XIV ENTAC - Encontro Nacional de Tecnologia do Ambiente Construído - 29 a 31 Outubro 2012 - Juiz de Fora
SIMULAÇÃO CFD DAS CONDIÇÕES DE CONFORTO DE UM
SISTEMA DE CONDICIONAMENTO DE AR UTILIZANDO
CONTROLADOR PROPORCIONAL
Guilherme Caixeta Ferreira (1), Álvaro Messias Bigonha Tibiriçá(2) , Helton Figueira
Rossi (3), Antônio Cleber Gonçalves Tibiriçá(4), Júlio César Costa Campos(5)
Universidade Federal de Viçosa – DEP(1,2,4) / DAU(3)
Avenida Peter Henry Rolfs, s/n, Campus Universitário, Viçosa - MG, Brasil
{(1) guilherme.caixeta, (2) alvaro.tibirica, (3) helton.rossi, (4) tibirica, (5) julio.campos}@ufv.br
Resumo
Sistemas de controle dos equipamentos de HVAC (Heating, Ventilation, and Air
Conditioning) buscam regular a temperatura do ambiente de acordo com o valor desejado.
Entre as táticas de controle mais utilizadas está a “Liga-Desliga” (On-Off) que basicamente
liga a refrigeração quando o ambiente está mais quente que o desejado, e desliga a
refrigeração quando o ambiente alcança a temperatura desejada. Outra possibilidade é o uso
de sistema de controle Proporcional, no qual a temperatura de saída é proporcional à
diferença entre a temperatura desejada e temperatura do ambiente. Esta última tática
trabalha com diferenças menores de temperatura entre o jato de ar (“frio”) e o ambiente,
tendendo a causar menos desconforto em regiões próximas ao jato de ar frio. Nessa linha de
raciocínio se encaixa o objetivo deste trabalho: comparar a distribuição de temperatura em
um ambiente condicionado utilizando um controlador “Liga-Desliga” e controlador
“Proporcional” em situações similares de uso. Para tanto, foi utilizada técnicas de
simulação CFD (Computational Fluid Dynamics) que permitem obter a distribuição espacial
de grandezas como temperatura e velocidade. Um laboratório de informática foi modelado
para avaliação do desempenho dos dois controladores. Os resultados mostraram que o uso
de controladores Proporcionais acarretam em gradientes de temperatura menores,
principalmente, nas regiões mais próximas ao jato de ar. Desta forma, é possível melhorar a
sensação de conforto térmico em ambientes condicionados utilizando equipamentos cujas
táticas de controle trabalhem com gradientes de temperaturas menores.
Palavras-chave: CFD, HVAC, Sistemas de Controle.
Abstract
Control systems for HVAC (Heating, Ventilation, and Air Conditioning) seek to regulate
environment temperature according to the desired value. Among the most commonly used
control tactics is the On-Off that basically turns on the cooling when the environment is
warmer than desired, and turns off the cooling when the room reaches the desired
temperature. Another possibility is the use of a Proportional control system, in which the
HVAC temperature is proportional to the difference between the desired temperature and
environment temperature. This latter tactic works with minor differences in temperature
between the air jet ("cold") and the environment, and tend to cause less discomfort in areas
close to the cold blast of air. This study compares the temperature distribution in a
conditioned environment using a On-Off controller and a Proportional controller. CFD
(Computational Fluid Dynamics) simulation techniques were used to obtain spatial air
distribution. A computer lab was modeled to evaluate the performance of the two controllers.
The results showed that the use of proportional controllers causes smaller temperature
gradients, especially in the regions closest to the air jet.
Keywords: CFD, HVAC, Control System.
