Ascensori senza funi: quanti pozzi e auto servono?

I tuoi autori stabiliscono i principi di progettazione del traffico e descrivono le strategie di smistamento e modellazione relative ai sistemi futuri.

di Stefan Gerstenmeyer e Dr. Richard Peters

Questo articolo è stato presentato per la prima volta al quinto Simposio sulle tecnologie degli ascensori e delle scale mobili, www.liftsymposium.org.

Una nuova generazione di ascensori attualmente in fase di sviluppo applica la propulsione lineare magnetica e non necessita di funi. Gli alberi sono condivisi e gli ascensori si muovono in due o più dimensioni. Gli edifici più alti e più densamente popolati saranno sistemati aggiungendo più auto ma non necessariamente più pozzi. Gli ingegneri che pianificano le installazioni degli ascensori hanno bisogno di nuovi modi per valutare la capacità di movimentazione e la qualità del servizio fornito dagli ascensori senza fune. In questo articolo vengono stabiliti alcuni principi di progettazione del traffico applicando semplici calcoli del tempo di ciclo. Ad esempio, le applicazioni di sollevamento a navetta vengono considerate e confrontate con le attuali soluzioni a fune. Migliorare i calcoli del tempo di ciclo richiede lo sviluppo di strategie di dispacciamento, la modellazione dei requisiti di distanza di sicurezza e modelli di simulazione del traffico. Verrà presentata una panoramica dei progressi in questi settori.

Il numero di ascensori a fune nei sistemi di sollevamento noti è limitato a una o due cabine in un vano poiché le funi di sospensione della cabina inferiore devono essere deviate attorno alla cabina superiore.[1] Mettere più di due auto in un pozzo è limitato a causa dello spazio necessario alle funi. Inoltre, l'efficienza nella gestione del traffico è limitata dall'inserimento di più di due auto in un vano, poiché diventa più difficile per tutte le cabine servire i piani di ingresso principali. L'utilizzo di un albero per la corsa sia in salita che in discesa significa che le auto devono attendere fino a quando tutte le auto non devono invertire la direzione di marcia, il che è un vincolo per migliorare le prestazioni. Avere più auto che corrono in almeno due alberi circolanti con un albero utilizzato per viaggiare nella direzione verso l'alto e l'altro albero per viaggiare nella direzione verso il basso consente miglioramenti nelle prestazioni e un utilizzo efficiente dell'albero. Un primo esempio è il paternoster, che è stata la prima realizzazione di un sistema di circolazione dell'ascensore.[2] La catena continua e lenta di cabine aperte, senza porte di cabina o vano, ha limitazioni nel tempo di viaggio, nella sicurezza e nel trasporto di passeggeri portatori di handicap. Supponendo una distanza da cabina a cabina di 3 m, una velocità di circa 0.3 mps[3] e due passeggeri per cabina, la capacità di movimentazione di un paternoster è di circa 60 passeggeri per 5 min.

Per i nuovi e sicuri sistemi di sollevamento multicar a circolazione (MCLS), i motori lineari installati nel vano di sollevamento di più auto singole e indipendenti sono tra le principali tecnologie abilitanti. Il concetto e l'idea di un MCLS circolante con auto mobili indipendenti non sono nuovi nel settore degli ascensori.[4] Sono stati pubblicati semplici calcoli del traffico di un sistema di ascensori circolanti sulla base di ipotesi tecniche, poiché c'erano questioni tecniche ed economiche senza risposta.[5] Sono state discusse le sfide tecniche dell'utilizzo di ascensori senza funi/contrappesi e le opportunità nell'efficienza degli edifici per i sistemi di circolazione degli ascensori[6]. Sono stati analizzati anche sistemi di traffico bidimensionali avanzati che includono il movimento orizzontale dei passeggeri.[7 e 8]

Nel 2014 è stato presentato un MCLS attualmente in fase di sviluppo.[9] Diverse innovazioni e soluzioni tecniche risolvono le sfide tecniche per realizzare un MCLS circolante.[10] I motori lineari azionano più auto in movimento indipendenti in più alberi. I design leggeri della cabina per otto passeggeri consentono un sistema economico. Un sistema di sicurezza certificato, compresi i freni di sicurezza, garantisce che non vi siano collisioni. Una soluzione a zaino guida le auto e consente alle unità di scambio di spostare le auto tra gli alberi orizzontalmente. Questo articolo esaminerà l'analisi del traffico di questo sistema realistico basato su semplici calcoli del tempo di ciclo e descriverà i vincoli del tempo di ciclo.

