è la regione della velocità nominale, a velocità = v mps, da t = t1 s. a t2 s.; La zona III è la regione di decelerazione, a –a mps2, da t = t2 s. a t = t2 + t1 s. a causa della simmetria del profilo di velocità. Qui, per semplicità, vengono ignorati i brevissimi periodi di scatto. La tabella 1 mostra i valori dei relativi parametri cinematici.

Il tempo più breve impiegato da questo viaggio tipico è, ovviamente, quando t1 = t2 (cioè, nessun funzionamento a velocità nominale allungata, che rende più difficile il controllo della pressione). Quindi, tempo totale impiegato = 2 t1 s. e distanza totale percorsa = a (t1)2 m. Il tempo totale impiegato determina la variazione massima della pressione dell'aria all'interno dell'auto durante l'intero viaggio = 2 t1 X 1.26 mb = 2.52 t1 mb. La distanza totale percorsa regola la variazione della pressione dell'aria fuori dall'auto durante l'intero viaggio = a (t1)2 X 0.12 mb = 0.12 a (t1)² mb. Per assicurarsi che i passeggeri non debbano affrontare un improvviso calo della pressione dell'aria quando escono dall'auto, è necessaria la disuguaglianza rappresentata nell'equazione 1.

0.12at² < 2.52t₁          at₁ < 21

(Equazione 1)

Va notato dalla tabella 1 che at1 è anche la velocità raggiunta, il che implica che la velocità massima raggiunta è 21 mps. Se si utilizza la normale velocità di accelerazione/decelerazione di 1 mps2 (tollerabile dalla maggior parte dei passeggeri), t1 non deve essere superiore a 21 s. Se viene utilizzata un'altra velocità di accelerazione/decelerazione, t₁ sarà anche diverso, ma il limite di velocità teorico è sempre pari a 21 mps.

Sembra che il sistema di ascensori che servirà il Guangzhou CTF Finance Center sia già arrivato all'estremo. Naturalmente, c'è ancora spazio per un leggero aumento oltre i 21 mp guadagnando tempo. Ad esempio, quando le porte sono chiuse al piano terra, può iniziare la riduzione della pressione dell'aria mentre potrebbero essere necessari alcuni secondi in più prima che l'auto inizi a salire. Quando l'auto raggiunge il piano superiore, potrebbero essere necessari alcuni secondi in più per il livellamento, durante i quali è possibile ottenere un'ulteriore riduzione della pressione dell'aria all'interno dell'auto. La prossima sezione spiegherà una potenziale soluzione per ridurre ulteriormente questa pressione, che potrebbe consentire ai produttori internazionali di ascensori di continuare la loro competizione di velocità.

Controllo aerodinamico della pressione dell'aria all'interno dell'edificio

Come affermato nel commento di cui sopra, l'infiltrazione è altamente indesiderabile negli edifici moderni quando si tratta di sostenibilità e risparmio energetico.[2] Quando l'aria esterna penetra in modo incontrollato nell'edificio attraverso piccole fessure sulla facciata (compresa la finestratura), il carico di raffreddamento o riscaldamento sarà notevolmente aumentato. Le normali linee guida ingegneristiche affermano che tutta l'aria esterna deve essere introdotta in un edificio attraverso filtri per rimuovere polvere e batteri e adeguatamente estratta per rimuovere l'odore interno. Questo spiega perché gli interni degli edifici sono generalmente leggermente pressurizzati, per assicurarsi che solo l'aria interna fuoriesca, mentre l'aria esterna non possa entrare. In altre parole, è desiderabile e possibile controllare la pressione dell'aria all'interno dell'edificio utilizzando la ventilazione meccanica per il scopo di risparmiare energia. Sigillare tutti gli spazi vuoti sulla facciata sarebbe sicuramente d'aiuto.

Un articolo sugli ascensori ad alta velocità che servono Taipei 101[3] menzionava che ogni volta che la pressione atmosferica cambia all'interno o all'esterno della cabina dell'ascensore, causerebbe disagio fisiologico ai passeggeri. L'autore ha riferito che questi ascensori hanno viaggiato a velocità contrattuali di 1,010 mpm (16.8 mps) in su e 600 mpm (10 mps) in giù oltre 382.2 m. La differenza di pressione atmosferica tra i piani di spedizione e destinazione a Taipei 101 è di circa 48 mb. È noto che qualsiasi cambiamento improvviso della pressione atmosferica avrebbe normalmente fatto sentire alcuni passeggeri piuttosto a disagio o male, proprio come su un aereo prima dell'atterraggio. Per risolvere questo problema, Toshiba ha sviluppato un sistema di regolazione della pressione atmosferica per mitigare il disagio dovuto alla differenza di pressione all'interno e all'esterno dell'auto quando si viaggia ad alta velocità.

