Sequel: 4,000 fpm (20 mps) sono sufficienti?
Di Rick Barker con contributi di Sean Morris e George Wisner | Piattaforma dei lettori | Giugno 1, 2017
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Mantenere una velocità di 4,000 piedi al minuto (20 m/s) è un risultato ingegneristico notevole, ma non rappresenta una tendenza ampiamente utile per gli edifici alti. Un'accelerazione maggiore può produrre tempi di percorrenza simili a velocità massime più elevate, e gli azionamenti IGBT ora competono con le soluzioni SCR in termini di costi e qualità dell'energia. Le navette a due piani e le sky lobby offrono una capacità di movimentazione e un'efficienza dello spazio di gran lunga superiori rispetto ai vagoni express ad alta velocità a un solo piano. Le navette senza fune con motore sincrono lineare offrono un potenziale rivoluzionario per le città verticali e i sistemi sky lobby, sebbene richiedano maggiore potenza di azionamento ed energia, nonché un ulteriore sviluppo di magneti e materiali. L'attenzione del settore dovrebbe spostarsi dalla ricerca della velocità massima verso sistemi senza fune ad alta capacità e una gestione ottimizzata per una maggiore efficienza complessiva.
Un lungimirante seguito all'articolo EW del 1997, che esplorava metà della velocità
di Rick Barker con il contributo di Sean Morris e George Wisner
In un momento in cui gli ascensori raggiungevano 12.5 e 14 mp in Giappone, un dirigente di Turner ha posto la domanda in una conferenza nel 1995, "I 2,000 piedi al minuto sono sufficienti"?[1] Mentre ero a Otis, ho offerto alcune risposte in un documento con quel titolo in un'altra conferenza quell'anno.[2] Ciò ha suggerito di concentrarci su skylobbies e ascensori a due piani per alte torri di uffici, per i quali 2,000 fpm erano sufficienti. Ovviamente abbiamo imparato molto tempo fa che non abbiamo bisogno di ascensori a un piano sempre più veloci, tutti partendo da terra.
I record di velocità sono tornati, ancora una volta da alcuni produttori giapponesi e ancora per gli ascensori a un piano ai ponti di osservazione (OB), ma questa volta in Cina con una velocità massima di 20.5 mps (4,035 fpm). All'inizio di quest'anno, il Washington Post ha definito la gara "sorprendentemente spietata".[3] Questo avverbio è appropriato, in quanto tali ascensori non dovrebbero essere considerati una tendenza utile per gli edifici alti in generale.
Aggiornamento di un dettaglio
Nel 1995/1997,[2] è stato dimostrato che un ascensore con un tasso di accelerazione e decelerazione più elevato, in una “corsa” con un ascensore con una velocità massima maggiore, sarebbe arrivato al traguardo all'incirca nello stesso momento (vincente per un “fotofinish”). Questo era per una corsa di 250 m tra un ascensore 9 mps a 1.2 mps2 e un ascensore 12 mps a 0.8 mps2. (Figura 1). Questo è stato studiato perché gli ascensori con azionamenti basati su raddrizzatore controllato al silicio (SCR) per motori CC erano ancora disponibili per ascensori ad alta velocità che offrono tempi di volo più brevi, mentre ascensori con transistor bipolare a gate isolato (IGBT) migliorato[4] ma più costoso dal Giappone venivano offerti azionamenti basati su motori a corrente alternata con un tasso di accelerazione dell'ascensore ridotto.
Un aggiornamento è importante. I costi degli IGBT sono diminuiti e si prevede che diminuiranno ulteriormente a causa della crescente domanda di elettrificazione delle automobili, della produzione dalla Cina (in un settore ancora guidato dal Giappone)[5] e delle richieste di sostituzione degli azionamenti SCR poiché la qualità dell'energia diventa un problema. Detto questo, se i costi di gestione delle armoniche per gli azionamenti SCR fossero considerati, ad esempio, nello studio del dott. Alexander Kusko sugli azionamenti SCR a 12 impulsi (ELEVATOR WORLD, febbraio 1992)[6], e/o i costi dei filtri di qualità dell'energia fossero considerati per gli azionamenti basati su IGBT non rigenerativi per ascensori più lenti (anche ignorando i costi dell'aria condizionata aggiuntiva della sala macchine per gli azionamenti non rigenerativi), gli azionamenti IGBT e SCR sarebbero già a parità di costi.