Concetto di traffico

Con i treni interurbani e il trasporto urbano, esistono diversi sistemi di trasporto orizzontale e sono collegati tra loro come un concetto di trasporto orizzontale. Rispetto al trasporto orizzontale, un MCLS a circolazione deve adattarsi a un concetto di traffico verticale di un edificio alto.

Un MCLS circolante viene utilizzato come sistema di sollevamento navetta tra le lobby di terra e cielo all'interno di un concetto di traffico verticale.[10] Le unità di scambio sono installate negli atri di terra e negli atri superiori del cielo. La Figura 1 mostra esempi di come un MCLS circolante può essere incluso in un concetto di trasporto verticale. Diversi MCLS (S1) servono gli sky lobby di diverse zone di costruzione (zone 1 e 2). Il trasporto locale all'interno della zona edificabile può essere fornito da sistemi ascensori tradizionali, ad esempio sistemi senza locale macchina (L1 b) o da sistemi con due auto indipendenti in un vano (L1 a). Quest'ultima soluzione consente il traffico interzonale diretto. Gli MCLS con doppia hall a terra e doppia hall a cielo (S2) consentono il caricamento simultaneo di due cabine in un vano. I gruppi locali possono essere realizzati con sistemi di ascensore a due piani (L2 b) o con sistemi più flessibili con due cabine indipendenti in un vano (L2 a). Anche il trasporto orizzontale di passeggeri è possibile ma non considerato in questo articolo.

Tempo di ciclo minimo possibile

Il numero di passeggeri in arrivo in una specifica lobby che può essere trasportato dalla MCLS in un determinato tempo può essere calcolato dal numero di cabine piene in partenza. Il tempo tra due auto successive è il tempo di ciclo.

Tempo di Ciclo

Il tempo di ciclo in una MCLS è il tempo che intercorre tra la partenza o l'arrivo di due vetture successive. Può anche essere definito come il tempo tra due vetture successive che passano una determinata posizione nel vano viaggiando alla stessa velocità e nella stessa direzione.

La figura 2 mostra le posizioni verticali nel tempo di due vetture successive, D_VCar1(t) e D_VCar2(T). Entrambe le vetture viaggiano in salita nel primo vano, cambiando vano all'ultimo piano a 100 me viaggiando in discesa in un secondo vano. Mentre l'auto 1 è già passata al vano di discesa, l'auto 2 sta arrivando a 100 m nel vano di salita. Al piano inferiore, le auto stanno cambiando di nuovo i pozzi. Entrambe le auto si fermano in ogni direzione ad un soppalco a quota 50 m. Il tempo tra le vetture 1 e 2 è il tempo di ciclo.

Per una migliore panoramica, la posizione delle auto aggiuntive che viaggiano nella MCLS non viene mostrata. Poiché il tempo ciclo minimo possibile è limitato dalla distanza minima durante un viaggio di andata e ritorno completo delle vetture, è necessario considerare in dettaglio le situazioni critiche. È ovvio che solo un'auto può trovarsi in una posizione specifica allo stesso tempo. Se le auto sono in viaggio, cambiano posizione continuamente, rendendo disponibile la posizione per l'auto successiva. Se le auto sono ferme, solo un'auto può essere in quella posizione per il tempo in cui l'auto si trova in quella posizione. Per trovare il tempo ciclo minimo possibile su un percorso completo di andata e ritorno, è necessario analizzare in dettaglio le fermate delle auto.

Limiti della distanza di sicurezza

Per definire il tempo di ciclo minimo possibile tra le auto in un MCLS, è necessario considerare i vincoli di distanza di sicurezza. Ci deve essere una distanza minima tra le auto in qualsiasi momento durante il normale funzionamento. Il sistema di controllo responsabile di una capacità di movimentazione ottimizzata in 5 min. (HC5) e la qualità del servizio devono considerare questa distanza minima. Un sistema di sicurezza certificato attiva l'arresto di emergenza delle vetture in caso di violazione delle distanze di sicurezza. Inoltre, abilitando un arresto controllato delle vetture, il sistema di controllo monitora posizioni e movimenti delle vetture e decelera le vetture in situazioni impreviste senza attivare l'arresto di emergenza. L'arresto controllato delle auto include velocità di strappo e decelerazione uguali o superiori rispetto alle normali velocità di funzionamento.

