Antonio Gabriel Souza Almeida
Modelagem de Sistema de Controle de Ar
Condicionado Baseado em Redes de Petri
Dissertação apresentada à Escola
Politécnica da Universidade de São
Paulo para obtenção do título de
Mestre em Engenharia.
São Paulo
2008
Antonio Gabriel Souza Almeida
Modelagem de Sistema de Controle de Ar
Condicionado Baseado em Redes de Petri
Dissertação
apresentada
à
Escola
Politécnica da Universidade de São Paulo
para obtenção do título de Mestre em
Engenharia.
Área de Concentração: Engenharia de
Controle e Automação
Departamento de Engenharia Mecatrônica
e de Sistemas Mecânicos
Orientador: Prof. Dr. Paulo Eigi Miyagi
São Paulo
2008
FICHA CATALOGRÁFICA
Almeida, Antonio Gabriel Souza
Modelagem de sistema de controle de ar condicionado
baseado em redes de petri / A.G.S. Almeida. -- São Paulo, 2008.
110 p.
Dissertação (Mestrado) - Escola Politécnica da Universidade
de São Paulo. Departamento de Engenharia Mecatrônica e de
Sistemas Mecânicos.
1. Sistemas de refrigeração e ar condicionado (Modelagem)
2.Redes de petri 3.Sistemas de controle I.Universidade de São
Paulo. Escola Politécnica. Departamento de Engenharia
Mecatrônica e de Sistemas Mecânicos II.t.
Agradecimentos
Ao meu orientador Prof. Dr.Paulo Eigi Miyagi pela orientação sempre pertinente, coerente e
lúcida, que permitiram encontrar o rumo correto e o destino alcançado por este trabalho.
A Prof. Dra. Emilia Villani, pela paciência e atenção constantes, com sugestões e
contribuições que permitiram que este trabalho alcançasse seu objetivo.
Ao SENAI-CIMATEC, pelo apoio durante todo o desenvolvimento do trabalho, desde a
entrada no programa até sua conclusão, permitindo a sua divulgação em vários eventos.
A minha família, minha mãe Conceição, minha esposa Graça e meu filho Henrique,
verdadeira motivação, não só para o desenvolvimento e conclusão deste trabalho, mas para
toda minha vida.
Índice
Lista de Figuras................................................................................................ii
Lista de Símbolos.............................................................................................iv
Lista de Sinais..................................................................................................vi
1.
Introdução..............................................................................1
1.1. Motivação e Justificativa.................................................................... 1
1.2. Objetivo.............................................................................................. 5
1.3. Organização do trabalho..................................................................... 6
2.
Modelagem e Análise de Sistemas de Ar Condicionado.... 7
2.1. Sistemas de Condicionamento de Ar em Edifícios Inteligentes......... 7
2.2. Classificação de Sistemas................................................................... 13
2.3. Modelagem de Sistemas Híbridos....................................................... 14
2.4. Controle Baseado em Redes de Petri.................................................. 17
2.5. Comentários Adicionais...................................................................... 20
ii
3.
Metodologia............................................................................21
3.1. Metodologia Original......................................................................... 21
3.2. Modificações propostas...................................................................... 26
3.3. Comentários Adicionais...................................................................... 32
4.
Exemplo de aplicação da metodologia................................ 33
4.1. O Senai-Cimatec................................................................................ 33
4.2. Definição e modelagem das estratégias de gerenciamento................ 39
4.3. Construção dos modelos dinâmicos.................................................. 44
4.3.1. Modelagem do sistema de gerenciamento................................. 44
4.3.2. Modelagem dos sistemas de controle local................................ 58
4.3.3. Modelagem do sistema de ar condicionado............................... 70
4.4. Análise estrutural e dinâmica dos modelos....................................... 92
5.
Conclusões............................................................................. 104
6.
Referências Bibliográficas................................................... 107
iii
Lista de Figuras
Figura 1.1. Building Management System.......................................................................... 04
Figura 2.1. Esquema de um sistema de ar condicionado central por expansão indireta...... 09
Figura 2.2. Esquema de operação para sistema VAV.......................................................... 11
Figura 2.3. SED x SVC x Sistema Hibrido.......................................................................... 13
Figura 2.4. Interações do sistema de ar condicionado em EI............................................... 14
Figura 2.5. Rede de Petri Predicado/Transição Diferencial................................................. 18
Figura 3.1. Etapas da metodologia (derivado de Villani & Miyagi, 2004).......................... 22
Figura 3.2. Detalhamento da etapa Construção dos Modelos (derivado de
Villani & Miyagi, 2004)....................................................................................................... 23
Figura 3.3. Exemplo de um modelo em Production Flow Schema – PFS........................... 24
Figura 3.4. Detalhamento para estratégia [ Redução da Produção de Frio] (derivado de
Villani & Miyagi, 2004)...................................................................................................... 28
Figura 3.5. Detalhamento proposto para estratégia [ Redução da Produção de Frio].............. 29
Figura 3.6. Detalhamento proposto para sistema de controle local de chiller..................... 30
Figura 3.7. Modelo do fluxo de água gelada no resfriamento do chiller............................. 32
Figura 4.1. Planta baixa do nível 1....................................................................................... 34
Figura 4.2. Planta baixa do nível 2....................................................................................... 35
iv
Figura 4.3. Planta baixa do nível 3....................................................................................... 35
Figura 4.4. Planta baixa do nível 4....................................................................................... 36
Figura 4.5. Modelo em PFS das estratégias de controle para zona 2................................... 45
Figura 4.6. Modelo em PFS das estratégias de controle para Zonas 1 e 3........................... 45
Figura 4.7. Modelo PFS das estratégias para equipamentos de produção de água gelada.. 46
Figura 4.8. Detalhamento da atividade [ Incêndio – para as Zonas 1 ou 3].............................. 46
Figura. 4.9. Detalhamento da atividade [Área em Parada Longa – para a Zona 1].................. 47
Figura 4.10. Detalhamento da atividade [Área Utilizada – para a Zona 1]................................. 48
Figura 4.11. Estratégia de gerenciamento para [ Área não utilizada] (E3) ou
[ Área em Parada Longa ] (E2).......................................................................................................... 49
Figura. 4.12. Estratégia de gerenciamento para [ Área utilizada ] (E1).................................. 51
Figura 4.13. Estratégia de controle [Aumento na produção de frio]......................................... 54
Figura 4.14. Detalhamento da estratégia [Redução da Produção de Frio]............................... 56
Figura 4.15. Novo detalhamento da estratégia [ Redução da Produção de Frio]...................... 59
Figura 4.16. Controle local de tomada de ar exterior........................................................... 59
Figura 4.17. Controle local de fan coil................................................................................. 61
Figura 4.18. Controle local de VAV.................................................................................... 63
Figura 4.19 Controle local de chillers................................................................................... 64
v
Figura 4.20. Controle local de desempenho dos chillers..................................................... 65
Figura 4.21. Controle local de bombas primárias................................................................ 68
Figura 4.22. Controle local da bomba secundária 1............................................................ 69
Figura 4.23. Controle local das bombas secundárias 2 e 3................................................... 70
Figura 4.24. Sub-sistemas do ar condicionado.................................................................... 71
Figura 4.25. Detalhamento da atividade [Condicionamento de ar – Sub-sistema i].................. 72
Figura 4.26. Detalhamento da atividade [ Distribuição do ar]................................................. 73
Figura 4.27. Detalhamento da atividade [ Produção de Água Gelada]...................................... 74
Figura 4.28. Modelo da atividade [Mistura do ar de retorno]..................................................... 76
Figura 4.29. Modelo da atividade [Mistura do ar de retorno com o ar de renovação].................. 77
Figura 4.30. Modelo das atividades que ocorrem no fan coil................................................ 78
Figura 4.31. Modelo das atividades relacionadas ao insuflamento e retorno de ar............... 81
Figura 4.32. Detalhamento da atividade [Mistura de água gelada]........................................... 87
Figura 4.33. Detalhamento da atividade [Imposição de fluxo em bombas]................................ 89
Figura 4.34. Detalhamento da atividade [Divisão no fluxo de água gelada]............................... 90
Figura 4.35. Modelo do sistema de água gelada no simulador Virtual Object Net............. 94
Figura 4.36. Simulação 2 do sistema de água gelada indisponibilizando chiller 1 e
BS1 no simulador................................................................................................................. 98
vi
Figura 4.37. Modelo do sistema de distribuição de ar no simulador................................... 101
Figura 4.38. Modelo do fluxo de ar nos ramais no simulador.............................................. 103
vii
Lista de Símbolos e Abreviaturas
ε – efetividade do trocador de calor
σ - densidade
τ - constante de tempo do sistema
A – seção reta de tubulação ou duto
AL - cada lugar pi um vetor Xpi de variáveis pertencentes a X
AC - função de habilitação ei(.) a cada transição ti,
AA - função de junção ji(.) a cada transição ti,
AF - sistema de equações diferenciais algébricas Fi, cujas variáveis são Xpi e suas derivadas
BMS - building management system
BP – bomba primária
BS – bomba secundária
C - capacidade térmica
Cp – calor específico do ar a pressão constante
CT - carga térmica
CoPN - control Petri net
g - gravidade
viii
Fi cor – fator de correção devido a cor da parede ou teto
IA – inter-atividade
L – comprimento equivalente de perda de carga em linha reta
Lr - conjunto finito de lugares de dimensão n
NTU – unidades de transferência térmica da serpentina
P - pressão
PFS - production flow schema
PID – proporcional integral derivativo
Pre: Lr × Tr - arcos orientados de lugares para transições
Pos: Tr × Lr - arcos orientados de transições para lugares
PTD – predicado transição diferencial
Q - vazão
SED – sistema a eventos discretos
SFC - sequential function chart
SIPN - signal interpreted Petri net
STL - statement list
SVC – sistema de variáveis contínuas
T – temperatura
ix
Tr - conjunto finito de transições de dimensão m
t – tempo
TAE – tomada de ar exterior
TR – tonelada de refrigeração
U – coeficiente de incidência solar
UA – coeficiente global de transferência de calor
VAC – volume de ar constante
VAV – volume de ar variável
X - conjunto de variáveis formais em uma rede
Z – diferença de altura
x
Lista de Sinais
AN – Sinal do supervisório (intervenção do operador) tornando fan coil N indisponível
BN – Sinal do supervisório (intervenção do operador) tornando bomba N indisponível
GN – Sinal do supervisório (intervenção do operador) tornando chiller N indisponível
FN – Sinal do supervisório (intervenção do operador) desligando o chiller N, em 100%
DN – Sinal de equipamento indisponível para uso
IX – Sinal de programação do supervisório ou do sensor de presença x
ON – Sinal de condição fan coil N ligado
YN – Sinal de condição chiller N ligado
WN – Sinal de condição bomba N ligada
RN – Sinal de condição bomba N desligada e disponível para uso
UY – Sinal de condição sistema de controle da VAV y em funcionamento
E1N – Sinais de habilitação da estratégia área utilizada
E2N – Sinais de habilitação da estratégia área em parada longa
E3N – Sinais de habilitação da estratégia área não utilizada
E4N – Sinais de habilitação da estratégia aumento de produção de frio
E5N – Sinais de habilitação da estratégia redução de produção de frio
DCN – Sinal determinando o desligamento do chiller, a partir do sistema de controle de
desempenho.
CMN – Sinal que o chiller N está atuando com desempenho máximo (100%)
S - Sinal do sensor na saída das bombas primárias: T > TSETPOINT CHILLER
xi
Resumo
Dentre as tendências de uso racional de recursos, principalmente energia, e da
necessidade de assegurar a produtividade e qualidade na execução de atividades produtivas,
destaca-se o conceito de edifício inteligente. Este ambiente materializa o conceito de
integração dos sistemas prediais potencializando a otimização dos recursos e a eficiência do
trabalho humano.
Neste contexto, abordagens conceituais baseadas em sistemas a eventos discretos e
técnicas derivadas de rede de Petri têm sido introduzidas como uma alternativa eficaz de
modelagem e análise das soluções de integração dos sistemas prediais. Um resultado
expressivo destas iniciativas são os métodos propostos para a modelagem e análise de
estratégias de gerenciamento de sistemas de ar condicionado, utilizando uma abordagem
híbrida, onde são considerados os aspectos de sistemas a eventos discretos e as variáveis de
dinâmica contínua.
Contudo, as abordagens e métodos existentes são limitados a soluções específicas de
implementação, como os sistemas de ar condicionado com volume de ar contínuo. Assim, o
presente trabalho introduz uma extensão destas abordagens para modelar e analisar soluções
de automação predial que incluem sistemas de ar condicionado com volume de ar variável. A
eficiência deste método na concepção e validação destas soluções é ilustrada através de um
estudo de caso.
xii
Abstract
Among the trends of rational use of resources, especially energy, and the need to
ensure productivity and quality in the implementation of productive activities, there is the
concept of intelligent building. This environment materializes the concept of integrating
building systems, powering the optimization of resources and the efficiency of human labor.
In this context, conceptual approaches that are based on systems of discreet events and
techniques, which are derived from the Petri nets, have been introduced as an effective
alternative to modeling and analysis of solutions of building systems integration. A significant
result of these initiatives are the proposed methods for modeling and the analysis of strategies
for air conditioning systems management using a hybrid approach where the aspects of
systems of discreet events and the variables of continuing dynamic are considered.
However, the existing methods and approaches are limited to their specific
implementation solutions, such as air conditioning systems with continuous volume of air.
Thus, this work introduces an extension of these approaches to model and analyze the
building automation solutions that include air conditioning systems with variable volume of
air. The efficiency of this method in the design and validation of these solutions is illustrated
through a case study.
xiii
1. Introdução
1.1.Motivação e Justificativa
No atual contexto mundial, a utilização de recursos de forma econômica e sustentável
é um requisito fundamental no projeto de novos sistemas. Em particular nos sistemas
produtivos e na infra-estrutura civil envolvida, estes requisitos são decisivos para a
viabilização financeira de novas instalações industriais, comerciais ou residenciais. Entre os
principais pontos a serem considerados estão os custos diretos, relacionados ao consumo de
água, energia elétrica, entre outros, e os custos indiretos, relacionados à manutenção e
operação dos sistemas que hoje compõem a infraestrutura civil. No caso específico de
edificações, além da questão econômica, outro ponto importante no projeto de sistemas
prediais é a maximização do conforto e segurança, os quais contribuem significativamente
para o aumento da produtividade e satisfação dos ocupantes [Villani & Miyagi, 2004].
Neste contexto, os crescentes avanços tecnológicos nas áreas de automação,
abrangendo as tecnologias de comunicação, mecatrônica e processamento de informações,
1
permitem a consideração e o atendimento de requisitos adicionais como flexibilidade,
segurança, e produtividade no projeto de edifícios modernos [Sierra et al., 2005].
Desta forma, ganha importância o conceito do chamado edifício inteligente, onde é
oferecido ao usuário um ambiente produtivo e econômico através da otimização de quatro
elementos básicos, que são: estrutura, sistemas, serviços e manutenção, além da inter-relação
entre eles. Um edifício inteligente, também chamado edifício de alta tecnologia, deve
conseguir, da melhor maneira possível, suprir as necessidades atuais e futuras de seus
usuários, tornar a gestão mais racional e econômica e, integrar equipamentos e serviços nas
áreas operacionais [Miyagi, 2002].
Pode-se destacar os seguintes sistemas que compõem um edifício inteligente [Bolzani,
2004]:
- Sistemas de Segurança Patrimonial;
- Sistemas de Controle de Acesso;
- Sistemas de Controle de Iluminação;
- Sistemas de Prevenção e Combate a Incêndio;
- Sistemas de Telecomunicações;
- Sistemas de Fluidos e Detritos;
- Sistemas de Ventilação, Aquecimento e Ar Condicionado;
- Sistemas de Gerenciamento e Controle de Consumo de Energia;
- Sistemas para Gerenciamento de Informações;
- Sistemas de Monitoração e Controle de Manutenção;
- Sistemas de Redes de Computadores;
- Sistemas de Elevadores;
- Sistemas de Sonorização;
- Sistemas de Utilidades (ar comprimido, gases, subestação, gerador, bombas, etc.);
- Sistema Central de Supervisão e Controle.
2
De forma simplificada, pode-se dizer que a operação de um edifício inteligente é
baseada na monitoração e controle de processos realizados através da coleta, processamento e
envio de informações utilizando sensores, atuadores e microprocessadores, a partir de
programações previamente definidas pelo operador [Villani, 2000].
Dentre os sistemas que compõem um edifício inteligente, destaca-se o sistema de ar
condicionado, que influencia sensivelmente tanto o aspecto econômico, por ser responsável
muitas vezes por mais de 60% do consumo de energia em uma edificação, além dos custos de
manutenção, quanto os aspectos de produtividade e satisfação dos usuários, por ser
responsável pela manutenção do conforto térmico dos mesmos, regulando parâmetros como
temperatura, umidade e grau de renovação do ar ambiente [Creder, 2004].
O conceito de edifício inteligente está estreitamente vinculado à efetiva integração dos
sistemas que controlam as atividades em uma edificação. Quando não existe uma
comunicação entre estes sistemas, o resultado muitas vezes é contrário ao desejado,
resultando em ações incompatíveis ou indesejadas, e que inclusive aumentam os custos
operacionais e de manutenção [Bolzani, 2004].
Nos edifícios convencionais, são comuns os casos de situações como o direcionamento
uniforme do fluxo de ar condicionado para ambientes distintos, sem levar em consideração as
diferentes taxas de ocupação ou cargas térmicas ambientes em função dos índices de
insolação. O mesmo se aplica ao sistema de iluminação, com a ativação em ambientes onde
seria desnecessário seu funcionamento, tanto pela taxa de ocupação quanto pela luminosidade
natural existente.
Este cenário pode ser agravado em edificações onde todos os sistemas são
individualmente automatizados, mas não integrados. Situações conflitantes entre estes
sistemas podem levar a inter-travamentos que comprometem o conforto e até mesmo a
segurança dos ocupantes.
3
Neste contexto, a existência de uma estrutura central de gerenciamento robusta e
confiável, onde as informações possam ser compartilhadas em tempo real, é fundamental para
o atendimento dos requisitos de segurança, conforto e economia em um edifício inteligente.
Esta estrutura é comumente chamada de sistema de gerenciamento do edifício (BMS =
Building Management System), conforme Figura 1.1 [Villani, 2000].
