R Kwiatkowski1, S Kaczmarczyk2, C Salter3, L Mulhern4

1. University of Northampton

ACE Lifts Ltd, UK, rafal.kwiatkowski@northampton.ac.uk

2. University of Northampton, UK, stefan.kaczmarczyk@northampton.ac.uk

3. ACE Lifts Ltd, UK, charles@ace-lifts.com

4. ACE Lifts Ltd, UK, laurel@ace-lifts.com

Özet. Bu makale, alçak ve orta katlı yeşil asansör sistemi geliştirmek için bir araştırma ve geliştirme projesinde uygulanan itici güçleri, amaçları ve tasarım sürecini açıklamakta ve tartışmaktadır. Bu çalışmada kullanılan özel teknolojiler arasında yeni asansör kabini tasarımı, ayarlanabilir karşı ağırlık sistemi, asansör kontrol sistemi, enerji verimli tahrik sistemi, asansör izleme sistemi, kayış süspansiyonu ve asansör kurulum tekniğinde yapılan iyileştirmeler bulunmaktadır.

1. GİRİŞ

Modern yapılı çevrede, verimli ve çevre dostu (“yeşil”) dikey ulaşım sistemlerinin tasarımına yönelik güçlü bir ihtiyaç ve sürekli bir talep bulunmaktadır. Bu bağlamda, yeşil asansör sistemi tasarımı, Bilgi Transferi Ortaklığı programı çerçevesinde gerçekleştirilmektedir. Bu makale, bir dizi modern teknolojiyi içeren, yeni ve verimli bir Makine Odasız (MRL) düşük-orta katlı asansör sistemi geliştirmek için yürütülen araştırmayı özetlemektedir.

Ekonomi, mevcut asansör uygulamaları, çevresel zorluklar ve güvenlik standartlarının getirdiği sorunları ele alan yeni bir MRL sistemi tasarlanmıştır. Sistemin tasarımı, daha iyi verimlilik elde etmek için optimize edilmiştir. Makalede, asansör kurulum süreci ve enerji tüketiminin azaltılması konusu incelenmiştir.

2. ÇEVRECİ ASANSÖR

2.1 Enerji verimliliği

Asansör sistemlerinin enerji verimliliğini artırma konusu son zamanlarda birçok kez araştırılmış olsa da [1], Birleşik Krallık'taki sektörün durumu, özellikle düşük ve orta yükseklikteki uygulamalarda, sürekli iyileştirme yerine genellikle ekonomiye odaklanmaktadır. Bu makale, bu algıyı değiştirmek ve mevcut duruma meydan okuyabilecek yeni çözümler önermek amacıyla yazılmıştır.

Sektördeki birçok kişi, özellikle asansör mühendisleri ve asansör operatörleri, asansörlerin zaten çok verimli olduğunu ve ofislerde kullanılan enerjinin %5'ini oluşturduğunu [2] ve CIBSE kılavuzu F'ye göre bazı binalarda kullanılan enerjinin %5 ila %15'ini oluşturduğunu düşünmektedir [3] (Diğer yazarlar, asansörler, yürüyen merdivenler ve yürüyen bantlar için toplam %3-5 [4] ve Asvestopoulos ve Spyropoulos'a göre asansörler için %3-8 [5] arasında rakamlar vermektedir). Bu bakış açısı, sistemin ekonomikliği, mekanik ve elektriksel performansı gibi temel ilkelere odaklanan bir uygulayıcı için anlaşılabilir bir durumdur. Ancak, bir ülkenin enerji kullanımı ve sürdürülebilirliğine bütünsel bir yaklaşım benimsendiğinde bu bakış açısı haklı değildir. Son çalışmada [6] sunulan bir araştırma, mevcut en iyi teknolojinin kullanılması durumunda Avrupa konut sektöründe mevcut enerji tüketiminin %62'si kadar enerji tasarrufu potansiyeli olduğunu tahmin etmektedir. Bu nedenle, mevcut durumun değişmesine ve iyileşmesine yol açabilecek her türlü teşviki desteklemeye yönelik tüm çabalar dikkate alınmalıdır.

