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Índice de Conforto Térmico ISO 7730 em Automação Predial

Eduardo Augusto GalloFernando Nascimento Ribeiro

Roteiro

Introdução

Conforto Térmico

Sistemas Supervisórios

ActionView

Controle

Resultados

Conclusão

Introdução

Conforto Térmico

ActionView

Controle

Resultados

Conclusão

IntroduçãoIntrodução

Resultados

Conclusão

Grande parte dos gastos com energia elétrica em edifícios comerciais é destinada aos equipamentos de ar condicionado.

Em um contexto global de preocupações ecológicas em evidência, a economia de energia elétrica é extremamente importante.

Os sistemas de automação predial modernos possuem ferramentas de racionalização de energia.

Conforto Térmico

ActionView

Controle

Resultados

Conclusão

Objetivos:

Desenvolver as ferramentas necessárias para integrar sensores e atuadores em um sistema supervisório, calcular o índice de conforto térmico do ambiente e implementar estratégias de controle sobre esse índice.

Conforto Térmico

ActionView

Controle

Resultados

Conclusão

Contexto:

“Rede de automação predial distribuída para racionalização de energia segundo o paradigma ‘Ambient Intelligence’”

Processamento distribuído

Racionalização de Energia

Comunicação Wireless, padrão ZigBee

Conforto Térmico

ActionView

Controle

Resultados

Conclusão

Contexto:Instalação de uma planta piloto para testes nos laboratórios LARA e LAVSI

Conforto Térmico

ActionView

Controle

Resultados

Conclusão

Descrição:

Instalações físicas:

Conforto Térmico

ActionView

Controle

Resultados

Conclusão

Descrição:

Planejamento do sistema supervisório

Cálculo do índice de conforto térmico

Controle do conforto térmico

Conforto Térmico

ActionView

Controle

Conforto térmicoIntrodução

Resultados

Conclusão

Conceito de conforto térmico:Conforto Térmico

ActionView

Controle

Segundo a norma ISO 7730, “conforto térmico é o estado de alma que expressa satisfação com o ambiente térmico”.

É influenciado por: fatores mensuráveis físicos, fatores mensuráveis pessoais, fatores não-mensuráveis e pela geometria do ambiente.

Resultados

Conclusão

Principais normas:Conforto Térmico

ActionView

Controle

ASHRAE 55 (Condições térmicas do ambiente para ocupação humana)

ISO 7726 (Ergometria do ambiente térmico – instrumentos de medida de grandezas físicas)

ISO 7730 (Ambientes térmicos moderados – determinação dos índices PMV e PPD e especificação das condições de conforto térmico)

ISO 7993 (Ambientes quentes – determinação analítica e interpretação do stress térmico utilizando cálculo da taxa de suor desejado)

Resultados

Conclusão

Índice PMV:Conforto Térmico

ActionView

Controle

Uma das normas de conforto térmico mais aceitas mundialmente é a ISO 7730, a qual utiliza o índice PMV proposto por Fanger em 1970.

Variáveis físicas: temperatura, umidade, velocidade do vento, temperatura média radiante

Variáveis pessoais: nível de atividade, vestimenta Escala de sensação térmica usada pelo índice PMV:

Resultados

Conclusão

Cálculo do índice PMV Conforto Térmico

ActionView

Controle

Fanger conduziu experimentos nos quais avaliava a relação entre a carga térmica e a opinião das pessoas sobre a sensação térmica. Observando os resultados, ele chegou ao índice de conforto térmico PMV, dado por:

CREEEEMePMV rsrltransdifM 028,0303,0 036,0Taxa de metabolismo (M): obtida através de tabelas de

acordo com a atividade física Calor perdido por difusão de vapor (Edif):

dif eURME 3,237

269,17

61078,0007,073,505,3

Calor perdido por transpiração (Etrans):

15,5842,0 MEtrans

Calor perdido por respiração latente (Erl):

rl eURME 3,237

269,17

61078,087,50173,0

Calor perdido por respiração sensível (Ers):

arrs TME 340014,0

Calor perdido por radiação (R):

448 273273155,00275,07,351096,3 radvestvest TCRIMfR

Calor perdido por convecção (C):

arvestvest TCRIMvfC 155,00275,07,351,12

Resultados

Conclusão

Relação entre PMV e PPDConforto Térmico

ActionView

Controle

Mesmo com PMV=0, existem pessoas desconfortáveis. Isto se deve a um fator não mensurável bastante pessoal: há quem goste mais de frio do que calor e vice-versa.

Sistemas SupervisóriosIntrodução

Resultados

Conclusão

SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition)

Monitorar circuitos em sistemas de automação mostrando o estado em tempo real.

Recebe os dados sequencialmente, a uma determinada taxa de varredura.

Adverte a equipe de monitoramento e informa a região da possível falha quando identifica uma situação anormal de funcionamento.

Permite que estratégias de controle sejam desenvolvidas a partir dos dados coletados, alterando set-points de CLP’s, por exemplo.