BMS
Sistema de
Ar
Condicionado
Sistema de
Controle de
Acesso
Sistema de
Iluminação
Fig. 1.1. Estrutura de um sistema de gerenciamento do edifício
Para garantir a confiabilidade deste sistema de gerenciamento, modernas técnicas de
modelagem e simulação procuram a abstração adequada do comportamento dos sistemas do
edifício e da integração entre estes. Desta forma, situações conflitantes são previamente
detectadas, garantindo uma operação segura. A vanguarda dos avanços tecnológicos nesta
área encontra-se justamente no aperfeiçoamento destas técnicas de modelagem e simulação,
tornando-as cada vez mais efetivas para avaliação de situações práticas, mesmo com a
crescente complexidade apresentada pelos modernos sistemas automatizados.
A integração do controle do sistema de ar condicionado aos demais sistemas
automatizados, como sistema de controle de incêndio, sistema de controle de acesso,
4
elevadores, dentre outros, sob um sistema de gerenciamento central, é fundamental para a
otimização dos sistemas e recursos envolvidos.
Dentro do contexto apresentado, destaca-se a metodologia para modelagem e
simulação de sistemas de ar condicionado em edifícios inteligentes, proposta em Villani &
Miyagi (2004). A referida metodologia utiliza-se de uma abordagem híbrida, onde são
considerados aspectos discretos e contínuos do processo, enfatizando estratégias que
envolvem interfaces com outros sistemas do edifício. Esta metodologia inicia-se com a
construção de modelos em PFS (Production Flow Schema) [Miyagi, 1996] e, a partir destes,
obtém um modelo do sistema de ar condicionado em rede de Petri Predicado/Transição
Diferencial.
Contudo, a metodologia proposta por Villani & Miyagi (2004) apresenta algumas
limitações/restrições, uma vez que não considera as novas tecnologias que são atualmente
utilizadas nos sistemas de ar condicionado. O controle de desempenho de equipamentos como
bombas e compressores, quando não existe demanda para sua capacidade máxima e, o sistema
de controle de temperatura de ambientes climatizados com volume de ar variável são
exemplos de tecnologias que não são abordadas. Além disso, a metodologia não considera a
proteção aos equipamentos críticos, como os compressores, nas estratégias de controle, o que
pode ocasionar colapso no sistema em caso de falha do sistema de proteção local. Desta
forma, justifica-se a proposta de adequações e aprimoramentos na metodologia, através da
inserção destas variantes.
1.2. Objetivo
O objetivo deste trabalho é a adequação e ampliação da metodologia proposta em
Villani & Miyagi (2004) para diferentes configurações de sistemas de gerenciamento e
controle de sistemas de ar condicionado. Em particular, são introduzidas soluções para
5
incorporar na metodologia as modificações necessárias para o controle de sistemas VAV
(volume de ar variável), variação de velocidade de bombas e ventiladores e, inclusão de
intertravamentos de segurança no acionamento dos dispositivos.
1.3. Organização do trabalho
O capítulo 2 apresenta as principais características de um sistema de ar condicionado,
discutindo as variações conceituais, como expansão direta e indireta, e as metodologias de
controle de temperatura ambiente, como VAC (volume de ar constante) e VAV (volume de ar
variável). Em seguida, é apresentado um estudo sobre sistemas a eventos discretos, sistemas
de variáveis contínuas e sistemas híbridos, incluindo uma discussão sobre técnicas de
modelagem de sistemas híbridos baseadas em rede de Petri e suas aplicações para sistemas de
ar condicionado. Por fim, tem-se uma exposição sobre as técnicas para implementação em
controladores programáveis das estratégias de controle modeladas em rede de Petri .
O capítulo 3 apresenta a metodologia proposta para modelagem e simulação do
sistema de ar condicionado que envolve desde as estratégias de controle até o sistema de ar
condicionado propriamente dito, incluindo o sistema de controle local dos sub-sistemas.
Destacam-se neste capítulo as modificações e os aprimoramentos propostos sobre o trabalho
de Villani & Miyagi (2004).
O capítulo 4 apresenta um exemplo, onde se aplica a metodologia proposta para o
prédio do SENAI-CIMATEC, em Salvador – Bahia.
O capítulo 5 apresenta as principais conclusões obtidas, assim como sugestões para
prosseguimento de trabalhos nesta área.
6
2. Modelagem e Análise de Sistemas de
Ar Condicionado
Este capítulo apresenta os principais conceitos necessários para compreensão da
proposta deste trabalho. Apresenta-se inicialmente uma descrição de sistemas de
condicionamento de ar em edifícios inteligentes. Em seguida é introduzida uma classificação
de sistemas dinâmicos e discutem-se técnicas de modelagem de sistemas de ar condicionado.
2.1.Sistemas de Condicionamento de Ar em Edifícios
Inteligentes
Condicionar o ar é o processo do tratamento do ar, de modo a ajustar simultaneamente
a temperatura, a umidade, a pureza e a distribuição (velocidade) de ar, para atender as
necessidades de um determinado recinto [Creder, 2004].
7
As principais funções do sistema de ar condicionado em um edifício são garantir o
conforto térmico aos seus ocupantes e propiciar condições ideais de funcionamento para
equipamentos ou sistemas produtivos.
A condição de conforto térmico para um indivíduo se caracteriza pela satisfação deste
com as condições térmicas do ambiente onde se encontra. Neste caso, pode-se dizer que existe
uma situação de equilíbrio térmico, quando o indivíduo perde para o ambiente a mesma
quantidade de calor produzida por seu metabolismo [Trane, 1980].
Com a caracterização dos aspectos que influenciam a produtividade e qualidade do
trabalho humano e de equipamentos eletro-eletrônicos, eletromecânicos e mecânicos, o
condicionamento do ar passou a ser um fator determinante para garantir a execução eficiente
de tarefas e o perfeito funcionamento das máquinas em certos ambientes. Desta forma, não
somente centrais de processamento de dados, com seus computadores, mas até mesmo as
plantas industriais, exigem atualmente a manutenção das condições ideais de climatização
ambiental. Laboratórios de metrologia, laboratórios clínicos, salas limpas industriais e
estações de transmissão de sinais eletromagnéticos e/ou ópticos são exemplos de locais onde o
rigoroso controle do condicionamento do ar são exigências fundamentais.
Como principais parâmetros a serem controlados por um sistema de condicionamento
de ar pode-se destacar a temperatura, velocidade relativa, umidade, concentração de CO2,
existência de odores e pureza quanto a particulados. Cabe ao sistema de ar condicionado
manter a combinação adequada das variáveis acima, de forma a atender as necessidades de
conforto térmico do usuário e/ou para funcionamento ideal de equipamentos [Trane, 1980].
Um sistema de ar condicionado pode ser dividido em duas partes básicas: o sistema de
produção térmica, responsável pela produção de frio e/ou de calor e, o sistema de distribuição
térmica, responsável pelo encaminhamento do frio ou calor gerado ao ambiente a ser
climatizado [Carrier, 1986 ]. Um exemplo é apresentado na Figura 2.1.
8
AMBIENTE
DUTOS DE
RETORNO
DUTOS DE
INSUFLAMENTO
DISTRIBUIÇÃO
TÉRMICA
FAN COIL
PRODUÇÃO
TÉRMICA
PRODUÇÃO DE
FRIO - CHILLER
BOMBAS
PRIMÁRIAS
PRODUÇÃO DE
CALOR - BOILER
BOMBAS
SECUNDARIAS
Fig. 2.1. Esquema de um sistema de ar condicionado central por expansão indireta.
Quanto à produção térmica, um sistema de ar condicionado pode ser classificado em
dois tipos [Creder, 2004]:
•
Expansão direta: neste caso, a troca de calor é feita diretamente entre o fluido refrigerante
e o ar a ser condicionado. A serpentina de troca térmica trabalha como o evaporador do
ciclo de refrigeração do fluido refrigerante. Dentre os equipamentos que utilizam esta
tecnologia, pode-se destacar os aparelhos convencionais de ar condicionado de janela, os
aparelhos de ar condicionado do tipo split e self-contained, que podem ter insuflamento
direto no ambiente ou trabalhar com redes de distribuição.
•
Expansão indireta: neste caso, existe um fluido intermediário (ou auxiliar), normalmente
água, que é resfriado em unidades relativamente grandes de resfriamento, chamadas
chillers, ou aquecido em unidades de aquecimento, chamadas boilers, para então ser
conduzido às unidades onde ocorre a troca térmica entre o fluido intermediário e o ar a ser
condicionado. Estas unidades, compostas basicamente de uma serpentina para troca
térmica e um ventilador para insuflamento e retorno do ar são chamadas de fan coils. A
9
partir destas unidades, o insuflamento para os ambientes também pode ser direto ou
através de redes de distribuição.
Nos dois casos, a transferência do calor removido do ambiente interno para o ambiente
externo pode ser feita diretamente para o ar, através dos condensadores a ar, ou utilizando
também a água como fluido auxiliar, encaminhando-a para as torres de resfriamento, onde
ocorre a liberação do calor para a atmosfera.
O sistema de distribuição térmica é responsável por levar o ar após o seu
condicionamento ao ambiente de destino, assim como promover o retorno do ar que se
encontrava no ambiente para ser novamente condicionado. O condicionamento do ar envolve
a sua renovação, a partir da admissão de ar externo pela tomada de ar exterior e mistura com o
ar de retorno do ambiente, o seu resfriamento/aquecimento, através da troca térmica na
serpentina e sua filtragem, para retenção de impurezas e particulados. O ar é então levado aos
ambientes através de uma rede de dutos de insuflamento, termicamente isolada, projetada de
forma a garantir vazão de ar e níveis de ruído compatíveis com os ambientes climatizados.
Após a troca térmica no ambiente, o ar retorna através de uma rede de dutos de retorno, ou
através de venezianas, para o recondicionamento. Normalmente, a mistura do ar de retorno
com o ar exterior para renovação é efetuada em uma caixa de mistura. O fluxo de ar através
do sistema é assegurado pelo acionamento de um ventilador, do tipo turbina, que mantém a
pressão e vazão necessárias para o funcionamento do sistema [Carrier, 1986].
Existem diversas variações sobre a forma de controle da temperatura dos ambientes
climatizados. O sistema de controle por zonas, que mantém toda área atendida (chamada de
zona) por um mesmo climatizador sob a mesma temperatura tem, em geral, um sensor de
temperatura instalado no duto de retorno, próximo ao climatizador, após a parte que mistura o
ar de todos os ambientes. A partir do sinal emitido por este sensor, a vazão de água gelada que
passa pela serpentina de transferência de calor do climatizador é regulada através de uma
válvula de duas ou três vias, ajustando desta forma a temperatura do ar insuflado. Este sistema
10
é conhecido como sistema de controle de temperatura VAC (volume de ar constante), uma
vez que não há variação na vazão do ar insuflado, somente na sua temperatura do ar insuflado.
Em sistemas de controle individualizado por ambiente, onde a temperatura pode ser
regulada de forma independente, cada ambiente tem seu próprio sensor de temperatura, cujo
sinal determina o posicionamento do damper VAV (volume de ar variável), instalado no duto
de insuflamento do ambiente. Neste caso, o ajuste da temperatura é feito através da regulação
do volume de ar insuflado sobre o ambiente, conforme apresentado na Figura 2.2 [Honeywell,
1995].
Assim, no sistema VAV de controle de temperatura, tem-se dois sistemas de controle
em malha fechada, normalmente utilizando inversores de freqüência, para determinar a
velocidade do ventilador do fan coil, a partir da pressão do ar na rede de dutos de
insuflamento de ar e, para determinar a velocidade de funcionamento das bombas secundárias
de distribuição de água, a partir da pressão da água na rede de distribuição [Sauer et al.,
2001].
CIRCUITO DE INSUFLAMENTO
VAV
DIFUSORES
SALAS DE
AULA
CIRCUITO DE RETORNO DE AR
VÁLVULA DE DUAS VIAS
CIRCUITO DE ÁGUA GELADA
Fig. 2.2. Esquema de operação para sistema VAV
11
Em uma edificação comercial, o sistema de ar condicionado é responsável por
aproximadamente 55% do consumo de energia elétrica, envolvendo as atividades de
aquecimento, refrigeração e movimentação de ar. O aumento do custo da energia elétrica tem
motivado o desenvolvimento de novas tecnologias para redução do consumo. Para os sistemas
de ar condicionado, têm sido introduzidas tecnologias como sistemas de volume de ar variável
(VAV), sistemas de controle com malha fechada para bombas de distribuição de água, com
inversores de freqüência e controle de desempenho para compressores de refrigeração [Sauer
et al, 2001].
Segundo dados da ABRAVA (Associação Brasileira de Refrigeração, Ar
Condicionado, Ventilação e Aquecimento), praticamente todos os sistemas de ar
condicionado instalados a mais de 10 anos são candidatos ao retrofitting, que consiste na
atualização de sistemas antigos, tornando-os compatíveis com as modernas tecnologias de
automação para otimização de recursos. Em termos comparativos, os sistemas atuais chegam
a ser 60% mais eficientes, com relação custo-benefício mais favorável quanto à economia de
energia e investimento direto [Bolzani, 2004].
Em edifícios inteligentes, o sistema de ar condicionado encontra-se integrado aos demais
sistemas prediais. Como exemplo, pode-se citar a integração a sistemas de controle de acesso,
o que proporciona o acionamento do sistema de ar condicionado somente quando é verificada
a presença de usuários nos ambientes, ou com o sistema de combate a incêndio, de forma a
controlar o fluxo de ar para zonas onde esteja ocorrendo o incêndio, reduzindo assim o
volume de ar que venha a alimentar o fogo, ou em zonas adjacentes à de ocorrência do
incêndio, de forma a impedir a propagação da fumaça.
12
2.2.Classificação de Sistemas
Os sistemas de ar condicionado são sistemas dinâmicos, e como tais, podem ser
classificados com base na caracterização de suas variáveis de estado em relação ao tempo,
conforme Figura 2.3 [Cardoso & Valette, 1997].
Os sistemas a eventos discretos (SEDs) caracterizam-se pelas transições instantâneas
entre estados discretos. As variáveis de estado variam abruptamente em determinados
instantes. Estes sistemas são em geral baseados em regras e procedimentos definidos pelo
homem. Para este tipo de sistema, o objetivo do controle é a execução de operações,
caracterizados pela ocorrência de eventos, conforme um procedimento pré-definido [Miyagi,
1996].
Sistemas a
Eventos
Discretos
Sistemas
de Variáveis
Contínuas
Estado(x), entradas (u)
a3
x(t)
a2
Sistemas
Híbridos
a4
dx/dt =f(x,u,t)
a1
a0
e1
e2
e3
e4
e5
Tempo
Fig. 2.3. SED x SVC x Sistema Hibrido
A principal característica dos sistemas de variáveis contínuas (SVCs) é que as
variáveis de estado evoluem de forma contínua no tempo, em função de fenômenos da
natureza, isto é, baseadas em leis físicas. Para sua modelagem, os sistemas de equações
diferenciais são ferramentas comprovadamente eficazes. Nestes sistemas, o objetivo básico do
controle normalmente é igualar o valor de uma variável de controle a um valor de referência.
13
A partir destes conceitos, deriva-se a idéia de sistemas híbridos, onde é necessária a
análise tanto do ponto de vista contínuo quanto das interferências proporcionadas pelos
eventos discretos. São encontradas aqui características tanto dos SEDs como dos SVCs. Um
exemplo prático deste tipo de sistema são os sistemas de ar condicionado em edifícios
inteligentes, onde existem estados discretos, caracterizados pelos status de equipamentos e
variáveis contínuas no tempo, como os sinais dos sensores de temperatura, além da interação
necessária com outros sistemas, como os de combate a incêndio, controle de acesso e
iluminação. A característica contínua também é marcante, através de variáveis contínuas
como temperatura e umidade, com comportamentos regidos por leis físicas, assim como na
interação com os ambientes interno e externo, conforme ilustrado na Figura 2.4 [Villani &
Miyagi, 2004].
Sistema de
Controle de Acesso
Ambiente
Interno
Ambiente
Externo
Interação
Discreta
Interação
Contínua
Sistema de Ar
Condicionado
Status de
Equipamentos
Interação
Discreta
Interação
Discreta
Interação
Contínua
Sistema de
Iluminação
Fig. 2.4. Interações do sistema de ar condicionado em EI.
2.3.Modelagem de Sistemas Híbridos
Entre os formalismos disponíveis para modelagem de SEDs, destaca-se a rede de Petri.
A rede de Petri foi proposta por Carl Adam Petri em 1962 e pode ser vista de diversas formas
[Cardoso & Vallete, 1997]:
14
•
Como um grafo orientado com dois tipos de nós e um conjunto de regras que regem o
comportamento dinâmico de elementos do grafo;
•
Como um conjunto de matrizes de inteiros positivos ou nulos, com comportamento
dinâmico descrito por uma equação linear;
•
Como um sistema de regras sob a forma condição → ação.
Formalmente, pode-se definir uma rede de Petri ordinária como uma 4-tupla: R= <Lr, Tr, Pre,
Pos>, onde:
- Lr = conjunto finito de lugares de dimensão n;
- Tr = conjunto finito de transições de dimensão m;
- Pre: Lr × Tr que define os arcos orientados de entrada das transições, isto é, arcos
orientados de lugares para transições;
- Pos: Tr × Lr que define os arcos de saída das transições, isto é, arcos orientados de
transições para lugares;
- Lr ∩ Tr = Ø, Lr ∪U Tr ≠ Ø
Uma rede de Petri é um grafo bipartido contendo lugares e transições. Arcos orientados
conectam lugares a transições e transições a lugares. Os lugares representam estados e podem
possuir marcas. Na rede de Petri ordinária, os lugares têm capacidade ilimitada para hospedar
marcas. As transições representam eventos. Um conjunto de regras define a habilitação e o
disparo de transições em função do número de marcas nos lugares conectados a estas transições.
O disparo de uma transição também altera a marcação da rede, representando assim o
comportamento dinâmico do sistema modelado [Villani, 2000].
Para modelagem de sistemas híbridos, encontram-se duas vertentes de abordagem. A
primeira baseia-se em extensões de modelos contínuos, com a inclusão de variáveis discretas.
A segunda abordagem fundamenta-se em técnicas de modelagem utilizadas em SEDs, como a
15
rede de Petri, com a inclusão de elementos representando a variação contínua no tempo das
variáveis. Como o foco deste trabalho é a análise do sistema de controle e gerenciamento,
com características eminentemente discretas, optou-se pela segunda abordagem.
Em Villani & Miyagi (2004), é feita uma análise das propostas presentes na literatura
para extensões da rede de Petri para modelagem de sistemas híbridos. São apresentadas e
analisadas a rede de Petri Híbrida, a rede de Petri Diferencial, a rede de Petri de Alto Nível e a
rede de Petri Predicado/Transição Diferencial. Ao final do estudo, conclui-se que a rede de
Petri Predicado/Transição Diferencial é a mais adequada para modelagem de um sistema de ar
condicionado, pois permite a descrição da dinâmica discreta associada aos modos de
gerenciamento do sistema através da rede de Petri ordinária e, da dinâmica contínua associada
aos fluxos de ar e calor através de sistemas de equações diferenciais.
