Methods for traffic and energy analysis of systems for transportation of persons in buildings

Abstract

Urbanization has been a life-changing factor during the 20th century and is expected to continue enhanced due to various factors with the most prominent one being the increase of global population. As a result, the technologies pertinent to building design, construction and operation concentrate the attention of scientific community. One of the technologies that are related to the intensification of urbanization is the vertical transportation systems as they permit/favor more than any other technology the construction of tall buildings, increasing that way the land use efficiency. The present thesis presents the research that has been conducted in the field of designing transportation systems for persons in buildings. The purpose of the research was the development of new methods for the traffic analysis and energy consumption calculation of elevator systems and escalators, that can be used for the design of more efficient systems with respect to both the achieved service performance and the energy consumption. The achievement of sufficient service performance is highly important especially in buildings with intense traffic demand (multi-storey office buildings, malls, hospitals etc.); poor performance of transportation systems could cause loss of time, discomfort to building’s population and, finally, loss of building’s value due to low level of its utilization. On other hand, the decrease of energy consumption of electromechanical systems in buildings is a permanent requirement.The thesis comprises of three major parts that correspond to specific topics in which the research was conducted. More specific, in Part A, a complete method is presented for the evaluation of elevator systems’ efficiency with respect to both their service performance and energy consumption. The systems can be in design phase or can be already installed systems. The method incorporates the innovative “Integrated Mathematical Elevator Traffic Analysis” (IMETA) method for the traffic design and analysis of a. modern directional collective, multi-elevator systems that operate under group control that optimizes cost functions and b. directional collective single elevators. The method is the first analytical method that can:•apply for any combination of traffic pattern and demand level, building purpose and architecture and elevator configuration and operation principle (traction & hydraulic), •provide unprecedented operation data (average idling times, number and lengths of response flights, landing call waiting times, numbers of car calls per trip etc.), data for the evaluation of the service performance (landing call and passenger waiting times etc.) and traffic data for a detailed complementary energy analysis of the examined elevator system (average distance of flights, idling times, average load in trips etc.) for the complete operation of the system, as it can analyze reliably every possible combination of passenger traffic pattern and demand level that may be encountered during the operation period,•implement control strategies for “two-buttoned”, directional collective systems,•evolve and generalize the analysis of peak demand periods.The method is analytical, it presents very low computational cost and it produces repeatable results.The IMETA method introduces the novel concept of Unidirectional Trips as the major element of elevator operation. Other elements are the empty-car flights to respond to landing calls and for the redistribution of elevators to strategic floors, as well as the standing-still of free elevators.The elevator system’s operation is analyzed probabilistically in four discrete modules. The first is the “Input Data module” that handles data about: a. the building architectural design, b. the expected occupants’ circulation pattern and transportation demand level and c. specific traffic design variables for the elevator system. Its output is an “initial estimation” for the