Il ritorno di tempi di percorrenza e di marcia più rapidi sarebbe molto utile per ridurre i requisiti degli ascensori. Ciò anche considerando che, per gli ascensori locali negli edifici per uffici, gli standard dei produttori tendono a includere l'invio a destinazione con assegnazioni istantanee delle auto a tutti i piani (inclusi tutti i piani degli uffici). Ciò riduce i requisiti per gli apparecchi, ma, in molti casi, aumenta significativamente le lunghe attese durante il picco dell'ora di pranzo.[7] Oggi, la qualità della corsa non deve essere sacrificata per tempi di volo più brevi e, quando è necessario risparmiare energia (con ascensori già efficienti), è possibile fornire un'accelerazione maggiore per carichi di auto inferiori al "pieno" in salita (mentre la capacità del 100% carichi nei passeggeri non sono realistici) e così via per altre condizioni di carico.
Aggiornamento generale
Un obiettivo più ampio dell'articolo del 1995/1997[2] era confrontare la capacità di movimentazione di andata e ritorno per le navette a due piani da 9 mp (1,772 fpm), con le navette a un piano da 14 mp (2,756 fpm) - entrambi i gruppi avere otto ascensori, lo stesso ingombro della cabina, corsa di 400 m, lo stesso tasso di accelerazione e decelerazione (in salita) e gestire una popolazione di 5,000 persone nella zona uffici sopra la hall del cielo. Le navette a due piani, di gran lunga, fornivano una maggiore capacità di manovra in salita, anche quando la loro accelerazione era ridotta per la discesa per il comfort uditivo, e lo stesso criterio di comfort era ignorato per le navette a un piano da 14 mp. (Figura 2).
Per fornire la stessa capacità di movimentazione degli otto ascensori navetta a due piani, sarebbero necessari 13 ascensori a un piano che corrono verso la stessa hall del cielo, consumando molto più spazio utilizzabile. E, se si facessero confronti tra una coppia di ascensori che corrono verso un ponte OB, gli ascensori a due piani aumenterebbero il potenziale di guadagno, consentirebbero una separazione verticale nei tipi di traffico per il ponte OB e fornirebbero una maggiore capacità per le condizioni di evacuazione.
Il criterio di comfort dell'orecchio si basava su studi e raccomandazioni per aumentare il tempo di corsa per la discesa per ascensori navetta ad alta velocità, non-stop e con viaggi molto lunghi, per rimanere entro un differenziale di pressione auricolare calcolato di 2,000 Pa, considerando il tasso di aumento nella pressione atmosferica. Per il nostro settore, ciò è attribuito al Dr. James Fuller di United Technologies Corp. (UTC).[8]
Un aggiornamento è anche in ordine per potenza ed energia. Sean Morris, un preside della nostra azienda, ha confrontato i requisiti di alimentazione per un ascensore a navetta a un piano da 2000 kg a 20 mps e uno shuttle a due piani da 2000 + 2000 kg a 10 mps, entrambi con funi di sospensione interamente in acciaio, una corsa di 500 m e la stessa velocità di accelerazione e decelerazione di 1 mps2. L'ascensore a un piano da 20 mp e l'ascensore a due piani da 10 mp richiedono entrambi la stessa potenza di marcia dell'azionamento, circa 300 kW. E, a pieno carico in entrambe le direzioni, l'energia consumata è circa la stessa (Figure 3A e 3B).
Le Figure 3A e 3B si basano sui nostri modelli, che utilizzano ipotesi ragionevoli per le masse delle apparecchiature e l'efficienza degli ascensori per edifici alti. In relazione allo studio del 1995/1997,[2] in cui è stato dimostrato che gli ascensori a due piani simili hanno un grande vantaggio nella gestione della capacità per il loro ingombro, possiamo vedere più in profondità che la sola velocità è meno efficiente. E, se gli ascensori a due piani dovessero avere una velocità massima di 20 mps, la potenza di marcia dell'azionamento raddoppierebbe.
