En Hızlı Asansörler Ne Kadar Hızlı Olabilir?

Yolcu-asansör hızını nelerin sınırladığını ve asansörlerin ne kadar hızlı kullanılabilir hale geleceğini incelemek

Albert So ve Ricky Chan tarafından

Geçtiğimiz yıl, bu makalenin ilk yazarı, uluslararası üreticilerin hız rekorunu kırmak için geliştirdikleri çeşitli teknolojileri ele alan “En Hızlı Asansör – Yüksek Teknolojide Bir Yarışma” (ELEVATOR WORLD, Eylül 2014) başlıklı makalesini yayınladı; şu anda 1,200 mpm olan (henüz kurulmamış olsa da), önceki rekorlar Yokohama Landmark Kulesi'nde 750 mpm, Taipei 1,010'de 101 mpm ve Şanghay Kulesi'nde 1,080 mpm idi. Makalenin son cümlesinde, dünyanın dört bir yanındaki ultra yüksek binaların yüksekliğinin sürekli artması nedeniyle “asansör hız rekorunda bir devrim kaçınılmazdır” ifadesi yer alıyordu; bu binalar 1 km yüksekliğe ulaşmayı hedefliyor.

Bir okuyucu, Pieter J. de Groot, (EW, Aralık 2014) asansörlerin maksimum hızının, yolcular tarafından tolere edilebilecek hava basıncı değişim oranı ile sınırlı olduğu yorumunu yaptı. De Groot'un yorumunda belirtildiği gibi, atmosferik hava basıncının 12 m'de yaklaşık 100 milibar (mb) oranında azaldığı iyi bilinmektedir. İstenmeyen bir komplikasyon olan ancak minimum zaman faydası olan arabaların basınçlandırılmasının, yolcular için hava basıncının değişim oranını azaltma sorununu çözmediğine dikkat çekti. Bunun nedeni, sabit bir değişim oranını korumak için araç içi hava basıncının kontrol edilmesinin, hem yukarı yönlü hareketin ilk yarısında basıncın düşürülmesini hem de yukarı yolculuğun ikinci yarısında basınçlandırmayı gerektirmesidir.

Yazar yanıtı, yine ikinci EW sayısında, Taipei 101'e hizmet veren süper yüksek hızlı asansörlerin üreticisinin, kabin içi hava basıncında saniyede 1.26 mb (mbps) kontrollü bir değişim hızına sahip olduğunu belirtti. çoğu yolcu. Nitekim, Taipei 101'deki özel asansör kabini hava geçirmezdir ve bir üfleyici tarafından sürekli ve karmaşık kontrol altında bir araç içi barometreye sahiptir. Diğer bir deyişle, araç içi basıncın değişim hızı kontrol altında olmak kaydıyla, hız ne olursa olsun, yolcular süper hızlı bir asansör kabinine binerken kendilerini rahat hissetmelidir. Bu makale, cevabın arkasındaki fiziği açıklayarak yazarın yanıtına devam edecek, ardından üreticilerin sürekli hız rekorları kırması için potansiyel bir çözüm sunacak.

Hava Basıncı Değişimlerinin Fiziğine Dayalı Hız Sınırı

Asansör hızını sınırlayan gerçek hava basıncı değişim oranı, kabinin içinde değil, asansör kuyusunun dışındaki basınçtır. Bazı arabalar hava sızdırmaz olsa da, mevcut asansör boşluğu ve bina içi sızdırmaz değildir. Bu, asansör boşluğunun dışındaki hava basıncının yukarı doğru metre başına 0.12 mb oranında düşeceği anlamına gelir. Kabinin kendisi 1.26 mbps'de sabit ve rahat bir hava basıncı düşürme oranını koruyabilse de, asansör hızı çok yüksekse dışarıdaki hava basıncı aynı oranda düşmez.