Avrupa'da bir asansör sisteminin enerji performansı, şu anda Alman Mühendisler Birliği (VDI 4707) tarafından geliştirilen belge kullanılarak hesaplanabilir ve sınıflandırılabilir. Yeni uluslararası standart ISO 25745-2'nin yakın gelecekte yayınlanması bekleniyor ve bu standart, tüm yeni kurulumlar için yeni, yaygın olarak kabul gören bir kriter ve referans haline gelecektir. Her iki yöntem de enerji hesaplama ve sınıflandırma yaklaşımı açısından benzerdir. Her durumda sorun, hesaplamaların belirli bir binadaki asansör kullanımına ilişkin tahminlere dayalı olmasıdır. Bu, ilk değerlendirme için yeterli olabilir, ancak asansör sistemindeki enerji tüketiminin değerlendirilmesinde bir sonraki adım, asansör hareketinin tüm değerlerini, kabindeki yükü ve şebeke kaynağından çekilen elektrik akımını sürekli olarak izlemek ve kaydetmek olacaktır. Sürekli izleme sisteminden elde edilen verilerle oluşturulan bir enerji kullanım modeli, uygun kontrol stratejisiyle sistemin çok daha iyi kontrol edilmesini ve genel verimliliğin artırılmasını sağlayacaktır.

2.2 Asansör Sistemi

Projede uygulanan yeni teknoloji çözümleri şunlardır:

- Asansör kabini tasarımı ve modüler asansör kabini tasarımının optimizasyonu.

- Ayarlanabilir karşı ağırlık teknolojisi.

- Yeni, yazılım tabanlı kontrol sistemi.

- İnternet özellikli cihazlardan erişilebilen, modüler özelliğe sahip açık protokol uzaktan izleme sistemi (i-COM)

- En son teknoloji tahrik ve süspansiyon sistemi.

- Kurulum tekniğinde iyileştirmeler.

2.3 Asansör Kabini Tasarımı

Bilgisayar Destekli Tasarım (CAD) yazılımı kullanılarak asansör kabininin sanal bir modeli geliştirilmiştir. Bu sayede, üretim başlamadan önce doğru ve ayrıntılı bir model elde edilmiştir. Asansör kabini tasarımı, hafif bir alüminyum çerçeveye dayanmaktadır. Bu çözüm, çok yönlü yapısal seçeneklerden yararlanarak, gereksinimlere bağlı olarak asansör kabini tasarımının daha geniş bir boyut yelpazesinde uygulanmasına olanak tanır. Ayrıca, bu çözüm geleneksel bağlantı elemanlarının sayısının sınırlandırılmasına da olanak tanır. Tasarım sürecinde dikkate alınan bir diğer faktör, bileşenlerin fabrikada önceden üretilip şantiyeye teslim edildiği ve süreçte kullanılan gizli bağlantı elemanları ve modern yapıştırıcılar sayesinde minimum işçilikle monte edildiği, iyileştirilmiş kurulum metodolojisiydi.

Tasarım, havacılık endüstrisi uygulamaları için geliştirilen yeni, uygun maliyetli kompozit paneller kullanmaktadır. Paneller, daha iyi gürültü ve titreşim özellikleri ve daha kısa teslim süresi sağlayan özel bir yapıya sahiptir. Bu çözümün bir diğer avantajı, gerekli parça sayısıdır. Paneller montajdan önce istenilen boyutta kesildiğinden, her bir taraf için gerekli panel sayısı etkili bir şekilde sınırlandırılır ve gerekli bağlantı elemanları ve sabitlemelerin sayısı daha da sınırlandırılır. En önemlisi, panellerin özellikleri, bu panellerin yangın direncinin yanı sıra duman ve toksisite özelliklerinin de iyileştirilmiş olmasıdır, bu da modern yapılı ortamlarda kullanılmalarını sağlar. Ek olarak, arabanın özel tasarımı, müşteri ihtiyaçlarına daha hızlı ve esnek bir şekilde yanıt verilmesini sağlar.