È possibile calcolare in qualsiasi momento una distanza di arresto e un punto di arresto della decelerazione controllata.[11] In caso di violazione delle distanze minime tra le vetture, le vetture possono essere fermate eseguendo una decelerazione controllata. La figura 3 mostra la posizione di una cabina nel tempo (D(t)) e il punto di arresto (DSP(t)) dopo una decelerazione controllata spontanea con valori di decelerazione nominali. Se l'ascensore è in fase di decelerazione fino al livello di 50 m (10-16 s.), la decelerazione controllata spontanea non può arrestare prima la cabina se vengono utilizzati i valori nominali di decelerazione e strappo. Il punto di arresto è costante anche se viene avviata una decelerazione spontanea durante la fine del processo di accelerazione (5-6 s.), mentre l'accelerazione viene ridotta da un jerk negativo. La decelerazione controllata può essere azionata anche con valori più alti di decelerazione e strappo. Per calcolare una posizione di sicurezza di un'altra vettura, è necessario aggiungere alla posizione di arresto una distanza minima, che include l'altezza della vettura.

scambiatore

Per analizzare l'arresto in corrispondenza di un'unità scambiatore, è necessario considerare il progetto dell'unità scambiatore e il processo di scambio delle auto tra gli alberi. L'analisi si basa su una soluzione a zaino che include il motore lineare e la guida per auto.[10] Gli elementi dell'albero sono in grado di ruotare di 90°. Le auto possono muoversi orizzontalmente. I passeggeri possono caricare e scaricare durante il processo di rotazione poiché la cabina è tenuta in posizione verticale. La Figura 4 mostra un semplice esempio della funzionalità dell'unità scambiatore.

Calcolo del Tempo di Ciclo Minimo Possibile

Vengono analizzate le situazioni che coinvolgono il collo di bottiglia durante il tempo di ciclo minimo possibile (tCy). Ciò include le fermate alle unità di scambio e le fermate intermedie in cui entrambe le auto si fermano successivamente.

Tempo di ciclo all'atterraggio di uno scambiatore

Il tempo ciclo minimo al pianerottolo dello scambiatore (tCyEx) con carico e scarico passeggeri può essere calcolato con l'Equazione 1. Il trasferimento dei passeggeri durante il tempo di sosta (tStand) della cabina può essere effettuato parallelamente al tempo di preparazione dello scambiatore tEx (rotazione del l'elemento albero) per il seguente movimento orizzontale o verticale:

^tC_yE_x=t_arr + massimo (^tIn piedi, ^tEs) + ^tDip + ^tEs (Equazione 1)

Dopo che una vettura precedente/anteriore è partita dallo scambiatore (^tDep), l'orario di arrivo dell'auto successiva (^tArr) è il tempo impiegato da un'auto per arrivare dopo che l'unità di scambio è stata preparata per la prossima auto (^tEx). Un lungo tempo di arrivo dell'auto (^tArr) per la cabina successiva può abilitare la predisposizione in parallelo dello scambiatore dopo che la cabina precedente/anteriore è uscita dal pianerottolo dello scambiatore.

Il tempo di sosta (tStand) è calcolato con l'Equazione 2 e include i tempi di trasferimento dei passeggeri (tp), il numero medio di passeggeri in cabina (P) e i tempi delle porte (tempo di apertura della porta: to, tempo di sosta della porta: tdwell, tempo di chiusura della porta: tc ).

^t_Stand = ^t_o + ^t_abitare + ^t_c        (Equazione 2)

Tempo di ciclo ad un piano intermedio (entrambi si fermano)

Il tempo ciclo minimo ad un piano intermedio con due vetture successive che si fermano allo stesso piano (^t_CiF2) può essere calcolato con l'equazione 3. Il tempo che intercorre tra la partenza dell'auto anteriore 1 e l'arrivo dell'auto successiva 2 (tempo di inizio e fine ^t_s2s) dipende dalle distanze di arresto e dalle distanze minime tra le vetture ed è mostrato in Figura 5. La posizione di sicurezza per la cabina 1 relativa alla cabina 2 è mostrata con D2SfP(t) e dipende dalla posizione, punto di arresto di una decelerazione controllata con valori nominali dell'auto 2 e una distanza minima aggiuntiva tra l'auto 2 e l'auto 1. La posizione sicura non deve toccare la posizione dell'auto 1.