average operation state of the system. Based on the initial estimation of the average operation state, the “Landing Call Allocation module” describes all the probably available allocation cases for a random landing call in each served floor. Specific parameters are calculated that are relevant the applied control strategy. An important detail is that in “Input Data” and “Landing Call Allocation modules”, specific parameters that are used for the “initial estimation” of the average operation state cannot be calculated analytically because the effect of the application of the control strategy has not been previously assessed. To deal with this issue, when these parameters are encountered for the first time, proper default values are given to them.Next, the “Control Strategy module” processes the output data from “Landing Call Allocation module” and implements the desirable control strategy for the definition of the most suitable of the available allocation cases for a random landing call at each served floor. Any control strategy can be implemented as far as it can be numerically expressed.Finally, the “Output Data module” accepts data from all other modules and calculates the final average state of the elevator system’ operation. It also provides a multitude of output data for the evaluation of the elevator system performance, as well as for a further energy analysis.An iterative procedure that is based on the method of bisection is used for the transition from the estimated initial average state of elevator operation - described in “Input Data” and “Landing Call Allocation modules” - to the calculated, final average state in “Output Data module”. The convergence to the corrected values of all parameters that accept initially default values, signifies the convergence of the method to the calculated average state of elevator system operation.The IMETA method feeds with traffic data a new energy consumption model for traction elevators. The model processes engineering design data with unprecedent detail and granularity for the drive unit and the parallel electrical systems (control circuits, lighting and ventilation in cars etc.) and it features novel routines for: a. the calculation of guiding energy losses, b. the estimation of the energy consumption for door operation and c. the calculation of the effect on the energy consumption of non-compensated suspension elements. The model produces extensive energy data for the executed flights and the stationary operation.The novel “Energy - Service Efficiency Index” IES is proposed for generic implementation in transportation machines. Index IES evaluates the overall efficiency of a transportation machine, considering both its service performance and energy consumption. For any period with specific transportation demand, IES reduces the product of the energy consumption of the system during a specific period with the number/total load of transported passengers/materials in the same period, to the product of the average distance of transportation with the average transportation time. Index IES facilitates the design of transportation systems with high service performance without excessive energy consumption, or from another standpoint of view, the design of more energy efficient transportation systems without significant decrease of the obtained service performance. The index acquires unique value for any transportation system; however it can apply for entire buildings for depicting the complete efficiency of their circulation design.Finally, in Part A, a detailed case study for the design of an elevator system in an office building exemplifies the complete method and the proposed index and demonstrates their usefulness.In Part B, the design of efficient escalators is considered, and a complete method is proposed that correlates specialized traffic analysis and a novel, analytical parametric model for energy consumption calculation. The traffic analysis produces results for the service performance of the escalator as well as traffic data