A rede de Petri Predicado/Transição Diferencial define uma interface entre a rede de
Petri e sistemas de equações diferenciais algébricas, associando-as aos lugares1. Em SVCs, um
determinado conjunto de equações diferenciais algébricas define a evolução das variáveis
contínuas de um sistema. No caso de sistemas híbridos, este conjunto de equações diferenciais
sofre influência da ocorrência de eventos discretos. Assim, na rede de Petri
Predicado/Transição Diferencial, sistemas de equações diferenciais são associadas aos lugares
e as variáveis contínuas são associadas às marcas. A modularidade também é considerada
neste caso para tratar problemas relacionados com as dimensões de uma rede que pode
envolver um número relativamente grande de marcações (estados) possíveis. Desta forma,
tem-se a representação das diversas configurações discretas possíveis do ponto de vista
discreto na rede de Petri, e a representação da evolução contínua do sistema para cada uma
das configurações através das equações diferenciais algébricas associadas aos lugares [Villani
& Miyagi, 2005].
1
No presente texto, os elementos estruturais da rede de Petri estão em Ariael
16
Uma rede Predicado/Transição Diferencial marcada pode ser definida formalmente
pela 3-tupla NPTD = <R, A, M0 >, onde:
- R é uma rede de Petri definida pela 4-tupla <Lr, Tr, Pre, Pos>, onde:
•
Lr é um conjunto finito de lugares,
•
Tr é um conjunto finito de transições,
•
Pre é o mapeamento dos arcos que saem de um lugar e estão orientados a uma
transição,
•
Pos é o mapeamento dos arcos que saem uma transição e estão orientados a um
lugar;
- A é a inscrição da NPTD , A = <X, AL, AC, AA, AF>, onde:
•
X é um conjunto de variáveis formais, cujo valor é um número real,
•
AL associa a cada lugar pi um vetor Xpi de variáveis pertencentes a X,
•
AC associa uma função de habilitação ei(.) a cada transição ti,
•
AA associa uma função de junção ji(.) a cada transição ti,
•
AF associa um sistema de equações diferenciais algébricas Fi, cujas variáveis
são Xpi e suas derivadas no tempo;
- M0 é a marcação inicial da rede.
Um exemplo de disparo de uma transição em rede de Petri Predicado/Transição
Diferencial é apresentado na Figura 2.5.
2.4. Controle Baseado em Rede de Petri
A
crescente
complexidade
dos
sistemas
produtivos
tornou
necessário
o
desenvolvimento de ferramentas efetivas para o projeto e implementação de sistemas de
controle, que permitam sua concepção, detalhamento, verificação e validação antes da
aquisição e instalação de equipamentos e controladores. Neste sentido, a rede de Petri destaca-
17
se como ferramenta eficaz de modelagem e análise do comportamento de SEDs e de sistemas
híbridos. Inicialmente, o desenvolvimento de procedimentos de conversão de modelos em
redes de Petri em programas de controladores restringia-se aos SEDs, mas a necessidade de
considerar processos híbridos tem demandado o desenvolvimento de procedimentos válidos
também para estes tipos de sistemas [Frey, 2000].
Vetor de Variáveis
XL1 = <z>
XL2 = <g, y>
XL3 = <q, y>
lr1
tr1
<1>
Sistemas de Equações
F1 : ż – 2 = 0
F2: ġ + 1 = 0
Função de habilitação
e1 : z > g
lr3
<5, 5>
lr2
Função de junção
j1 : q = 2z - g
a) Marcação Inicial (t = 0)
<5>
lr1
lr1
tr1
tr1
<7, 5>
lr3
<3, 5>
lr2
lr3
lr2
b) Rede antes do disparo (t = 2)
c) Rede depois do disparo (t = 2)
Fig. 2.5. Rede de Petri Predicado/Transição Diferencial.
Em Uzam et al. (1996), é utilizada a técnica do TPL (token passing logic), que se
aplica à rede de Petri com temporização em lugares e transições (P-timed and T-timed) e à rede
de Petri Colorida. Esta técnica, própria para SEDs, facilita a conversão da rede de Petri numa
especificação da lógica de controle adequada para a geração de programas em diagrama
ladder, usados amplamente nos controladores programáveis atualmente no mercado. A
presença ou ausência de sinais de sensores é tratada através de interpretações das précondições para disparo das transições. Os sinais para os atuadores são associados a lugares. Na
18
essência, lugares da rede de Petri representam os estados lógicos do processo e as transições
representam as ocorrências dos eventos.
Em Lima II (2002) é apresentada uma outra alternativa que converte modelos de SEDs
desenvolvidos em rede de Petri interpretada para uma linguagem texto, no caso o STL
(statement list), através de uma ferramenta computacional.
Em Lee et al. (2004) é introduzida a rede de Petri de controle - CoPN (control Petri
net), que tem como característica básica ser determinística e utilizar transições temporizadas e
sincronizadas. Este tipo de rede permite uma análise funcional dr um processo a partir das
operações e condições do sistema, associando posições a lugares, incluindo saídas e ações, e
associando as condições às transições. A partir de modelos em CoPN, é feita a análise da
evolução das marcas, transformando a CoPN em funções booleanas, para posterior geração de
diagramas ladder.
Em Frey (2000), é introduzida a utilização de rede de Petri para modelagem e
implementação de controle de sistemas híbridos. Para isso, é apresentado o conceito da rede
de Petri com interpretação de sinais - SIPN (signal interpreted Petri net), que considera a
influência do ambiente sobre o sistema através da definição de sinais, ao invés da influência
baseada nos eventos utilizada em outras interpretações de elementos da rede de Petri. Na
SIPN, as transições são associadas às condições de disparo determinadas por uma função
booleana dos sinais de entrada. Os lugares são associados às ações especificadas pelos sinais
de saída. É introduzido também o conceito de SIPN temporizada, onde tempos de atraso são
associados aos arcos de entrada das transições. A implementação em controladores
programáveis é feita através da conversão da SIPN temporizada em SFC (sequential function
chart). Estes conceitos são estendidos em Frey (2003), onde é apresentado a SIPN
hierárquica, baseando a análise da rede hierárquica na análise das sub-redes, inserindo ainda
sinais não binários. Em Klein et al. (2003) é apresentada uma ferramenta computacional que
19
permite a conversão automática do modelo em SIPN para programação em lista de instruções
(instruction list) para controladores programáveis.
Em Venkatesh et al. (1994), foi introduzida a utilização da rede de Petri não somente
para a implementação, mas principalmente para validação de sistemas de controle existentes
através da comparação entre a lógica dos diagramas ladder e modelos em rede de Petri. Esta
aplicação vem a ser reforçada em Frey & Litz (2000), onde é feita uma análise de
metodologias para implementação e validação de sistemas de controle a partir da rede de
Petri, para as mais variadas linguagens de programação, tais como lista de instruções, SFC
(sequential flow chart), diagramas ladder, diagramas de blocos funcionais (functional block
diagrams) e textos estruturados (strucutured texts).
Todos estes trabalhos confirmam que um sistema de controle devidamente modelado,
simulado e validado, utilizando a rede de Petri Predicado/Transição Diferenciais pode ser
convertido para programas de controladores programáveis, dentro do contexto de edifícios
inteligentes.
2.5.Comentários Adicionais
A necessidade contínua de desenvolver novas formas de otimização de recursos e de
economia de energia propiciou a evolução dos sistemas de ar condicionado, integrando-os ao
conceito de edifício inteligente. O sistema de controle de temperatura ambiente utilizando o
método de volume de ar variável VAV e a variação de velocidade nas bombas de água gelada
são exemplos de melhorias introduzidas em virtude das novas formas de monitoração e
controle.
Partindo dos conceitos já validados de modelagem híbrida de sistemas de ar
condicionado e usando rede Predicado/Transição Diferenciais, este trabalho explora estes na
metodologia de construção e análise dos modelos.
20
3. Metodologia
Este capítulo apresenta a metodologia de modelagem e análise de sistemas de ar
condicionado proposta em Villani & Miyagi, (2004) e em seguida introduz as contribuições
propostas para o seu aprimoramento. Estas modificações foram concebidas e detalhadas com
base em problemas identificados com a aplicação prática da metodologia original a estudos de
casos.
3.1. Metodologia Original
A escolha da metodologia proposta em Villani & Miyagi (2004) deve-se ao fato da
mesma já haver sido validada para casos específicos, e em virtude de mostrar-se relativamente
flexível, de forma a permitir a introdução dos aprimoramentos necessários para adequação a
novos contextos.
Esta metodologia não interpreta como entidades discretas os elementos que
representam variáveis contínuas nem interpreta como entidades contínuas os elementos que
representam eventos discretos. A metodologia envolve a definição de uma interface entre os
21
dois modelos de modo a permitir maior flexibilidade de modelagem tanto na parte contínua
quanto na parte discreta. Ela tem como base o detalhamento gradual dos modelos de partes
que compõem o sistema segundo uma abordagem hierárquica.
A referida metodologia é organizada em três etapas principais, conforme apresentado
na Figura 3.1.:
Etapa 1
Definição das estratégias
Etapa 2
Construção de modelos
dinâmicos
Etapa 3
Análise estrutural e dinâmica
dos modelos
Fig. 3.1. Etapas da metodologia (derivado de Villani & Miyagi, 2004)
a)
Definição das estratégias
Contempla-se aqui a seqüência de eventos e ações de cada estratégia, os componentes
do sistema de ar condicionado sobre os quais a estratégia de funcionamento e controle atua, e
em que situações ela é executada. Após a definição de cada estratégia, deve-se analisar sua
22
influência sobre as propriedades do ambiente e dos fluxos de ar e água, como vazão,
temperatura, pressão, umidade, etc, uma vez que sua inserção no sistema de gerenciamento
trará conseqüências para cada uma destas propriedades. Também devem ser analisadas as
interfaces de cada estratégia com o sistema de gerenciamento do sistema de ar condicionado,
uma vez que estas passarão a fazer parte deste, e com os demais sistemas do edifício, já que
sua atuação influenciará ou sofrerá influência destes.
b)
Construção dos modelos
Nesta etapa, devem ser modelados individualmente o sistema de gerenciamento, o
sistema de controle local dos equipamentos, o sistema de ar condicionado propriamente dito e
os ambientes internos, para posterior integração dos modelos, conforme esquema apresentado
na Figura 3.2.
Modelagem do
Sistema de
Gerenciamento
Modelagem do
Sistema de Ar
Condicionado
Modelagem dos
Ambientes
Modelagem dos
Sistemas de
Controle Local
Integração dos
modelos
Fig. 3.2. Detalhamento da etapa Construção dos Modelos (derivado de Villani & Miyagi, 2004)
Para a modelagem do sistema de gerenciamento, devem ser consideradas todas as
estratégias de controle previamente definidas. Esta modelagem pode utilizar como ferramenta
23
a rede de Petri, uma vez que o sistema de gerenciamento pode ser considerado um sistemaa a
eventos discretos (SED), já que sua evolução é determinada pela ocorrência de eventos que
alteram abruptamente os estados discretos, como a mudança de estado de equipamentos
baseados em sinais lógicos de sensores.
Para construção destes modelos, inicialmente é utilizada a técnica do PFS (Production
Flow Schema), descrita em Miyagi (1996).
(1996). Esta técnica tem como objetivo sistematizar e
facilitar a modelagem baseada em rede de Petri. É utilizada uma abordagem top-down,
explorando o conceito de macro-eventos, isto é, atividades que podem incluir vários outros
eventos e estados organizados hierarquicamente. O sistema é então caracterizado pelas
atividades realizadas sobre um fluxo de itens (objetos, materiais, informações, etc.), conforme
Figura 3.3. Assim, todo processo produtivo pode ser decomposto em elementos ativos
(atividades), elementos passivos (distribuidores) e arcos orientados, que relacionam os
elementos anteriores. Este modelo em PFS é gradativamente refinado, gerando um modelo em
rede de Petri, isto é, uma rede baseada na rede de Petri Lugar-Transição, adicionado de
elementos como arcos habilitadores e inibidores, que podem ser devidamente interpretados como
sinais de comunicação, e transições temporizadas.
PFS - Production Flow Schema
(Descrição conceitual do sistema)
Elemento
Atividade
Atividade 1
Arco
Orientado
Elemento Interatividade
Atividade 3
Atividade 4
Atividade 2
Fig. 3.3. Exemplo de um modelo em Production Flow Schema – PFS
24
O modelo do sistema de gerenciamento é composto pelas diversas estratégias de
controle, previamente definidas, e pelo conjunto de operações realizadas sobre o sistema de ar
condicionado, representado pelos sistemas de controle local, responsáveis pela interface com
os atuadores, sensores e dispositivos de interface com o operador/usuário. Assim, a conexão
entre os modelos é representada através de arcos habilitadores e inibidores.
Na modelagem do sistema de controle local são considerados os estados dos diversos
destes equipamentos que compões o sistema, como, por exemplo, [Bomba desligada], [Bomba
ligada] ou [Bomba indisponível].
Para a modelagem do sistema de ar condicionado, considerado como um sistema
híbrido, adota-se com base nas características citadas no capítulo anterior a rede de Petri
Predicado/Transição Diferencial (rede PTD).
Considerando que, tanto para o fluxo de ar quanto para o fluxo de água, são modeladas
as variáveis de vazão, temperatura e pressão, para cada lugar relacionado é atribuído um
sistema de equações diferenciais, representando a transformação realizada pela atividade
associada às propriedades do fluxo.
Os ambientes internos do edifício são modelados através de sistemas de equações
diferenciais que representam a variação das propriedades do ar nestes recintos, em função da
carga térmica recebida, que podem também ser influenciadas por eventos discretos, como a
entrada de pessoas no ambiente e o acionamento de lâmpadas e equipamentos.
A integração entre os modelos do sistema de gerenciamento, modelo do sistema de ar
condicionado e sistema de controle local é realizada também através de arcos habilitadores e
inibidores. A integração do sistema de ar condicionado com o ambiente é realizada através da
especificação das influências mútuas entre as variáveis contínuas características do ambiente
com os elementos do sistema de ar condicionado.
25
c)
Análise dos modelos
A análise dos modelos considera inicialmente o estudo das propriedades estruturais da
rede de Petri. Assim, as características do modelo desenvolvido para as estratégias de
gerenciamento do sistema de ar condicionado são identificadas. Este procedimento é utilizado
para verificar se a estrutura lógica do modelo está de acordo com as especificações previstas.
O passo seguinte envolve o estudo das propriedades comportamentais da rede de Petri.
Isto é, com base na regras de evolução da rede de Petri, analisa-se a dinâmica do modelo
desenvolvido referente às estratégias de gerenciamento do sistema de ar condicionado. O
modelo em rede de Petri permite o mapeamento de todos os estados alcançáveis do sistema,
entretanto, em casos práticos isso é em geral inviável pelo número relativamente grande de
possibilidades. Assim, o procedimento adotado é o estudo de cenários através de técnicas de
simulação.
Esta etapa envolve o uso de técnicas de simulação discreta para as partes que são
modeladas por variáveis discretas e de simulação numérica para as partes que são modeladas
por equações diferenciais. A análise do modelo global híbrido é realizada acoplando-se as
duas simulações citadas.
Para a simulação discreta é utilizado o modelo construído em rede de Petri, com a
eliminação da parte referente às equações algébricas diferenciais. O modelo resultante,
constituído apenas de elementos da rede de Petri, engloba o modelo do sistema de
gerenciamento e a parte discreta dos modelos do sistema de ar condicionado e do sistema de
controle local. Esta simulação pode ser realizada utilizando ferramentas computacionais
disponíveis, que comportem arcos habilitadores e inibidores. Com esta simulação é possível
analisar e validar casos do funcionamento lógico dos modelos, verificando o seu
comportamento.
26
A simulação contínua consiste em simular numericamente as equações diferenciais
associadas aos modelos do sistema de ar condicionado, dos sistemas de controle local e do
ambiente. Desta forma, pode ser verificado se existe um comportamento coerente das
variáveis contínuas consideradas no contexto das situações específicas.
A simulação híbrida global do sistema envolve a evolução intercalada da simulação
discreta e da simulação contínua, sendo estas sincronizadas pela ocorrência de eventos. A
simulação é desenvolvida em um dos simuladores, até a ocorrência de certos eventos, quando
é feita a alternância de simulador.
3.2. Modificações Propostas
O presente trabalho explora a metodologia proposta em Villani & Miyagi (2004),
ampliando-a para as novas e modernas configurações de sistemas de gerenciamento e controle
do sistema de ar condicionado central, incorporando o controle de sistemas VAV (volume de
ar variável) e a variação de velocidade de bombas e ventiladores.
As principais modificações propostas são resumidas nos seguintes itens:
•
Modelagem da variação de capacidade de refrigeração dos chillers;
•
Modelagem de sistemas do tipo VAV (volume de ar variável), os quais implicam no
equacionamento da variação da pressão do ar ao longo do sistema de ar condicionado;
•
Modelagem da interface entre a dinâmica contínua e a discreta para os fluxos de água e ar.
Estes itens são detalhados a seguir.
Variação de capacidade de refrigeração dos chillers
De acordo com Villani (2000), o detalhamento da estratégia [Redução da Produção de
Frio], referente ao controle do chiller e bombas de água gelada, pode ser modelado conforme a
Figura 3.4.
27
Redução da Produção de Frio
∆t
Desliga
bomba
primária 1
Desliga
bomba
secundária1
D esl iga
Chiller 1
Desliga
bomba
secundária2
Desliga
bomba
primária 2
Desliga
bomba
secundária3
Desl iga
Chiller 2
Chiller 1 ligado
Sinal do sensor de temperatura
Chiller 2 ligado
Fig. 3.4. Detalhamento para estratégia [Redução da Produção de Frio] (derivado de Villani, 2000)
Ao analisar o modelo da Figura 3.4., são considerados dois aspectos referentes ao
sistema de produção térmica:
a) O controle de um sistema de ar condicionado deve assegurar a operação segura e
eficiente do seu componente principal, no caso, o chiller. Entretanto, o modelo da
Figura 3.4, indica uma seqüência onde, primeiro é feito o desligamento das bombas,
para depois efetuar o desligamento do chiller. Esta seqüência pode provocar o retorno
de líquido para o compressor, em virtude da deficiência na troca térmica no
evaporador pela falta de circulação de água e, um eventual colapso neste compressor.