Lo stesso principio utilizzato nel caso di Taipei 101 può essere applicato allo studio dell'ipotetico edificio alto 1,000 m, che è stato proposto nella sezione precedente di questo articolo per essere dotato di un ascensore ad altissima velocità che cerca di funzionare a un alta velocità di contratto immaginaria di, diciamo, 30 mps. Utilizzando questa ipotesi e il gradiente di pressione naturale di 12 mb per 100 m, la differenza di pressione totale tra il tetto e il piano terra è di 120 mb. Come dimostrato nella sezione precedente e nel caso di Taipei 101, uno schema con il tasso di variazione della pressione all'interno dell'auto fissato allo stesso valore dall'inizio alla fine è il più desiderato. Nel suo caso, la variazione di pressione all'interno di un'auto in salita potrebbe essere drasticamente ridotta a 1.29 mbps e anche ridotta durante la discesa a soli 0.96 mbps,[3] che rientravano ampiamente nella comoda tolleranza sostenuta finora. Queste cifre sono state ottenute principalmente grazie a un ventilatore ad alta pressione che genera la pressione necessaria all'interno dell'auto. Nel caso Taipei 101 è stata menzionata anche la forma aerodinamica della capsula dell'auto, mentre il primo autore di questo articolo ha studiato la forma dell'auto per migliorare le prestazioni aerodinamiche degli ascensori ad alta velocità.[4]

Per affrontare il problema principale di de Groot, quando l'auto si ferma al punto di atterraggio a 1,000 m di altezza e le porte di piano dell'auto vengono aperte, i passeggeri devono affrontare un'immediata caduta di pressione dell'aria di decine di millibar, che non è tollerabile dalla maggior parte passeggeri. Uno studio correlato degli autori di questo articolo ha da allora individuato questo improvviso calo della pressione dell'aria nel punto più alto dell'ascensore e nei corrispondenti livelli sottostanti. Lo studio include una serie di calcoli su quanta pressione aggiuntiva sarebbe necessaria per annullare la differenza di pressione a diverse altezze e livelli di questo edificio con la cabina dell'ascensore che fa la spola a 30 mps.

Si fa riferimento alla tabella 2 che mostra le variazioni di tempo, altezza, velocità, pressione in cabina, pressione atmosferica esterna e pressione interna da aggiungere per l'auto intitolata che viaggia dal piano terra all'ultimo piano a 990 m di altezza con un'accelerazione costante e velocità di decelerazione di 1 mps2. Qui si assume un'altezza uniforme del pavimento di 4 m per piano. Si può notare che l'intero viaggio dura 63 s. senza considerare lo strappo, e che la massima pressione aggiunta di circa 46 mb si verifica ad un'altezza di circa 930-940 m dal suolo verso la fine del viaggio. Quando la pressione aggiunta è negativa, la pressione dell'aria interna deve essere inferiore alla pressione atmosferica alla stessa altezza, e viceversa per una pressione aggiunta positiva.

Per eliminare l'effetto di un improvviso calo di pressione come sperimentato dai passeggeri quando una cabina di un ascensore ad altissima velocità atterra e apre le porte a ogni livello del piano, la pressurizzazione dell'edificio per uffici a diversi livelli deve essere adeguatamente controllata come illustrato nella Figura 2 in modo da bilanciare la drastica differenza di pressione tra la cabina dell'ascensore e l'atrio.

Questo sistema applica un ventilatore ad alta prevalenza per generare un'elevata pressione dell'aria a ciascun piano ogni volta che la pressione aggiunta richiesta è positiva (come mostrato nella Tabella 2) per adattarsi ai valori calcolati sulla base di una caduta di 1.26 mb al secondo di corsa e una riduzione verticale di 0.12 mb per m. Naturalmente la pressione atmosferica esterna varia a causa di vari fattori, quali le condizioni meteorologiche istantanee, le stagioni dell'anno e l'impostazione della temperatura dell'impianto di climatizzazione centralizzato. Tuttavia, tutti questi dati possono essere inviati al sistema di gestione dell'edificio, quindi al sistema di pressurizzazione dell'aria all'interno dell'auto per il controllo dinamico della pressione dell'aria interna di ogni piano. Questo controllo è facilitato dai sistemi di trattamento dell'aria standard come mostrato nella Figura 3. La teoria matematica e gli algoritmi per la selezione dei ventilatori con cui ottenere la precisa compensazione della pressione come descritto sopra possono essere ottenuti e richiamati anche in BS 5588-4: 1998 o l'ultimo British Standard o European Norm corrispondente alla pressurizzazione e depressurizzazione delle scale.[1]