Bu çözümün avantajları şunlardır: kabinin kütlesinin sınırlandırılması, diğer bileşenlerin (karşı ağırlık) kütlesinin sınırlandırılmasına yol açar; bileşenlerin (paneller) sayısının sınırlandırılması, üretim süresinin kısalmasına yol açar; bağlantı elemanlarının sayısının sınırlandırılması, kabinin kütlesini azaltır; özel sabitleme çözümü, kurulum süresinin kısalmasına yol açar; bileşenlerin kütlesinin sınırlandırılması ve montaj sürecinin basitleştirilmesi, kurulum süresinin kısalmasına yol açar. Tüm bu iyileştirmeler, asansör kabininin karbon ayak izini azaltacaktır. Bu, aslında üretim ve kurulumda kullanılan enerjinin azaltılması anlamına gelir. Ayrıca, kütlelerin azaltılması, hızlanma için daha az enerji gerektirecektir.

2.4 Ayarlanabilir karşı ağırlık tasarımı

Teknolojinin ilerlemesi, özellikle sürücü invertörleri ve rejeneratif sistemler, MRL asansör sisteminin enerji verimliliğinin iyileştirilmesine olanak tanıdı ve dört kadranlı çalışmanın rejeneratif aşamalarında kullanılan enerji geri kazanıldı. Bu sistemler gerekli işlevselliği sağlar; ancak elde edilebilecek gerçek tasarruflar üzerinde bazı etkileri vardır. Bu sistemlerin temel sorunu, mekanik enerjinin elektrik enerjisine ve tekrar mekanik enerjiye dönüştürülmesi nedeniyle rejenerasyonun asla mükemmel bir çözüm olamayacağıdır. Bu, döngüde kendilerini katlayan bileşen verimliliğinden kaynaklanan kayıplarla ilgilidir. Ayrıca, mekanik açıdan bakıldığında, kabin yükü karşı ağırlık dengesi ile önemli ölçüde farklı olduğunda sistem de daha az verimlidir. Dolayısıyla, nominal yükün 0,4-0,5'ine dengelendiğinde, asansör kabini yüksüz hareket ederken bile enerji tüketimi meydana gelir. İstatistiksel olarak bu durum, asansör hareketlerinin %50'sinde meydana gelir [6]. Bir başka gerçek ise, binadaki insan trafiğinin dengeli olmasıdır – içeri giren trafik, dışarı çıkan trafiğe eşittir. Bunun istisnaları olduğu açıktır, özellikle de insanlar yukarı çıkmak için merdivenleri kullanmaktan daha sık aşağı inmek için merdivenleri kullandıklarında.

Tüm bunlar, düşük ve orta yükseklikteki asansör sistemlerinde uygulanabilir bir ayarlanabilir mekanik sistemin belirlenmesinde bir iyileşmeye yol açmıştır. Olası enerji kazançları, asansör trafiği anketlerinin sonuçlarına ve buna bağlı olarak oluşturulan trafik modellerine dayalı olarak nicelendirilmiştir. Ayarlanabilir karşı ağırlık sisteminin çalışma prensibini ve mekanik bileşenlerini gösteren sanal bir model geliştirilmiştir. Bu çalışma, belirli koşullarda asansör sisteminin daha verimli bir mekanik tasarımına yol açabilir. Bu çözümün bir sınırlaması, yoğun trafiğin nominal kapasitesi dahilinde olduğu durumlarda sadece düşük ve orta yükseklikteki sistemlere dahil edilebilmesidir. Önerilen sistemin avantajı, mevcut MRL düzenlemesini yeniden tasarlamadan potansiyel olarak bir eklenti olarak kullanılabilmesidir.

2.5 Kontrol Sistemi

Asansör sisteminin enerji performansı, aşağıdaki iki ana çalışma bileşenine bağlıdır: çalışma ve bekleme enerji tüketimi. Bu nedenle, yeni asansör tasarımının her iki alanda da enerji tüketimi sorununu ele alması önemlidir. Son araştırmalar, asansör sisteminin bekleme enerji verimliliğinin, belirli bir sisteme ve kullanım modellerine ve çalışma ve bekleme koşullarındaki enerji tüketimine bağlı olarak, enerji tüketiminin %5 ila %95'ini oluşturabileceğini ortaya koymuştur [4].