Deve-se, assim, considerar uma revisão e alteração neste modelo de modo a iniciar o
processo de redução da produção de frio pela redução do desempenho do chiller, para
depois efetuar o desligamento das bombas. Além disso, a disposição das atividades de
28
desligamento dos equipamentos em série assegura que as bombas somente serão
desligadas após todos os chillers estarem operando com baixo desempenho. A Figura
3.5. apresenta, assim, a proposta de um novo modelo para a estratégia, incorporando a
diretriz de segurança ao controle do sistema.
Redução da Produção de Frio
∆t
Reduz
desemp
chiller
2
Reduz
desemp
chiller
1
Desliga
bomba
secund.
3
Desliga
bomba
secund.
2
Desliga
bomba
secund
1
Desliga
bomba
primar.
2
Desliga
bomba
primar
1
Sinal do sensor de temperatura
Fig. 3.5. Detalhamento proposto para estratégia [ Redução da Produção de Frio]
b) A implementação de novas tecnologias permite aos equipamentos trabalharem com
variação de desempenho. Os chillers possuem dispositivos que permitem que os seus
compressores atuem em várias velocidades, ou seja, com desempenhos diferenciados.
O mesmo acontece com as bombas centrífugas que utilizam inversores de freqüência
para a variação de velocidade do motor e conseqüente variação na vazão de líquido.
Neste sentido, o modelo para o controle local dos equipamentos deve também ser
objeto de uma revisão para assegurar que o controle atue sobre cada um dos
dispositivos (elementos) de atuação de forma individual (bombas ou chillers). A
estratégia de controle deve prever esta regulação ou ajuste de desempenho dos
dispositivos de atuação no sistema de controle local, por exemplo, através da
introdução de arcos habilitadores associados às transições e transições temporizadas para
29
assegurar que os efeitos esperados sejam atingidos. A Figura 3.6. apresenta modelo
proposto, em rede PTD, para o sistema de controle local de um chiller com diferentes
capacidades de trabalho (ex: 0% - 25% - 50% - 75% - 100%), podendo estas serem
caracterizadas como modos discretos de operação.
SINAL F1
tr 7
SINAL DC1
CHILLER 1 DESLIGADO
SINAL E51
tr 2
SINAL E43
SINAL CM1
tr 5
tr 6
SINAL E51
CHILLER 1
FUNCIONANDO
tr1
CHILLER 1 A 100%
tr 4
SINAL
(Y1 AND (NOT)D1)
tr 3
SINAL E43
SINAL E51
Fig. 3.6. Detalhamento proposto para sistema de controle local de chiller
Sistemas de Ar Condicionado do tipo VAV
Outro ponto para revisão e aprimoramento da metodologia é a inserção da modelagem
da variável pressão nos sistemas de equações diferenciais. Na metodologia original a
modelagem desta propriedade não era considerada, já que as variações de pressão, tanto do ar
quanto da água, não interferiam no sistema de controle. Com as novas técnicas de controle de
desempenho, a pressão passa a ser uma variável determinante nas ações do sistema de
controle, constituindo-se mais uma propriedade a ser monitorada e que determina a variação
de desempenho dos equipamentos.
30
Interface entre Dinâmica Contínua e Discreta para Fluxos de Água e Ar
Outro aspecto a ser considerado para aprimoramento da metodologia é que os modelos
contínuos que representam a variação de propriedades dos fluidos e do ambiente são
representados, visualmente, de forma desconectada dos modelos referentes aos estados
funcionais do sistema de controle do ar condicionado. A relação entre o equacionamento dos
fluxos de ar e água e o sistema de ar condicionado se dá através do compartilhamento de
variáveis entre sistemas de equações diferenciais. Conforme citado anteriormente, na
simulação, os simuladores discreto e contínuo evoluem de forma intercalada, sincronizados
pela ocorrência dos eventos. A proposta aqui é associar uma dinâmica discreta ao modelo do
fluxo de ar e água e relacionar esta dinâmica aos sistemas de equações diferenciais. Este
modelo discreto representa a discretização do processo de resolução das equações
diferenciais, o que também ocorre no caso de simulação computacional de modelos contínuos.
Assim, a rede de Petri indica também a seqüência de resolução dos sistemas de equações
diferenciais, que corresponde ao caminho percorrido pelo fluido (água ou ar). Para assegurar a
devida atualização do valor das variáveis que modelam a dinâmica contínua, introduz-se o
dual de cada lugar (lugares inicialmente marcados na rede da Figura 3.7). Desta forma, o valor
das variáveis é atualizado na passagem da marca que representa o fluxo. Como exemplo, a
Figura 3.7. apresenta um modelo para a divisão de fluxo antes de um sistema de dois chillers
em paralelo. Esta rede inclui o processo de resfriamento da água nestes equipamentos e a
mistura da água gelada, antes de prosseguir para as bombas secundárias. Caso um dos
equipamentos esteja fora de operação, existe uma alternativa para que a marca prossiga sem
alteração das propriedades.
31
SINAL
NOT (P1)
SINAL P1
RESFRIAMENTO
DE ÁGUA
CHILLER 1
IA 3
DIVISÃO DE
FLUXO A
IA 4
IA 5
MISTURA DE
ÁGUA B
RESFRIAMENTO DE ÁGUA CHILLER 2
SINAL P2
SINAL
NOT (P2)
Fig. 3.7. Modelo do fluxo de água gelada no resfriamento do chiller
3.3 Comentários Adicionais
Ao adotar a metodologia apresentada em Villani & Miyagi (2004), este trabalho
ratifica sua aplicabilidade na modelagem de sistemas de ar condicionado em edifícios
inteligentes.
Ao introduzir contribuições a esta metodologia, procura-se adaptá-la às novas soluções
consideradas para os sistemas de controle de ar condicionado, como o controle de temperatura
ambiente por volume de ar variável e controle de desempenho de equipamentos. Tem-se,
assim, uma proposição aprimorada para modelagem dos fluxos de água e ar, associando uma
representação em rede de Petri à dinâmica contínua. Esta proposta foi validada através de
estudos de casos, sendo que um exemplo ilustrativo é apresentado no próximo capítulo.
32
4. Exemplo de aplicação da metodologia
Neste capítulo aplica-se a metodologia proposta para o prédio do SENAI-CIMATEC,
em Salvador, Bahia. O prédio do SENAI-CIMATEC não pode ser considerado um edifício
inteligente, uma vez que não possui vários de seus sistemas automatizados, como sistema de
iluminação, combate a incêndio ou controle de acesso, e mesmo aqueles que estão
automatizados não estão devidamente integrados. Contudo, a configuração do seu sistema de
ar condicionado central, com as variantes na forma de controle, apresentando sistemas de
controle VAC, VAV e VAV com sistema alternativo, pode ser considerada um exemplo
representativo de um caso para aplicação da metodologia proposta.
4.1.O SENAI-CIMATEC
O edifício do SENAI-CIMATEC (Centro Integrado de Manufatura e Tecnologia)
conta com uma área construída total de 6.800 m2, divididos em dois blocos, com quatro
33
pavimentos cada um. Nesta área tem-se 32 laboratórios, 12 salas de aula, auditório, biblioteca,
sala de coordenação pedagógica, sala de apoio administrativo-financeiro, enfermaria e
refeitório/lanchonete. No edifício trabalham diariamente cerca de 200 colaboradores e ele
possui capacidade para atender cerca de quatro mil alunos por dia.
No primeiro pavimento, apresentado na Figura 4.1., estão instalados os equipamentos
de um sistema de manufatura integrada por computador e quatro laboratórios didáticos, com
controle do ar condicionado através de volume de ar variável (VAV). Na área de metrologia,
também se tem o sistema de controle VAV, com a complementação de um sistema alternativo
para climatização contínua por 24 horas. Na área administrativa, o sistema de controle é de
volume de ar constante (VAC).
METROLOGIA
ADMINISTRAÇÃO
Sistema de Manufatura CIM
LABORATÓRIOS
Fig. 4.1. Planta baixa do nível 1
No segundo nível, estão localizados a biblioteca, incluindo acervo e área para estudos,
secretaria escolar e as salas de coordenação pedagógica, além das salas de aula, conforme
Figura 4.2. Todos estes ambientes utilizam sistema VAV.
34
BIBLIOTECA
PEDAGOGIA
Fig. 4.2. Planta baixa do nível 2
No terceiro nível, estão localizadas as salas de técnicos, e mais sete laboratórios
didáticos, todos com sistema de controle VAV. Além disso, existe o auditório, que é atendido
por um fan coil exclusivo, com sistema de controle VAC, conforme apresentado na Figura
4.3.
AUDITÓRIO
LABORATÓRIOS
SALA DE
TÉCNICOS
SALAS DE
MÁQUINAS
Fig. 4.3. Planta baixa do nível 3
35
No quarto nível, estão localizadas duas salas de técnicos independentes, atendidas
individualmente por fan coils com insuflamento com dutos aparentes e sistema de controle
VAC, conforme Figura 4.4.
SALA DE TÉCNICOS
Fig. 4.4. Planta baixa do nível 4
Seu sistema de ar condicionado central destina-se exclusivamente ao resfriamento dos
ambientes, não havendo recursos específicos para aquecimento ou desumidificação. É
composto por um sistema de expansão indireta com condensação a ar, com sistemas
alternativos por expansão direta, do tipo split system, para alguns ambientes críticos.
A água gelada do sistema é produzida por dois chillers com condensação a ar e dois
compressores parafuso cada, com capacidade unitária de 110 TR (toneladas de refrigeração),
provendo uma capacidade total instalada de 220 TR. O sistema hidráulico de distribuição de
água gelada é composto por um circuito primário, onde duas bombas centrífugas recebem
água oriunda dos fan coils, e envia-a para o chiller, de onde sai dirigindo-se para um circuito
secundário, onde outras três bombas, acionadas por inversores de freqüência, enviam a água
gelada para os fan coils.
36
O condicionamento do ar dos ambientes é realizado por climatizadores do tipo fan coil
com redes de dutos de insuflamento e retorno. A maioria dos ambientes é atendida
individualmente por caixas de volume variável (caixas VAV), operadas por sinal de controle
analógico de sensores de temperatura. Por sua vez, a abertura ou fechamento das caixas VAV
proporciona a modulação da velocidade do motor elétrico do climatizador, através de um
inversor de freqüência orientado pelo sinal analógico de um transdutor de pressão instalado no
duto de insuflamento. O controle de temperatura do ar de insuflamento é realizado por
válvulas de duas vias de ação proporcional, instaladas na linha de água gelada e moduladas
pelo sinal analógico do sensor de temperatura.
A partir das exigências básicas decorrentes das especificidades de cada um dos
ambientes, pode-se classificar os ambientes climatizados em três zonas distintas, com
diferentes formas de controle de temperatura ambiente:
Zona 1 – Laboratórios de alta precisão
Área isolada, atendida por um climatizador específico, formada pelos laboratórios da
área de metrologia. São os laboratórios de medição de grandezas dimensionais, medição
tridimensional, pressão, microscopia e prototipagem rápida. Nestes ambientes, a temperatura
deve ser mantida em 20oC ± 0,5oC. Para garantir a variação máxima de 1,0oC, a distribuição
do ar é realizada por duas caixas VAV em cada ambiente, sendo que o controle de cada caixa
é baseada em sinais de dois sensores de temperatura. Para estes ambientes também estão
instalados sistemas alternativos, compostos por condicionadores individuais com expansão
direta, do tipo split, a serem utilizados no horário noturno, quando do desligamento dos
chillers, ou na falta de energia elétrica, acionados por gerador. Todo este controle ocorre de
forma automática, acionado por sistema de supervisão e controle microprocessado central.
37
Zona 2: Área Administrativa – Financeira
São ambientes onde o sistema de controle de temperatura é realizado pela variação do
volume de água gelada que passa pelas serpentinas dos climatizadores, através de válvula de
duas vias instalada no climatizador, e cuja modulação proporcional é obtida a partir de sinal
analógico do sensor de retorno, instalado na casa de máquinas do climatizador. Esta zona é
formada por ambientes como o núcleo administrativo-financeiro, o auditório e as salas de
técnicos do 4o pavimento. O seu horário de funcionamento é estabelecido através do sistema
de supervisão e controle microprocessado central, onde se ajusta como a temperatura
ambiente de conforto o valor de 24ºC.
Zona 3: Salas de aula e demais laboratórios
Esta zona concentra os ambientes com grande fluxo de pessoas e variação
relativamente abrupta de concentração destas. Engloba as salas de aula e todos os demais
laboratórios utilizados em aulas práticas. Cada pavimento é atendido por um climatizador que
condiciona os ambientes através de uma rede de dutos de insuflamento e retorno. Todos os
ambientes, individualmente, têm sua temperatura interna regulada por caixas VAV, operadas
cada uma com base no sinal analógico de um sensor de temperatura. A vazão do ar insuflado
é regulada por um inversor de freqüência instalado no climatizador, que depende do sinal
enviado por sensores de pressão, localizados nos dutos. A temperatura do ar insuflado é
regulada da mesma forma que nas zonas anteriores. A temperatura ambiente é normalmente
programada para 24ºC, e os horários de funcionamento são definidos a partir do sistema de
supervisão e controle microprocessado central.
38
4.2.Definição das estratégias de gerenciamento
Após o levantamento da instalação existente são definidas as estratégias operacionais
adotadas para o edifício do SENAI-CIMATEC. Estas estratégias devem identificar a
seqüência de eventos e atividades, os equipamentos sobre os quais o sistema atua e as
condições de realização ou não-realização.
Após sua definição, é analisada a influência das estratégias sobre o ambiente, sobre o
ar condicionado, considerando o fluxo de fluidos (ar e água) e estado dos equipamentos, e
sobre o sistema de gerenciamento como um todo. Não está no escopo do presente caso a
análise da interação com outros sistemas do edifício, uma vez que esta englobaria a
modelagem de outros sistemas.
As estratégias para o sistema de ar condicionado a seguir listadas são consideradas em
função das peculiaridades de utilização e ocupação do edifício. São identificados três tipos
distintos de zonas de climatização e para cada uma das estratégias adotadas são especificadas
as medidas a serem tomadas em cada um dos tipos de zona:
a.
Estratégia em caso de incêndio: a ser adotada em uma determinada zona caso
seja informado ao sistema de gerenciamento a presença de fumaça no ambiente,
através de integração com o sistema de combate a incêndio, e que deve resultar
no aumento da pressão do ar nas zonas adjacentes e corte na alimentação de ar na
zona atingida.
Devem ser tomadas as seguintes medidas:
-
Renovar, com capacidade máxima, o ar da zona onde foi detectada fumaça e
para áreas anexas, através da abertura máxima da tomada de ar exterior.
-
Diminuir a pressão do ar na área atingida, com as seguintes ações, de acordo
com a zona:
39
•
Zona 1 e 3 – fechamento das caixas VAV do ambiente atingido,
reduzindo o insuflamento, e aumentando a velocidade do ventilador
do fan coil, aumentando o retorno de ar.
•
Zona 2 – fechamento parcial do damper na saída do fan coil,
limitando o insuflamento, e aumento da velocidade do ventilador,
aumentando o retorno de ar.
-
Aumentar a pressão do ar nas áreas anexas não afetadas
•
Zonas 1 e 3 – abertura máxima das caixas VAV, com aumento da
velocidade do ventilador
•
Zona 2 – abertura máxima do damper de insuflamento e aumento da
velocidade do ventilador.
b.
Estratégia para áreas não utilizadas: a ser adotada em caso de curtos períodos
de inatividade de zona climatizada, com a interrupção do insuflamento local.
Algumas áreas devem ser condicionadas constantemente, a exemplo das que estão
incluídas na zona 1. Mas, na grande maioria, o período de utilização dos ambientes segue
horários bem específicos. Nos ambientes que compõem a zona 2, o horário administrativo é o
utilizado (08:00h às 12:00h e das 13:00h às 17:00h). Já as salas de aula e laboratórios têm o
seu período de utilização determinado pela programação de aulas. Desta forma, pode-se
adotar que o período de não utilização das áreas é função de horários pré-determinados,
devendo ser tomadas as seguintes medidas durante estes períodos de não utilização:
•
Zona 2:
-
Fechar completamente a tomada de ar exterior.
-
Desligar os ventiladores do fan coil.
40
-
Fechar a válvula de 3 vias, bloqueando o fluxo de água gelada pela serpentina.
•
Zona 3 – como cada fan coil atende vários ambientes:
-
Fechar completamente as caixas VAV do ambiente.
-
Aumentar a pressão no duto e conseqüentemente reduzir a velocidade do
ventilador.
c.
Estratégia para paradas longas: a ser adotada em longos períodos de
inatividade, com a interrupção completa no funcionamento do sistema.
Normalmente, as atividades no edifício se encerram às 22:30h, sendo retomadas às
07:30h do dia seguinte. Além disso, em finais de semana e feriados, o edifício permanece
inativo por mais de 24 horas. Como forma de economizar energia por estes períodos mais
longos, o sistema central, incluindo os dois chillers, deve ser completamente desligado, com
as seguintes medidas:
•
-
Desligar os fan coils.
-
Fechar as tomadas de ar exterior.
-
Acionar o sistema alternativo, com splits de ambiente.
•
d.
Zona 1:
Zonas 2 e 3:
-
Desligar os fan coils.
-
Desligar os chillers e bombas de água gelada.
-
Fechar as tomadas de ar exterior.
Estratégia para áreas em utilização, com operação baseada em carga térmica: a
partir da programação de utilização dos ambientes, prevendo-se o précondicionamento e a manutenção dos parâmetros de conforto térmico a partir do
controle do desempenho dos equipamentos.
41
Esta estratégia é empregada de acordo com a programação definida pelo sistema
supervisório, uma vez que a utilização de vários ambientes depende de um agendamento
prévio, como salas de aula, laboratórios, auditório, etc.
No início do período de utilização de determinado ambiente devem ser tomadas as
seguintes medidas, independente da zona:
-
Posicionar a tomada e ar exterior em posição parcial.
-
Acionar os ventiladores de insuflamento em velocidade média.
-
Acionar o condicionamento dos ambientes.
Para o condicionamento dos ambientes é necessário analisar todas as possibilidades de
atuação do sistema, como:
-
abertura ou fechamento das caixas VAV;
-
abertura ou fechamento de válvulas de 3 vias de água gelada;
-
operação total, parcial ou desligamento dos chillers;
-
aumento ou diminuição da velocidade dos ventiladores de insuflamento;
-
aumento ou diminuição da vazão das bombas secundárias de água gelada.
Para as zonas 1 e 3 a regulação de temperatura dos ambientes é realizado através da
abertura ou fechamento de caixas VAV, a partir do sinal analógico enviado pelos sensores de
temperatura de ambiente. O controle utilizado é o proporcional-integral-derivativo (PID). Este
tipo de algoritmo de controle é baseado no valor/quantidade (proporcional), na taxa de
mudança (integral), e na tendência do erro (derivativo). O controle PID calcula e envia
comandos baseados em todos estes três tipos de informação. Desta forma, oferece maior
precisão que os controles do tipo P e PI.