that are fed to the energy consumption calculation model, such as the load distribution on it. The service performance and energy consumption results, along with the produced values of the successfully adapted index IES, permit the complete evaluation of an escalator. The method is implemented in a detailed case study for the design of an escalator in a shopping mall.In Part C, the optimization of the horizontal positioning of elevator systems’ hoistways is attempted for the first time. Two methods are proposed. The first one, the “Optimum Hoistway Positioning Method I” is suitable for a primary stage of architectural design of multi-floor buildings where the various spaces in each floor plan are formed. All floors are partitioned in cells by grids with the same coordinates. Each cell in each floor presents specific x,y coordinates and belongs exclusively to a specific type of space (useful spaces, circulation spaces, atriums, spaces occupied by electromechanical systems, facilities, structural elements, etc.). The “Elevator Usage Intensity Index” is introduced that numerically expresses how often the occupants of a specific area in a usable space may use the elevator system and acquires unique value for each cell that belongs to a useful space. A modified version of the heuristic search method Hill Climbing retrieves the optimum horizontal coordinates that belong to usable spaces or atriums and present the minimum weighted Euclidean distance from all cells of all usable spaces of all floors, considering their “Elevator Usage Intensity Index” values.The second method, the “Optimum Hoistway Positioning Method II” is proposed for a more advanced architectural design stage and – in the present thesis - is applicable for single floor plans. The method considers the complex of circulation spaces and the modified Hill Climbing search method retrieves the optimum horizontal coordinates that are located on the circulation paths and present the minimum weighted Euclidean distance from the entrances of all usable spaces of a floor plan. Then, a modified version of the “Tabu Search” method, being coupled with simple architectural rules that are presented via geometrical constraints and considered structural intrusions, retrieves the sub-optimal coordinates near the optimum ones that belong to usable spaces or atriums and depict the location of the entrance of an appropriately sized and architecturally compatible hoistway.Case studies for the optimum positioning of hoistways in office buildings exemplify both methods.All the proposed methods in the present thesis have been implemented by the author in bespoke computer programs.

Η έντονη αστικοποίηση η οποία έλαβε χώρα τον 20ο αιώνα και αναμένεται να συνεχιστεί παγκοσμίως τον 21ο, κυρίως λόγω της αύξησης του παγκόσμιου πληθυσμού, είναι αλληλένδετη με την καθ’ ύψος ανάπτυξη των κτιρίων των αστικών ιστών, καθώς αυτή συνεισφέρει στην αποδοτικότερη χρήση της γης. Ο σχεδιασμός πολυώροφων κτιρίων δεν θα ήταν εφικτός χωρίς την παράλληλη ανάπτυξη των συστημάτων μεταφοράς ατόμων (συστήματα ανελκυστήρων, κυλιόμενες κλίμακες και διάδρομοι). Ο σχεδιασμός των συστημάτων μεταφοράς ξεκινά με τον προσεκτικό «κυκλοφοριακό σχεδιασμό» τους, ο οποίος λαμβάνει υπόψη τον αναμενόμενο τύπο και ένταση κυκλοφορίας των χρηστών ενός κτιρίου και κατόπιν κατάλληλης κυκλοφοριακής ανάλυσης, αποσκοπεί στον καθορισμό βασικών σχεδιαστικών παραμέτρων των συστημάτων (αριθμός μεταφορικών μηχανών ανά σύστημα, χωρητικότητες θαλάμων των ανελκυστήρων ή επιφάνεια σκαλοπατιών/φολίδων των κυλιόμενων κλιμάκων/διαδρόμων, ονομαστικές τιμές ταχυτήτων κ.α.) ώστε αυτά να εξυπηρετούν τον απαιτούμενο αριθμό ατόμων, επιτυγχάνοντας ικανοποιητικό χρόνο εξυπηρέτησης χωρίς να μειώνονται τόσο η άνεση όσο και η ασφάλεια των επιβατών. Τα αποδοτικά μεταφορικά συστήματα κρίνονται ως τα αναγκαιότερα Η/Μ συστήματα για την λειτουργικότητα πολυώροφων κτιρίων υψηλής κυκλοφοριακής έντασης. Σε περίπτωση κακής απόδοσης των συστημάτων αυτών, έχει παρατηρηθεί πως ένα τέτοιο κτίριο ενδέχεται να χάσει σημαντικό ποσοστό της εμπορικής του αξίας.