Microsoft teknolojisi kullanılarak C dilinde programlanan yeni, yazılım tabanlı kontrol sistemi, mantık kapıları olan geleneksel panellere kıyasla panel boyutunda önemli iyileştirmeler, kontrol sistemi bileşenlerinin azaltılması, üretim için gereken sürenin kısaltılması ve sistemin verimliliğinin artırılmasıyla enerji tüketiminin azaltılmasını sağlar. Sistem yazılımı, paneli “Eko modunda” çalıştırarak çalışma sırasında ışıklar ve fanlar için kullanılan enerjiyi azaltır ve sistemi “Bekleme” moduna ayarlar. Kontrol sisteminin enerji verimliliğini artırmaya olanak tanıyan iki ek özellik, hareketsiz dönemlerde kullanılabilen sürücü bekleme ve mikro denetleyici bekleme işlevidir. Panel tasarımında kullanılan tüm ana bileşenlerin boyutu, ana panelin kat kapısı çerçevesine yerleştirilmesine olanak tanır. Bu, MRL asansör düzenlemesinde önemli bir avantaj sağlar, çünkü bu tür asansörlerde en sorunlu nokta kontrol kabinine erişimdir.

 

2.6 İzleme Sistemi

Yeni geliştirilen uzaktan izleme sistemi (i-COM), asansördeki bir dizi parametrenin sürekli izlenmesini sağlar. Bu da verimli bir servis programı belirleyerek bakım şirketi ve müşterinin maliyetlerini azaltır. Hız, ivme ve sarsıntı gibi sürüş kalitesiyle doğrudan ilgili parametreler şu anda izleme sistemine uygulanmaktadır. Ayrıca, sürücü parametreleri, arıza günlüğü, bekleme süresi istatistikleri, kat dengeleme istatistikleri, kat kullanım istatistikleri, bakım günlüğü ve asansörün uzaktan kontrolü gibi sistemin diğer özelliklerini de izlemek mümkündür.

CAN-bus teknolojisine dayalı bir sistem, nihai olarak bir dizi modülün bağlanmasına olanak tanır.

Bu modüller şunlardır:

1) Ses iletim modülü (otomatik çevirici)

2) Sürekli yük izleme modülü

3) Durum izleme modülü (makinenin durumu, yataklar, kılavuz ray performansı ve yağlama). Bu çözüm, bileşenlerin bozulmasını belirlemeye ve enerji verimliliği ile minimum hizmet dışı kalma süresini sağlayan öngörücü bakım yapmaya olanak tanır.

Uzaktan izleme sistemi, asansörün bekleme enerji tüketiminde de daha fazla iyileştirme yapılmasına olanak sağlamıştır. Hareketsiz dönemler kontrol sistemine kaydedilebilir, böylece belirli bir kontrol stratejisi görselleştirilebilir ve kararlaştırılabilir, bu da çoğu bileşenin periyodik olarak kapatılmasını sağlar. Mevsimsel çalışma durumunda, izleme yazılımı asansör hızının azaltılması gibi daha fazla tasarruf sağlanmasına olanak tanır.

2.7 Tahrik sistemi

Sistem, çelik kasnaklar ve makaralar ile poliüretan çoklu kayışlar kullanan, 2:1 oranında bir altta asılı tahrik sisteminden yararlanır. Geleneksel çelik halatlar yerine kayış sisteminin kullanılması, daha yüksek hızda çalışan daha küçük bir makineye olanak tanıyan çekme kasnağının boyutunun küçültülmesi, halat ve kasnak aşınmasının azaltılması ve sürüş kalitesinin iyileştirilmesi gibi bir dizi avantaj sağlar. Diğer avantajlar arasında makine için gereken tavan açıklığının azaltılması, kabin kasnakları için gereken alanın azaltılması ve kayışların daha uzun ömürlü olması nedeniyle değiştirme maliyetinin azaltılması sayılabilir. Bu tür projelerde karşılaşılan sorunlar arasında bileşenlerin tasarımı ve seçimi, kayış izleme sistemi ve sertifikasyon yer almaktadır. Asansör pazarındaki büyük şirketler yıllardır benzer bir çözüm kullanmaktadır, ancak belirli tasarım ve çözümlerin patentleri nedeniyle bu çözüm endüstri standardı haline gelmemiştir.