^t_CiF2 = ^t_Stand + ^t_s2s   (Equazione 3)

^t_Cy = ^{massimo (t}_CyEx,^t_CiF2) (Equazione 4)

La situazione con il tempo di ciclo minimo più lungo è il tempo di ciclo minimo possibile dell'MCLS ed è definita con l'equazione (4).

Capacità di movimentazione

Per utilizzare un MCLS circolante in un concetto di traffico verticale, è necessario conoscere l'HC5. Poiché questo sistema di sollevamento è diverso da quelli tradizionali, le equazioni note devono essere adattate al nuovo sistema.

General

La capacità di movimentazione dei passeggeri in arrivo può essere calcolata con la semplice equazione per gli ascensori convenzionali utilizzando l'intervallo (INT) e il numero di passeggeri per cabina (P) (Equazione 5).[12] Questo vale anche per un MCLS circolante.

         (Equazione 5)

L'intervallo (INT) di un gruppo di MCLS circolanti è definito dal tempo di ciclo medio (tCy) e dal numero di MCLS (NS):

   (Equazione 6)

La capacità di movimentazione dei passeggeri in arrivo in salita è indipendente da qualsiasi traffico in discesa o tra i piani superiori (es. sky lobbies). Il traffico in discesa aggiuntivo influirà sul tempo di andata e ritorno (RTT) di una cabina a causa dei tempi di trasferimento dei passeggeri e dei tempi di ingresso delle fermate esistenti o aggiuntive. Se gli RTT delle cabine cambiano, il numero o la velocità delle cabine deve essere adattato di conseguenza per mantenere il tempo medio di ciclo tra le auto successive ad un valore costante.

Dimensioni cabina

L'aumento delle dimensioni della cabina aumenterà la capacità di movimentazione, specialmente nelle applicazioni con navette. Tuttavia, nelle applicazioni navetta, l'HC5 non è una funzione lineare delle dimensioni della cabina. Raddoppiare le dimensioni della cabina non raddoppia l'HC5 poiché i tempi di trasferimento dei passeggeri e i tempi di ciclo aumentano.

Doppio ingresso

Poiché la capacità di movimentazione è limitata dai tempi di carico e scarico dei passeggeri, i doppi ingressi (due atri uno sopra l'altro) consentono il carico simultaneo di due cabine, aumentando la capacità di movimentazione. Per un MCLS circolante, ogni livello di ingresso può avere un'unità di scambio che consente lo scambio parallelo di due auto. Il tempo di ciclo viene ora misurato tra due coppie di auto (Figura 6); pertanto, è possibile trasportare il doppio del numero di passeggeri per tempo di ciclo. Il tempo di ciclo aumenterà leggermente, poiché gli orari di arrivo e partenza di due auto in un doppio atrio/piano sono più lunghi rispetto a quelli di una sola auto ferma ad un solo piano.

Numero di cabine

Il numero di cabine (NC) in un MCLS circolante dipende dalla RTT e dal tempo di ciclo (tCy). Può essere calcolato con la seguente equazione:

   (Equazione 7)

Questo è anche illustrato con la Figura 7. Mostra un viaggio di andata e ritorno completo di un'auto (D1(t)). L'RTT è diviso per il tempo di ciclo e mostra ogni posizione dell'auto dopo un periodo di tempo di ciclo. Queste posizioni sono uguali alla posizione attuale delle altre vetture nel MCLS al tempo t = 0, che è mostrato con i due alberi di un MCLS in Figura 7. Con configurazioni a doppio ingresso e coppie di auto, il numero di auto è raddoppiato.

È possibile inserire nel sistema solo un numero intero di auto. In caso di RTT invariato e arrotondando per difetto il numero di auto (risultato dell'Equazione 7), il tempo di ciclo medio reale (tCyR) sarà superiore al tempo di ciclo minimo possibile (Equazione 8). Per ottenere la stessa capacità di manovra, è necessario ridurre l'RTT (ad es. aumentando la velocità delle vetture).

