Ausgabe 2/2010
Simulation als Mittel zur Auslegung von Aufzugsanlagen
Rory Smith
Seit etwa 1998 ist ein PC-basiertes Simulationssystem zur allgemeinen Nutzung verfügbar. Das System ermöglicht es, beliebige Gebäudearten und beliebige Verkehrsarten zu modellieren. Jedoch weichen die Ergebnisse im Falle einer Analyse der Aufwärtsspitzen weit von den Erwartungen ab. Dieser Unterschied in den Ergebnissen hat zu der Schlussfolgerung geführt, dass auch wenn das Werkzeug der Simulation eine Möglichkeit darstellt, die Leistung einer Aufzugsanlage zu bewerten, es dennoch nicht immer für die Auslegung einer ordnungsgemäßen Aufzugsanlage herangezogen werden kann.
Die Simulation kann zwar für die Auslegung einer Aufzugsanlage verwendet werden, jedoch ist eine neue Methodologie erforderlich. Diese Methodologie wird nachstehend erläutert.
Traditionell wurden Aufzugsanlagen auf der Grundlage einer Umlaufzeit bei Aufwärtsspitzen von 5 Minuten kalkuliert (Strakosch, 1998). Diese Kalkulation ermöglicht eine Bewertung sowohl der Qualität als auch der Quantität eines Aufzugsbetriebs.
Die Qualität des Betriebs wurde traditionell definiert als die Wartezeit während die Quantität des Betriebs durch die Förderleistung bestimmt wurde (Strakosch, 1998).
Die bei dieser Methode zur Anwendung kommende Zeit von 5 Minuten bei Aufwärtsspitzen kommt in echten Gebäuden nicht vor. Es handelt sich lediglich um eine bei der Auslegung der Aufzugsanlage verwendete Methode (Barney, 2003). Diese Methode funktioniert aber für die Bestimmung der Anzahl Aufzüge, die in einem Gebäude benötigt werden.
Es wurde stets angenommen, dass wenn die Auslegung auf der Grundlage der Aufwärtsspitze basiert wird, man immer über genügende Aufzugsressourcen verfügt, um mit den anderen Verkehrsaufkommen (z. B. in der Mittagspause, bei Abwärtsspitzen und beim Verkehr zwischen den Etagen) fertig zu werden.
Barney bestätigte diese Annahme, indem er berechnete, dass Aufzüge die nachstehend aufgeführten Leistungen unter den anderen Verkehrsbedingungen erbringen (Barney, 2003):
- Abwärtsspitze: 160 %.
- Verkehr zwischen den Etagen: 140 %.
- Mittagspause: 130 %.
Jetzt steht auch die Computersimulation der Leistung einer Aufzugsanlage zur Verfügung und sie hat das Potenzial, die Auslegung der Aufzugsanlagen noch weiter zu verbessern, als dies mit der Methode der Umlaufzeit bei Aufwärtsspitzen möglich war. Für die Anwendung der Simulation bei der Auslegung muss aber noch eine akzeptierte Methodologie gefunden werden.
Simulation
Hintergrund
In den späten siebziger Jahren des vorigen Jahrhunderts wurde die Nutzung der Simulation für die Bewertung von Aufzugsanlagen durch Barney und Dos Santos (Barney & Dos Santos, 1977) eingeführt.
Um 1998 herum wurde ein PC-basiertes Simulationssystem der Allgemeinheit zur Verfügung gestellt. Dieses System bekannt als ELEVATE wurde durch Peters (Peters, 1998) entwickelt. Das System ermöglichte die Modellierung eines beliebigen Gebäudetyps sowie einer beliebigen Verkehrsart. Die Ergebnisse un-terschieden sich aber erheblich von denen einer Aufwärtsspitzenanalyse.
Sättigung
Die Simulation verfügt über die einzigartige Fähigkeit, die Förderleistung einer Aufzugsanlage unter allen erdenklichen Verkehrsarten durch die Identifizierung der Anlagen-sättigung zu bestimmen.
Die Sättigung ergibt sich, wenn mehr Fahrgäste die Aufzüge benutzen wollen als diese abfertigen können. Wenn dies passiert, werden die Schlangen vor den Zugängen zur Aufzugsanlage und die Wartezeiten immer länger.
Die Sättigung lässt sich durch die Verwendung von ELEVATE für jede beliebige Verkehrssituation bestimmen, indem man den Aufzugsverkehr über die Zeit vergrößert, was als Stufenprofi l bekannt ist.