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1. INTRODUÇÃO
A busca por ambientes confortáveis ganha cada vez mais importância, tanto nas residências
quanto em edifícios de escritórios. A qualidade dos ambientes repercutem na saúde e na
produtividade de pessoas. Para alcançar características de conforto, como temperatura
adequada e boa distribuição do ar, destacam-se os sistema de condicionamento de ar. Neles,
uma baixa taxa de ventilação pode causar deficiências no desempenho do sistema, como
pouca mistura do ar fornecido com o ar do ambiente, e baixo conforto térmico (Sun; Wang,
2009). Neste contexto, CFD (Computational Fluid Dynamics) coloca-se como uma
ferramenta para análise do desempenho de sistemas de controle de condicionamento de ar no
quesito conforto térmico. A modelagem CFD gera dados de distribuição temporais e espaciais
de velocidade, temperatura e outras variáveis relacionadas ao fluxo de ar em todo o domínio
do fluido, mesmo em geometrias complexas (ANDERSON, 1995). O presente trabalho visa
utilizar as técnicas CFD para análise do desempenho de um sistema de controle Proporcional
aplicado a um sistema de ar condicionado em laboratório de informática. Para comparação é
também simulado o comportamento de um sistema de condicionamento de ar usando o
controlador On-Off.
2. METODOLOGIA
2.1. Ambiente
O ambiente escolhido foi um laboratório de informática com um condicionador de ar do tipo
Split. O laboratório tem capacidade para 12 pessoas e as seguintes dimensões: 5,10 m
(comprimento) x 4,35 m (largura) x 2,80 m (altura). A partir da medição das dimensões foi
criada a geometria do laboratório, desconsiderando o mobiliário, para que a malha não se
tornasse muito complexa. O condicionador de ar foi modelado como 2 aberturas no alto da
parede ao fundo, uma entrada (área de
) e uma saída de ar (área de
). A Fig. 1 apresenta a geometria gerada para a simulação.
Figura 1 – Modelo geométrico do laboratório
2.2. Características da Simulação
A duração de cada simulação dependeu do tempo necessário para que a temperatura média da
sala atingisse aproximadamente 21 °C. Assim a simulação do controlador On-Off teve
duração de 600 s, enquanto a simulação do controlador proporcional teve duração de 1200 s.
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O escoamento do ar foi modelado como tridimensional, turbulento, incompressível, e em
regime transiente. Modelos de radiação e de carga térmica não foram incluídos.
2.3. Condições de Contorno
Nas simulações foram utilizadas as seguintes condições de contorno: paredes e janelas
adiabáticas. Jato de ar do condicionador de ar a 5,25 m/s. Abertura de entrada no ar
condicionado com pressão relativa igual a 0. A temperatura inicial para o ambiente foi
uniforme e igual a 25 °C. Para a temperatura do jato de ar foi utilizado um controlador
Proporcional, que compara a temperatura do ar no ambiente com a temperatura desejada
(setpoint). Assim, o software utilizou a seguinte equação:
TAC = SP – k × (Tamb – SP)
[Eq. 1]
onde,
é a temperatura do jato de ar, SP é a temperatura de setpoint (desejada), k é o ganho
do controlador, e
é a temperatura do ambiente. Para as simulações o setpoint utilizado
foi 20 °C, e o k possuia valor 2. Além da simulação com o controlador Proporcional, foi
realizada outra simulação com os tradicionais controladores On-Off. Nestes últimos, foi
definida a temperatura do jato de ar através da Equação 2. Ela descreve um sistema de ar
condicionado que trabalha sempre com a mesma capacidade de refrigeração, ou seja, retira
sempre a mesma quantidade de calor do ar, independente do gradiente de temperatura.
TAC = Tamb – 10
[Eq. 2]
2.4. Temperatura Efetiva de Correte de Ar
A Temperatura Efetiva de Corrente de Ar (TD) combina os efeitos de temperatura,
movimentação de ar na zona de ocupação (do piso até 1,80 m de altura) em um ambiente
condicionado. A falta de condições de uniformidade espacial ou a flutuação das condições
também produzem desconforto (ASHRAE, 2001). Este índice pode ser calculado por meio da
Equação 3 (ASHRAE, 2001; LI et al, 2009).