Ένας παράγοντας που έχει συγκεντρώσει την προσοχή της επιστημονικής κοινότητας είναι η κατανάλωση ενέργειας στον κτιριακό τομέα μέρος της οποίας αφορά τα μεταφορικά συστήματα. Σύμφωνα με την βιβλιογραφία, η κατανάλωση των συστημάτων ανελκυστήρων είναι περίπου το 3-8% της συνολικής κατανάλωσης τους, όμως σε κτίρια με σημαντική κυκλοφοριακή ένταση (π.χ. πολυώροφα κτίρια γραφείων κ.α.) η κατανάλωση ενέργειας κατά τα χρονικά διαστήματα μέγιστης κυκλοφοριακής έντασης μπορεί να προσεγγίσει το 40% της συνολικής κατανάλωσης ενέργειας του κτιρίου. Η παρούσα διδακτορική διατριβή έχει εκπονηθεί στο πεδίο του σχεδιασμού μεταφορικών συστημάτων ατόμων σε κτίρια. Στόχος της είναι η πρόταση καινοτόμων μεθόδων κυκλοφοριακής και ενεργειακής ανάλυσης για τον σχεδιασμό συστημάτων ανελκυστήρων και κυλιόμενων κλιμάκων υψηλής συνολικής απόδοσης λαμβάνοντας υπόψη ταυτοχρόνως την απόδοση της εξυπηρέτησης και την ενεργειακή κατανάλωση.Η διατριβή χωρίζεται σε τρία μέρη:•Στο Μέρος Α, παρουσιάζεται μία καινοτόμος μέθοδος κυκλοφοριακής ανάλυσης συστημάτων ανελκυστήρων, ένα λεπτομερές μοντέλο υπολογισμού ενεργειακής κατανάλωσης ανελκυστήρων έλξεως και, τέλος, ένας καινοτόμος δείκτης συνολικής απόδοσης μεταφορικών μηχανών που λαμβάνει υπόψη την απόδοση εξυπηρέτησης και την ενεργειακή κατανάλωση•Στο Μέρος Β, παρουσιάζεται μία ολοκληρωμένη μέθοδος σχεδιασμού κυλιόμενων κλιμάκων που συνδυάζει την κυκλοφοριακή ανάλυση και ένα λεπτομερές μοντέλο για τον υπολογισμό της ενεργειακής κατανάλωσης, ενώ εφαρμόζεται ο προταθείς δείκτης του Μέρους Α.•Στο Μέρος Γ, παρουσιάζονται δύο μέθοδοι για την βέλτιστη τοποθέτηση συστημάτων ανελκυστήρων στην οριζόντια τομή ενός κτιρίου, με γνώμονα την ελαχιστοποίηση των οριζοντίων μετακινήσεων των χρηστών των συστημάτων.Αναλυτικότερα, στο Μέρος Α της διατριβής παρουσιάζεται η καινοτόμος μαθηματική μέθοδος κυκλοφοριακής ανάλυσης συστημάτων ανελκυστήρων «Integrated Mathematical Elevator Traffic Analysis (IMETA) method”. Η μέθοδος ΙΜΕΤΑ εφαρμόζεται σε συστήματα ανελκυστήρων των οποίων τα υποσυστήματα ελέγχου διανέμουν τις κλήσεις ορόφων στους διάφορους ανελκυστήρες βελτιστοποιώντας συναρτήσεις κόστους (directional collective systems that optimize cost functions), καθώς και σε μονούς ανελκυστήρες. Είναι η πρώτη στην βιβλιογραφία μαθηματική μέθοδος κυκλοφοριακής ανάλυσης που μπορεί να εφαρμοστεί – με πολύ μικρό υπολογιστικό κόστος - για κάθε συνδυασμό: α. τύπου και αρχιτεκτονικού σχεδιασμού κτιρίου, β. τύπου κυκλοφορίας (εισερχόμενη στο κτίριο ροή, εξερχόμενη από το κτίριο ροή, τυχαίες ροές μεταξύ ορόφων κτλ.) και έντασης, γ. κυκλοφοριακού σχεδιασμού ανελκυστήρων, δ. τύπου ανελκυστήρων (έλξεως ή υδραυλικοί) και ε. στρατηγική ελέγχου (π.χ. ελαχιστοποίηση χρόνων αναμονής κλήσεων ορόφων). Η μέθοδος ΙΜΕΤΑ βασίζεται στην πρόταση της καινοτόμου ιδέας πως η κύρια λειτουργία των ανελκυστήρων είναι η μεταφορά των επιβατών τους με διακοπτόμενα (intermittent) «Unidirectional Trips» (Ταξίδια Συγκεκριμένης Κατεύθυνσης, συντ. ΤΣΚ). Τα ΤΣΚ αναπαριστούν με ρεαλισμό τα ταξίδια με επιβάτες και τουλάχιστον δύο στάσεις που εκτελούν στην πραγματικότητα οι ανελκυστήρες. Αυτά προτείνονται έναντι των «Round Trips» (Κυκλικών Ταξιδιών) που εφαρμόζονται στις υπάρχουσες αναλυτικές μεθόδους της βιβλιογραφίας παράλληλα με την υπόθεση πως εκτελούνται σε συνθήκες μόνιμης κίνησης των ανελκυστήρων.Στην μέθοδο ΙΜΕΤΑ, τα ΤΣΚ πλαισιώνονται και από άλλες λειτουργίες που περιγράφουν ρεαλιστικά την συνολική λειτουργία ενός συστήματος ανελκυστήρων. Αυτές είναι: α. η εκτέλεση πτήσεων απάντησης προς ορόφους με καταχωρημένες κλήσεις, β. η εκτέλεση πτήσεων επαναδιάταξης προς προκαθορισμένους, στρατηγικούς ορόφους αναμονής μετά την ολοκλήρωση ΤΣΚ και γ. η στάσιμη λειτουργία των ανελκυστήρων είτε σε κατάσταση αναμονής, είτε σε κατάσταση standby με συγκεκριμένα ηλεκτρολογικά υποσυστήματα να έχουν τεθεί εκτός λειτουργίας. Όλες οι ανωτέρω λειτουργίες αναλύονται για πρώτη φορά στην βιβλιογραφία χρησιμοποιώντας πιθανοτικό λογισμό, θεωρώντας πως αποτελούν πιθανά γεγονότα που ερμηνεύονται με διακριτές τυχαίες μεταβλητές. Οι αφίξεις πιθανών χρηστών ενός συστήματος ανελκυστήρων ακολουθούν σύμφωνα με την βιβλιογραφία την ομοιόμορφη κατανομή στον χρόνο. Κατ’ επέκταση, γίνεται η παραδοχή πως ομοιόμορφη κατανομή στον χρόνο ακολουθούν οι καταχωρήσεις κλήσεων ορόφων αλλά και όλες οι φορές που εκτελείται το σύνολο των ενεργειών ενός ανελκυστήρα από την στιγμή που δέχεται μια κλήση σε κατάσταση ακινησίας μέχρι να ξαναβρεθεί σε κατάσταση ακινησίας.