A expressão matemática completa para o controle PID é determinada pela equação (1):
V = (K * E) + (
K
dE
* ∫ E * dt ) + K * T 2 * ) + M
T1
dt
(1)
42
onde:
V = sinal de saída
K = ganho proporcional constante
E = erro (diferença entre o valor medido e o set point)
T1 = tempo para zerar o erro
dt = diferencial de tempo (incremento em função do tempo)
T2 = tempo de incremento (intervalo de tempo no qual o efeito derivativo
avança sobre a ação proporcional)
K*T2 = ganho de incremento constante
dE/dt = derivada do erro em relação ao tempo
M = valor de saída quando o erro é zero
e.
Estratégia para aumento ou redução na produção de frio: aumento ou redução
no desempenho no sistema de produção térmica, a partir da demanda de
condicionamento do ar.
Como no estudo de caso se tem dois chillers, existe a possibilidade de desligar um dos
equipamentos, desde que a temperatura da água de retorno indique que somente um
equipamento atende a demanda de carga térmica. A equação (2) determina a temperatura
limite para retirada de operação de um chiller:
ψ = Q * (h * (Tentrada - Tsaída)) < C
(2)
Onde:
ψ = calor total retirado da água pelos chillers em funcionamento
Q = vazão mássica de água através dos chillers
h = entalpia da água (função da temperatura)
Tentrada = temperatura da água na entrada dos chillers
Tsaída = temperatura da água na saída dos chillers
43
C = capacidade de cada chiller
De forma inversa, para que um segundo chiller seja acionado, o calor total a ser
retirado deve ser maior que a capacidade individual de um chiller.
Após a definição das estratégias, estas são adotadas como a base para a etapa seguinte,
que é a construção de modelo em PFS, que sintetiza, para cada uma das zonas, quais as
estratégias que se aplicam e a sua atuação junto aos equipamentos responsáveis pelo
condicionamento dos ambientes e sobre o seu controle, além dos equipamentos de produção e
distribuição de água gelada.
4.3.Construção dos modelos dinâmicos
4.3.1. Modelagem do sistema de gerenciamento
Para o sistema de gerenciamento, cada estratégia definida para cada uma das zonas do
estudo de caso é uma atividade a ser detalhada. Em seguida são apresentados os
detalhamentos das atividades. A Figura 4.5 apresenta o modelo PFS para a zona 2 e a Figura
4.3 apresenta o modelo para as zonas 1 ou 3.
Incêndio – Zona 2
Área em parada longa - Zona 2
Área utilizada - Zona 2
Fig. 4.5. Modelo em PFS das estratégias de controle para zona 2
44
Incêndio – Zona 1 ou 3
Área em parada longa – Zona 1 ou 3
Área Utilizada – Zona 1 ou 3
Área Não -utilizada – Zona 1 ou 3
Fig. 4.6. Modelo em PFS das estratégias de controle para Zonas 1 e 3
A Figura 4.7 apresenta o modelo para os equipamentos de produção de água gelada.
Para cada um deles foi colocada a possibilidade de indisponibilidade, a ser determinada pelo
sistema supervisório.
Redução na Produção de Frio
Aumento na Produção de Frio
Indisponibilidade Chiller 1
Indisponibilidade Chiller 2
Fig. 4.7. Modelo em PFS das estratégias para equipamentos de produção de água gelada
Cada estratégia acima pode ser detalhada, conforme apresentado a seguir. Para muitas
macro-atividades, a diferença entre zonas pode ser somente a exclusão de uma atividade
45
-
Atividade [Incêndio – zonas 1 ou 3]
O modelo PFS desta atividade é apresentado na Figura 4.8.
Incêndio – Zonas 1 ou 3
Velocidade de
insuflamento do
fan coil 100%
Coloca tomada de
ar exterior em
renovação 100%
Fechamento total
VAV área
atingida
Abertura VAV
área adjacente em
100%
Sinal de Incêndio na Zona 1 ou 3
Fig. 4.8. Detalhamento da atividade [Incêndio – zonas 1 ou 3]
Para a zona 2, onde não existe o controle com VAV, o fechamento total da caixa VAV
da área atingida é substituído pelo fechamento parcial do damper de insuflamento, e a
abertura total da caixa VAV da área adjacente é substituída pela abertura máxima do damper
de insuflamento da área adjacente.
O início da atividade é habilitado por um sinal proveniente do sistema de controle de
incêndio, retransmitido ao sistema de controle do ar condicionado.
O sinal de incêndio para uma determinada área desabilita a atividade referente a sua
utilização como zona adjacente. A partir do próprio lay-out do prédio, são definidas todas as
relações de adjacência entre áreas, sendo inseridas na modelagem.
- Atividade [Área em parada longa – zona 1]
O modelo PFS desta atividade é apresentado na Figura 4.9.
46
Área em Parada Longa – Zona 1
Fechamento
TAE em
100%
Aciona
sistema split
Desliga
fan coil
Desliga
resfriamento zona
1
Sinal de habilitação do sistema supervisório
Fig. 4.9. Detalhamento da atividade [Área em parada longa – zona 1]
Para as zonas 2 e 3, a única diferenciação na estratégia é a remoção da atividade [Aciona
sistema split], já que estas áreas não são providas com estes aparelhos.
- Atividade [Área utilizada – zona 1]
O modelo PFS desta atividade está apresentado na Figura 4.10. Esta estratégia somente
é utilizada caso não seja detectado incêndio na área.
Para as zonas 2 e 3 é feita uma diferenciação na estratégia com a remoção da atividade
[Desliga sistema split]. Além disso, para zona 2, também é retirada a atividade [Abrir VAV da área
em 100%].
A tomada de ar exterior (TAE) é colocada na posição inicial de projeto, de acordo com
a área em questão.
É inserida uma transição temporizada ∆t, de modo a fornecer ao sistema tempo hábil
para realizar alterações no ambiente, sem que ocorram novas solicitações.
47
Área Utilizada – Zona 1
Coloca TAE
posição X %
Desliga
sistema split
Abrir VAV
da área em
100%
Liga
ventilador
fan coil
Aciona
resfriamento zona
1
Sinal de habilitação do sistema supervisório
Fig. 4.10. Detalhamento da atividade [Área utilizada – zona 1]
Por fim, cada estratégia é refinada gradativamente, até a obtenção do modelo em rede
de Petri, conforme apresentado a seguir para as estratégias [Área em parada longa], [Área não
utilizada], [Área utilizada], [Aumento na produção de frio] e [Redução na produção de frio]:
a)
[Área em parada longa] ou [Área não utilizada]
Estas duas estratégias do sistema de gerenciamento são modeladas utilizando uma
mesma rede de Petri, com diferenciação somente na habilitação da transição de disparo de sua
marcação inicial, conforme apresentado na Figura 4.11. Para a estratégia [Área em parada longa],
o disparo da transição é habilitado por sinal oriundo da programação do supervisório ou
intervenção do operador (SINAL Ī). No caso da estratégia [Área não utilizada], esta habilitação
depende do sinal de um sensor de presença.
48
SINAL E21 OU E31
FECHA TOMADA
DE AR
EXTERIOR
SINAL E22 OU E32
ACIONA
SISTEMA
ALTERNATIVO
SPLIT
SINAL E23 OU E33
FECHA VAV Y
SINAL E24 OU
E34
SINAL E25
OU E35
FECHA VÁLVULA
ÁGUA GELADA N
DESLIGA FAN
COIL N
SINAL (Ū1 + Ū2 + ... + ŪN)
SINAL Ī
SINAL (U1 . U2 . ... UN)
Fig. 4.11. Estratégia de gerenciamento para [Área não utilizada] (E3) ou [Área em parada longa] (E2)
Uma vez habilitado o disparo inicial, a marca desloca-se para um lugar onde é
habilitado o fechamento da tomada de ar exterior, utilizando arco habilitador da transição de
fechamento desta, no modelo do sistema de controle local. Em seguida, a marca desloca-se
para o lugar que habilita, através de arco habilitador, o funcionamento de sistema de ar
condicionado alternativo, caso o ambiente disponha deste requisito de projeto. Caso não
disponha, este trecho da rede pode ser suprimido. Após novo disparo, a marca desloca-se para
lugar que habilita o fechamento total da caixa VAV do ambiente, a partir de arco habilitador da
transição de fechamento da válvula, no seu sistema de controle local.
Neste modelo a marca pode ter duas opções de encaminhamento: caso não exista
qualquer caixa VAV aberta, dentro da mesma rede de dutos alimentada por um mesmo fan
coil, é disparada a transição que encaminha a marca para os lugares que habilitarão o
fechamento da válvula de água gelada que alimenta o fan coil e o desligamento do próprio
ventilador do fan coil, tudo isso a partir de arcos habilitadores das transições dos respectivos
sistemas de controle local. Basta uma caixa VAV aberta para que a transição não seja
disparada e a válvula e o fan coil se mantenham em funcionamento. Esta verificação da
49
existência de caixas VAV abertas ocorre com base nas expressão booleanas abaixo, que
determinam a habilitação das transições:
•
SINAL (Ū1 AND Ū2 AND ... AND ŪN) – habilita o fechamento da válvula de
água gelada e desligamento do fan coil.
•
SINAL (U1 OR U2 OR ... OR UN) - habilita o funcionamento do sistema sem o
fechamento da válvula de água gelada e desligamento do fan coil.
Onde Uy representa a marcação da caixa VAVy ligada e com controle local em
funcionamento.
b)
[Área utilizada]
O modelo desta estratégia utiliza a mesma lógica das estratégias anteriores, com
aplicação inversa, conforme Figura 4.12. O disparo inicial da transição pode ocorrer a partir de
habilitação por uma marcação externa, oriunda da programação do supervisório ou
intervenção do operador, ou partir do sinal de um sensor de presença (SINAL I).
Com o disparo inicial, a marca dirige-se para um lugar que habilita a abertura da TAE,
utilizando arco habilitador para transição do controle local desta. Da mesma forma, após o
disparo seguinte, é habilitado o desligamento do sistema de ar condicionado alternativo. Após
o próximo disparo, é habilitada a abertura da caixa VAV da área em questão, e o acionamento
do seu controle PID, a partir de arco habilitador de transição do seu sistema de controle local.
Aqui, mais uma vez, a marca pode ter duas opções de encaminhamento: caso o fan coil
ainda não esteja em funcionamento, é disparada a transição que encaminha a marca para os
lugares que habilitarão a abertura da válvula de água gelada que alimenta o fan coil e o
acionamento do próprio ventilador do fan coil, tudo isso a partir de arcos habilitadores das
transições dos respectivos sistemas de controle local.
50
SINAL E11
SINAL E12
SINAL E13
SINAL E14
SINAL E15
ABRE VÁLVULA
ÁGUA GELADA N
LIGA FAN COIL
N
ABRE VAV Y
ABRE TOMADA
DE AR
EXTERIOR
DESLIGA
SISTEMA
ALTERNATIVO
SPLIT
SINAL ŌN
SINAL I
SINAL ON
Fig. 4.12. Estratégia de gerenciamento para [Área utilizada] (E1)
A outra possibilidade de encaminhamento é através de uma transição que tem o seu
disparo vinculado a um arco habilitador que indica o funcionamento do fan coil. Desta forma,
caso o fan coil já esteja em funcionamento, por estar atendendo outra área, o ciclo de ações se
encerra sem forçar novamente este acionamento e sem afetar o funcionamento da válvula de
água gelada, do fan coil e de seu ventilador.
c)
[Aumento na produção de frio]
Estratégia responsável pelo acionamento, desde que esteja inativo, e aumento no
rendimento no sistema de produção de água gelada, tem disparo inicial a partir de sinal S
enviado por sensor do sistema, tal que:
SINAL S - sinal do sensor na saída das bombas primárias: T > TSETPOINT CHILLER
Conforme modelo apresentado na Figura 4.13, inicialmente é disparado o acionamento
das bombas primárias. Através da priorização de uma das bombas, no caso da existência de
mais de uma bomba no sistema, a primeira bomba tem o seu acionamento solicitado para o
sistema de controle local, desde que não esteja indisponível para utilização. Neste caso uma
51
outra transição é disparada, determinando o encaminhamento da marca para o acionamento da
bomba seguinte na ordem de priorização. Este procedimento só ocorre na primeira vez,
quando do acionamento inicial do sistema. Caso a estratégia continue a ser demandada, serão
disparadas transições que não provocam o acionamento das bombas, se já existe uma bomba
em funcionamento. Estas condições de habilitação são representadas através dos seguintes
sinais:
SINAL NOT(W5 OR W4 OR D6) – habilita o acionamento da bomba primária 1;
SINAL NOT R3 – habilita transição alternativa ao acionamento da bomba primária 1;
SINAIS E41 e E42 – sinais de habilitação da estratégia para o controle local das
bombas primárias 1 e 2;
SINAL NOT(W5 OR W4 OR D7) - habilita o acionamento da bomba primária 2;
SINAL (D7 OR W4 OR W5) - habilita transição alternativa ao acionamento da bomba
primária 2;
O acionamento dos chillers ocorre de forma análoga ao das bombas, de acordo com a
ordem de priorização, de acordo com a regra de indisponibilidade. Contudo, uma vez
acionado o chiller, ativa-se simultaneamente o seu controle de desempenho, e ele parte com
25% da capacidade total. Caso se mantenha a demanda por aumento na produção de frio, a
estratégia habilitará as transições que incrementam o seu desempenho em 25%, até atingir o
máximo de desempenho (100%). Até que seja atingido este desempenho máximo do primeiro
chiller na ordem de priorização, os demais chillers não são acionados. Uma vez atingida a
capacidade máxima do primeiro chiller, a transição que aciona o chiller seguinte na ordem de
priorização é habilitada, se repetindo o ciclo de acionamento, em caso de demanda. Estas
condições de habilitação são representadas através dos seguintes sinais:
SINAL NOT(D1 OR CM1) - – habilita o acionamento do chiller 1;
SINAL (D1 OR CM1) - habilita transição alternativa ao acionamento do chiller 1;
SINAL (D1 OR CM1) AND (NOT(D2 AND CM2)-habilita o acionamento do chiller 2;
52
SINAL (D2 OR ((Y1 AND (NOT)CM1) OR CM2) - habilita transição alternativa ao
acionamento do chiller 2;
SINAL E43 e SINAL E44 – sinais de habilitação da estratégia para o controle local e
controle de desempenho dos chillers 1 e 2;
Para o acionamento das bombas secundárias pela estratégia, mais uma vez deve ser
determinada a ordem de priorização. A estratégia deve acionar somente a primeira bomba. A
partir daí, as demais são acionadas pelo controle de desempenho PID, que realiza de forma
constante a adequação do desempenho das bombas às necessidades do sistema. Desta forma,
as bombas de menor prioridade somente serão acionadas diretamente pela estratégia em caso
de indisponibilidade das bombas de maior prioridade. As habilitações que permitem esta
priorização são representadas pelos sinais abaixo, expressos em álgebra booleana:
SINAL R1 – habilita o acionamento da bomba secundária 1;
SINAL D3 – habilita transição alternativa ao acionamento da bomba secundária 1, em
virtude de indisponibilidade da mesma;
SINAL W1 – habilita transição alternativa ao acionamento de todas as bombas
secundárias. Este sinal é ativado quando ocorre um novo disparo da estratégia e a bomba
secundária 1 já está em funcionamento;
SINAL NOT(W2 OR D4) - habilita o acionamento da bomba secundária 2, desde que
esta não esteja indisponível ou que a bomba 1 ainda não esteja em funcionamento;
SINAL (NOT(W2) OR D4) - habilita transição alternativa ao acionamento da bomba
secundária 2, por indisponibilidade da mesma;
SINAL W1 OR W2 - habilita transição alternativa ao acionamento das bombas
secundárias 2 e 3. Ocorrerá quando houver nova execução da estratégia e a bomba secundária
2 já esteja em funcionamento;
53
SINAL NOT R3
LIGAR
BP 1
SINAL E41
SINAL S
SINAL D1 OR
CM1
SINAL (D7 OR W4 OR W5)
LIGAR
BP 2
SINAL NOT(W5 OR W4 OR D7)
AUMENTA
DESEMP.
CHILLER 1
SINAL
E42
SINAL NOT(W5 OR W4 OR D6)
SINAL NOT(D1 OR CM1)
SINAL
E43
SINAL (D2 OR ((Y1
AND(NOT)CM1)OR CM2)
AUMENTA
DESEMP.
CHILLER 2
SINAL ((D1 OR CM1)
AND (NOT (D2 AND
CM2))
SINAL
E44
LIGAR BS 1
SINAL
R1
SINAL (NOTW2
OR D4)
SINAL D3
SINAL
E45
SINAL W1
LIGAR BS 2
SINAL NOT
(W2 OR D4)
SINAL
E46
SINAL (W3
OR D5)
LIGAR BS 3
SINAL NOT(W3
OR W2 OR D5)
SINAL
E47
SINAL (W1
OR W2)
SINAL (W1
OR W2)
Fig. 4.13. Estratégia de controle [Aumento na produção de frio]
54
SINAL NOT(W3 OR W2 OR D5) - habilita o acionamento da bomba secundária 3,
desde que esta não esteja indisponível ou que as bombas 1 e 2 ainda não estejam em
funcionamento;
SINAL (W3 OR D5) - habilita transição alternativa ao acionamento da bomba
secundária 3, em virtude de indisponibilidade da mesma;
SINAL (W1 OR W2) - habilita transição alternativa ao acionamento da bomba
secundária 3. Ocorrerá quando ocorrer novo disparo da estratégia e a bomba secundária 3 já
esteja em funcionamento;
SINAL E45 , SINAL E46e SINAL E47 – sinais de habilitação da estratégia para o
controle local das bombas secundárias 1, 2 e 3.
d)
[Redução na produção de frio]
Esta estratégia é responsável pela redução no rendimento dos diversos equipamentos
vinculados às atividades de produção de frio e distribuição de água gelada, como os chillers e
bombas de água gelada primárias e secundárias, podendo chegar ao seu desligamento com
disparo inicial a partir de sinal (NOT)S, enviado por sensor instalado na sucção das bombas
primárias do sistema, indicando que a temperatura de água gelada está abaixo ou igual à
temperatura de set point do chiller.
É inserida uma transição temporizada ∆t, de modo a fornecer ao sistema o tempo hábil
para realizar alterações no sistema de água gelada, sem que ocorram novas solicitações aos
equipamentos.