Conforto Térmico

ActionView

Controle

ActionViewIntrodução

Resultados

Conclusão

SPIN Engenharia de Automação Ltda

Módulos componentes:

AVStudio: criação das ferramentas, como variáveis e telas, gerando a base de dados.

Run-time: coleta, tratamento e apresentação dos dados em tempo real e execução das tarefas de controle programadas.

Comunicação: compatíveis com os principais fabricantes de controladoras, unidades terminais e outros dispositivos eletrônicos.

Conforto Térmico

ActionView

Controle

Resultados

Conclusão

Tipos de telas:

Telas de processo

Telas de medidas Telas sumário de eventos

Telas de alarmes correntes

Telas de consulta a eventos históricos

Telas de tendência histórica de variáveis

Telas de tendência em tempo real

Telas de árvore do sistema

Conforto Térmico

ActionView

Controle

Resultados

Conclusão

Planejamento do sistema de supervisão:

Entendimento do processo

Instalações da SPIN Engenharia 3 medidores Landis&Gyr ZMD-128

7 termistores

1 higrômetro

3 controladoras KMC 7301

Conforto Térmico

ActionView

Controle

Resultados

Conclusão

Tomada de dados

Banco de dados

Alarmes

Navegação entre telas

Conforto Térmico

ActionView

Controle

Resultados

Conclusão

Desenho das telas

Segurança

Gráficos de tendências

Padrão industrial de desenvolvimento

Conforto Térmico

ActionView

Controle

Controle do PMVIntrodução

Resultados

Conclusão

Controle liga-desligaConforto Térmico

ActionView

Controle

Acionamento do atuador em sua potência máxima

Caracterizado por uma histerese

Quanto menor a histerese, menor a oscilação do sistema. Mas deve ter um valor mínimo para evitar excesso de chaveamentos do controlador e atuador

Resultados

Conclusão

Controlador PIDConforto Térmico

ActionView

Controle

Ação proporcional: melhora no erro e na velocidade sem muita precisão.

Ação integral: melhora no erro, reduzindo a zero caso seja integração pura.

Ação derivativa: melhora na velocidade de subida da resposta transitória.

Resultados

Conclusão

Lugar das raízes discretoConforto Térmico

ActionView

Controle

Gráfico da alocação dos zeros e pólos de um sistema em malha fechada enquanto o ganho proporcional é variado de zero a infinito

Desenho similar para sistemas contínuos e discretos.

Interpretação das especificações do sistema (como amortecimento e freqüência natural) acontece de maneira diferente.

Resultados

Conclusão

Procedimentos para o projetoConforto Térmico

ActionView

Controle

(01) Identificação da planta através do IDENT usando como acionamento um sinal PRBS

(02) Converter a função de transferência contínua obtida com o IDENT para o âmbito digital.

Resultados

Conclusão

ActionView

Controle

(03) Projetar o controlador PID usando o SISOTOOL. Adicionar dois zeros e dois pólos ao sistema e variar a localização das raízes enquanto se observa a resposta do sistema. Quando a resposta for satisfatória, verificar a função de transferência resultante do controlador

ControleIntrodução

Resultados

Conclusão

ActionView

Controle

(04) Adequar o controlador a rede KMC, representando a função de transferência discreta do PID através de uma equação de diferenças

)2()1()()1()( 2121 kezzKkezzKkeKkupku CCCCCCCC

ResultadosIntrodução

Resultados

Conclusão

Obtenção do PMV:Conforto Térmico

ActionView

Controle

Cálculo realizado por scripts

Atualiza os valores da temperatura média radiante, resistência térmica da vestimenta e taxa de metabolismo

Programação em VBScript

Calcula os valores do PMV de cada ambiente

Envia os resultados para as controladoras

Resultados

Conclusão

Medição das variáveis:Conforto Térmico

ActionView

Controle

Não utilizamos os anemômetros e higrômetros planejados

Umidade relativa: atualizada conforme necessário a partir de um termo higrômetro portátil

Velocidade do vento: fixa em 0,05 m/s

Temperatura: termistores com precisão de 0,5 ºC

Resultados

Conclusão

Medição das variáveis:Conforto Térmico

ActionView

Controle

Temperatura média radiante, resistência térmica da vestimenta e taxa de metabolismo: calculadas conforme parâmetros informados pelo usuário

Resultados

Conclusão

Influência das variáveis sobre o PMV:Conforto Térmico

ActionView

Controle

Temperatura

Resultados

Conclusão

ActionView

Controle

Velocidade do vento

Resultados

Conclusão

ActionView

Controle

Umidade relativa do ar

Resultados

Conclusão

ActionView

Controle

Temperatura média radiante

Resultados

Conclusão

ActionView

Controle

Resistência térmica da vestimenta

Resultados

Conclusão

ActionView

Controle

Taxa de metabolismo

Resultados

Conclusão

Consumo de energia:Conforto Térmico

ActionView

Controle

Três medidores Landis&Gyr ZMD 128

Dados tratados no mesmo script do cálculo do PMV

Acesso aos consumos diário e mensal

Resultados

Conclusão

Configuração do ActionView:Conforto Térmico

ActionView

Controle

Criação e organização das variáveis

Comunicação

Cálculo do PMV

Interface com o usuário

Resultados

Conclusão

Controle do PMV:Conforto Térmico

ActionView

Controle

Estratégias de controle implementadas em âmbito digital. Códigos dos controladores inseridos na rede KMC através do software WinControl

