Índice de conforto térmico iso 7730 em automação predial eduardo augusto gallo fernando...
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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
Sistemas Supervisórios
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
Sistemas Supervisórios
ActionView
Controle
IntroduçãoIntrodução
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
Sistemas Supervisórios
ActionView
Controle
IntroduçãoIntrodução
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
Sistemas Supervisórios
ActionView
Controle
IntroduçãoIntrodução
Resultados
Conclusão
Contexto:Instalação de uma planta piloto para testes nos laboratórios LARA e LAVSI
Conforto Térmico
Sistemas Supervisórios
ActionView
Controle
IntroduçãoIntrodução
Resultados
Conclusão
Descrição:
Instalações físicas:
Conforto Térmico
Sistemas Supervisórios
ActionView
Controle
IntroduçãoIntrodução
Resultados
Conclusão
Descrição:
Planejamento do sistema supervisório
Cálculo do índice de conforto térmico
Controle do conforto térmico
Conforto Térmico
Sistemas Supervisórios
ActionView
Controle
Conforto térmicoIntrodução
Resultados
Conclusão
Conceito de conforto térmico:Conforto Térmico
Sistemas Supervisórios
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.
Conforto térmicoIntrodução
Resultados
Conclusão
Principais normas:Conforto Térmico
Sistemas Supervisórios
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)
Conforto térmicoIntrodução
Resultados
Conclusão
Índice PMV:Conforto Térmico
Sistemas Supervisórios
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:
Conforto térmicoIntrodução
Resultados
Conclusão
Cálculo do índice PMV Conforto Térmico
Sistemas Supervisórios
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):
ar
ar
T
T
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):
ar
ar
T
T
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
Conforto térmicoIntrodução
Resultados
Conclusão
Relação entre PMV e PPDConforto Térmico
Sistemas Supervisórios
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
Sistemas Supervisórios
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
Sistemas Supervisórios
ActionView
Controle
ActionViewIntrodução
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
Sistemas Supervisórios
ActionView
Controle
ActionViewIntrodução
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
Sistemas Supervisórios
ActionView
Controle
ActionViewIntrodução
Resultados
Conclusão
Planejamento do sistema de supervisão:
Tomada de dados
Banco de dados
Alarmes
Navegação entre telas
Conforto Térmico
Sistemas Supervisórios
ActionView
Controle
ActionViewIntrodução
Resultados
Conclusão
Planejamento do sistema de supervisão:
Desenho das telas
Segurança
Gráficos de tendências
Padrão industrial de desenvolvimento
Conforto Térmico
Sistemas Supervisórios
ActionView
Controle
Controle do PMVIntrodução
Resultados
Conclusão
Controle liga-desligaConforto Térmico
Sistemas Supervisórios
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
Controle do PMVIntrodução
Resultados
Conclusão
Controlador PIDConforto Térmico
Sistemas Supervisórios
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.
Controle do PMVIntrodução
Resultados
Conclusão
Lugar das raízes discretoConforto Térmico
Sistemas Supervisórios
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.
Controle do PMVIntrodução
Resultados
Conclusão
Procedimentos para o projetoConforto Térmico
Sistemas Supervisórios
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.