Örneğin 30 m/s'lik bir araba hızının uç bir örneğini ele alalım. 33 saniyede, araç toplamda 1,000 X 1.26 = 33 mb'lik rahat bir hava basıncı düşüşüyle ​​(hızlanma ve yavaşlama dikkate alınmadan) yaklaşık 41.6 m yukarı katetmiştir. Ancak, aracın dışında, toplam hava basıncı düşüşü 1,000 X 0.12 = 120 mb'ye eşittir. Kabin 1,000 m'lik durakta durduğunda ve kabin/kat kapıları açıldığında, yolcular çoğu yolcu tarafından tolere edilemeyen 120 – 41.6 = 78.4 mb'lik ani bir hava basıncı düşüşüyle ​​karşı karşıya kalır. Kesin değişimin çok daha az olması gerektiğine dikkat edilmelidir, çünkü burada hızlanma ve yavaşlama zamanı dikkate alınmaz (ancak daha sonra olacaktır).

Saniyede 1.26 mb'lik rahat düşüş veya artış ve dikey yükselişin metre başına 0.12 mb dış atmosferik basınç değişikliği, araba hızını zaten 1.26/0.12 = 10.5 m/s ile sınırlamış görünüyor. Ancak, Taipei 101 asansörleri bu sınırı on yıldan fazla bir süredir ihlal ediyor. Bunun nedeni, her üç hareket türünü de ele almamız gerektiğidir: hızlanma, nominal hızda çalışma ve yavaşlama.

Aşağıdaki matematiksel model, tüm olay hakkında daha fazla bilgi edinmemize ve teorik olarak hız sınırını tahmin etmemize yardımcı olabilir. Şekil 1, tipik bir asansör kabininin hız/zaman eğrisini göstermektedir. Bölge I, hızlanma bölgesidir. a MPS², t = 0 s'den. t = t1 s'ye; Bölge II, t = t1 s'den hız = v mps'de nominal hız bölgesidir. t2 s'ye; Bölge III, t = t2 s'den –a mps2'de yavaşlama bölgesidir. t = t2 + t1 s'ye. hız profilinin simetrisi nedeniyle. Burada, basitlik adına, çok kısa sarsılma süreleri göz ardı edilmiştir. Tablo 1, ilgili kinematik parametrelerin değerlerini göstermektedir.

Bu tipik açmanın aldığı en kısa süre, elbette, t1 = t2 olduğundadır (yani, uzatılmış nominal hızda çalışma olmaması, basınç kontrolünü en zor hale getirir). O halde toplam süre = 2 t1 s. ve kat edilen toplam mesafe = a (t1)2 m. Alınan toplam süre, tüm yolculuk boyunca maksimum araç içi hava basıncı değişimini yönetir = 2 t1 X 1.26 mb = 2.52 t1 mb. Katedilen toplam mesafe, tüm yolculuk boyunca araç dışı hava basıncı değişimini yönetir = a (t1)2 X 0.12 mb = 0.12 a (t1)² mb. Yolcuların arabadan çıktıklarında hava basıncında ani bir düşüşle karşılaşmamalarını sağlamak için Denklem 1'de gösterilen eşitsizlik gereklidir.

0.12at² < 2.52t₁          at₁ < 21

(Denklem 1)

Tablo 1'den not edilmelidir ki at1 aynı zamanda ulaşılan hızdır, bu da ulaşılan maksimum hızın 21 m/s olduğu anlamına gelir. 1 mps2 (çoğu yolcu tarafından tolere edilebilir) olan normal hızlanma/yavaşlama oranı kullanılıyorsa, t1 21 s'den uzun olmamalıdır. Başka bir hızlanma/yavaşlama oranı kullanılırsa, t₁ da farklı olacaktır, ancak teorik hız sınırı her zaman 21 mps'ye eşittir.