Η μέθοδος ΙΜΕΤΑ υλοποιείται μέσω τεσσάρων υπολογιστικών, παραμετροποιημένων modules που ανταλλάσσουν μεταξύ τους δεδομένα. Αυτά είναι το «Input Data module» (συντ. IDM) (module Δεδομένων Εισόδου), το «Landing Call Allocation module» (συντ. LCAM) (module Περιπτώσεων Διανομής Κλήσεων Ορόφων), το «Control Strategy module» (συντ. CSM) (module Στρατηγικής Ελέγχου) και, τέλος, το «Output Data module» (συντ. ODM) module Δεδομένων Εξόδου).Πιο συγκεκριμένα, το IDM δέχεται αρχικά τα δεδομένα εισόδου για:•τον αρχιτεκτονικό σχεδιασμό του κτιρίου (αριθμός ορόφων, ύψη μεταξύ ορόφων), •τον τύπο και την ένταση της κυκλοφορίας των χρηστών του κτιρίου (ρυθμοί διακριτών αφίξεων χρηστών στο σύστημα ανά δευτερόλεπτο, διακριτές πιθανότητες μετάβασης από έναν όροφο i σε έναν άλλον όροφο j κ.α.),•τον κυκλοφοριακό σχεδιασμό του συστήματος των ανελκυστήρων (αριθμός ανελκυστήρων συστήματος, χωρητικότητες θαλάμων, ονομαστικές τιμές ταχυτήτων, επιταχύνσεων, χρόνοι ανοίγματος και κλεισίματος θυρών κ.α.).Κατόπιν, το IDM απεικονίζει υπολογιστικά με εκατοντάδες παραμέτρους τις πιθανές καταχωρημένες κλήσεις ορόφων και θαλάμων, καθώς και τις διάφορες λειτουργίες των ανελκυστήρων στην μέση κατάσταση λειτουργίας του συστήματος. Παραδείγματα τέτοιων παραμέτρων είναι ο μέσος αριθμός κλήσεων προς τα επάνω ή προς τα κάτω σε κάθε όροφο, η πιθανότητα αυτές να εξυπηρετηθούν από ανελκυστήρα σε αναμονή ή από κάποιον κατειλημμένο, η πιθανότητα καταχώρησης κλήσης θαλάμου προς έναν όροφο, ο μέσος αριθμός των ΤΣΚ προς τα επάνω και προς τα κάτω, ο μέσος αριθμός των στάσεων των ΤΣΚ, η μέση απόσταση μεταξύ των στάσεων, ο μέσος αριθμός των εξυπηρετούμενων επιβατών και ο μέσος αριθμός επιβατών εντός των θαλάμων κατά την διάρκεια των ΤΣΚ, ο μέσος αριθμός, η μέση απόσταση και ο μέσος χρόνος εκτέλεσης των πτήσεων απάντησης και επαναδιάταξης, ο μέσος χρόνος στάσιμης λειτουργίας μεταξύ των ταξιδιών για κάθε ανελκυστήρα και πολλές άλλες.Στο σημείο αυτό θα πρέπει να σημειωθεί πως οι τιμές μερικών παραμέτρων για την περιγραφή της μέσης κατάστασης λειτουργίας του συστήματος των ανελκυστήρων στο IDM και κατόπιν στο LCAM, εξαρτώνται από την εφαρμογή της στρατηγικής ελέγχου, ή οποία όμως αναλύεται σε επόμενο module. Γι’ αυτό, οι παράμετροι αυτές λαμβάνουν κατάλληλες υποτιθέμενες (default) τιμές και αφού μοντελοποιηθεί η υλοποίηση της στρατηγικής ελέγχου, υπολογίζονται στο ODM, μέσω μιας επαναληπτικής διαδικασίας που βασίζεται στην «Μέθοδο της Διχοτόμησης».Το LCAM λαμβάνει δεδομένα από το IDM για την μέση κατάσταση λειτουργίας του συστήματος των ανελκυστήρων και αναλύει όλες τις πιθανές περιπτώσεις διανομής στους ανελκυστήρες μιας τυχαίας κλήσης για κάθε κατεύθυνση και για κάθε όροφο. Ως περιπτώσεις διανομής μιας κλήσης ορίζονται και εξετάζονται όλες οι περιπτώσεις με τις οποίες μπορεί να εξυπηρετηθεί αυτή από ανελκυστήρες που εκτελούν διαφορετικές λειτουργίες σύμφωνα με την μέση κατάσταση λειτουργίας του συστήματος. Οι περιπτώσεις αυτές δεν θα πρέπει να παρερμηνεύονται ως πιθανές περιπτώσεις που αντιμετωπίζει το υποσύστημα ελέγχου ενός συστήματος ανελκυστήρων σε πραγματικό χρόνο. Πιο λεπτομερώς, οι περιπτώσεις διανομής μιας τυχαίας κλήσης που αναλύονται με διακριτές τυχαίες μεταβλητές, ομαδοποιούνται στις κάτωθι κατηγορίες:•Η κλήση διανέμεται σε ανελκυστήρες που κατά την τυχαία στιγμή της καταχώρησής της αναμένουν στάσιμοι είτε στον τελευταίο όροφο που επισκέφθηκαν στο τελευταίο τους ΤΣΚ, είτε σε προκαθορισμένο, στρατηγικό όροφο αφού εκτέλεσαν πτήση επαναδιάταξης.•Η κλήση διανέμεται σε ανελκυστήρες που κατά την τυχαία στιγμή της καταχώρησής της εκτελούν πτήσεις απάντησης με φορά προς τα επάνω ή προς τα κάτω με προορισμό ορόφους που έχουν ήδη καταχωρηθεί άλλες κλήσεις ορόφων προς την ίδια κατεύθυνση.