TD = (Ti – Tave) – 7,66(Vi – 0,15)
[Eq. 3]
onde Ti e Vi são a temperatura e a velocidade do ar no ponto i, respectivamente. Tave é a
temperatura média do ambiente. Para predição de distribuição uniforme do ar, TD deve estar
na faixa entre -1,7 °C e +1,1 °C e Vi abaixo de 0,35 m/s (LI et al, 2009).
3. RESULTADOS
Foram analisados quatro instantes de tempo igualmente espaçados de cada simulação.
3.1. Temperatura Efetiva de Correte de Ar
A Figura 2 mostra a temperatura média do ar, e temperatura efetiva de corrente de ar, em um
plano horizontal a 1 m do piso, e em um plano vertical na direção do jato de ar, da simulação
utilizando um controlador On-Off.
Figura 2 – Temperatura Efetiva de Corrente de Ar nos instantes de 150 s, 300 s, 450 s e 600 s,
utilizando controlador On-Off
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A Figura 3 mostra a temperatura média do ar, e temperatura efetiva de corrente de ar, em um
plano horizontal a 1 m do piso, e em um plano vertical na direção do jato de ar, do
controlador Proporcional.
Figura 3 - Temperatura Efetiva de Corrente de Ar nos instantes de 300 s, 600 s, 900 s e 1200 s,
utilizando controlador Proporcional
Através dos resultados da simulação podemos observar que no controlador On-Off a
temperatura se aproxima do setpoint mais rapidamente que no controlador Proporcional. Para
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atingir aproximadamente 21 °C o controlador On-Off levou metade do tempo do controlador
proporcional. As figuras 2 e 3 mostram que ambas as simulações a Temperatura Efetiva de
Corrente de Ar permaneceu dentro dos limites de conforto térmico em praticamente todo o
ambiente de ocupação. No entanto, com o controlador Proporcional a distribuição de
temperatura foi mais uniforme durante toda a simulação. Observa-se também que o jato de ar
trabalha com temperaturas mais amenas com uso do controlador Proporcional, o que provoca
uma maior uniformidade na distribuição temperatura em torno do jato de ar.
4. CONCLUSÕES
Este trabalho propôs comparar o desempenho de duas táticas de controle para sistemas de
condicionamento de ar: On-Off e Proporcional. A primeira é habitualmente utilizada nos
sistemas de condicionamento de ar unitários. Verificou-se que o controlador On-Off tende a
trabalhar com gradientes de temperatura maiores em todo momentos simulados. Este fato
ocorre porque este tipo de tática de controle tende a trabalhar com temperaturas relativamente
baixas para o jato de ar. Já o controlador proporcional, trabalha com temperaturas de jato de
ar maiores causando gradientes menores temperatura, o que causa maior uniformidade na
distribuição de temperatura do ar ambiente. Neste contexto, pode-se afirmar que controladores
que trabalham com táticas que variam a temperatura do jato proporcionalmente a diferença de
temperatura do ambiente e a temperatura desejada tendem a promover uma distribuição mais
uniforme do ar no ambiente condicionado.
REFERÊNCIAS
ANDERSON, J.D. Computational Fluid Dynamics: The Basics with Applications. McGraw Hill, 1995.
DESTA, T.Z.; JANSSENS, K.; BRECHT, A.V.; MEYERS, J.; BAELMANS, M.; BERCKMANS, D. CFD for
model-based controller development. Building and Environment, v. 39, p. 621-633, 2004.
LI, Q. et al. CFD study of the thermal environment in an air-conditioned train station building. Building and
Environment. v. 44, p. 1452-1465, 2009.
MENG, Q.; WANG, Y.; YAN, X.; LI, Z. CFD assisted modeling for control system design: A case study.
Simulation Modelling Practice and Theory, v. 17, p. 730-742, 2009.
SUN, Z.; WANG, S. A CFD-based test method for control of indoor environment and space ventilation.
Building and Environment, v. 45, p. 1441-1447, 2010.
AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem à FAPEMIG, à FUNARBE e ao CNPq pelo apoio financeiro ao grupo
de pesquisa.
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