Guangzhou CTF Finans Merkezi'ne hizmet verecek asansör sistemi şimdiden uç noktalara gelmiş görünüyor. Tabii ki, zaman satın alarak 21 mps'nin ötesinde hafif bir artış için hala yer var. Örneğin, zemin katta kapılar kapatıldığında, kabinin yükselmeye başlaması birkaç saniye daha sürebilirken hava basıncının düşürülmesi başlayabilir. Kabin en üst kata ulaştığında, araç içi hava basıncının daha da düşürülmesinin sağlanabileceği seviyelendirme birkaç saniye daha sürebilir. Bir sonraki bölüm, uluslararası asansör üreticilerinin hız rekabetine devam etmelerini sağlayabilecek bu baskıyı daha da azaltmak için olası bir çözümü açıklayacaktır.

Bina İçi Hava Basıncının Aerodinamik Kontrolü

Yukarıda bahsedilen yorumda belirtildiği gibi, sürdürülebilirlik ve enerji tasarrufu söz konusu olduğunda, modern binalarda sızma oldukça istenmeyen bir durumdur.[2] Dış hava, cephedeki küçük boşluklardan (fenestrasyon dahil) kontrolsüz bir şekilde binaya sızdığında, soğutma veya ısıtma yükü büyük ölçüde artacaktır. Normal mühendislik yönergeleri, toz ve bakterileri gidermek için tüm dış havanın bir binaya filtreler yoluyla verilmesi ve iç mekan kokusunu gidermek için uygun şekilde çıkarılması gerektiğini belirtir. Bu, bina içlerinin neden genellikle hafif basınçlı olduğunu açıklar – sadece iç mekan havasının dışarı sızdığından ve dış havanın içeri sızmayacağından emin olmak için. enerji tasarrufu amacı. Cephedeki tüm boşlukları kapatmak kesinlikle yardımcı olacaktır.

Taipei 101[3]'e hizmet veren yüksek hızlı asansörlerle ilgili bir makale, asansör kabininin içinde veya dışında atmosferik basınç değiştiğinde bunun yolcularda fizyolojik rahatsızlığa neden olacağından bahsetmiştir. Yazar, bu asansörlerin 1,010 m üzerinde 16.8 mpm (600 m/s) yukarı ve 10 m/d (382.2 m/s) aşağı kontrat hızlarında gittiğini bildirdi. Taipei 101'deki sevk ve varış katları arasındaki atmosferik basınç farkı yaklaşık 48 mb'dir. Atmosfer basıncındaki herhangi bir ani değişikliğin normalde bazı yolcuları, tıpkı bir uçakta inmeden önce olduğu gibi, oldukça rahatsız veya hasta hissettirdiği iyi bilinmektedir. Bu sorunu çözmek için Toshiba, yüksek hızda seyahat ederken aracın içindeki ve dışındaki basınç farkından kaynaklanan rahatsızlığı azaltmak için bir atmosferik basınç düzenleyici sistem geliştirdi.

Taipei 101 örneğinde kullanılanla aynı ilke, bu makalenin önceki bölümünde önerilen, yüksek hızda çalışmaya çalışan süper yüksek hızlı bir asansörle donatılması önerilen 1,000 m yüksekliğindeki varsayımsal bina çalışmasına uygulanabilir. örneğin 30 mps'lik hayali yüksek sözleşme hızı. Bu varsayımı ve 12 m'de 100 mb'lik doğal basınç gradyanını kullanarak, çatı ile zemin kat arasındaki toplam basınç farkı 120 mb'dir. Bir önceki bölümde ve Taipei 101'in durumunda gösterildiği gibi, araç içi basınç değişikliği oranının başlangıçtan durmaya aynı değerde sabitlendiği bir model en çok aranan modeldir. Bu durumda, yükselen bir arabadaki araç içi basınç değişikliği keskin bir şekilde 1.29 mbps'ye düşürülebilir ve ayrıca iniş sırasında sadece 0.96 mbps'ye düşürülebilir,[3] ki bunlar şimdiye kadar tartışılan rahat tolerans dahilindeydi. Bu rakamlar, esas olarak, araç içinde gerekli basıncı oluşturan yüksek basınçlı bir üfleyici sayesinde elde edildi. Taipei 101 örneğinde, bu makalenin ilk yazarı yüksek hızlı asansörlerin aerodinamik performansını artırmak için araba şeklini incelerken, araba kapsülünün aerodinamik şeklinden de bahsedilmiştir.[4]