Abb. 1 ist eine grafische Darstellung eines Stufenprofils, bei dem alle fünf Minuten das Verkehrsaufkommen um 1 % der im Gebäude wohnhaften/tätigen Personen erhöht wird. In diesem Beispiel beginnt das Verkehrsaufkommen bei 5 % und endet bei 15 %.
Die Ergebnisse der Simulation unter Verwendung des Stufenprofils lässt sich auf verschiedene Weise grafisch darstellen. Die Länge der Warteschlangen wie in Abbildung 2 dargestellt, ist eine Möglichkeit.
Die Länge der Warteschlangen wächst exponentiell, wenn das Verkehrsaufkommen bei ca. 10 % angekommen ist. An diesem Punkt ist das System gesättigt und kann die Menge der Fahrgäste, die die Aufzugsanlage benutzen wollen, nicht mehr abfertigen . Um eine genauere Bestimmung der maximalen Förderleistung dieser Anlage zu ermöglichen, wurde eine vierstündige Simulation dieses Verkehrs bei einem Fahrgastaufkommen von 10 % durchgeführt.
Abbildung 3 zeigt die Länge der Warteschlangen im Laufe dieser Simulation.
Diese Grafik zeigt, dass die Länge der Warteschlangen nicht länger wächst. Aus diesem Grund hat diese Anlage die Sättigung noch nicht erreicht.
Um eine Sättigung herbeizuführen, wurde eine ähnliche vierstündige Simulation mit einem Verkehrsaufkommen von 11 %
gefahren. In Abbildung 4 sind die entsprechenden Ergebnisse dargestellt.
Man muss wissen, dass in diesem Gebäude insgesamt 792 Personen wohnhaft/tätig sind. Deshalb deutet eine Erhöhung um 1 % beim Verkehrsaufkommen darauf hin, dass eine zusätzliche Anzahl von 7,92 Personen innerhalb eines Zeitraums von 5 Minuten den Aufzug benutzen möchten. Abbildung 4 zeigt ein oszillierendes Muster. Die Anlage versucht, 11 % der im Gebäude wohnhaften/tätigen Personen abzufertigen, und schafft dies beinahe auch. Aber letztendlich werden die Warteschlangen länger. Abbildung 5 zeigt dieselbe Anlage beim Versuch, 12 % der Personen innerhalb von 5 Minuten abzufertigen. Beachten Sie anhand der länger werdenden Warteschlangen, wie vollständig gesättigt die Anlage ist.
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Nach mehreren empirischen Versuchen wurde festgestellt, dass die Warteschlangen bei einem Verkehrsaufkommen von 10,5 % nicht länger wurden. Das ist in Abbildung 6 dargestellt.
Es ist leichter verständlich was nun eigentlich passiert, wenn man die Stabilität berücksichtigt. Etwas das stabil ist und aus dem Gleichgewicht gebracht wird, kehrt sehr schnell in die Gleichgewichtslage zurück. Etwas das instabil ist und gestört wird, entfernt sich aus dieser Lage. Die Zeit, die benötigt wird, definiert ihr Stabilitätsniveau. Die stabilere Anlage gerät schneller wieder ins Gleichgewicht.
Nachstehend ist eine Reihe von Warteschlangenlängen bei einem progressiv anwachsenden Verkehrsaufkommen dargestellt:
Hier sieht man eine Anlage, die vor dem Erreichen der Sättigung stabil ist. Sie ist stabil, weil die Längen der Warteschlangen stabil sind.
Im Bereich zwischen dem vollkommen ungesättigten Verkehr und dem gesättigten Verkehr zeigen die Darstellungen der Warteschlangenlängen einen instabilen Zustand.
Stabilität und Steuerung sind Gegensätze. Eine stabile Anlage lässt sich nur schwer steuern, während eine instabile Anlage leicht zu steuern ist. Daraus könnten sich einige Möglichkeiten für eine verbesserte Abfertigung ergeben.
Anforderungen an ein Bewertungssystem
In einem modernen Gebäude sind die Verkehrsaufkommen abhängig vom Gebäudetyp, vom Standort und von den Kundenerwartungen.
Erkenntnisse, gewonnen in einem kontinuierlich überwachten Gebäude in den USA (siehe nachstehende Abb. 8 Erfassungsanalyse), zeigen, dass die nur geringe Höhen abdeckenden Aufzüge ca. 8 % der im Gebäude wohnhaften/tätigen Personen während der Aufwärtsspitze abfertigen. Dieses Verkehrsaufkommen wird aber unterteilt in 66 % der Fahrgäste, die aufwärts fahren, und 33 % der Fahrgäste, die abwärts fahren.