Controle do PMVIntrodução
Resultados
Conclusão
Procedimentos para o projetoConforto Térmico
Sistemas Supervisórios
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
Procedimentos para o projetoConforto Térmico
Sistemas Supervisórios
ActionView
Controle
(04) Adequar o controlador a rede KMC, representando a função de transferência discreta do PID através de uma equação de diferenças
C
CCC
pzz
zzzzK
zE
zU
21
)(
)(
)2()1()()1()( 2121 kezzKkezzKkeKkupku CCCCCCCC
ResultadosIntrodução
Resultados
Conclusão
Obtenção do PMV:Conforto Térmico
Sistemas Supervisórios
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
ResultadosIntrodução
Resultados
Conclusão
Medição das variáveis:Conforto Térmico
Sistemas Supervisórios
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
ResultadosIntrodução
Resultados
Conclusão
Medição das variáveis:Conforto Térmico
Sistemas Supervisórios
ActionView
Controle
Temperatura média radiante, resistência térmica da vestimenta e taxa de metabolismo: calculadas conforme parâmetros informados pelo usuário
ResultadosIntrodução
Resultados
Conclusão
Influência das variáveis sobre o PMV:Conforto Térmico
Sistemas Supervisórios
ActionView
Controle
Temperatura
ResultadosIntrodução
Resultados
Conclusão
Influência das variáveis sobre o PMV:Conforto Térmico
Sistemas Supervisórios
ActionView
Controle
Velocidade do vento
ResultadosIntrodução
Resultados
Conclusão
Influência das variáveis sobre o PMV:Conforto Térmico
Sistemas Supervisórios
ActionView
Controle
Umidade relativa do ar
ResultadosIntrodução
Resultados
Conclusão
Influência das variáveis sobre o PMV:Conforto Térmico
Sistemas Supervisórios
ActionView
Controle
Temperatura média radiante
ResultadosIntrodução
Resultados
Conclusão
Influência das variáveis sobre o PMV:Conforto Térmico
Sistemas Supervisórios
ActionView
Controle
Resistência térmica da vestimenta
ResultadosIntrodução
Resultados
Conclusão
Influência das variáveis sobre o PMV:Conforto Térmico
Sistemas Supervisórios
ActionView
Controle
Taxa de metabolismo
ResultadosIntrodução
Resultados
Conclusão
Consumo de energia:Conforto Térmico
Sistemas Supervisórios
ActionView
Controle
Três medidores Landis&Gyr ZMD 128
Dados tratados no mesmo script do cálculo do PMV
Acesso aos consumos diário e mensal
ResultadosIntrodução
Resultados
Conclusão
Configuração do ActionView:Conforto Térmico
Sistemas Supervisórios
ActionView
Controle
Criação e organização das variáveis
Comunicação
Cálculo do PMV
Interface com o usuário
ResultadosIntrodução
Resultados
Conclusão
Controle do PMV:Conforto Térmico
Sistemas Supervisórios
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
ResultadosIntrodução
Resultados
Conclusão
Controle liga-desligaConforto Térmico
Sistemas Supervisórios
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)
ResultadosIntrodução
Resultados
Conclusão
Controle liga-desligaConforto Térmico
Sistemas Supervisórios
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
ResultadosIntrodução
Resultados
Conclusão
Controle PIDConforto Térmico
Sistemas Supervisórios
ActionView
Controle
Sinal PRBS de acionamento e resposta do PMV
Identificação realizada com o IDENT do MatLab
ResultadosIntrodução
Resultados
Conclusão
Controle PIDConforto Térmico
Sistemas Supervisórios
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
ResultadosIntrodução
Resultados
Conclusão
Controle PIDConforto Térmico
Sistemas Supervisórios
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:
ss
essG
s
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)(
23
2
zzz
zzzG
ResultadosIntrodução
Resultados
Conclusão
Controle PIDConforto Térmico
Sistemas Supervisórios
ActionView
Controle
LGR discreto e resposta da planta com realimentação unitária:
ResultadosIntrodução
Resultados
Conclusão
Controle PIDConforto Térmico
Sistemas Supervisórios
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:
ResultadosIntrodução
Resultados
Conclusão
Controle PIDConforto Térmico
Sistemas Supervisórios
ActionView
Controle
Resposta melhorada: erro nulo, tempo de resposta baixo e ultrapassagem percentual menor que 20%
Função de transferência do controlador:
1
84865,065,014)()( 21
zz
zzzC
pzz
zzzzKzC
C
CCC
Representando o controlador através de uma equação de diferenças, obtemos:
)2(72268,7)1(9811,20)(14)1()( kekekekuku
ResultadosIntrodução
Resultados
Conclusão
Código KMC do controlador PID Conforto Térmico
Sistemas Supervisórios
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.
ResultadosIntrodução
Resultados
Conclusão
Controle PIDConforto Térmico
Sistemas Supervisórios
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:
ResultadosIntrodução
Resultados
Conclusão
Comparação entre os controladores:Conforto Térmico
Sistemas Supervisórios
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
ResultadosIntrodução
Resultados
Conclusão
Comparação entre os controladoresConforto Térmico
Sistemas Supervisórios
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
Sistemas Supervisórios
ActionView
Controle
Problema de comunicação no envio do PMV para controladoras
Controlador PID satisfatório
Obrigado!