De acordo com Villani (2000), o detalhamento da atividade [Redução na produção de frio]
pode ser descrito pelo modelo Figura 4.14.
55
Redução da Produção de Frio
∆t
Desl iga
bomba
primária 1
Desliga
bomba
secundária1
D esl iga
Chiller 1
Desliga
bomba
secundária2
Desli ga
bomba
primária 2
Desliga
bomba
secundária3
Desl iga
Chiller 2
Chiller 1 ligado
Sinal do sensor de temperatura
Chiller 2 ligado
Fig. 4.14. Detalhamento da estratégia [Redução da produção de frio]
Ao analisar o modelo da Figura 4.14, são considerados dois aspectos referentes ao
sistema de produção térmica:
c)
O controle de um sistema de ar condicionado deve assegurar a operação segura
e eficiente do seu componente principal, no caso, o chiller. Da forma que o modelo indica,
primeiro seria feito o desligamento das bombas, para em última instância ser iniciado o
desligamento do chiller, o que poderia provocar um retorno de líquido para o compressor, em
virtude da deficiência na troca térmica no evaporador, pela falta de circulação de água, e um
eventual colapso no compressor. Para evitar esta possibilidade, deve-se iniciar o processo de
redução da produção de frio pelo desligamento do chiller.
d)
A implementação de novas tecnologias que permitem aos equipamentos que
trabalhem com variação em seu desempenho. Os chillers possuem dispositivos que permitem
56
que os seus compressores atuem em velocidades menores, ou seja, com capacidade parcial. O
mesmo acontece com as bombas centrífugas que utilizam inversores de freqüência para a
variação de velocidade do motor e conseqüente variação na vazão de líquido. O modelo deve
permitir que o controle atue somente sobre cada um dos elementos de forma individual
(bombas ou chillers). Assim, para representar o conceito de variação de desempenho
introduz-se um lugar que funciona como ativador do sistema de controle de desempenho.
Uma variante para esta atividade, levando em questão os aspectos acima, é apresentada
na Figura 4.15. Inicialmente, o controle atua sobre o controle de desempenho dos chillers.
Caso um chiller esteja em funcionamento, situação indicada pelo sinal YN (sinal de condição
chiller N ligado), dispara-se a transição que habilita a redução no desempenho do
equipamento, através dos sinais E51 (chiller 1) ou E52 (chiller 2), diretamente no sistema de
controle de desempenho local do equipamento. Convém destacar que na construção do
modelo é determinada a prioridade entre os equipamentos, indicando qual chiller terá o
desempenho afetado prioritariamente.
Após uma atuação provocando uma redução no desempenho do equipamento, o
sistema aguarda um tempo ∆t, de forma a verificar a efetividade da sua atuação. Este tempo é
representado no modelo da estratégia pela transição temporizada que encaminha a marca para
a mesma posição da marcação inicial, aguardando nova situação do sistema, através de seus
sensores.
Caso seja verificado pelo sistema que todas as centrais de água gelada já estão
desligadas (0% de desempenho), a estratégia começa a atuar sobre as bombas, desligando
inicialmente as bombas secundárias para em seguida desligar as bombas primárias, sem tempo
de espera.
57
4.3.2. Modelagem dos sistemas de controle local
a)
Tomada de ar exterior (TAE)
O sistema de controle da tomada de ar exterior pode ser representado de duas formas,
dependendo do nível de automação do sistema, conforme apresentado na Figura 4.16:
- Sistema sem detecção de nível de CO2 no ar ambiente: neste caso, o controle local é
representado por uma rede de Petri ordinária, com a abertura ou fechamento total da TAE a
partir de habilitação das estratégias de [Área utilizada] (abertura) ou [Área não utilizada] ou [Área
em parada longa] (fechamento).
Onde:
E11 – sinal enviado a partir da estratégia [Área utilizada];
E21 – sinal enviado a partir da estratégia [Área não utilizada];
E31 – sinal enviado a partir da estratégia [Área em parada longa].
- Sistema com detecção de nível de CO2 no ar ambiente: neste caso, a representação é
feita utilizando uma rede PTD, com o mesmo modelo discreto da rede ordinária acima, mas,
associando o sistema de equações:
X cont TAE = [PosTAE]
•
Lugar TAE aberta
PosTAE = K1 * (NCO2 sensor – NCO2 Set point ) + K2 ∫( NCO2 sensor – NCO2 Set point) dt +
K3 * d(NCO2 sensor – NCO2 Set point )/dt + NCO2 0
58
SINAL (NOT)Y2 AND (NOT)Y1
SINAL (NOT)Y1
SINAL (NOT)W3
SINAL (NOT)W2
∆t
SINAL NOT(W4)
SINAL NOT(W1)
SINAL NOT(W5)
SINAL (NOT)Y2
SINAL
Y1
REDUZIR
DESEMPENHO
CHILLER 1
SINAL
NOT(S)
SINAL W4
SINAL W2
SINAL W3
SINA
L E51
REDUZIR
DESEMPENHO
CHILLER 2
SINAL
SINAL Y2 AND
E52
(NOT)Y1
DESLIGAR
BOMBA
SECUNDÁRIA 3
DESLIGAR BOMBA
SECUNDÁRIA 2
SINAL E53
SINAL W5
SINAL W1
DESLIGAR BOMBA
SECUNDÁRIA 1
SINAL E54
SINAL E55
DESLIGAR
BOMBA
PRIMÁRIA 1
SINAL
E56
DESLIGAR
BOMBA
PRIMÁRIA 2
SINAL Y2
SINAL Y1
Fig. 4.15. Novo detalhamento da estratégia [Redução da produção de frio]
SINAL E11
TAE FECHADA
TAE ABERTA
SINAL (E21 . E31)
Fig. 4.16. Controle local de tomada de ar exterior
59
SINAL
E57
•
Lugar TAE fechada
PosTAE = 0
onde, K1, K2, K3 – constantes do sistema;
PosTAE – posicionamento do damper da TAE;
NCO2 sensor – nível de CO2 detectado pelo sensor no ambiente;
NCO2 Set point – nível de CO2 desejado para o ambiente.
No exemplo aqui considerado, não existe o controle de pureza do ar sob o parâmetro
de medição de CO2, desta forma é adotada a primeira possibilidade.
b) Fan Coil
O sistema de controle local do fan coil se refere a atuação do ventilador. De forma
similar, pode-se ter duas formas para modelar o controle deste ventilador, apresentadas na
Figura 4.17:
- Ventilador sem possibilidade de variação de velocidade (sem inversor de
freqüência): o controle local é representado por uma rede de Petri ordinária, com três lugares.
O primeiro, onde é colocada a marcação inicial, se refere à condição ventilador desligado. A
partir deste lugar, a marca pode se deslocar em dois sentidos. No primeiro caso, a partir de uma
habilitação externa, determinada pelo operador no supervisório (SINAL A1), a marca deslocase para o lugar que representa a condição fan coil indisponível e o equipamento encontra-se
indisponível para uso, em caso de eventuais atividades de manutenção. Processo semelhante
garante o retorno da marca para marcação inicial, em caso de liberação do equipamento para
uso (SINAL Ā1). No segundo caso, a marca desloca-se para o lugar que representa a condição
fan coil ligado, determinando o acionamento do ventilador. Este deslocamento ocorre a partir
de habilitação da transição, determinada por arco habilitador com origem na estratégia de
gerenciamento [Área utilizada] (SINAL E15). Por sua vez, o retorno da marca a posição inicial é
60
habilitada a partir das estratégias [Área em parada longa ] ou [Área não utilizada] (SINAL (E25 .
E35)). Por sua vez, o sinal ON habilita a rede que representa o fluxo do ar por toda a rede de
dutos alimentada por este fan coil.
SINAL A1
SINAL (E25 . E35)
SINAL ON
FAN COIL N INDISPONIVEL
FAN COIL N
DESLIGADO
FAN COIL N LIGADO
SINAL Ā1
SINAL E15
Fig. 4.17. Controle local de fan coil
- Ventilador com possibilidade de variação de velocidade (equipamento possui
inversor de freqüência): o controle local é representado por uma rede PTD, cuja representação
discreta é a mesma rede de Petri ordinária da situação anterior, incluindo a marcação inicial, se
referindo a condição de ventilador desligado. Permanece também a mesma lógica de fluxo da
marca, mas associa-se a esta rede o sistema de equações abaixo:
X cont VENT = [Qsaida]
Lugar fan coil N ligado
Qsaida =K1*(Psensor–PSet point)+K2∫(Psensor–PSet point )dt + K3*d(Psensor–PSetpoint)/dt + P0
Lugar fan coil N desligado
Qsaida = 0
61
Lugar fan coil N indisponível
Qsaida = 0
onde, K1, K2, K3 – constantes do sistema;
Psensor – pressão detectada pelo sensor no duto de insuflamento de ar, na saída
do fan coil;
PSet point – pressão de projeto para a rede de dutos de insuflamento de ar;
Qsaida – vazão de insuflamento do ventilador;
No estudo de caso abordado, é adotada a segunda possibilidade, uma vez que o
controle de vazão de ar para os ambientes é individualizada, do tipo VAV, com controle de
pressão na rede de dutos.
c)
Caixas VAV (volume de ar variável)
Conforme Figura 4.18., o sistema de controle local dos caixas VAV, que controlam o
fluxo de ar resfriado para cada ambiente, é modelado por uma rede PTD, com estrutura
discreta com dois lugares. Um representando o estado [VAV desligada e fechada], onde deve ser
colocada a marcação inicial, e outra representando o estado [VAV aberta e com controle ativado].
Para se deslocar para este segundo estado, deverá ser habilitada a transição pela estratégia
[Área utilizada] (SINAL E13). O retorno ao estado inicial pode ser habilitado pelas estratégias
[Área em parada longa] ou [Área não utilizada] (SINAL (E23 . E33)). Por sua vez, o sinal UY
habilita a rede que representa o fluxo do ar pelo ramal controlado por esta caixa VAV.
Associa-se a esta rede o sistema de equações abaixo, representando o controle PID da
abertura dos dampers:
X cont TAE = [Qsaida]
62
SINAL (E23 . E33)
SINAL UY
VAV ABERTA COM
CONTROLE ATIVADO
VAV DESLIGADA E
FECHADA
SINAL E13
Fig. 4.18. Controle local de VAV
Lugar VAV aberta e com controle ativado
Qsaida=K1 * (Tsensor – TSet point )+K2 ∫(Tsensor – TSetpoint) dt +K3 * d(Tsensor–TSet point )/dt +T0
Lugar VAV desligada e fechada
Qsaida = 0
onde, K1, K2, K3 – constantes do sistema;
Qsaida – vazão de ar resfriado permitida pela caixa VAV;
Tsensor – temperatura verificada pelo sensor no ambiente climatizado;
TSetpoint – temperatura de projeto para o ambiente climatizado.
d)
Chillers
O sistema de controle local para os chillers pode ser representado por duas redes de
Petri: uma ordinária, controlando a partida ou desligamento do equipamento, assim como sua
disponibilidade para uso, e uma PTD, controlando o desempenho do mesmo e ativação ou
desativação dos seus estágios.
A rede ordinária possui apenas três lugares, conforme apresentado na Figura 4.19:
63
- chiller desligado: onde deve estar a marcação inicial, indica que o equipamento está
desligado e disponível para utilização;
- chiller ligado: indica que o equipamento foi acionado, disparando o controle de
desempenho;
- chiller indisponível: indica que o chiller está desligado e indisponível para utilização,
em virtude de alguma eventual manutenção.
SINAL G1
SINAL DC1
CHILLER 1 DESLIGADO
SINAL P1
CHILLER 1 INDISPONIVEL
CHILLER 1 LIGADO
SINAL D1
SINAL
(E43 AND (NOT)G1)
SINAL (NOT)G1
Fig. 4.19 Controle local de chillers
A habilitação das transições da rede é definida através dos sinais abaixo indicados, que
são representados por arcos habilitadores e inibidores:
GN – sinal do supervisório (intervenção do operador) tornando chiller N indisponível;
E4N – sinais de habilitação da estratégia [Aumento de produção de frio];
DCN – sinal determinando o desligamento do chiller, a partir do sistema de controle de
desempenho.
Para o controle de desempenho, uma rede PTD, conforme apresentado na Figura 4.20.,
representa o acionamento dos estágios dos compressores do chiller, com incremento ou
redução em 12,5% da capacidade total do equipamento. É atribuída à marca a variável C,
representando o desempenho do equipamento em cada instante, onde o valor de C pode variar
64
de 0 (equipamento desligado, 0% de desempenho) a 100 (equipamento em desempenho
máximo, 100%). A marcação inicial representa o equipamento desligado, com C = 0
SINAL F1
tr 7
SINAL DC1
CHILLER 1 DESLIGADO
SINAL E51
tr 2
SINAL E43
SINAL CM1
tr 5
tr 6
SINAL E51
CHILLER 1 FUNCIONANDO
tr1
CHILLER 1 A 100%
tr 4
tr 3
SINAL
(Y1 AND (NOT)D1)
SINAL E43
SINAL E51
Fig. 4.20. Controle local de desempenho dos chillers
A transição tr1 é habilitada pelo sinal enviado pelo controle local do equipamento. A
esta transição é atribuído o seguinte sistema de equações:
tr1 – ACIONAMENTO DO CHILLER
Equação de habilitação – C = 0
Equação de junção – C = 12,5
A marca migra então para o lugar que representa o chiller em funcionamento com
desempenho parcial, até a habilitação de uma das transições abaixo:
tr2 – AUMENTA DESEMPENHO (habilitada por sinal a partir da estratégia [Aumento
na produção de frio])
65
Equação de habilitação – 12,5 ≤ C < 87,5
Equação de junção – C = C + 12,5
tr3 – REDUZ DESEMPENHO (habilitada por sinal a partir da estratégia [Redução na
produção de frio])
Equação de habilitação – 12,5 < C < 87,5
Equação de junção – C = C – 12,5
tr4 – DESEMPENHO A 100% (habilitada por sinal a partir da estratégia [Aumento na
produção de frio])
Equação de habilitação – C = 87,5
Equação de junção – C = 100
tr5 – DESLIGA CHILLER (habilitada por sinal a partir da estratégia [Redução na
produção de frio])
Equação de habilitação – C = 12,5
Equação de junção – C = 0
No caso de habilitação das transições tr2 e tr3, a marca retorna ao lugar que representa o
chiller em funcionamento com desempenho parcial. Em caso de habilitação da transição tr 4, a
marca migra para o lugar que indica desempenho máximo do equipamento. Caso ocorra a
habilitação da transição tr5, a marca retorna à marcação inicial, com o desligamento do
equipamento.
Caso o operador queira intervir, determinando o desligamento imediato e brusco do
chiller, habilita-se a transição tr7:
tr7 – DESLIGAMENTO IMEDIATO EM DESEMPENHO DE 100%
66
Equação de habilitação – C = 100
Equação de junção – C = 0
A habilitação das transições da rede é representada através dos sinais abaixo indicados,
que na simulação podem ser representados por arcos habilitadores e inibidores:
FN – sinal do supervisório (intervenção do operador) desligando o chiller N, que
estava com capacidade 100%;
DN – sinal de equipamento indisponível para uso;
E4N – sinais de habilitação da estratégia aumento de produção de frio;
E5N – sinais de habilitação da estratégia redução de produção de frio;
DCN – sinal determinando o desligamento do chiller;
CMN – sinal que o chiller N está atuando com desempenho máximo (100%).
e) Bombas primárias
Uma vez que não existe controle de desempenho das bombas primárias de distribuição
de água gelada, caracterizando um processo exclusivamente discreto, o sistema de controle
local destes equipamentos pode ser representado por uma rede de Petri ordinária, com lugares
representando o equipamento desligado, em funcionamento ou indisponível para uso,
conforme apresentado na Figura 4.21.
A habilitação das transições da rede é definida através dos sinais abaixo indicados, que
são representados por arcos habilitadores e inibidores:
BN – sinal do supervisório (intervenção do operador) tornando bomba N indisponível
DN – sinal de equipamento indisponível para uso
E4N – sinais de habilitação da estratégia aumento de produção de frio
E5N – sinais de habilitação da estratégia redução de produção de frio
67
WN – sinal de condição bomba N ligada
RN – sinal de condição bomba N desligada e disponível para uso
SINAL B5
SINAL
E57
SINAL D7
BOMBA
PRIMARIA 2
DESLIGADA
BOMBA
PRIMÁRIA 2
INDISPONIVEL
BOMBA
PRIMARIA 2
LIGADA
SINAL R2
SINAL
(NOT)B5
SINAL Q5
SINAL E42
Fig. 4.21 Controle local de bombas primárias
f)
Bombas secundárias
O controle das bombas secundárias de distribuição de água gelada é modelado
utilizando redes PTD, usando o mesmo modelo de rede ordinária das bombas primárias.
Deve-se assim, inicialmente, estabelecer a priorização no acionamento dos equipamentos.
Esta priorização deve se refletir nas estratégias de aumento de produção de frio e redução na
produção de frio. Somente a primeira bomba na priorização de acionamento deve ser acionada
por sinal de habilitação da estratégia, conforme Figura 4.22. As demais serão acionadas
quando o valor do sinal Psensor (valor de pressão verificado pelo sensor na tubulação), atender
a função de habilitação das transições da rede. O sistema de equações abaixo representa o
controle PID de desempenho das bombas secundárias. Contudo, para as bombas secundárias 2
68
e 3, deve haver uma transição que permita o acionamento a partir da estratégia, quando da
indisponibilidade das bombas com maior priorização, como apresentado na Figura 4.23.
Qsaida =K1*(Psensor–PSet point )+K2 ∫(Psensor–PSet point )dt+K3*d(Psensor–PSet point)/dt+P0
(1)
onde:
Qsaida – vazão de saída da bomba secundária;
K1, K2 e K3 – constantes do sistema;
Psensor – pressão detectada pelo sensor na tubulação de saída do sistema de
bombeamento;
PSet point – pressão de projeto para o sistema.
SINAL B1
SINAL
E55
SINAL Q1
SINAL D3
BS 1
DESLIGADA
BS 1 LIGADA
BS 1 INDISPONIVEL
SINAL
(NOT)B1
SINAL R1
SINAL E45
Fig. 4.22. Controle local da bomba secundária 1
Assim, para a bomba secundária 2, tem-se o seguinte equacionamento de acionamento,
independente de estratégia de gerenciamento:
tr1 – ACIONAMENTO DA BOMBA SECUNDÁRIA 2
Equação de habilitação – Psensor ≤ Pmin
69
tr2 – DESLIGAMENTO DA BOMBA SECUNDÁRIA 2
Equação de habilitação – Psensor ≥ Pmax
onde [Pmin ; Pmax] determina o conjunto de valores de pressão ideais para funcionamento do
sistema, sem afetar as condições de troca térmica nas serpentinas.
