Índice de Conforto Térmico ISO 7730 em Automação Predial

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

2. Introdução Roteiro Conforto Térmico Conforto Térmico Sistemas Supervisórios Sistemas Supervisórios ActionView ActionView Introdução Controle Controle Resultados Resultados Conclusão Conclusão

3. Introdução Introdução Conforto Térmico Sistemas Supervisórios Em um contexto global de preocupações ecológicas em evidência, a economia de energia elétrica é extremamente importante. ActionView Grande parte dos gastos com energia elétrica em edifícios comerciais é destinada aos equipamentos de ar condicionado. Controle Os sistemas de automação predial modernos possuem ferramentas de racionalização de energia. Resultados Conclusão

4. Introdução Introdução Conforto Térmico Sistemas Supervisórios ActionView 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. Controle Resultados Conclusão

5. Introdução Introdução Conforto Térmico “Rede de automação predial distribuída para racionalização de energia segundo o paradigma ‘Ambient Intelligence’” Sistemas Supervisórios ActionView Contexto: Processamento distribuído Controle Racionalização de Energia Resultados Comunicação Wireless, padrão ZigBee Conclusão

6. Introdução Introdução Conforto Térmico Instalação de uma planta piloto para testes nos laboratórios LARA e LAVSI Sistemas Supervisórios ActionView Contexto: Controle Resultados Conclusão

7. Introdução Introdução Conforto Térmico Instalações físicas: Sistemas Supervisórios ActionView Descrição: Controle Resultados Conclusão

8. Introdução Introdução Conforto Térmico Sistemas Supervisórios Planejamento do sistema supervisório ActionView Cálculo do índice de conforto térmico Descrição: Controle Controle do conforto térmico Resultados Conclusão

9. Introdução Conforto térmico Conforto Térmico Sistemas Supervisórios Segundo a norma ISO 7730, “conforto térmico é o estado de alma que expressa satisfação com o ambiente térmico”. ActionView Conceito de conforto térmico: Controle É influenciado por: fatores mensuráveis físicos, fatores mensuráveis pessoais, fatores não-mensuráveis e pela geometria do ambiente. Resultados Conclusão

10. Introdução Conforto térmico Conforto Térmico ASHRAE 55 (Condições térmicas do ambiente para ocupação humana) Sistemas Supervisórios ISO 7726 (Ergometria do ambiente térmico – instrumentos de medida de grandezas físicas) ActionView Principais normas: ISO 7730 (Ambientes térmicos moderados – determinação dos índices PMV e PPD e especificação das condições de conforto térmico) Controle Resultados ISO 7993 (Ambientes quentes – determinação analítica e interpretação do stress térmico utilizando cálculo da taxa de suor desejado) Conclusão

11. Introdução Conforto térmico Conforto Térmico Uma das normas de conforto térmico mais aceitas mundialmente é a ISO 7730, a qual utiliza o índice PMV proposto por Fanger em 1970. Sistemas Supervisórios Variáveis físicas: temperatura, umidade, velocidade do vento, temperatura média radiante ActionView Índice PMV: Variáveis pessoais: nível de atividade, vestimenta Controle Escala de sensação térmica usada pelo índice PMV: Resultados Conclusão

12. Introdução Conforto térmico Conforto Térmico 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: Sistemas Supervisórios ActionView Taxa de metabolismo (M): obtida através de tabelas de acordo com a atividade física Calor perdido por radiação (R): Calor perdido por convecção (C): Calor perdido por transpiração (Etrans): Calor perdido por respiração latente (Erl): Calor perdido por respiração sensível (Ers): Calor perdido por difusão de vapor (Edif): Cálculo do índice PMV Controle Resultados Conclusão

13. Introdução Conforto térmico Conforto Térmico Sistemas Supervisórios ActionView Relação entre PMV e PPD Controle Resultados 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. Conclusão

14. Introdução Sistemas Supervisórios Conforto Térmico Monitorar circuitos em sistemas de automação mostrando o estado em tempo real. Sistemas Supervisórios Recebe os dados sequencialmente, a uma determinada taxa de varredura. ActionView SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) Adverte a equipe de monitoramento e informa a região da possível falha quando identifica uma situação anormal de funcionamento. Controle Resultados Permite que estratégias de controle sejam desenvolvidas a partir dos dados coletados, alterando set-points de CLP’s, por exemplo. Conclusão

15. Introdução ActionView Conforto Térmico Módulos componentes: Sistemas Supervisórios AVStudio: criação das ferramentas, como variáveis e telas, gerando a base de dados. ActionView Run-time: coleta, tratamento e apresentação dos dados em tempo real e execução das tarefas de controle programadas. SPIN Engenharia de Automação Ltda Controle Comunicação: compatíveis com os principais fabricantes de controladoras, unidades terminais e outros dispositivos eletrônicos. Resultados Conclusão