•Η κλήση διανέμεται σε ανελκυστήρες που κατά την τυχαία στιγμή της καταχώρησής της εκτελούν ΤΣΚ είτε προς την ίδια, είτε προς την αντίθετη κατεύθυνση.•Η κλήση διανέμεται σε ανελκυστήρες που κατά την τυχαία στιγμή καταχώρησής της εκτελούν πτήσεις επαναδιάταξης προς στρατηγικούς ορόφους.Το LCAM, για κάθε περίπτωση διανομής, για μια τυχαία κλήση προς μια συγκεκριμένη κατεύθυνση για κάθε όροφο, υπολογίζει τις εξής παραμέτρους: 1.την πιθανότητα να υπάρχει διαθέσιμος ανελκυστήρας,2.τις παραμέτρους που υπολογίζονται από τις συναρτήσεις κόστους που εφαρμόζονται στο πλαίσιο της υλοποίησης των επιθυμητών στρατηγικών ελέγχου,3.τις παραμέτρους που περιγράφουν την πιθανή πτήση απάντησης που μπορεί να εκτελεσθεί ή να μεταβληθεί σύμφωνα με την περίπτωση διανομής.Το CSM λαμβάνει δεδομένα από το LCAM και εφαρμόζει την επιθυμητή στρατηγική ελέγχου. Η τελευταία μπορεί να είναι οποιαδήποτε εάν και εφόσον μπορεί να εκφραστεί με συναρτήσεις κόστους (π.χ. υπολογισμός χρόνου αναμονής κλήσεων ορόφων, υπολογισμός καλυπτόμενης απόστασης μέχρι τον όροφο που έχει καταχωρηθεί η κλήση κ.α.) ή/και να περιγραφεί μαθηματικά (ανάθεση τομέων ορόφων κτιρίου σε συγκεκριμένους ανελκυστήρες με κατάλληλες τιμές στα δεδομένα εισόδου κ.α.). Η στρατηγική ελέγχου εφαρμόζεται δια της αξιολόγησης και κατάταξης των διαθέσιμων περιπτώσεων κατανομής για μία τυχαία κλήση για κάθε όροφο, σύμφωνα με την συνάρτηση κόστους που εκφράζει μαθηματικά την στρατηγική. Στην υπόθεση εργασίας της παρούσας διατριβής, η στρατηγική ελέγχου που έχει εφαρμοστεί είναι η ελαχιστοποίηση του μέσου χρόνου αναμονής των κλήσεων ορόφων, η οποία είναι η με διαφορά συνηθέστερη στρατηγική στα πραγματικά συστήματα ανελκυστήρων.Το ODM λαμβάνει δεδομένα από τα IDM και CSM και αρχικά υπολογίζει διορθωμένες τιμές για την σύγκληση μέσω της επαναληπτικής διαδικασίας, των παραμέτρων που έχουν δεχθεί εξ’ αρχής - στα IDM και LCAM – υποτιθέμενες (default) τιμές. Η σύγκλιση των παραμέτρων αυτών σηματοδοτεί την ολοκλήρωση της εφαρμογής της μεθόδου ΙΜΕΤΑ. Με την ολοκλήρωση της επαναληπτικής διαδικασίας, το ODM παράγει τα τελικά αποτελέσματα της κυκλοφοριακής ανάλυσης τα οποία είναι:•οι τελικές τιμές για τις πολυάριθμες παραμέτρους περιγραφής της μέσης κατάστασης λειτουργίας τους συστήματος των ανελκυστήρων, •αναλυτικά κυκλοφοριακά δεδομένα για την χρονική περίοδο λειτουργίας που εξετάζεται, τα οποία απαιτούνται για έναν μετέπειτα υπολογισμό της ενεργειακής κατανάλωσης του συστήματος (αριθμός των ΤΣΚ μέσος αριθμός στάσεων, μέσο μήκος πτήσεων των και μέσο φορτίο ανά ΤΣΚ, μέσος αριθμός και μήκος πτήσεων απάντησης και επαναδιάταξης, χρόνος στάσιμης λειτουργίας ανά ανελκυστήρα κ.α.)•οι τιμές των παραμέτρων που περιγράφουν την απόδοση της εξυπηρέτησης που επιτυγχάνει το σύστημα (μέσος χρόνος αναμονής κλήσεων ορόφων, μέσος χρόνος αναμονής επιβατών, μέσοι χρόνοι ταξιδιού και συνολικής εξυπηρέτησης επιβατών, αριθμός εξυπηρετούμενων επιβατών και μέση απόσταση ταξιδιού επιβατών).Τονίζεται πως η μέθοδος ΙΜΕΤΑ πραγματοποιεί κυκλοφοριακές αναλύσεις, επεξεργαζόμενη όλα τα δεδομένα που επεξεργάζονται και τα πιο ανεπτυγμένα εμπορικά προγράμματα προσομοιώσεων. Επίσης υπακούει σε όλα τα διεθνή και ευρωπαϊκά πρότυπα και οδηγίες σχεδιασμού και ασφαλούς λειτουργίας ανελκυστήρων. Τέλος, δύναται να εξαγάγει λεπτομερή κυκλοφοριακά δεδομένα για να τροφοδοτήσει οποιοδήποτε μοντέλο ενεργειακής κατανάλωσης οποιουδήποτε τύπου ανελκυστήρα.Συνεχίζοντας, στην παρούσα διατριβή προτείνεται ένα νέο, λεπτομερές παραμετρικό μοντέλο υπολογισμού της ενεργειακής κατανάλωσης ανελκυστήρων έλξεως. Το μοντέλο λαμβάνει ως δεδομένα εισόδου λεπτομερή κυκλοφοριακά δεδομένα, τα οποία στην παρούσα διατριβή εξάγονται από την μέθοδο ΙΜΕΤΑ, καθώς και πληθώρα παραμέτρων που αφορούν στον μηχανολογικό και ηλεκτρολογικό σχεδιασμό των ανελκυστήρων του συστήματος. Εξάγει λεπτομερή δεδομένα κατανάλωσης και πιθανής αναγέννησης ενέργειας για το σύνολο των ταξιδιών/πτήσεων και για το σύνολο της στάσιμης λειτουργίας των ανελκυστήρων, καθώς και για τις υποδομές του συστήματος ανελκυστήρων (φρεάτια, μηχανοστάσια κτλ.). Το προτεινόμενο μοντέλο είναι το λεπτομερέστερο της βιβλιογραφίας καθώς:•Περιλαμβάνει πρωτότυπη ρουτίνα για τον υπολογισμό των δυνάμεων τριβής στους οδηγούς, η οποία λαμβάνει υπόψη της τον γεωμετρικό σχεδιασμό του συστήματος των ανελκυστήρων και τους υπολογισμούς αντοχής οδηγών των νεότερων ευρωπαϊκών προτύπων.