Nel nostro settore, 20 mps è molto impressionante per mantenere la qualità di guida, probabilmente richiedendo guide a rulli attive[9] per ridurre le vibrazioni orizzontali, i migliori progetti di auto del nostro settore per l'aero-acustica per ridurre i livelli di rumore in cabina, auto avanzate e design di sicurezza del contrappeso con speciali rivestimenti in ceramica (dato l'elevato calore di attrito), ecc. E, per viaggi molto lunghi quando si scende ininterrottamente da un ponte OB o da una sky lobby, è necessario considerare anche un "effetto molla" delle funi per il livellamento del pavimento, dove soluzioni diverse dall'estensione del tempo di volo si sono dimostrate efficaci, inclusi azionamenti con controllo della coppia ad alta velocità e controlli di atterraggio sul piano di fase, come dispositivi di avviamento.[10]
Gli ascensori che possono viaggiare a 4,000 fpm sono un'impresa ingegneristica ma non un salto tecnologico utile per molti edifici alti. Confronti simili potrebbero essere fatti tra l'Aérospatiale BAC Concorde e l'Airbus A380-800. Tuttavia, per un ponte OB, in cui una coppia di ascensori navetta che funzionano a tutta altezza può consumare spazio prezioso in un nucleo di edificio, un'alternativa può essere ascensori panoramici, racchiusi all'esterno della torre, sufficientemente rallentati e progettati sufficientemente liberi da inquadrature visibili per la facciata dell'edificio vetro e vetro intelligente (con opacità del vetro della cabina controllabile) - tutto per il comfort psicologico del passeggero - per godersi la vista durante il viaggio (non solo la lettura del tachimetro).
Una domanda correlata che suscita intrighi è: quanto lontano dovrebbe viaggiare un ascensore a fune, data l'ultima costruzione di funi leggere? Supponendo che l'ultimo di questi che utilizza un'anima di fibre di carbonio di KONE si dimostri efficace (dove altri che utilizzano fibre aramidiche, incluso il Kevlar® non lo hanno fatto), inclusa la struttura complessiva della fune per gli ascensori degli edifici alti, ci sono vantaggi. Tuttavia, i viaggi più lunghi per un ascensore a fune singola non sono il "Santo Graal". Per un dato ascensore a fune, più lungo è il suo viaggio, più tempo impiega per tornare, dove, per gestire una data domanda di traffico, sono necessari più ascensori e più spazio nel vano corsa. Le funi leggere sono state a lungo ricercate per consentire a un ascensore a fune (incluso un doppio piano) di viaggiare più in alto per un determinato o limitato set di componenti dell'ascensore (ad es. macchine, azionamenti, dispositivi di sicurezza), quindi una soluzione di successo sarà utile.
Previsione aggiornata
L'intrigo con la velocità più sembra sollevare le domande, dove concentriamo i nostri sforzi di ingegneria per edifici alti e quali tipi di edifici sono necessari? Per le sfide della Cina urbana, due architetti-autori propongono il "Città verticale: una soluzione per una vita sostenibile".[11] Le città sono costituite da più torri superalte collegate/rinforzate da ponti sospesi, con aree comuni e spazi verdi, allineate agli skylobbies delle torri. La nostra industria può soddisfare il desiderio dell'ascensore più veloce o con la corsa più lunga, ma alcune aree urbane potrebbero presto aver bisogno di soluzioni più complete.
La sky lobby resterà un elemento importante. È stata a lungo una soluzione efficiente per le torri di uffici alte ad alta occupazione, con molti esempi nella gamma di 100 piani che utilizzano ascensori navetta sky lobby ad alta capacità, a due piani, ad esempio nella Willis Tower costruita anni fa a Chicago . Naturalmente, un'intera città verticale richiederebbe un trasporto verticale di capacità molto elevata ed efficiente in termini di spazio con viaggi dell'ascensore molto estesi.
Il tuo autore ritiene che dovremmo concentrarci su ascensori navetta sky lobby "senza fune" di dimensioni adeguate con più cabine indipendenti negli stessi percorsi del vano corsa come parte di un sistema generale di ascensori locali, che può essere l'abbondanza di ascensori a fune standard che abbiamo ora. Una soluzione del genere sarebbe vantaggiosa oggi nelle alte torri di uffici (e, in seguito, nelle città verticali). Un "passo" provvisorio è stato il sistema Otis Odyssey™ che ho presentato nel 1997[12] che includeva la possibilità di spostare le cabine orizzontalmente fuori e tra i telai delle auto delle navette di collegamento per trasportare le cabine sempre più in alto e ospitare aree di carico fuori linea a lobby del cielo.