  (Equazione 8)

In caso di arrotondamento del numero di cabine (risultato dell'equazione 7), il tempo ciclo minimo medio possibile non può essere ridotto perché limitato al minimo. L'RTT deve essere aumentato secondo l'Equazione 9 per evitare ingorghi (ad esempio riducendo la velocità delle auto):

RTT = ^N_C * ^t_Cy  (Equazione 9)

Qualità del servizio

Poiché la misura principale della qualità del servizio è il tempo di attesa, il tempo di attesa derivato dal tempo di ciclo e dall'intervallo può essere la misura principale.[12] Tuttavia, è necessario considerare anche i tempi di percorrenza e il numero di fermate. Nelle applicazioni multicar, ulteriori ritardi possono essere inclusi come misure di qualità.[13]

L'HC5 massimo per gli ascensori a fune convenzionali si ottiene in un'applicazione con navetta a due fermate. L'RTT è ridotto al minimo. Utilizzando i calcoli RTT, è possibile ottimizzare la qualità del servizio, l'intervallo e il tempo di attesa.

Per un MCLS circolante, l'HC5 è indipendente dal numero di fermate. Inoltre, il tempo di attesa, ad esempio all'ingresso principale, può essere ridotto al minimo, ma ulteriori ritardi durante il viaggio influiranno sulla qualità del servizio. Nelle applicazioni in cui tutte le cabine hanno le stesse fermate, questi ritardi aggiuntivi possono essere ridotti al minimo o completamente evitati attraverso la sincronizzazione delle vetture. Questo può essere paragonato a un treno sotterraneo per il trasporto urbano.

Ogni treno di una linea specifica ha le stesse fermate con un tempo di fermata simile. Se un treno non può passare un altro treno, è possibile evitare ulteriori ritardi durante il normale funzionamento del sistema.

Consentire fermate individuali per ogni auto limita le opzioni per evitare questi ritardi senza sacrificare l'HC5, poiché le auto non possono sorpassarsi. Controlli più sofisticati per l'assegnazione dei passeggeri alle auto possono aiutare a migliorare la situazione. Ciò richiede una guida avanzata dei passeggeri, una buona indicazione e la consapevolezza dei passeggeri che le auto caricate dalla stessa porta di piano viaggiano a piani di destinazione diversi. Questo è inaspettato dalla maggior parte dei passeggeri dell'ascensore e potrebbe creare confusione; potrebbe essere un'opzione in futuro.

Si preferisce quindi l'applicazione a navetta con una o più sky lobbies, in quanto garantisce una buona qualità del servizio con la massima capacità di movimentazione possibile.

Confronto tra i sistemi di sollevamento navetta

Considera un MCLS rispetto ai tradizionali sistemi di sollevamento a due piani in un'applicazione di sollevamento a navetta. La Figura 8 mostra le configurazioni confrontate. Il confronto si basa sui calcoli del tempo di ciclo per i calcoli MCLS e RTT per il sistema a due piani. Verranno confrontate diverse altezze di viaggio: 100, 200, 300, 400, 500 e 600 m.

La tabella 1 mostra i parametri di entrambi i sistemi. La suddivisione del traffico è dell'80% in entrata e del 20% in uscita equamente distribuita su entrambe le lobby. La Figura 9 mostra la velocità e il numero di cabine scelti, l'HC5 e l'intervallo in base all'altezza di viaggio.

La capacità di movimentazione del sistema multicar è costante e indipendente dall'altezza di marcia. A partire da un'altezza di viaggio di circa 200 m, sarà superiore a quella del sistema a due piani confrontato. Il vantaggio della circolazione MCLS può essere visto con l'aumento dell'altezza di viaggio. Per mantenere costante la capacità di movimentazione della MCLS per ogni altezza di viaggio, il numero di cabine rezCxzCrichiesto deve essere adattato per la MCLS senza vani aggiuntivi. Senza l'aggiunta di vani, il numero di cabine per i quattro vani a due piani è costante.

Con l'aumento dell'altezza di corsa, la velocità nominale viene aumentata per entrambi i sistemi. La velocità dell'MCLS è inferiore alla velocità del doppio ponte.