16. Introdução ActionView Conforto Térmico Telas de processo Sistemas Supervisórios Telas de medidas Telas sumário de eventos ActionView Telas de alarmes correntes Tipos de telas: Telas de consulta a eventos históricos Controle Telas de tendência histórica de variáveis Resultados Telas de tendência em tempo real Telas de árvore do sistema Conclusão

17. Introdução ActionView Conforto Térmico Entendimento do processo Sistemas Supervisórios Instalações da SPIN Engenharia 3 medidores Landis&Gyr ZMD-128 ActionView Planejamento do sistema de supervisão: 7 termistores Controle 1 higrômetro 3 controladoras KMC 7301 Resultados Conclusão

18. Introdução ActionView Conforto Térmico Tomada de dados Sistemas Supervisórios Banco de dados ActionView Alarmes Planejamento do sistema de supervisão: Controle Navegação entre telas Resultados Conclusão

19. Introdução ActionView Conforto Térmico Desenho das telas Sistemas Supervisórios Segurança ActionView Planejamento do sistema de supervisão: Gráficos de tendências Controle Padrão industrial de desenvolvimento Resultados Conclusão

20. Introdução Controle do PMV Conforto Térmico Acionamento do atuador em sua potência máxima Sistemas Supervisórios Caracterizado por uma histerese ActionView Quanto menor a histerese, menor a oscilação do sistema. Mas deve ter um valor mínimo para evitar excesso de chaveamentos do controlador e atuador Controle liga-desliga Controle Resultados Conclusão

21. Introdução Controle do PMV Conforto Térmico Ação proporcional: melhora no erro e na velocidade sem muita precisão. Sistemas Supervisórios ActionView Ação integral: melhora no erro, reduzindo a zero caso seja integração pura. Controlador PID Controle Ação derivativa: melhora na velocidade de subida da resposta transitória. Resultados Conclusão

22. Introdução Controle do PMV Conforto Térmico Gráfico da alocação dos zeros e pólos de um sistema em malha fechada enquanto o ganho proporcional é variado de zero a infinito Sistemas Supervisórios Desenho similar para sistemas contínuos e discretos. ActionView Interpretação das especificações do sistema (como amortecimento e freqüência natural) acontece de maneira diferente. Lugar das raízes discreto Controle Resultados Conclusão

23. Introdução Controle do PMV Conforto Térmico (01) Identificação da planta através do IDENT usando como acionamento um sinal PRBS Sistemas Supervisórios ActionView Procedimentos para o projeto Controle Resultados (02) Converter a função de transferência contínua obtida com o IDENT para o âmbito digital. Conclusão

24. Introdução Controle do PMV Conforto Térmico (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 Sistemas Supervisórios ActionView Procedimentos para o projeto Controle Resultados Conclusão

25. Introdução Controle Conforto Térmico (04) Adequar o controlador a rede KMC, representando a função de transferência discreta do PID através de uma equação de diferenças Sistemas Supervisórios ActionView Procedimentos para o projeto  Controle Resultados Conclusão

26. Introdução Resultados Conforto Térmico Cálculo realizado por scripts Sistemas Supervisórios Programação em VBScript ActionView Obtenção do PMV: Atualiza os valores da temperatura média radiante, resistência térmica da vestimenta e taxa de metabolismo Controle Calcula os valores do PMV de cada ambiente Resultados Envia os resultados para as controladoras Conclusão

27. Introdução Resultados Conforto Térmico Não utilizamos os anemômetros e higrômetros planejados Sistemas Supervisórios Velocidade do vento: fixa em 0,05 m/s ActionView Medição das variáveis: Umidade relativa: atualizada conforme necessário a partir de um termo higrômetro portátil Controle Temperatura: termistores com precisão de 0,5 ºC Resultados Conclusão

28. Introdução Resultados Conforto Térmico Temperatura média radiante, resistência térmica da vestimenta e taxa de metabolismo: calculadas conforme parâmetros informados pelo usuário Sistemas Supervisórios ActionView Medição das variáveis: Controle Resultados Conclusão

29. Introdução Resultados Conforto Térmico Temperatura Sistemas Supervisórios ActionView Influência das variáveis sobre o PMV: Controle Resultados Conclusão

30. Introdução Resultados Conforto Térmico Velocidade do vento Sistemas Supervisórios ActionView Influência das variáveis sobre o PMV: Controle Resultados Conclusão

31. Introdução Resultados Conforto Térmico Umidade relativa do ar Sistemas Supervisórios ActionView Influência das variáveis sobre o PMV: Controle Resultados Conclusão

32. Introdução Resultados Conforto Térmico Temperatura média radiante Sistemas Supervisórios ActionView Influência das variáveis sobre o PMV: Controle Resultados Conclusão

33. Introdução Resultados Conforto Térmico Resistência térmica da vestimenta Sistemas Supervisórios ActionView Influência das variáveis sobre o PMV: Controle Resultados Conclusão

34. Introdução Resultados Conforto Térmico Taxa de metabolismo Sistemas Supervisórios ActionView Influência das variáveis sobre o PMV: Controle Resultados Conclusão