Die Mittagszeit im selben Gebäude erstreckt sich über einen Zeitraum von 2 Stunden. Das heißt, dass sich das Verkehrsaufkommen über 24 Zeiträume von jeweils 5 Minuten verteilt. Wäre das Verkehrsaufkommen gleichmäßig gewesen, würden in jedem Zeitraum 4,17 % der im Gebäude wohnhaften/tätigen Personen die Aufzüge benutzt haben. Ein typischer Spitzenwert liegt aber bei 8 %.
Der Aufzugsverkehr zwischen den Etagen liegt bei ca. 5 % und wird hauptsächlich durch Raucher- und Kaffeepausen hervorgerufen.
Die Erfahrungen in diesem Gebäude deuten darauf hin, dass die 5-minütigen Abwärtsspitzen von rund 8 % der im Gebäude wohnhaften/tätigen Personen verursacht werden.
Die Verkehrsmuster in diesem Gebäude scheinen sich von denen zu unterscheiden, die früher durch Strakosch (Strakosch, 1998) präsentiert wurden. Aus diesem Grund ist es wichtig, dass man die Verkehrsaufkommen und -muster versteht, die bei einem vorgeschlagenen Gebäude erwartet werden, um die Anlagenanforderungen bestimmen zu können.
Methodologie für die Nutzung der Simulation zu Auslegungszwecken
Folgende Methodologie wird für den Einsatz der Simulation zur Bewertung der Leistung einer Aufzugsanlage in Gebäuden vorgeschlagen:
- Die Verwendung traditioneller Methoden zur Bestimmung der Umlaufzeit während der Aufwärtsspitzen, um den ungefähren Aufzugsbedarf eines Gebäudes zu bestimmen.
- Zusammen mit dem Gebäudearchitekt, Berater und Eigentümer festlegen, welche Arten von Verkehr erwartet werden.
- Bestimmung, wie hoch der Grad der Abfertigung für das Gebäude sein soll.
- Simulation der erwarteten Verkehrsmuster unter Verwendung der Stufenprofilmethode zur Bestimmung des ungefähren Sättigungspunkts.
- Bestimmung des exakten Sättigungspunkts mit Hilfe der Länge der Warteschlange.
- Bestimmung des Sättigungspunkts für jede Art des erwarteten Verkehrsaufkommens.
- Vergleich der Anlagenfähigkeiten mit dem erforderlichen Grad der Abfertigung unter Berücksichtigung der Auswirkungen für den Fall, dass ein Aufzug ausfällt.
- Sollten die Anlagenfähigkeiten erheblich von den gewünschten Fähigkeiten abweichen, müssen andere Anlagenoptionen bewertet werden.
Schlussfolgerung
Mit der Simulation ist man in der Lage, die Art und Weise zu ändern , wie Aufzugsanlagen ausgelegt werden. Anstatt eine Anlage mit Hilfe der Berechnung der Umlaufzeit bei Aufwärtsspitzen auszulegen, die eine ausreichende Abfertigung des Fahrgastaufkommens mit Hilfe von Aufzügen unabhängig von der Wahl des Aufzugsherstellers gewährleistet, erlaubt die Simulation eine aufzugsanlagenspezifi sche Bewertung der Leistung. Jetzt kann man bestimmen, wie die Aufzugsanlage unter den unterschiedlichstenVerkehrsszenarien funktioniert. Und man kann quantifi zieren wie hoch die Reservekapazität (falls vorhanden) einer Aufzugsanlage ist.
Zu guter Letzt kann es nun möglich werden, fortschrittliche Techniken auf Aufzugsanlagen anzuwenden und die Anzahl der Aufzüge in einem Gebäude zu reduzieren. Durch die Simulation kann jetzt der Nachweis erbracht werden, dass die Anlage die geforderte Leistung erbringt.
Referenzen:
Siehe englischer Text
Zum Verfasser
Rory Smith (ThyssenKrupp Elevator) ist stellvertretender Leiter der Abteilung Forschung und Entwicklung, Produkte und Planung. Er hat einen Bachelor-Abschluss in Betriebs-wirtschaft, einen Master-Abschluss in Ingenieurwesen und ist ein PhD Candidate an der University of Northampton, UK. Er verfügt über eine 39-jährige Erfahrung auf allen Gebieten der Aufzugsindustrie.
Dieser Beitrag wurde anlässlich der ELEVCON Thessaloniki 2008 auf dem internationalen Kongress für die Technik des Vertikaltransports präsentiert und erstmals im IAEE-Buch ,,Elevator Technology 17" veröffentlicht, das durch A. Lustig verlegt wird. Es handelt sich um einen Nachdruck mit der Genehmigung durch The International Association of Elevator Engineers IAEE