•Λαμβάνει για πρώτη φορά υπόψη την ενεργειακή κατανάλωση κατά τις στάσεις επιβίβασης/αποβίβασης των επιβατών και περιλαμβάνει σχετική πρωτότυπη ρουτίνα για τον υπολογισμό της.•Υπολογίζει με συστηματικό τρόπο την ενεργειακή κατανάλωση των υποσυστημάτων πέραν του συστήματος κίνησης, λαμβάνοντας υπόψη τις διαφορετικές καταστάσεις λειτουργίας (κίνηση, στάσιμη αναμονή, λειτουργία standby) και σχετικές προδιαγραφές ευρωπαϊκών και διεθνών προτύπων.•Περιλαμβάνει πρωτότυπους υπολογισμούς για την επίδραση στην κατανάλωση ενέργειας μη αντισταθμισμένων στοιχείων ανάρτησης.•Λαμβάνει για πρώτη φορά υπόψη την μεταβολή των συντελεστών απόδοσης των κινητήρων επί των καμπυλών αποδιδόμενης ροπής – στροφών, στις λειτουργίες κίνησης και ενεργειακής αναγέννησης. •Λαμβάνει υπόψη την επίδραση στην κατανάλωση ενέργειας όλων των αναρτώμενων και περιστρεφόμενων μαζών ανεξάρτητα από την τιμή τους, όπως είναι οι μάζες μη μεταλλικών τροχαλιών παρέκκλισης, η μάζα του εύκαμπτου ηλεκτρολογικού καλωδίου θαλάμου κ.α.•Εφαρμόζεται για κάθε προφίλ ταχυτήτων λαμβάνοντας υπόψη ακόμα και τον ρυθμό μεταβολής της επιτάχυνσης (jerk ratio).Το προτεινόμενο μοντέλο ενεργειακής κατανάλωσης υπακούει σε όλα τα διεθνή και ευρωπαϊκά πρότυπα για τον ορθό μηχανολογικό σχεδιασμό ενός ανελκυστήρα έλξεως.Για την συστηματική αξιολόγηση της συνολικής απόδοσης μιας μεταφορικής μηχανής γενικότερα, στην παρούσα διατριβή προτείνεται ο καινοτόμος δείκτης αξιολόγησης «Energy – Service Efficiency Index» (IES) (Δείκτης Ενεργειακής Απόδοσης & Απόδοσης Εξυπηρέτησης). Ο δείκτης IES λαμβάνει υπόψη του ταυτόχρονα την κατανάλωση ενέργειας, την παροχή της μεταφορικής μηχανής και την ταχύτητα εκτέλεσης του μεταφορικού έργου. Ειδικότερα, για ένα χρονικό διάστημα αναφοράς, ο δείκτης υπολογίζεται με την αναγωγή του γινομένου της συνολικής καταναλισκόμενης ενέργειας επί τον μέσο απαιτούμενο χρόνο για την μεταφορά μίας μονάδας φορτίου, ως προς το γινόμενο του συνολικού φορτίου που μεταφέρεται στο χρονικό διάστημα, επί την μέση απόσταση μεταφοράς. Ο δείκτης IES λαμβάνει τόσο μικρότερες τιμές όσο μεγαλύτερη είναι η συνολική απόδοση της μεταφορικής μηχανής. Στην περίπτωση των μεταφορικών μηχανών ατόμων σε κτίρια, ο δείκτης λαμβάνει μοναδικές τιμές είτε για ένα σύστημα (ανελκυστήρων ή κυλιόμενων κλιμάκων/διαδρόμων), είτε συνολικά για ένα κτίριο σε περίπτωση που αυτό περιλαμβάνει περισσότερα του ενός συστήματα, φανερώνοντας έτσι την αποδοτικότητα του συνολικού κυκλοφοριακού σχεδιασμού του. Τέλος, το Μέρος Α της διατριβής ολοκληρώνεται με την υπόθεση εργασίας, κατά την οποία μελετώνται υποψήφιες λύσεις για τον κυκλοφοριακό και ηλεκτρομηχανολογικό σχεδιασμό ενός συστήματος ανελκυστήρων έλξεως για ένα 11όροφο κτίριο γραφείων, με εφαρμογή της μεθόδου ΙΜΕΤΑ, του προτεινόμενου μοντέλου ενεργειακής κατανάλωσης και του δείκτη ΙES. Τονίζεται πως η μέθοδος ΙΜΕΤΑ και το προτεινόμενο ενεργειακό μοντέλο ανελκυστήρων έλξεως υλοποιούνται σε προγράμματα Η/Υ.Στο Μέρος Β της διατριβής, παρουσιάζεται μία ολοκληρωμένη μέθοδος κυκλοφοριακής και ενεργειακής ανάλυσης κυλιόμενων κλιμάκων. Πυρήνας της μεθόδου είναι το πρώτο αναλυτικό μοντέλο υπολογισμού ενεργειακής κατανάλωσης των μηχανών αυτών, το οποίο λαμβάνει πληθώρα δεδομένων εισόδου από:•τον ηλεκτρομηχανολογικό παραμετρικό σχεδιασμό των κλιμάκων (γεωμετρικά δεδομένα κλίμακας, διαστάσεις και βάρος σκαλοπατιών, δεδομένα για τον σχεδιασμό των στοιχείων μηχανών όπως γραμμικό βάρος, αριθμός και συντελεστής τριβής ράουλων, αλυσίδων έλξεως κ.α.),•εξειδικευμένη κυκλοφοριακή ανάλυση η οποία εκπονείται για την πρόβλεψη της χρήσης των κλίμακων (συχνότητα λειτουργίας, κατανομή ατόμων κατά το κεκλιμένο μήκος της κλίμακας) καθώς και για την αξιολόγηση της απόδοσης εξυπηρέτησης που επιτυγχάνουν (παροχή ατόμων και μέσος χρόνος μεταφοράς ενός επιβάτη).