SINAL
E54
SINAL B2
SINAL Q2
SINAL D4
BS 2
DESLIGADA
tr2
BS 2 LIGADA
BS 2
INDISPONIVEL
tr1
SINAL
(NOT)B2
SINAL R2
SINAL E46
Fig. 4.23. Controle local das bombas secundárias 2 e 3
Já para a bomba secundária 3 tem-se as funções de habilitação abaixo:
tr1 – ACIONAMENTO DA BOMBA SECUNDÁRIA 3
Equação de habilitação – [Psensor ≤ Pmin] AND [(Bomba 2 ligada) OR (Bomba 2 indisponível)]
tr2 – DESLIGAMENTO DA BOMBA SECUNDÁRIA 2
Equação de habilitação – [Psensor ≥ Pmax] AND [(Bomba 2 ligada) OR (Bomba 2 indisponível)]
A habilitação das transições da rede é definida através dos sinais abaixo indicados, que são
representados por arcos habilitadores e inibidores:
BN – sinal do supervisório (intervenção do operador) tornando bomba N indisponível
DN – sinal de equipamento indisponível para uso
70
E4N – sinais de habilitação da estratégia aumento de produção de frio
E5N – sinais de habilitação da estratégia redução de produção de frio
WN – sinal de condição bomba N ligada
RN – sinal de condição bomba N desligada
4.3.3. Modelagem do sistema de ar condicionado
Para modelagem do sistema de ar condicionado, são utilizados como base os
principais fluxos a serem analisados: fluxo de ar e fluxo de água gelada. São consideradas as
propriedades sobre as quais há interesse de modelagem, como vazão, temperatura e pressão.
Ar do exterior
Ar para o exterior
Ar do ambiente
Ar para o ambiente
Condicionamento de ar – Subsistema 1
Ar do ambiente
Ar do exterior
Ar para o exterior
Ar para o ambiente
Condicionamento de ar – Subsistema N
Mistura de
Água Gelada
Produção de
Água Gelada
Distribuição
de Água
Gelada
Fig. 4.24. Sub-sistemas do ar condicionado
Cada atividade [Condicionamento do ar – sub-sistema i], apresentada na Figura 4.24,
corresponde a um ambiente, em qualquer uma das zonas do edifício SENAI-CIMATEC. Cada
uma das atividades acima pode ser detalhada em um novo PFS, como acontece na Figura 4.25,
para a atividade [Condicionamento do ar – sub-sistema i] e na Figura 4.27, para a atividade
[Produção de água gelada].
71
Para as zonas 1 e 3, onde o controle da temperatura dos ambientes é feito através da
variação do volume de ar insuflado, a atividade [Distribuição do ar], apresentada na Figura 4.24.,
pode ser detalhada, como mostrado na Figura 4.26.
Condicionamento de Ar – Sub-sistema i
Ar do exterior
Imposição
de fluxo
ventilador
fan coil
Ar para o exterior
Mistura de
ar na sala de
máquinas
Resfriamento
do ar na
serpentina
Distribuição
do ar
Divisão do
fluxo
válvula 3
vias
Mistura de
água
Distribuição de
água gelada
Mistura de água
gelada
Fig. 4.25. Detalhamento da atividade [Condicionamento de ar – sub-sistema i]
No modelo completo, deve ser desenvolvido um PFS da atividade [Distribuição do ar]
para cada fan coil das zonas 1 e 3.
Construído o modelo em PFS, cada atividade e cada elemento inter-atividade é
detalhado em uma rede de PTD.
O fluxo do ar e água no sistema de ar condicionado é representado por uma rede PTD,
onde equações diferenciais associadas aos lugares visam representar as propriedades vazão,
temperatura e pressão em diversos pontos do sistema, definindo inclusive as relações de
transferência de calor.
72
Distribuição do ar
∆t
Abrir VAV
ambiente 1
Aciona
controle
VAV
ambiente 1
Divisão
do fluxo
de ar
Mistura
do fluxo
de ar
Abrir VAV
ambiente N
Sinal de funcionamento do fan coil
Aciona
controle
VAV
ambiente 1
Ambiente 1 desocupado
...
Ambiente N desocupado
(Atendendo programação do supervisório)
Fig. 4.26. Detalhamento da atividade [Distribuição do ar]
Para o sistema de controle por volume de ar constante (VAC), com o modelo
apresentado em Villani (2000), não é necessária a representação da variável pressão, uma vez
que o controle da temperatura ambiente ocorre sem variações de velocidade no ventilador do
fan coil ou nas bombas de água gelada. Com a introdução do sistema de controle por volume
de ar variável (VAV), utilização de inversores de freqüência para bombas e ventiladores e
controle PID nas linhas de água gelada e dutos de insuflamento de ar, esta propriedade passa a
ser parâmetro determinante no controle de desempenho dos equipamentos.
73
Fig. 4.27. Detalhamento da atividade [Produção de água gelada]
74
Outra variação introduzida neste aperfeiçoamento da metodologia é a incorporação à
rede PTD que representa o fluxo dos fluidos através das equações diferenciais referentes às
operações de transferência de calor, como a troca térmica entre água gelada e ar na serpentina
do fan coil, a mistura do ar de retorno com o ar de renovação ou até mesmo a carga térmica
imposta ao ambiente climatizado. Desta forma, as variáveis contínuas são consideradas no
modelo, o que, graças a implementação de lugares em paralelo ao fluxo principal do modelo,
com marcação constante, garante-se a atualização da parte continua, passando a representar
mais detalhadamente a evolução física das variáveis do sistema.
Em virtude do tamanho dos modelos gerados, a partir deste ponto é realizada a análise
dos modelos do sistema de ar condicionado por partes, visualizando o efeito sobre as
principais variáveis.
a) Mistura de ar de retorno
Representa a mistura do ar de retorno dos diferentes dutos secundários, ao chegarem
ao duto principal de retorno, na entrada da casa de máquinas ou caixa de mistura, conforme
modelo apresentado na Figura 4.28. A este lugar está associado o seguinte sistema de
equações:
X = [Tsaida ; Qsaida ; Psaida ];
Tsaida = ∑ Ti * Qi / Qsaida
Qsaida = ∑ Qi
Psaida = ∑Pi + σ/2 (∑Q2i/A2i - Q2saida /A2saida) - σkLQ2saida
onde,
Tsaida, Qsaida , Psaida – temperatura, vazão e pressão do ar no duto principal após mistura;
Ti , Qi , Pi – temperatura, vazão e pressão do ar no duto secundário i, antes da mistura;
σ - densidade média do ar;
Ai – seção reta do duto secundário de retorno i, antes da mistura;
75
Asaida – seção reta do duto principal de retorno, após a mistura;
k – constante de perda de carga por unidade de comprimento, depende do material e
geometria da rede de dutos;
L – comprimento equivalente de perda de carga em linha reta da rede de dutos
referente às interseções dos ramais secundários com o duto principal, depende da geometria
da rede de dutos.
IA 1
MISTURA DE AR
DE RETORNO
.
.
.
Fig. 4.28. Modelo da atividade [Mistura do ar de retorno]
b) Mistura do ar de retorno com o ar de renovação
É a primeira atividade do sistema, que acontece quando o fan coil está em
funcionamento. No lugar, representado pelo elemento inter-atividade IA2, que representa este
estado, estabelece-se a marcação inicial da rede. Desta forma, esta só ocorrerá caso a transição
anterior a este lugar esteja habilitada pelo sinal ON, que indica que o fan coil N está com seu
ventilador acionado. A esta transição está associada um intervalo de tempo (∆t), de forma a
permitir uma evolução do sistema antes que sejam reiniciados os disparos da rede habilitada,
conforme Figura 4.29.
A Figura 4.29 representa a mistura de todo o ar de retorno do sistema, já contido no
duto principal, com o ar exterior de renovação, introduzido, sem condicionamento, mas
filtrado, a partir da tomada de ar exterior. Esta operação ocorre normalmente em uma caixa de
mistura, que, por muitas vezes, quando não existem requisitos rígidos de pureza do ar, ocorre
76
no próprio ambiente da casa de máquinas. Para efeito de modelagem foi considerada atuação
discreta da TAE: abertura ou fechamento total, conforme sistema de equações abaixo:
SINAL ON
IA 2
∆T
MISTURA DE AR
DE RETORNO
COM AR DE
RENOVAÇÃO
Fig. 4.29. Modelo da atividade [Mistura do ar de retorno com o ar de renovação]
X = [Tsaida ; Qsaida ; Psaida ; Texterior ; SrenovaçãoTAE]
Tsaida = (1- SrenovaçãoTAE) Tentrada + (SrenovaçãoTAE * Texterior)
Qsaida = Qentrada
Psaida = Pentrada - kLQ2saida
onde:
Tsaida, Qsaida , Psaida – temperatura, vazão e pressão do ar no duto principal após mistura;
Texterior – temperatura do ar exterior absorvido pela TAE, normalmente temperatura
ambiente externa;
SrenovaçãoTAE – posicionamento TAE, com valor oscilando entre 0 (totalmente fechada) e
1 (100% de abertura);
L – comprimento equivalente a perda de carga distribuída e localizada do trecho
relativo a atividade, considerando perda de carga na saída do duto e do sistema de filtragem;
k – constante de perda de carga por unidade de comprimento, depende do material e
geometria da rede de dutos;
77
c) Condicionamento do ar na serpentina do fan coil N
Esta atividade representa a troca de calor entre os dois fluidos do sistema de
condicionamento de ar. Através da serpentina do fan coil, a água gelada absorve calor do ar
oriundo dos ambientes climatizados. Após esta troca térmica, o ar resfriado, que perdeu calor
para a água, é novamente insuflado no ambiente, e a água que recebeu calor retorna ao chiller,
para novo resfriamento.
Por envolver os dois fluxos, o lugar, com o respectivo sistema de equações associado,
que representa esta troca térmica, é o ponto de interligação entre os dois modelos, envolvendo
variáveis e propriedades referentes aos dois fluidos, conforme modelo apresentado na Figura
4.30, com foco no fluxo de ar. Todo o equacionamento para troca térmica em trocadores de
calor do tipo serpentina, entre um fluido na forma gasosa e outro na forma liquida foi baseado
em Incropera (2003).
IA 4
CONDICIONAMENTO
DO AR NA SERPENTINA
DO FAN COIL N
IMPOSIÇÃO DE
FLUXO DE AR NO
VENTILADOR
Fig. 4.30. Modelo das atividades que ocorrem no fan coil
Ao lugar que representa o condicionamento do ar na serpentina, está associado o
seguinte sistema de equações:
X =[Tsaidaagua ; Tsaidaar ; Qsaidaagua ; Qsaidaar ; UA ; Cagua ; Car ; Cminimo ; Crelativo ; NTU ; ε ;
Treg.perman.agua ; Treg.perman.ar ; Psaidaagua ; Psaidaar]
UA=
[kar(σar*
Qentradaar)a1
*kagua(σagua*Qentradaagua)a2]/
[kar(σar*Qentradaar)a1
+kagua(σagua*Qentradaagua)a2]
78
Cagua= σagua*Qentradaagua*cpagua
Car= σar*Qentradaar*cpar
Cminimo = min(Cagua ; Car)
Cmaximo= max(Cagua ; Car)
Crelativo= Cminimo/Cmaximo
NTU=UA/ Cminimo
Qsaidaar = Qentradaar
Qsaidaagua = Qentradaagua
Psaidaagua = Pentradaagua - kLQ2saidaagua
Psaidaar = Pentradaar - kLQ2saidaar
Treg.perman.água = Tentradaagua-ε(Cminimo/ Cagua)*( Tentradaagua- Tentradaar)
Treg.perman.ar = Tentradaar+ε(Cminimo/ Car)*( Tentradaagua- Tentradaar)
dTsaidaar/dt =( Treg.perman.ar-Tsaidaar)/τar
dTsaidaagua/dt=( Treg.perman.agua-Tsaidaagua)/τagua
onde,
τ - constante de tempo do sistema para temperatura
UA – coeficiente global de transferência de calor
k – constante de perda de carga por unidade de comprimento, depende do material e
geometria da tubulação
Cagua ; Car - capacidade térmica da água e do ar
L – comprimento equivalente em trecho reto de tubulação que é representado pela
serpentina do fan coil
kar, kagua – constante de transferência para ar e água
ε – efetividade do trocador de calor
σ - densidade da água
NTU – unidades de transferência térmica da serpentina
79
Treg.perman.agua ; Treg.perman.ar – temperatura de saída da água e do ar para regime
permanente
d) Imposição de fluxo de ar ventilador
Também apresentado na Figura 4.30, este evento é representado por um lugar, ao qual
deve ser associado o sistema de equações diferenciais. Neste caso, não existe variação
significativa na temperatura, mas as variáveis pressão e vazão serão determinadas com base
em um sistema de malha fechada, a partir do sistema de controle PID, tendo como variável
monitorada a pressão na rede de dutos, na saída do fan coil. As alterações desta variável,
decorrentes do posicionamento dos caixas VAV de cada ramal de dutos, detectadas através de
um sensor instalado no duto principal, são resultantes da variação de velocidade no ventilador
do fan coil, proporcionada por um inversor de freqüência. A este lugar é associado o seguinte
sistema de equações:
X = [Tsaida ; Qsaida ; Psaida ]
Tsaida = Tentrada
Qsaida = Qentrada – dQ/dtA – K4 * dP/dtA
Psaida = K1*(Psensor – PSet point )+K2 ∫(Psensor – PSetpoint) dt+K3 * d(Psensor – PSet point )/dt+P0
onde:
K1, K2, K3 e K4 – constantes características do sistema;
Psensor - pressão verificada pelo sensor no duto principal;
PSet point – pressão definida como ideal para o sistema distribuição de ar;
A – seção reta da rede de dutos
e) Distribuição do ar resfriado
Após ser impulsionado pelo ventilador do fan coil, o ar resfriado é conduzido através
do duto principal até os dutos secundários, que o leva até o ambiente a ser climatizado. Neste
80
processo de condução e distribuição do ar não há variação significativa na propriedade de
temperatura, uma vez que os dutos são isolados de forma a reduzir ao máximo a perda
térmica, podendo esta ser considerada desprezível. Já para as propriedades de pressão e vazão,
em cada ramal, a seção reta de cada duto secundário é fator determinante, sendo seus valores
obtidos a partir da aplicação da equação de Bernoulli e da equação da continuidade. Este
equacionamento é associado ao lugar que representa esta situação no modelo discreto do
fluxo. É importante observar que este sistema de equações só é resolvido caso a marca seja
conduzido a este lugar, o que só será possível caso seja habilitada a transição anterior, o que
ocorre a partir do sinal UY, que indica que o sistema de controle da caixa VAVY está em
funcionamento, ou seja, que o ambiente Y está com o seu sistema de climatização operante.
Caso contrário, é habilitada transição alternativa, que permite o retorno da marca ao fluxo
normal, conforme apresentado na Figura 4.31.
SINAL U1
SINAL
NOT (U2)
IA 5
DISTRIBUIÇÃO DE
AR RESFRIADO
IA 6
IMPOSIÇÃO DE FLUXO DE
AR NA VAV N
IA 7
CONDICIONAMENTO
DO AMBIENTE N
IA 1
SINAL U2
SINAL
NOT (U2)
.
.
.
.
.
.
SINAL UN
SINAL
NOT (UN)
Fig. 4.31. Modelo das atividades relacionadas ao insuflamento e retorno de ar
81
Ao lugar que representa a distribuição do ar condicionado a cada um dos ramais
associa-se o seguinte sistema de equações:
X = [Tsaida ; Qsaida ; Psaida ]
Tsaida = Tentrada
Qsaida = Qentrada * Aramal * mi /∑Ai
Psaida = ∑Pentrada + σ/2(∑Q2entrada/A2entrada - Q2saida /A2saida) - σkLQ2saida
onde:
k – constante de perda de carga por unidade de comprimento, depende do material e
geometria da rede de dutos;
L – comprimento físico equivalente à perda de carga da ramificação da rede de dutos;
A – seção reta da rede de dutos;
mi – marcação dos lugares “ramal ativado”;
σ - densidade do ar.
f) Imposição de fluxo de ar na caixa VAV N
Ao modelo discreto que representa este evento, também apresentado na Figura 4.31,
associa-se o sistema de equações abaixo apresentado, que tem como variável determinante a
temperatura verificada no ambiente a ser climatizado, a partir de um sensor de temperatura.
Utilizando sistema de controle PID, determina-se o posicionamento do caixa VAV e as
demais propriedades do fluxo.
X = [Tsaidaar ; Qsaida ; Psaida ];
Tsaidaar = Tentrada
Qsaida = K1*(Tsensor – TSet point )+K2 ∫(Tsensor – TSetpoint) dt+K3*d(Tsensor – TSet point )/dt+Q0
Psaida = Pentrada – (Qsaida / kv)2
onde:
82
Tsensor – temperatura verificada no ambiente pelo sensor de temperatura;
TSet point – temperatura de projeto para o conforto térmico do ambiente;
K1, K2, K3 e Q0 – constantes características do sistema;
kv – constante de perda de carga decorrente da restrição imposta pelo damper à seção
reta do duto, é função do percentual de abertura.
g) Condicionamento do ambiente N
O modelo discreto apresentado na Figura 4.31, tem no seu sistema de equações
associado a representação de todas as variantes que influenciam a carga térmica do ambiente,
que vão definir a influência destas sobre a propriedade temperatura. Elementos como
quantidade de pessoas presentes, quantidade de equipamentos que dissipam calor latente e
calor sensível, iluminação existente, insolação do sol através de vidros, com transferência de
calor por radiação, transmissão de calor através de paredes externas, decorrente da incidência
de raios solares sobre estas, e transmissão de calor através de paredes internas, decorrente do
diferencial de temperatura entre o ambiente climatizado e a temperatura exterior, são fatores
que influenciam na determinação da propriedade de temperatura do ar que retorna através dos
dutos de retorno. Não existe variação significativa na propriedade de vazão do ar, uma vez o
mesmo volume de ar insuflado pelo ventilador retorna ao mesmo, pelo duto de insuflamento.
Para a propriedade de pressão deve ser considerada a perda de carga decorrente de obstáculos
no caminho percorrido pelo fluxo, como difusores e grelhas de insuflamento e retorno.