Asansör, AC Endüksiyon motorlarına (ACIM) kıyasla boyutlarına göre daha yüksek güç yoğunluğundan yararlanan bir tür nadir toprak mıknatıslı endüksiyon motoru olan fırçasız Sürekli Mıknatıslı Senkron Motor (PMSM) ile çalıştırılır. PMSM'nin asansör endüstrisinde kullanımı, daha kompakt tasarımlara olanak tanıması ve ACIM'e kıyasla en yüksek verimliliği sağlaması nedeniyle artmaktadır [6].

2.8 Kurulum tekniği

Bu araştırma projesi kapsamında yürütülen çalışma, düşük ve orta yükseklikteki asansör sistemleri için kurulum tekniklerinde iyileştirmeler yapılması gerektiğini ortaya koymuştur. İki özel alan araştırılmaktadır: sürücü ve kılavuzun doğru hizalanmasını sağlamak için lazer sensörlerin kullanılması ve kurulum maliyetlerini düşürmek için mevcut çözümlerin değerlendirilmesi. Geçmişte asansör endüstrisine tanıtılan lazer çözümleri, otomotiv, rüzgar enerjisi, imalat, nükleer, havacılık ve denizcilik gibi birçok endüstride giderek daha fazla kullanılmaktadır [7]. Uygulama alanları geçmişte araştırılmış olsa da, bu alanın pratikte yeterince değerlendirilmediği düşünülmektedir.

3. SONUÇ

De Almeida ve ark. [4] tarafından belirlenen enerji verimli gelişimin önündeki başlıca engeller arasında enerji tüketiminin izlenmemesi, enerji verimli teknolojiye ilişkin farkındalık ve bilgi eksikliği bulunmaktadır. Bu projede, asansör sistemlerinin optimal tasarımlı olduğu yönündeki yaygın algıyı değiştirecek olan bu üç ana engelin tümünün ele alınması düşünülmüştür.

Son zamanlarda yapılan çalışmalara dayanarak tespit edilebilen diğer engeller arasında, teknolojiye ilişkin belirli üretici kısıtlamaları (patentler), bileşenlerin bulunmaması ve Birleşik Krallık pazarının düşük ve orta yükseklikteki asansör sektöründeki talepleri sayılabilir. Daha fazla ilerleme kaydetmek ve daha sürdürülebilir bir çevreye yönelik modern ekolojik talepleri karşılamak için, özellikle asansör mühendisliği sektöründeki küçük ve orta ölçekli işletmelerde daha fazla araştırma ve geliştirme çabası gösterilmesi gerekmektedir.

4. KAYNAKLAR

[1] Energy-Efficient Elevators and Escalators, www.e4project.eu, Accessed: 06/2014

[2] G. Barney, Energy Efficiency of Lifts. Measurement, Conformance, Modelling, Prediction and Simulation. Gina Barney Associates (2007), Source: http://www.cibseliftsgroup.org/docs/Barney-on-energy%20efficiency%20of%20lifts.pdf, Accessed: 06/2014

[3] The Chartered Institution of Building Services Engineers, CIBSE Guide F, Energy efficiency in buildings. London 2004

[4] A. De Almeida, S. Hirzel, C. Patrão, J. Fong, E. Dütschke - Energy-efficient elevators and escalators in Europe: An analysis of energy efficiency potentials and policy measures. Energy and Buildings Vol. 47, 151-158, (2012).

[5] L. Asvestopoulos, N. Spyropoulos (Kleemann Hellas SA, Greece), Lifts Energy Consumption Study, Source: http://www.lift-report.de/index.php/news/464/56/Lifts-Energy- Consumption-Study 5/2010, Accessed: 09/2014

[6] ISR - University of Coimbra, E4 Energy Efficient Elevators and Escalators, (2010), Source: http://www.e4project.eu/documenti/wp6/E4-WP6-Brochure.pdf Accessed: 06/2014

[7] John F. Ready, Industrial Applications of Lasers, Academic Press Ltd, 1997