De Groot'un ana sorununu ele almak için, araba 1,000 m yükseklikteki iniş noktasında durduğunda ve kabin kapıları açıldığında, yolcuların çoğu tarafından tolere edilemeyen onlarca milibarlık bir hava basıncı düşüşü ile karşı karşıya kalması gerekiyor. yolcular. Bu makalenin yazarları tarafından yapılan ilgili bir çalışma, asansörün en yüksek noktasında ve buna karşılık gelen aşağıdaki seviyelerdeyken bu ani hava basıncı düşüşünü saptadı. Çalışma, asansör kabini 30 m/s'de hareket ederken bu binanın farklı yükseklik ve seviyelerindeki basınç farkını ortadan kaldırmak için ne kadar ilave basıncın gerekli olacağına dair bir dizi hesaplamayı içermektedir.

Sabit ivme ile 2 m yükseklikte zemin kattan en üst kata hareket eden ve başlığında yer alan araba için eklenecek zaman, yükseklik, hız, araç içi basınç, dış atmosfer basıncı ve iç basınçtaki değişiklikleri gösteren Tablo 990'ye referans yapılmıştır ve 1 mps2 yavaşlama hızı. Burada, kat başına 4 m'lik üniform bir kat yüksekliği varsayılmaktadır. Tüm yolculuğun 63 saniye sürdüğü görülebilir. sarsıntı dikkate alınmadan ve yaklaşık 46 mb'lik en yüksek ilave basıncın, yolculuğun sonuna doğru yerden yaklaşık 930-940 m yükseklikte meydana geldiği. Eklenen basınç negatif olduğunda, iç hava basıncının aynı yükseklikteki atmosferik basınçtan daha düşük olması ve pozitif ek basınç için bunun tersi olması gerekir.

Süper hızlı bir asansör kabininin her kat seviyesinde inip kapıları açtığında yolcuların yaşadığı ani basınç düşüşünün etkisini ortadan kaldırmak için, Şekil 2'de gösterildiği gibi ofis binasının farklı seviyelerdeki basınçlarının uygun şekilde kontrol edilmesi gerekir. asansör kabini ve lobi arasındaki büyük basınç farkını dengelemek için.

Bu sistem, gerekli ilave basınç pozitif olduğunda (Tablo 2'de gösterildiği gibi) her katta yüksek hava basıncı oluşturmak için yüksek kafalı bir fan uygular ve bu da, hareketin saniye başına 1.26 mb'lik bir düşüşe ve dikey bir azalmaya dayalı olarak hesaplanan rakamlara uyması içindir. 0.12 mb/m. Tabii ki, dış atmosfer basıncı, anlık hava koşulları, yılın mevsimleri ve merkezi klima sisteminin sıcaklık ayarı gibi çeşitli faktörler nedeniyle değişir. Ancak, tüm bu veriler bina yönetim sistemine, ardından her katın iç mekan hava basıncının dinamik kontrolü için araç içi hava basınçlandırma sistemine beslenebilir. Bu kontrol, Şekil 3'te gösterildiği gibi standart hava işleme sistemleri tarafından kolaylaştırılır. Yukarıda açıklanan hassas basınç dengelemesini elde etmek için fanları seçmeye yönelik matematiksel teori ve algoritmalar ayrıca BS 5588-4'ten elde edilebilir ve bunlara atıfta bulunulabilir: 1998 veya merdiven basınçlandırma ve basınçsızlaştırmaya karşılık gelen en son İngiliz Standardı veya Avrupa Normu.[1]

