ESPECIFICAÇÃO DE PROCESSOS DE
CONTROLE AVANÇADOS PARA
SISTEMAS DE TRATAMENTO DE AR
Eng. Mauricio de Barros
[email protected]
XV Encontro Nacional de Projetistas e Consultores da ABRAVA
23/09/2015
1
PROCESSOS DE CONTROLE - INTRODUÇÃO
CONDICIONADOR DE AR UNITÁRIO
2
PROCESSOS DE CONTROLE - INTRODUÇÃO
CONDICIONADOR DE AR – VAZÃO CONSTANTE
3
PROCESSOS DE CONTROLE - INTRODUÇÃO
CONDICIONADOR DE AR – VAZÃO VARIÁVEL
4
PROCESSOS DE CONTROLE - INTRODUÇÃO
CONDICIONADOR DE AR – VAZÃO VARIÁVEL – CARRIER HANDBOOK
5
PROCESSOS DE CONTROLE - INTRODUÇÃO
CONTROLE DE TEMPERATURA
CARGA TÉRMICA
VARIÁVEL
CAPACIDADE
VARIÁVEL
CONTROLE
CONFORTO
6
PROCESSOS DE CONTROLE - INTRODUÇÃO
LOOPING DE CONTROLE FECHADO
7
PROCESSOS DE CONTROLE - INTRODUÇÃO
CONTROLE DIGITAL
8
PROCESSOS DE CONTROLE - DESAFIOS
EVOLUÇÃO TECNOLÓGICA – IMPORTÂNCIA DO CONTROLE
Chart based on ASHRAE 90.1-2013 determination study conducted by PNNL
9
PROCESSOS DE CONTROLE - DESAFIOS
EVOLUÇÃO TECNOLÓGICA – IMPORTÂNCIA DO CONTROLE
110%
ASHRAE 90.1
Building Target
100%
90%
80%
MaxTech Limit Full Load Efficiency
70%
60%
50%
Average ASHRAE 90.1
2013 Requirements
Regulated Buidling Energy Use vs ASHRAE 90.1-2004
Commercial HVAC Efficiency Requirements
40%
30%
20%
10%
0%
2004
2007
2010
2013
Equipment Level Limit
Systems Approach &
Renewable Energy
Possible Path to
nearly Net Zero Buildings
2016
2019
2022
Year
2025
2028
2031
2034
2037
Chart is an estimate of possible future regulations to achieve Near Net Zero by 2034 based on studies done by
Carrier on technical limits of HVAC equipment
10
PROCESSOS DE CONTROLE - DESAFIOS
EFICIÊNCIA ENERGÉTICA – TENDÊNCIA GLOBAL
BRASIL
ASHRAE
China
Germany Commercial
Shanghai
Germany Residential
Turkey
European Union
Japan
11
PROCESSOS DE CONTROLE - DESAFIOS
NORMAS E RECOMENDAÇÕES ATUAIS:
NBR 16401-1:2008 – Instalações de Ar Condicionado – Parte 1: Projetos
NBR 16401-2:2008 – Instalações de Ar Condicionado – Parte 2: Conforto
NBR 16401-3:2008 – Instalações de Ar Condicionado – Parte 3: Qualidade do Ar
RTQ – PBE Edifica – INMETRO – Eficiência Energética de Edificações
ASHRAE Standard 90.1 – Energy Standard for Buildings Except Low-Rise
Residential Buildings
ASHRAE Standard 55 - Thermal Environmental Conditions for Human
Occupancy
ASHRAE Standard 62.1 – Ventilation for Acceptable Indoor Air Quality
12
PROCESSOS DE CONTROLE - DESAFIOS
EXEMPLOS DE PROCESSOS DE CONTROLE RECOMENDADOS PELAS
NORMAS ( TRATAMENTO DE AR ):
Zoneamento do sistema X Zoneamento térmico X Zoneamento de ventilação (AE)
Controle de partida otimizado
Vazão de ar variável
Controle de ar externo por demanda (DCV – Demand Control Ventilation)
Reset de set point da pressão do ventilador
Reset de set point da temperatura de insuflamento
Reset de vazão mínima e máxima da zona
Ciclo economizador
Limites de umidade relativa – carga plena / parcial, verão / inverno
VELOCIDADES VARIÁVEIS
SET POINT DINÂMICO
13
PROCESSOS DE CONTROLE - DESAFIOS
RESPOSTAS DA ASHRAE:
14
ASHRAE GUIDELINE 36
ASHRAE GUIDELINE PROJECT COMMITTE 36
Criado para apoiar, disseminar e desenvolver processos avançados de controle
de sistemas HVAC, incluindo RP-1455 e outros projetos de pesquisas
relacionados do ASHRAE TC 1.4
GPC 36: High Performance Sequences of Operation for HVAC Systems – First
Advisory Public Review
Objetivo:
O objetivo deste Guideline é apresentar sequências de operação uniformes
para sistemas de HVAC com a intenção de maximizar o desempenho e a
eficiência energética dos sistemas, proporcionar a estabilidade do controle e
permitir o diagnóstico e detecção de falhas em tempo real
Escopo:
Sequências de Operação: Apresentação de sequências de operação para
sistemas de HVAC, incluindo lista de pontos físicos e diagramas de controle.