ActionView se comunica com o WinControl. O PMV calculado no primeiro foi repassado ao segundo

Problema: envio de variáveis do ActionView para o WinControl devido à falta de controle de colisões de dados. Gerou perda de comunicação

Resultados

Conclusão

ActionView

Controle

Excursão do sinal do PMV: -0,3 a 0,3

Verifica o PMV. Acima de 0,3, liga o ar condicionado. Abaixo de -0,3, desliga

Proteção contra chaveamentos excessivos (garante a permanência do ar condicionado num mesmo estado por no mínimo um minuto e meio)

Resultados

Conclusão

ActionView

Controle

Resposta do PMV com o controlador liga-desliga

Faixa de excursão obtida encontra-se dentro do projetado

Economia de energia se comparado ao processo sem controle pois o ar condicionado não fica ligado o tempo todo

PMV mantido em valores mais confortáveis do que quando não há o controle

Resultados

Conclusão

Controle PIDConforto Térmico

ActionView

Controle

Sinal PRBS de acionamento e resposta do PMV

Identificação realizada com o IDENT do MatLab

Resultados

Conclusão

ActionView

Controle

Definição do número de zeros e pólos do modelo, e se há ou não atraso de transporte, verificando qual combinação se aproxima mais do sinal real

Resultados

Conclusão

ActionView

Controle

Modelo P3DZ foi o mais próximo do real, porém com um pólo muito distante dos demais, podendo ser desprezado. Logo, escolhemos o modelo P2DZ

Função de transferência do processo a ser controlado:

24,173127581

7,119811433,1)(

882,25

Convertendo a função de transferência acima para o domínio z, temos:

9405,094,1

01612,0004666,001168,0)(

Resultados

Conclusão

ActionView

Controle

LGR discreto e resposta da planta com realimentação unitária:

Resultados

Conclusão

ActionView

Controle

Adicionando os dois zeros e dois pólos do controlador PID no LGR e variando o ganho de modo que as raízes ficassem situadas dentro do círculo unitário:

Resultados

Conclusão

ActionView

Controle

Resposta melhorada: erro nulo, tempo de resposta baixo e ultrapassagem percentual menor que 20%

Função de transferência do controlador:

84865,065,014)()( 21

zzzzKzC

Representando o controlador através de uma equação de diferenças, obtemos:

)2(72268,7)1(9811,20)(14)1()( kekekekuku

Resultados

Conclusão

Código KMC do controlador PID Conforto Térmico

ActionView

Controle

(01) Calcula o erro.

(02) Processa o sinal de controle de acordo com a equação anterior.

(03) Limita a excursão do sinal de controle para evitar o efeito windup (sinal de controle cresce sem limites devido ao aumento do sinal de erro e sua conseqüente integração).(04) Associa o sinal de controle ao ciclo de trabalho do ar condicionado. Quanto maior o sinal, maior o ciclo.

(05) Aciona o ar condicionado feito por PWM com período de cinco minutos.

(06) Protege contra chaveamentos excessivos.

Resultados

Conclusão

ActionView

Controle

Faixa de excursão do PMV (-0,2 a 0,2) apresenta valores mais confortáveis do que quando não há controle

PPD de 6%, muito próximo do PPD de 5%, que é aquele obtido quando o conforto é ótimo (PMV=0)

Economia de energia pois o ar condicionado não fica ligado durante todo o tempo

Resposta do PMV com o controlador PID:

Resultados

Conclusão

Comparação entre os controladores:Conforto Térmico

ActionView

Controle

Para o PID, velocidade de resposta consiste na taxa de mudança do índice PMV em função da variação do valor médio do PWM

Melhoras significativas ocorrem quando o período do PWM é menor que a constante de tempo da planta. Nessas condições o resultado não apresentaria oscilações

Diferença entre PWM lento e liga-desliga:– PWM lento sempre garante proteção contra chaveamentos rápidos–Liga-desliga garante apenas quando sua histerese é suficientemente grande

Resultados

Conclusão

Comparação entre os controladoresConforto Térmico

ActionView

Controle

PID mais eficiente que o liga-desliga: faixa de excursão do PMV menor com ar condicionado sendo acionado por menos tempo

Monitoramento do consumo de energia não pode ser realizado simultaneamente com a verificação da resposta do PMV. Porém, podemos concluir que houve economia de energia pelo simples fato de o ar condicionado não ficar ligado durante todo o tempo

ConclusãoIntrodução

Resultados

Conclusão

Ferramenta de fácil integração com futuros trabalhos, exigindo apenas reconfigurar algumas variáveis

Conforto Térmico

ActionView

Controle

Problema de comunicação no envio do PMV para controladoras

Controlador PID satisfatório

Obrigado!

Índice de Conforto Térmico ISO 7730 em Automação Predial Eduardo Augusto Gallo Fernando...

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