Eppure, guardando indietro, spesso penso che molti di noi non siano riusciti ad assorbire completamente un articolo del 1994 di Toshiaki Ishii di Mitsubishi Electric[13] che riassume le parti chiave di un pratico ascensore senza funi con concetti di motore a magnete permanente - ora trattato in dettaglio in un libro coautore di Jerry Piech di UTC/Otis sui motori sincroni lineari (LSM) che includono applicazioni per ascensori (Figura 4).[14]
George Wisner, direttore tecnologico di Barker Mohandas LLC, ritiene che il magnetismo richieda la massima attenzione nella riduzione dei costi per gli ascensori senza fune LSM. Gli ascensori utilizzerebbero effettivamente gli odierni azionamenti elettronici di potenza basati su IGBT. E, guardando avanti per questi azionamenti in generale, la tecnologia emergente dei semiconduttori al carburo di silicio (SiC) molto probabilmente alla fine andrà a beneficio di tutti gli ascensori, con prestazioni migliorate grazie a perdite inferiori e frequenze di commutazione più elevate. I costi del SiC, ovviamente, saranno inizialmente più alti poiché questi semiconduttori sono completamente sviluppati, ecc.
Sean Morris ha modellato approssimativamente la potenza e l'energia, confrontando un ascensore senza fune e uno con fune, entrambi 1800 kg a 10 mps con una corsa di 600 m. I requisiti di potenza per l'azionamento dell'ascensore senza fune sono risultati essere circa quattro o cinque volte superiori a quelli dell'ascensore con fune (600 kW contro 130 kW). Questo è stato in realtà un miglioramento rispetto ad alcune vecchie stime, che potrebbero aver ipotizzato motori a induzione lineare meno efficienti. Abbiamo ipotizzato che il peso della cabina sarebbe stato ridotto di un fattore due volte la capacità dell'ascensore (rispetto a quattro volte per la struttura della cabina necessaria per un ascensore di 600 m con sospensioni interamente in acciaio e funi di compensazione). Gli esperti in alcuni campi dei materiali applicati potrebbero esaminare la validità con le strutture a griglia composite in fibra di carbonio. Eppure, l'auto senza corda rigenerativa la potenza di marcia era di circa 330 kW, rispetto ai soli 60 kW dell'ascensore a fune, dove con carichi medi si potrebbe iniziare a dire che un'auto senza fune consuma “solo” il doppio dell'energia.
Per semplicità, non abbiamo esaminato alcune idee che avevamo da almeno un decennio, come un'opzione ibrida per l'assistenza energetica. I lettori di "immaginazione" potrebbero indovinare cosa potrebbero essere, come l'utilizzo di dispositivi di presa graduale della fune simili a quelli di alcuni motori automatizzati di persone (APM), che qui agiscono su un anello di corda a corsa completa - non diversamente da una funivia di San Francisco - eppure non utilizzando l'anello di fune per la propulsione o la sospensione e catturando anche la potenza supplementare generata tramite le pulegge di fune. Tuttavia, nel contesto dello spazio e della costruzione risparmiati in un edificio alto avendo più vagoni navetta nello stesso vano corsa, alcuni numeri suggeriscono già che c'è una motivazione per maggiori sforzi di ingegneria e che potrebbero seguire opzioni più complesse.
Tuttavia, le tecnologie devono essere applicate con tecniche per comprendere un sistema di trasporto verticale per l'efficienza complessiva. Non diversamente dal sistema Otis Odyssey, vorremmo che le cabine degli ascensori navetta fossero in grado di spostarsi orizzontalmente da carrelli elevatori, carrelli o piattaforme, a volte verso aree di carico fuori linea o carrelli degli APM. Tuttavia, fondamentalmente in un sistema di edifici alti, ci sono molti vantaggi nell'avere i taxi navetta della sky lobby che ritornano lungo un vano corsa o un percorso diverso e nel pianificare entrambe le abilità in ogni sky lobby.