Εκτός από την εξαγωγή των κυκλοφοριακών και ενεργειακών δεδομένων, εφαρμόζεται και ο δείκτης «Energy – Service Efficiency Index» (IES) για την συστηματική αξιολόγηση της συνολικής απόδοσης κυλιόμενων κλιμάκων.Τέλος, στο Μέρος Β παρουσιάζεται μία υπόθεση εργασίας για τον σχεδιασμό και την αξιολόγηση της συνολικής απόδοσης μίας κυλιόμενης κλίμακας σε ένα εμπορικό κτίριο. Τα αποτελέσματα παράγονται από λογισμικό που υλοποιεί την προτεινόμενη μέθοδο.Στο Μέρος Γ της διατριβής, παρουσιάζονται δύο μέθοδοι για την βελτιστοποίηση της τοποθέτησης ενός συστήματος ανελκυστήρων στην οριζόντια τομή ενός κτιρίου, οι μέθοδοι «Optimum Hoistway Positioning Methods I & II» (συντ. OHPM-I και OHPM-II).Η μέθοδος OHPM-I είναι καταλληλότερη για εφαρμογή σε πρώιμη φάση του αρχιτεκτονικού σχεδιασμού ενός πολυώροφου κτιρίου κατά την οποία διαμορφώνονται οι χώροι (χρήσιμοι, κυκλοφορίας, ημιυπαίθριοι, χώροι εγκαταστάσεων). Η μέθοδος αναζητά τις κοινές για κάθε όροφο, βέλτιστες οριζόντιες συντεταγμένες x,y, οι οποίες ανήκουν σε χρήσιμους ή ημιυπαίθριους χώρους και παρουσιάζουν από όλες τις άλλες συντεταγμένες των χρήσιμων χώρων, την ελάχιστη, βεβαρημένη, μέση ευκλείδεια απόσταση. Επομένως υποδεικνύουν και το βέλτιστο σημείο γύρω από το οποίο μπορεί να σχεδιαστεί το φρεάτιο του συστήματος των ανελκυστήρων. Οι συντεταγμένες του πεδίου αναζήτησης προκύπτουν από την εφαρμογή πλεγμάτων διαχωρισμού με κοινές συντεταγμένες σε όλους τους ορόφους. Τα κελιά τα οποία προκύπτουν πρέπει να έχουν τέτοιο μέγεθος ώστε να αντιστοιχούν αποκλειστικά σε ένα τύπο χώρου και αντιστοιχούν σε μοναδικές συντεταγμένες x,y. Η παράμετρος της οποίας οι τιμές λαμβάνονται ως βάρη είναι ο δείκτης «Elevator Use Intensity Index» (συντ. EUII), όπου για κάθε κελί χρήσιμου χώρου λαμβάνει μοναδική τιμή συναρτήσει του πληθυσμού του χώρου και της στατιστικά εκτιμώμενης συχνότητας χρήσης των ανελκυστήρων από τον πληθυσμό αυτόν.Η αναζήτηση των βέλτιστων συντεταγμένων x,y πραγματοποιείται με εφαρμογή μίας παραλλαγής του ευριστικού αλγορίθμου της Τεχνητής Νοημοσύνης Hill Climbing. Η παραλλαγή έγκειται στο διευρυμένο μέτωπο αναζήτησης, ώστε ο Hill Climbing να μπορεί να υπερπηδά δομικά στοιχεία και άλλους τύπους χώρων εκτός των χρήσιμων. Επίσης, καταλήγει στην βέλτιστη λύση με πολύ μικρό υπολογιστικό κόστος.Η μέθοδος OHPM-IΙ είναι καταλληλότερη για εφαρμογή σε μεταγενέστερη φάση του αρχιτεκτονικού σχεδιασμού, και πριν τον στατικό σχεδιασμό, όπου έχουν προταθεί λύσεις για την μορφή των χώρων κυκλοφορίας. Στην μέθοδο αυτή, αναζητούνται οι βέλτιστες συντεταγμένες x,y επί των κυκλοφοριακών οδεύσεων που διαμορφώνονται από την μορφή και την σύνδεση των χώρων κυκλοφορίας, και οι οποίες παρουσιάζουν από τις εισόδους των χρήσιμων χώρων την ελάχιστη, βεβαρημένη, μέση απόσταση. Στην περίπτωση αυτή ο δείκτης EUII λαμβάνει μοναδική τιμή για κάθε χρήσιμο χώρο συνολικά και όχι για κάθε κελί, κάθε χρήσιμου χώρου. Η αναζήτηση των βέλτιστων συντεταγμένων πραγματοποιείται με εφαρμογή ενός υβριδικού σχήματος εξαντλητικής αναζήτησης και της προτεινόμενης ανωτέρω παραλλαγής του αλγορίθμου Hill Climbing. Κατόπιν, αναζητούνται οι υποβέλτιστες συντεταγμένες που ανήκουν σε χρήσιμους ή ημιυπαίθριους χώρους, οι οποίες βρίσκονται πλησίον των βέλτιστων και, αντιστοιχώντας στο κέντρο της πλευράς εισόδου του φρέατος, υποδεικνύουν την βέλτιστη τοποθέτηση του. Για την αναζήτηση αυτή, εφαρμόζεται μία παραλλαγή του ευριστικού αλγορίθμου Τεχνητής Νοημοσύνης Tabu Search ώστε να μπορεί να υπερπηδά δομικά στοιχεία, καθώς κι ένα σύνολο εμπειρικών αρχιτεκτονικών κανόνων που εκφράζονται με κατάλληλους γεωμετρικούς περιορισμούς και λαμβάνουν υπόψη την αρχιτεκτονική του ορόφου και τις απαιτούμενες διαστάσεις του φρέατος. Η μέθοδος OHPM-IΙ έχει αναπτυχθεί προς το παρόν για εφαρμογή σε έναν όροφο.Τέλος, στο Μέρος Γ της διατριβής παρέχονται υποθέσεις εργασίας για την εφαρμογή και των δύο μεθόδων.Όλες οι προτεινόμενες μέθοδοι στην παρούσα διατριβή έχουν υλοποιηθεί από τον συγγραφέα σε κατάλληλα προγράμματα Η/Υ.