Analisi

Sebbene questo metodo sembri essere una potenziale soluzione per motivi di sostenibilità, oltre al comfort di guida dell'ascensore, ci sono considerazioni tecniche. Sebbene sia possibile pressurizzare ogni piano, è impossibile pressurizzare il vano ascensore che si estende dal piano terra all'ultimo piano. Quando le porte della cabina/di piano si aprono in un particolare piano, gli spazi intorno ai bordi delle porte devono essere prima sigillati in modo che la cabina sia aperta solo verso l'atrio, anziché verso il vano ascensore. La pressione su tutto il piano, compreso l'atrio, deve essere uniforme. In altre parole, la cabina, l'atrio e l'intero piano devono essere a tenuta d'aria contro il vano ascensore. Le crepe sulla facciata dell'edificio e intorno alle finestrature devono essere sigillate, altrimenti il ​​tasso di perdita d'aria sarà piuttosto elevato ai piani più alti, poiché c'è una differenza di pressione crescente di decine di millibar. Anche in questo caso le scale fungono da vano ascensore e, quindi, la variazione della pressione dell'aria lungo le scale è equivalente a quella dell'esterno. Anche le scale devono essere pressurizzate, poiché la tendenza all'uso degli ascensori per le scale antincendio sta maturando, diminuendo la dipendenza dalle scale.

Si prevede, anche se non stimato dai tuoi autori, che l'energia consumata per creare un grattacielo così ermetico potrebbe essere notevole. Fortunatamente, la differenza di pressione tra piani consecutivi, interpolata tra i valori elencati nella Tabella 2, non è così elevata che la perdita d'aria tra i piani non costituirebbe una preoccupazione importante. Per corse brevi, il tempo impiegato in accelerazione e decelerazione è relativamente lungo; quindi, il controllo della pressione in auto è meno impegnativo dove il calo di 1.26 mbps potrebbe sempre essere soddisfatto. La vera sfida consiste in un viaggio in navetta dal piano terra all'ultimo piano di un edificio alto quasi 1 km.

Conclusione

Questo articolo sostiene che è tecnicamente possibile per gli ascensori infrangere il limite di velocità teorico, ad esempio 21 mps come stimato, utilizzando il controllo avanzato della pressurizzazione del riscaldamento, della ventilazione e dell'aria condizionata. Tuttavia, gli autori concordano con l'opinione di de Groot, in generale, che un'ulteriore competizione per il record di velocità degli ascensori non è così significativa, mentre ci sono molti altri modi per affrontare i viaggi delle navette all'interno di edifici molto alti. La creazione di terminal delle navette a diverse altezze offre ai passeggeri l'opportunità di abituarsi alla pressione dell'aria più bassa in un determinato terminal prima di procedere a cambiare auto per raggiungere un terminal più alto. Un altro modo è quello di creare una lobby di adattamento alla pressione in ogni piano alto in modo che i passeggeri si prendano del tempo per rimanere lì prima di poter entrare nel cuore dell'edificio. Questo metodo è stato utilizzato per anni dai subacquei d'altura. Come annunciato, il prossimo record di velocità sarà di 20 mps. Vediamo fino a che punto possono spingersi i produttori internazionali!

Referenze
[1] BS 5588-4 (1998): Precauzioni antincendio nella progettazione, costruzione e uso degli edifici – Parte 4: Codice di condotta per il controllo del fumo mediante differenziali di pressione.
[2] de Groot, PJ “Commenti” e So, A. “Risposta dell’autore”, ELEVATOR WORLD, dicembre 2014.
[3] Mizuguchi H., et al. "Rompere la barriera di 1000 mpm: ascensori ad alta velocità a Taipei 101", EW, settembre 2005.
[4] Quindi, A. “Ascensore più veloce – A Competition in High Technology”, EW, settembre 2014.
[5] Trane Engineers Newsletter, Gestione dei dettagli della pressurizzazione degli edifici commerciali, American Standard Inc., vol. 31, n. 2. (2002).