Testes Funcionais de Desempenho: Definir testes de desempenho que
confirmam a implementação das sequências de operação (futuro).
15
ASHRAE GUIDELINE 36
OBJETIVOS PRÁTICOS DO GPC 36:
Cumprimento das normas em qualquer condição de operação:
• ASHRAE/IESNA Standard 90.1 (Energia)
• ASHRAE Standard 62.1 (Qualidade do Ar)
• ASHRAE Standard 55 (Conforto)
Redução de custos
• Programação e Comissionamento
Redução de erros
• Sequências de Operação definidas de forma clara, inequívoca
• Algoritmos padronizados e pre-testados
Estabelecer padrões para a indústria de controle
Incorporar a detecção e diagnóstico automático de falhas
APROXIMAR O CONTROLE EM AR CONDICIONADO DO CENÁRIO PLUG & PLAY
COM LÓGICAS DE CONTROLE ABERTAS E CONFIGURÁVEIS
16
ASHRAE GUIDELINE 36 - EXEMPLOS
CAIXA VAV - LISTA DE PONTOS FÍSICOS
17
ASHRAE GUIDELINE 36 - EXEMPLOS
CAIXA VAV - DIAGRAMA
18
ASHRAE GUIDELINE 36 - EXEMPLOS
CONDICIONADOR DE AR MULTIPLE ZONE VAV - LISTA DE PONTOS FÍSICOS
19
ASHRAE GUIDELINE 36 - EXEMPLOS
CONDICIONADOR DE AR MULTIPLE ZONE VAV - DIAGRAMA
20
ASHRAE GUIDELINE 36 - EXEMPLOS
CONDICIONADOR DE AR SINGLE ZONE VAV - LISTA DE PONTOS FÍSICOS
21
ASHRAE GUIDELINE 36 - EXEMPLOS
CONDICIONADOR DE AR SINGLE ZONE VAV - LISTA DE PONTOS FÍSICOS
22
ASHRAE GUIDELINE 36 - EXEMPLOS
OUTRAS CONFIGURAÇÕES
23
ASHRAE GUIDELINE 36 - EXEMPLOS
SEQUÊNCIAS DE OPERAÇÃO E LÓGICAS DE CONTROLE
Modos de Operação do condicionador de ar:
Exemplo: Cool Down Mode = Optimal Start:
Para cada zona, deve ser calculado o tempo de cooldown baseado no setpoint no modo de ocupação,
temperatura atual, temperatura externa e o fator de
massa/capacidade de cada zona (fator ajustado
manualmente). A operação nesse modo deve ser
iniciada conforme o tempo requerido, mas não antes de
3 horas do início de ocupação definido pelo respectivo
schedule configurado.
24
ASHRAE GUIDELINE 36 - EXEMPLOS
SEQUÊNCIAS DE OPERAÇÃO E LÓGICAS DE CONTROLE
Condicionador de ar – Exemplo do procedimento de Partida e Parada do
Ventilador:
1) O ventilador deve operar quando o sistema estiver nos modos Cool-down,
Setup ou Occupied
2) Se existe aquecimento nas zonas periféricas, o ventilador também deve
operar quando o sistema estiver nos modos Setback ou Warmup
3) Totalizar a vazão de ar total das caixas VAV e indicar na tela de supervisão
junto ao duto de saída do condicionador de ar
25
ASHRAE GUIDELINE 36 - EXEMPLOS
SEQUÊNCIAS DE OPERAÇÃO E LÓGICAS DE CONTROLE
Condicionador de ar – Exemplo da lógica de reset de setpoint de pressão:
1) O setpoint de pressão deve ser reajustado usando a lógica Trim & Respond:
26
ASHRAE GUIDELINE 36 - EXEMPLOS
SEQUÊNCIAS DE OPERAÇÃO E LÓGICAS DE CONTROLE
Lógica Trim & Respond (T & R):
– Utilizada para reset de pressão e temperatura de insuflamento baseado na
demanda das caixas de VAV atendidas pelo condicionador de ar
– Cada zona (caixa VAV) envia um pedido ( Request ) de mudança de setpoint
baseado na temperatura da zona ou na posição do damper
– A cada ciclo de tempo o setpoint é reduzido (“Trim”)
– Depois o setpoint é aumentado ( “Respond” ) proporcionalmente ao número
de pedidos ( Request )
– Cada zona pode receber um “Peso” em função do seu grau de importância
(Importance Multiplier ). Valor default = 1
27
ASHRAE GUIDELINE 36 - EXEMPLOS
SEQUÊNCIAS DE OPERAÇÃO E LÓGICAS DE CONTROLE
Lógica Trim & Respond (T & R):
Para cada sistema são definidas as seguintes variáveis:
(Variáveis ajustáveis a partir de um gráfico/tabela de reset acessível na tela de
supervisão. Valores absolutos sugeridos para pressão devem ser ajustados no
processo de comissionamento para garantir um controle estável).