Il tempo medio di attesa (AWT) e il tempo medio di transito (ATT) di entrambi i sistemi sono confrontati nella Figura 10. La relazione tra intervallo e tempo di attesa è complessa.[14] Per semplicità, in questi risultati, l'AWT dei calcoli RTT è preso come 50% dell'intervallo.

Poiché l'intervallo del multicar è costante, anche l'AWT è costante. Sebbene la velocità scelta del multicar sia inferiore a quella del double deck, il tempo a destinazione della MCLS fornisce valori migliori. Ciò è causato da un AWT inferiore e da tempi di carico/scarico passeggeri più brevi.

Conclusione

La capacità di gestione di un MCLS circolante si basa sul tempo di ciclo minimo possibile del sistema, discusso e definito in questo articolo. Se l'RTT medio di un MCLS aumenta, il numero di auto deve essere adattato per mantenere il tempo di ciclo minimo possibile e una capacità di movimentazione costante. Per ottenere il minor tempo di ciclo possibile senza ingorghi, anche la velocità viene adattata. Le distanze di sicurezza e le distanze di arresto devono essere calcolate e considerate per calcolare valori ragionevoli per il tempo di ciclo minimo possibile. Sulla base del tempo di ciclo e dei calcoli RTT, un sistema MCLS a circolazione e un sistema a due piani vengono confrontati con diverse altezze di viaggio in un'applicazione navetta. L'MCLS fornisce valori costanti per la capacità di movimentazione e l'AWT con l'aumento dell'altezza di viaggio aggiungendo più auto al sistema. Inoltre, il tempo di ciclo breve consente AWT brevi. Questi valori devono essere dimostrati mediante simulazione. Gli algoritmi di controllo avanzati possono anche abilitare applicazioni MCLS aggiuntive.

Referenze

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[2] ELEVATOR WORLD. “Il Museo dell’Ascensore – Cronologia,” theelevatormuseum.org/timeline.php 2015.
[3] Strakosch, G. e Caporale, R, The Vertical Transportation Handbook, Quarta edizione. John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey, 2010.
[4] “An Elevator Go Round,” ELEVATOR WORLD, Vol. XLII, gennaio 1996.
[5] Jappsen, H. "High Rise Elevators for the 21st Century", Elevator Technology 12, Proceedings of Elevcon 2002, IAEE, 2002.
[6] Godwin, A. "Trasporto circolare nel 21° secolo (senza il 'bello' contrappeso!)," Elevator Technology 18, Atti di Elevcon 2010. IAEE, 2010.
[7] Quindi, A., Al-Sharif, L. e Hammoudeh, A. "Analisi dei possibili sistemi di traffico bidimensionale degli ascensori in edifici di grandi dimensioni", Tecnologia degli ascensori 20, Atti di Elevcon 2014, IAEE, 2014.
[8] Quindi, A., Al-Sharif, L. e Hammoudeh, A. "Analisi del traffico di un sistema di ascensori bidimensionale semplificato", Ricerca e tecnologia di ingegneria dei servizi di costruzione.
[9] ThyssenKrupp Elevator AG. "Nuova era di ascensori per rivoluzionare la costruzione di grattacieli e di media altezza", urban-hub.com/ideas/new-era-of-elevators-to-revolutionize-high-rise-and-mid-rise-construction 2014.
[10] Jetter, M. e Gerstenmeyer, S. "Next Generation Vertical Transportation System" hanno presentato un articolo agli atti della conferenza di New York 2015 di CTBUH, New York, 2015.
[11] Gerstenmeyer, S. e Peters, R., "Safety Distance Control for Multi Car Lifts", articolo di ricerca, bozza, inedito, 2015.
[12] La Chartered Institution of Building Services Engineers. Guida CIBSE D: 2010 Sistemi di trasporto negli edifici, Londra, 2010.
[13] Smith, R. e Gerstenmeyer, S. "A Review of Waiting Time, Journey Time and Quality of Service", Simposio sulle tecnologie di ascensori e scale mobili, Northampton, Regno Unito, 2013.
[14] Peters, R. "The Application of Simulation to Traffic Design and Dispatcher Testing", Symposium on Lift and Escalator Technologies, Northampton, UK, 2013.