Makaleler

Bu yöntem, sürdürülebilirlik adına potansiyel bir çözüm gibi görünse de, asansör sürüş konforuna ek olarak, teknik hususlar da vardır. Her katı basınçlandırmak mümkün olsa da zemin kattan en üst kata kadar uzanan asansör boşluğunu basınçlandırmak mümkün değildir. Belirli bir katta kabin/kat kapıları açıldığında, kabinin asansör boşluğu yerine sadece lobiye açık olması için önce kapı kenarlarının etrafındaki boşluklar kapatılmalıdır. Lobi de dahil olmak üzere tüm kat üzerindeki basınç tek tip olmalıdır. Diğer bir deyişle, kabin, lobi ve tüm kat, asansör boşluğuna karşı hava geçirmez olmalıdır. Bina cephesindeki ve pencere kenarlarındaki çatlaklar mutlaka kapatılmalıdır, aksi takdirde onlarca milibarda artan basınç farkı olduğu için üst katlarda hava sızdırma oranı oldukça yüksek olacaktır. Yine, merdivenler asansör boşluğu gibi hareket eder ve bu nedenle merdivenler boyunca hava basıncı değişimi dışarıdakine eşdeğerdir. Yangın kaçışı için asansör kullanma eğilimi olgunlaştığı ve merdivenlere olan bağımlılığı azalttığı için merdivenlerin de basınçlandırılması gerekiyor.

Yazarlarınız tarafından tahmin edilmese de, böyle hava geçirmez bir süper yüksek bina oluşturmak için tüketilen enerjinin önemli olabileceği bekleniyor. Neyse ki, Tablo 2'de listelenen değerler arasındaki ara değer olarak ardışık katlar arasındaki basınç farkı, katlar arasındaki hava sızıntısı önemli bir sorun olmayacak kadar yüksek değildir. Kısa yolculuklar için hızlanma ve yavaşlama için harcanan zaman nispeten uzundur; bu nedenle, araç içi basınç kontrolü, 1.26 mbps'lik düşüşün her zaman karşılanabildiği durumlarda daha az talepkardır. Asıl zorluk, neredeyse 1 km yüksekliğindeki bir binanın zemin katından en üst katına bir mekik yolculuğunda yatmaktadır.

Sonuç

Bu makale, asansörlerin gelişmiş ısıtma, havalandırma ve klima basınçlandırma kontrolü kullanarak teorik hız sınırını, yani tahmini olarak 21 m/s'yi aşmasının teknik olarak mümkün olduğunu savunuyor. Ancak yazarlar, genel olarak, de Groot'un, asansör hızı rekoru kırma konusunda daha fazla rekabetin o kadar anlamlı olmadığı ve süper yüksek binalarda mekik yolculuklarıyla başa çıkmanın başka birçok yolu olduğu görüşüne katılıyor. Farklı yüksekliklerde servis terminallerinin kurulması, yolcuların daha yüksek bir terminale geçmek için araba değiştirmeye başlamadan önce belirli bir terminaldeki daha düşük hava basıncına alışmalarını sağlar. Diğer bir yol da, yolcuların binanın merkezine girmelerine izin verilmeden önce orada kalmaları için her yüksek iniş katında bir basınç uyarlama lobisi oluşturmaktır. Bu yöntem yıllardır derin deniz dalgıçları tarafından kullanılmaktadır. Duyurulduğu gibi bir sonraki hız rekoru 20 mps olacak. Uluslararası üreticilerin ne kadar ileri gidebileceğini görelim!

Referanslar
[1] BS 5588-4 (1998): Binaların Tasarım, İnşaat ve Kullanımında Yangın Önlemleri – Bölüm 4: Basınç Farklarını Kullanarak Duman Kontrolü Uygulama Kuralları.
[2] de Groot, PJ “Yorumlar” ve So, A. “Yazarın Yanıtı”, ELEVATOR WORLD, Aralık 2014.
[3] Mizuguchi H., et al. “1000 mpm Bariyeri Aşmak: Taipei 101'de Yüksek Hızlı Asansörler,” EW, Eylül 2005.
[4] So, A. “En Hızlı Asansör – Yüksek Teknolojide Bir Yarışma”, EW, Eylül 2014.
[5] Trane Mühendisleri Bülteni, Ticari Bina Basınçlandırmasının giriş ve çıkışlarını yönetme, American Standard Inc., Cilt. 31, No. 2. (2002).