28
ASHRAE GUIDELINE 36 - EXEMPLOS
SEQUÊNCIAS DE OPERAÇÃO E LÓGICAS DE CONTROLE
Lógica T&R – Exemplo numérico de reset de setpoint de pressão:
A pressão estática deve ser reajustada usando a lógica T&R entre os valores de
0,15 e 1,5 inH2O. Cinco minutos após a partida do ventilador, reduza o setpoint
de pressão em 0,04 inH2O a cada 2 minutos. Caso existam mais de 2 Requests
de pressão, aumente o setpoint em 0,06 inH2O para cada Request além de 2, até
um máximo de 0,15 inH2O. Um Request de pressão deve ser gerado quando a
caixa VAV apresentar uma abertura acima de 95%.
29
ASHRAE GUIDELINE 36 - EXEMPLOS
SEQUÊNCIAS DE OPERAÇÃO E LÓGICAS DE CONTROLE
Lógica T&R – Exemplo numérico de reset de setpoint de pressão - Gráfico:
30
ASHRAE GUIDELINE 36 - EXEMPLOS
SEQUÊNCIAS DE OPERAÇÃO E LÓGICAS DE CONTROLE
Lógica T&R – Exemplo numérico de reset de setpoint de pressão:
– O sistema tende para uma pressão estática mínima através de cortes (Trim)
sucessivos do setpoint de pressão, mas responde (Respond) rapidamente ao
aumento de demanda das caixas VAV em função dos Requests. A lógica T&R
apresenta um perfil cíclico robusto como característica, onde o setpoint é
dinâmico e sempre busca reduzir a pressão e potência do ventilador.
– O exemplo apresentado é ilustrativo do funcionamento da lógica de reset de
setpoint e não representa o comportamento real esperado do sistema.
31
ASHRAE GUIDELINE 36 - EXEMPLOS
SEQUÊNCIAS DE OPERAÇÃO E LÓGICAS DE CONTROLE
Lógica T&R – Outro exemplo:
32
ASHRAE GUIDELINE 36 - EXEMPLOS
SEQUÊNCIAS DE OPERAÇÃO E LÓGICAS DE CONTROLE
Vantagens da Lógica T&R:
– Minimiza o consumo de energia do ventilador
– Mais estável e mais fácil de ajustar do que o looping PID. Os ciclos são
tipicamente longos e lentos
– Corta (Trim) o valor de setpoint lentamente e responde (Respond)
rapidamente
– Pode identificar e eliminar zonas que induzem distorções no comportamento
do sistema, basta configurar o multiplicador de importância para zero.
– Da mesma forma, pode aumentar a importância de uma zona crítica
– Menor dependência da precisão de leitura do sensor de pressão
33
ASHRAE GUIDELINE 36 - EXEMPLOS
ALARMES E DETECÇÃO DE FALHAS:
Definição de 5 níveis de alarmes com aplicação de hierarquia em função do
sistema:
Nível 1: Crítico / Segurança dos ocupantes
Nível 2: Falha severa de equipamento
Nível 3: Falha de equipamento ou operação não crítica
Nível 4: Monitoramento de conservação de energia
Nível 5: Indicação / notificação de manutenção
Exemplo de Alarme para Caixa VAV – “Baixa Vazão de Ar”:
1) Se a vazão de ar medida é menor que 70% do valor de setpoint quando o
setpoint for maior do que zero por 5 minutos, gerar um alarme Nível 3
2) Se a vazão de ar medida for menor que 50% do valor de setpoint, quando o
setpoint for maior que zero, por 5 minutos, gerar um alarme Nível 2
3) Se a caixa atende a uma zona com multiplicador de Importância = 0 (peso=0)
para a looping de controle T&R, o alarme de baixa vazão deve ser ignorado para
essa zona.
34
OUTRAS PESQUISAS RELACIONADAS COM O TEMA
PROJETOS DE PESQUISA EM ANDAMENTO QUE PODEM SER
INCORPORADOS PELO GUIDELINE 36:
RP-1547 CO2-based Demand Controlled Ventilation for Multiple Zone HVAC
Systems
1587-RP: “Control Loop Performance Assessment.”
1746-TRP: “Validation of RP- 1455 Advanced Control Sequences for HVAC
Systems – Air Distribution and Terminal Systems.”
1747-TRP: “Implementation of RP-1547 CO2-based Demand Controlled
Ventilation for Multiple Zone HVAC Systems in Direct Digital Systems.
1711-WS: “Advanced Sequences of Operation for HVAC Systems – Phase II
Central Plants and Hydronic Systems.”
35
REFERÊNCIAS
BSR/ASHRAE Guideline 36P - Advisory Public Review Draft - High Performance
Sequences of Operation for HVAC Systems - First Public Review (April 2015)
ASHRAE Research Project Report - 1455-RP - Advanced Control Sequences for
HVAC Systems – Phase I Air Distribution and Terminal Systems - Approval:
November 2014
AHRI Spring Meeting - Planning for the Future using a Systems Approach 05/07/2014
GPC 36 Best of Class Control Sequences for Air Systems – December, 2014
Energy Simulation for Commercial Buildings – Carrier Corporation
Handbook of Air Conditioning System Design – Carrier Corporation
36