Nel 2003, abbiamo trovato un concetto di spedizione equivalente molto utile per un gruppo di ascensori a fune per un progetto super alto chiamato Al Burj a Dubai. In seguito abbiamo applicato questo stesso concetto alla Nakheel Tower, anch'essa progettata per Dubai. Abbiamo pianificato un gruppo di ascensori navetta a piano singolo che servono più hall del cielo residenziale, dove i passeggeri sarebbero trasferiti agli ascensori per passeggeri locali (che non avevano zone espresse e avevano velocità abbastanza basse da consentire ai loro vani di essere impilati uno sopra l'altro per ulteriori risparmio di spazio). Per le navette, abbiamo chiamato il concetto "invio della destinazione della lobby del cielo" (Figura 5).
I "trame spaziali" della Figura 5 provengono da simulazioni di spedizione per un gruppo di sei navette a corda, 1800 kg a 9.0 mps (media) a 1.0 mps2, che viaggiano per 520 m, fermandosi a quattro sky lobby (SL4-SL7) che servono 700, 600, 530 e 330 persone, rispettivamente. È stato simulato il traffico di punta bidirezionale. È stata utilizzata una velocità media, considerando alcune riduzioni di velocità per il comfort dell'orecchio. Riducendo le fermate medie e le distanze di corsa, l'invio di destinazioni nella sky lobby ha ridotto le attese medie, le lunghe attese, i carichi di auto e le code nella hall principale al punto che è stato salvato un ascensore navetta molto costoso.[16]
In sostanza, gli stessi concetti di spedizione verrebbero applicati ai taxi navetta della hall del cielo senza funi. I passeggeri con destinazioni comuni di sky lobby verrebbero indirizzati a particolari taxi in partenza, che, dopo la loro massima richiesta assegnata, si sposterebbero orizzontalmente, quindi invertiranno la direzione e torneranno. Anche in questo caso, le fermate medie e le distanze di corsa verrebbero ridotte, riducendo il tempo medio di andata e ritorno e aumentando l'efficienza. Questo si aggiunge al vantaggio fondamentale delle sky lobby dove i passeggeri si trasferiscono negli ascensori locali, evitando ritardi nelle navette. Le aree di carico off-line nelle sky lobby possono aiutare, mentre, in base all'esperienza, i tempi di trasferimento dei passeggeri in diversi scenari devono essere confrontati con il tempo necessario per spostare lentamente le cabine in orizzontale per il comfort del pilota.
thyssenkrupp sta facendo un passo avanti con le parti e il sistema, mentre la versione iniziale sembra coinvolgere solo ascensori senza funi in un sistema ad anello con cabine relativamente piccole.[17] Come ha detto il tuo autore a proposito dello sforzo (quando gli è stato chiesto se il suo leader del programma di ricerca e sviluppo è stato riconosciuto come uno dei primi 25 produttori di notizie di Engineering News Record), "Markus [Jetter] ha, infatti, condotto uno sforzo di ricerca e sviluppo oltre la soglia del Santo Graal senza vincoli di l'industria degli ascensori, che avvantaggerà fortemente gli edifici in generale».[18]
Anche se non stiamo approvando l'approccio particolare, quando una grande azienda di ascensori si impegna in ascensori senza fune LSM, con la capacità di spostare le cabine orizzontalmente, e ha l'esperienza acquisita da Transrapid (una joint venture di Siemens e thyssenkrupp per il treno Maglev di Shanghai ), è tutto abbastanza degno di nota. Va anche riconosciuto che alcuni produttori di ascensori giapponesi sono stati i pionieri degli ascensori senza funi almeno due decenni fa e hanno effettivamente costruito alcuni prototipi. Inoltre, MagneMotion negli Stati Uniti, ora parte di Rockwell Automation, ha effettivamente costruito un ascensore lineare sincrono senza funi per la Marina degli Stati Uniti.[19]
Ci auguriamo che tali sforzi aumentino e includano una versione ingrandita dello sky lobby shuttle per edifici alti, come descritto in questo articolo. Tornando alla domanda "I 2000 fpm sono sufficienti?" Quando l'ho sentito per la prima volta nel 1995, Alfred McNeill e Doug Bennett di Turner hanno anche detto: "Abbiamo bisogno di nuove tecnologie per ascensori per sbarazzarci di tutti quei cavi". La tecnologia esiste da tempo e viene continuamente migliorata. È più una questione di alcune tecniche e il supporto di più aziende del nostro settore che è in ritardo. E, se ciò non cambia, dati i diversi elementi di design richiesti, il nostro settore potrebbe facilmente perdere questa opportunità a favore di un altro campo.