35. Introdução Resultados Conforto Térmico Três medidores Landis&Gyr ZMD 128 Sistemas Supervisórios Dados tratados no mesmo script do cálculo do PMV Acesso aos consumos diário e mensal ActionView Consumo de energia: Controle Resultados Conclusão

36. Introdução Resultados Conforto Térmico Criação e organização das variáveis Sistemas Supervisórios Comunicação ActionView Configuração do ActionView: Cálculo do PMV Controle Interface com o usuário Resultados Conclusão

37. Introdução Resultados Conforto Térmico Estratégias de controle implementadas em âmbito digital. Códigos dos controladores inseridos na rede KMC através do software WinControl Sistemas Supervisórios ActionView ActionView se comunica com o WinControl. O PMV calculado no primeiro foi repassado ao segundo Controle do PMV: Controle Problema: envio de variáveis do ActionView para o WinControl devido à falta de controle de colisões de dados. Gerou perda de comunicação Resultados Conclusão

38. Introdução Resultados Conforto Térmico Sistemas Supervisórios Excursão do sinal do PMV: -0,3 a 0,3 ActionView Verifica o PMV. Acima de 0,3, liga o ar condicionado. Abaixo de -0,3, desliga Controle liga-desliga Controle Proteção contra chaveamentos excessivos (garante a permanência do ar condicionado num mesmo estado por no mínimo um minuto e meio) Resultados Conclusão

39. Introdução Resultados Conforto Térmico Resposta do PMV com o controlador liga-desliga Sistemas Supervisórios Faixa de excursão obtida encontra-se dentro do projetado ActionView Controle liga-desliga PMV mantido em valores mais confortáveis do que quando não há o controle Controle Economia de energia se comparado ao processo sem controle pois o ar condicionado não fica ligado o tempo todo Resultados Conclusão

40. Introdução Resultados Conforto Térmico Sinal PRBS de acionamento e resposta do PMV Sistemas Supervisórios ActionView Controle PID Controle Resultados Identificação realizada com o IDENT do MatLab Conclusão

41. Introdução Resultados Conforto Térmico 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 Sistemas Supervisórios ActionView Controle PID Controle Resultados Conclusão

42. Introdução Resultados Conforto Térmico Modelo P3DZ foi o mais próximo do real, porém com um pólo muito distante dos demais, podendo ser desprezado. Logo, escolhemos o modelo P2DZ Sistemas Supervisórios Função de transferência do processo a ser controlado: ActionView Controle PID Controle Convertendo a função de transferência acima para o domínio z, temos: Resultados Conclusão

43. Introdução Resultados Conforto Térmico LGR discreto e resposta da planta com realimentação unitária: Sistemas Supervisórios ActionView Controle PID Controle Resultados Conclusão

44. Introdução Resultados Conforto Térmico 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: Sistemas Supervisórios ActionView Controle PID Controle Resultados Conclusão

45. Introdução Resultados Conforto Térmico Resposta melhorada: erro nulo, tempo de resposta baixo e ultrapassagem percentual menor que 20% Sistemas Supervisórios Função de transferência do controlador: ActionView Controle PID Controle Representando o controlador através de uma equação de diferenças, obtemos: Resultados Conclusão

46. Introdução Resultados Conforto Térmico (01) Calcula o erro. Sistemas Supervisórios (02) Processa o sinal de controle de acordo com a equação anterior. ActionView (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). Código KMC do controlador PID Controle (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. Resultados (06) Protege contra chaveamentos excessivos. Conclusão

47. Introdução Resultados Conforto Térmico Resposta do PMV com o controlador PID: Sistemas Supervisórios Faixa de excursão do PMV (-0,2 a 0,2) apresenta valores mais confortáveis do que quando não há controle ActionView Controle PID PPD de 6%, muito próximo do PPD de 5%, que é aquele obtido quando o conforto é ótimo (PMV=0) Controle Economia de energia pois o ar condicionado não fica ligado durante todo o tempo Resultados Conclusão

48. Introdução Resultados Conforto Térmico Para o PID, velocidade de resposta consiste na taxa de mudança do índice PMV em função da variação do valor médio do PWM Sistemas Supervisórios Melhoras significativas ocorrem quando o período do PWM é menor que a constante de tempo da planta. Nessas condições o resultado não apresentaria oscilações ActionView Comparação entre os controladores: Controle • 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

49. Introdução Resultados Conforto Térmico Sistemas Supervisórios PID mais eficiente que o liga-desliga: faixa de excursão do PMV menor com ar condicionado sendo acionado por menos tempo ActionView Comparação entre os controladores Controle 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 Resultados Conclusão

50. Introdução Conclusão Conforto Térmico Sistemas Supervisórios ActionView Problema de comunicação no envio do PMV para controladoras Ferramenta de fácil integração com futuros trabalhos, exigindo apenas reconfigurar algumas variáveis Controle Controlador PID satisfatório Resultados Conclusão