Considerando todos estes fatores, associa-se o seguinte sistema de equações ao lugar que
representa esta situação:
X = [Tsaida ; Qsaida ; Psaida , CTpessoas ; CTluminarias ; CTequipamentos ; CTinsolação ;
CTtranmissãocominsolação ; CTtransmissão ; CTar resfriado ];
83
CTpessoas = Npessoas * (csensivel – clatente)
CTluminarias = Nluminarias * W * Fajuste
CTequipamentos = ∑ (Ni * Wi * Fajuste )
CTinsolação = ∑ (Ai vidro * Fci * Uvidroi )
CTtransmissãocominsolação = ∑ (Ai parede externa * Fi cor * Ki material * Ui parede )
CTtransmissão = ∑ (Ai parede interna * Ki material * (Texterna - Tset up))
CTar resfriado = Qsaida * Cp * (Tentrada – Tambiente) ;
CTtotal = CTpessoas + CTluminárias + CTequipamentos + CTinsolação + CTtransmissão com insolação +
CTtransmissão + CTar resfriado
∫dT/dt * (Cp *VOLar ambiente * σ) = ∫ CTtotal
Qsaida = Qentrada
Psaida = Pentrada - kLQ2saida
onde:
k – constante de perda de carga por unidade de comprimento, depende do material e
geometria da rede de dutos
Cagua ; Car- capacidade térmica da água e do ar
L – comprimento físico de rede de dutos equivalente aos acidentes ou obstáculos
encontrados pelo fluxo
kar, kagua – constante de transferência para ar e água
σ - densidade do ar
kv – constante característica da caixa VAV
CTpessoas – carga térmica devido ao numero de pessoas
Npessoas – número de pessoas no ambiente climatizado
csensivel e clatente – calor sensível e latente dispersados por cada pessoa
CTluminarias – carga térmica devido a luminárias
W – potência das luminárias
84
Fajuste - fator de ajuste de acordo com o tipo de luminária ou equipamento
CTequipamentos – carga térmica devido a equipamentos
Ni e Wi – número e potência por tipo de equipamento
CTinsolação – carga térmica devido a radiação do Sol
Ai vidro – superfície de vidro exposta a insolação em cada direção
Fci – fator de correção de acordo com o tipo e proteção do vidro
Uvidro i – coeficiente de incidência solar sobre vidro, a depender do sentido, época do
ano e hora do dia
CTtranmissão com insolação - carga térmica devido a incidência solar sobre paredes ou teto
Ai parede externa – superfície de parede ou teto exposta a incidência solar, em cada sentido
Fi cor – fator de correção devido a cor da parede ou teto
Kmaterial – coeficiente de transmissão do material de construção da parede ou teto
Uparede i - coeficiente de incidência solar sobre parede ou teto, a depender do sentido,
época do ano e hora do dia
CTtransmissão - carga térmica devido a transmissão das paredes, piso ou teto de
ambientes não climatizados
Ai parede interna - superfície de parede, piso ou teto de fronteira com ambientes não
climatizados
Texterna – temperatura dos ambientes não climatizados
Tset up – temperatura de ideal de projeto para os ambientes climatizados
Cp – calor específico do ar a pressão constante
CTtotal – carga total no ambiente
VOLar ambiente – volume total do ambiente climatizado
Após a troca térmica nos ambientes, o ar retorna através dos dutos de retorno
secundários, reiniciando o ciclo de eventos para o fluxo de ar, com a mistura do ar de retorno
no duto principal.
85
Entre as várias atividades que representam alterações substanciais nas propriedades,
existem os elementos inter-atividade (IA). Cada elemento inter-atividade pode ser detalhado
diretamente como um sistema de equações diferenciais, que representam o tempo gasto para
variação na vazão, temperatura ou pressão no fluxo dos fluidos, na saída e uma atividade para
modificar as propriedades na atividade seguinte. Como exemplo, pode-se citar trechos de
tubulação de água gelada, que podem ser representados pelo seguinte sistema de equações
diferenciais:
IA 2
X = [Tsaida ; Qsaida ; Psaida ];
dTsaida / dt = Tentrada - Tsaida / τtemperatura
Qsaida = Qentrada
Psaida = Pentrada - kLQ2saida
onde:
τ - constante de tempo do sistema para temperatura;
k – constante de perda de carga por unidade de comprimento, depende do material e
geometria da tubulação;
L – comprimento físico que é representado pelo elemento inter atividade;
Desta forma são representadas as perdas na temperatura, através do isolamento, e a
perda de carga nas tubulações. Quando os elementos inter-atividade representam trechos
reduzidos, estas perdas podem ser desprezadas.
Para o fluxo de água gelada, várias situações e eventos têm modelagem discreta
similar ao fluxo de ar. Apesar do exemplo neste caso não possuir sistema de aquecimento, o
fluxo de água quente tem a mesma abordagem que o fluxo de água gelada.
86
h) Mistura de água gelada
Representa a mistura da água gelada proveniente de diversos ramais de tubulação,
após a troca térmica com o ar na serpentina dos fan coils. Existem várias situações onde este
modelo deve ser considerado, como retorno das tubulações dos climatizadores e saída de
equipamentos em paralelo, como bombas e chillers. Pode ser representada pela rede PTD
mostrada na Figura 4.32, com seu respectivo sistema de equações associado.
MISTURA DE
ÁGUA A
∆T
Fig. 4.32. Detalhamento da atividade [Mistura de água gelada]
X = [Tsaida ; Qsaida ; Psaida ];
Tsaida = ∑ Ti * Qi / Qsaida
Qsaida = ∑ Qi
Psaida = ∑Pentrada + σ/2 (∑Q2entrada/A2entrada - Q2saida /A2saida) - σkLQ2saida + σgZ
onde,
k – constante de perda de carga por unidade de comprimento, depende do material e
geometria da tubulação
L – comprimento equivalente, reflete comprimento linear de trechos retos e
comprimento equivalente de conexões e outros obstáculos na tubulação
87
g - gravidade
Z – diferença de altura entre ramais e local da mistura
A – seção reta da tubulação
σ - densidade da água
A variável temperatura é obtida considerando o sistema em equilíbrio térmico e, a lei
de conservação da energia envolvendo a água antes e após a mistura. De forma simplificada, a
vazão é obtida através da soma da vazão dos fluxos anteriores à mistura. A pressão é obtida
através da aplicação da equação de Bernoulli, considerando os ganhos decorrentes da energia
cinética e potencial e a perda de carga das tubulações e conexões.
i) Imposição de fluxo em bombas
O fluxo de água no sistema é mantido pelas bombas primárias e secundárias, que
podem ter sua atividade modelada através da rede PTD apresentada na Figura 4.33. Para o
sistema de equações que representa a evolução das variáveis da água gelada na bomba ser
solucionado, a marca deve atingir o lugar que representa cada equipamento, através do disparo
de uma transição, o que só é possível através de habilitação proveniente do sistema de controle
local (sinal Qi), indicando que o equipamento está em funcionamento. Caso o equipamento
não esteja em funcionamento, a marca prossegue por caminho alternativo, sem, contudo,
resolver o sistema de equações.
X = [Tsaida ; Qsaida ; Psaida]
Tsaida = Tentrada
Qsaida = Qsetpoint bomba
Psaida = Psetpoint bomba
88
Os valores de saída das variáveis pressão e vazão são determinados pelas
características da bomba. No caso das bombas primárias, são valores fixos. No caso das
bombas secundárias, haverá a variação decorrente do controle de desempenho local.
Neste caso, não é verificada variação significativa no valor da propriedade de
temperatura, uma vez que as bombas podem ser consideradas com um volume de controle
isoentrópico.
SINAL
NOT (Q4)
SINAL Q4
IA 3
IA 2
FLUXO NA BP1
SINAL Q5
FLUXO NA BP2
SINAL
NOT (Q5)
Fig. 4.33. Detalhamento da atividade [Imposição de fluxo em bombas]
j) Divisão no fluxo de água gelada
O fluxo de água no sistema é dividido antes de equipamentos dispostos em paralelo no
sistema de produção de água gelada e no encaminhamento para os climatizadores, e é aqui
89
representado conforme Figura 4.34. A existência de fluxo em determinado ramal só é
habilitada por sinal indicando que o equipamento está em funcionamento ou que a válvula de
3 vias está totalmente ou parcialmente aberta, sinalizando a ativação da função de
climatização de ambiente.
SINAL
NOT (Y1)
SINAL Y1
DIVISÃO DE
FLUXO A
RESFRIAMENTO
DE ÁGUA
CHILLER 1
IA 4
IA 5
MISTURA DE
ÁGUA B
RESFRIAMENTO DE ÁGUA CHILLER 2
SINAL Y2
SINAL
NOT (Y2)
Fig. 4.34. Detalhamento da atividade [Divisão no fluxo de água gelada]
No modelo acima, o sinal Yi indica que o chiller i está em funcionamento. Mais uma
vez, em caso de não estar em funcionamento, a marca percorre caminho alternativo. A cada
lugar que representa a divisão de fluxo de água, associa-se o seguinte sistema de equações.
X = [Tsaida ; Qsaida ; Psaida ];
dTsaida / dt = Tentrada - Tsaida / τtemperatura
90
Qsaida = Qentrada * Aramal * mi /∑Ai
Psaida = ∑Pentrada + σ/2(∑Q2entrada/A2entrada - Q2saida /A2saida) - σkLQ2saida - σgZ
onde,
k – constante de perda de carga por unidade de comprimento, depende do material e
geometria da tubulação;
L – comprimento equivalente, reflete comprimento linear de trechos retos e
comprimento equivalente de conexões;
g - gravidade;
Z – diferença de altura entre ramais e local da mistura;
A – seção reta da tubulação
σ - densidade da água
A vazão para cada um dos ramais é diretamente proporcional à seção reta da sua
tubulação. As variáveis de pressão e de temperatura são obtidas de forma análoga.
l) Resfriamento de água no chiller i
Só existe fluxo de água no chiller caso a transição na divisão anterior de fluxo seja
habilitada, conforme mostrado no item anterior e na Figura 4.34. No caso da existência de
fluxo, não existe variação na vazão, uma vez que não existe perda de liquido. A propriedade
de pressão sofre a variação decorrente da perda de carga do trocador de calor. Já a
temperatura sofre influência do controle de desempenho do chiller, determinado pela sua
temperatura de set-point, e do tempo de permanência do fluido no evaporador do chiller,
conforme o seguinte sistema e equações.
X = [Tsaida ; Qsaida ; Psaida ]
91
dTsaida / dt = Tsetpoint chiller - Tsaida / τchiller
Qsaida = Qentrada
Psaida = Pentrada - kLQ2saida
onde,
τ - constante de tempo do sistema de troca térmica do evaporador do chiller
k – constante de perda de carga por unidade de comprimento, depende do material e
geometria da tubulação e disposição dos tubos do trocador de calor do chiller
L – comprimento físico equivalente a soma dos trechos retos de tubo no interior do
trocador e dispositivos de reversão de sentido
O aquecimento da água gelada, a partir do condicionamento do ar nos fan coils, foi
apresentado no sub-item c, uma vez que este representa a interseção entre os modelos dos
fluxos de água gela e de ar resfriado.
4.4. Análise estrutural e dinâmica dos modelos
Após a construção dos modelos, a etapa seguinte refere-se à análise estrutural e
dinâmica dos modelos, quando verifica o seu comportamento a partir da ocorrência de
eventos discretos e a evolução do tempo.
Em virtude da disponibilidade de vários softwares de simulação para redes de Petri,
estas são as ferramentas consideradas para a análise dos modelos. Os modelos são assim
editados usando um destes softwares que, no geral, já dispõem de recursos para a análise
estrutural, isto é, o próprio software indica se o modelo em rede de Petri editado é válido no
sentido que está em condições de se simular a ocorrência de suas transições. Muitos destes
simuladores também dispõem de recursos para uma simulação passo a passo, isto é, onde o
92
usuário indica em cada estado a transição a ser disparada assim como a evolução dos modelos
segundo alguns parâmetros como número máximo de disparos de uma transição ou outros
valores limites como número de marcas em determinados lugares.
Dentre os softwares disponíveis para simulação, pode-se destacar o HPSIM
[Anschuetz, 2002], ferramenta que possui um editor gráfico para edição e simulação de redes
de Petri, utilizada normalmente na inicialização de estudantes com o assunto. O Visual Object
Net++ [Drath, 2003], com origem na Ilmenau University of Technology, da Alemanha, foi
desenvolvido para utilização com sistema operacional Windows e tem interface de fácil
utilização, possuindo um menu com botões básico e menu específico com componentes
particulares das redes de Petri. Além disso, existem vários trabalhos concluídos ou em
desenvolvimento de simuladores para rede de Petri, tanto no Brasil, como por exemplo os
softwares ARP (PUC-PR), JARP (UFSC), ASPEN (PUC-PR), quanto no exterior, como CPN
Tools (Dinamarca), CPN-AMI (França), INA (Alemanha) e ALPHA/Sim (Estados Unidos).
No presente caso, a análise dos modelos foi conduzida com base no software Visual
Object Net, considerando sua adequação para utilização em sistemas híbridos.
A análise dinâmica do modelo foi desenvolvida considerando cenários específicos
onde certas propriedades do modelo são estudadas para validar as estratégias de
funcionamento do sistema de ar condicionado. Assim, a simulação de todo o modelo discreto,
envolvendo fluxos de fluidos, estratégias de gerenciamento, sistemas de controle local e de
desempenho, e suas respectivas interações, foi realizado no software Virtual Object Net,
conforme ilustrado na Figura 4.35. Devido à limitação de número de elementos para
modelagem neste software, realizou-se em separado a simulação do fluxo de água gelada,
incluindo todas as suas estratégias e controle local de equipamentos, e do fluxo de ar
resfriado, incluindo todos os modelos de estratégia e controle local.
Selecionado em virtude de sua flexibilidade e facilidade de manuseio dos modelos,
este software permite a utilização de arcos habilitadores e inibidores, utilizados para interligar os
93
modelos, representando os sinais habilitadores das transições. Além disso, disponibiliza a
utilização de transições temporizadas e lugares e transições continuas, de certa complexidade.
Fig. 4.35. Modelo do sistema de água gelada no simulador Virtual Object Net
Destaca-se que com o Virtual Object Net, apenas a parte do comportamento dirigido
por eventos discretos dos modelos pode ser estudada. A parte relacionada com variáveis
contínuas envolve funções adicionais, não disponíveis neste software e que tem motivado
alguns pesquisadores como Villani (2000) a utilizarem a plataforma Matlab Simulink. De
qualquer modo, o foco deste trabalho não está no desenvolvimento de software de simulação,
mas sim do procedimento de desenvolvimento do sistema de controle de sistemas de ar
condicionado.
Para cada um dos fluxos do sistema de ar condicionado, foram realizadas algumas
simulações, adotando premissas que representam possíveis situações para sistema:
94
a)
Simulação 1 do sistema de água gelada
Para as simulações do sistema de produção de água gelada foram utilizados os
seguintes modelos:
- sistema de controle local dos chillers 1 e 2;
- sistema de controle local das bombas primárias 1 e 2;
- sistema de controle local das bombas secundárias 1, 2 e 3;
- sistema de controle de desempenho dos chillers 1 e 2;
- estratégia [Aumento da produção de frio];
- estratégia [Redução da produção de frio];
- modelo do fluxo de água gelada.
Para a primeira simulação, todos os equipamentos foram considerados disponíveis,
seguindo a seguinte ordem de priorização:
Bombas Primárias – BP1 e BP2
Bombas Secundárias – BS1, BS2 e BS3
Chillers – chiller 1 e chiller 2
Inicialmente foi considerado o sistema em repouso, sem qualquer atividade. Foi
habilitada então a transição inicial da estratégia [Aumento da produção de frio], simulando
existência de sensor indicando temperatura ambiente acima do set-point.
De forma gradual, a simulação comprovou a seqüência de eventos:
- acionamento da bomba primária 1;
- inicio do fluxo de água gelada;
- acionamento da bomba secundária 1;
- acionamento do chiller 1 e acionamento de seu controle de desempenho;
Mantendo o sinal de habilitação da estratégia [Aumento da produção de frio], verifica-se o
aumento gradual no desempenho do chiller 1, até que este atinja 100%. Neste momento, caso
95
a estratégia continue a demandar frio, é acionado o chiller 2, habilitando o fluxo de água no
seu ramal, e que terá da mesma forma um incremento no seu desempenho, até 100%. Como o
controle de desempenho das bombas secundarias não pode ser modelado de forma discreta, o
modelo acionou somente uma bomba secundaria. Caso seu sistema de controle verifique a
necessidade de aumento de vazão, as demais bombas secundárias seriam acionadas
automaticamente.
Neste ponto da simulação, removeu-se a habilitação da estratégia [Aumento da produção
de frio] e habilitou-se a estratégia [Redução da produção de frio], o que indicaria uma temperatura
de água gelada de retorno abaixo do valor de set point. Verificou-se então a seguinte
seqüência de eventos:
- redução gradual no desempenho do chiller 2 (100% até 0%);
- desligamento do chiller 2 e interrupção do fluxo no seu ramal;
- redução gradual do desempenho do chiller 1 (100% até 0%);
- desligamento do chiller 1 e interrupção do fluxo no seu ramal;
- desligamento da bomba secundária;
- desligamento da bomba primária;
- interrupção do fluxo de água gelada.
Ambas as seqüências de eventos no modelo reproduzem fielmente a seqüência
esperada no sistema real.
b)
Simulação 2 do sistema de água gelada
Para esta simulação foram indisponibilizados alguns equipamentos, o que pode ser
provocado por intervenção do operador, e alterada a ordem de priorização, conforme abaixo:
Bombas Primárias – BP1 indisponível e BP2 disponível, conforme apresentado na
figura 4.36;
96
Bombas Secundárias – BS1 indisponível, conforme apresentado na Figura 4.36, ordem
de priorização BS3 e BS2;
Chillers – chiller 2 indisponível e chiller 2 disponível
Inicialmente foi considerado com sistema em repouso, sem qualquer atividade. Foi
habilitada então a transição inicial da estratégia [Aumento da produção de frio], simulando
existência de sensor indicando temperatura ambiente acima do set-point.
De forma gradual, a simulação comprovou a seqüência de eventos:
- acionamento da bomba primária 2;
- inicio do fluxo de água gelada;
- acionamento da bomba secundária 3;
- acionamento do chiller 2 e acionamento de seu controle de desempenho;
Mantendo o sinal de habilitação da estratégia [Aumento da produção de frio], verifica-se o
aumento gradual no desempenho do chiller 2, até que este atinja 100%. Neste momento, caso
a estratégia continue a demandar frio, não haverá o acionamento do chiller 1, já que este
encontra-se indisponível, não havendo, portanto, como aumentar o desempenho do sistema.
Como o controle de desempenho das bombas secundárias não pode ser modelado de forma
discreta, o modelo acionou somente uma bomba secundaria. Caso seu sistema de controle
verifique a necessidade de aumento de vazão, a próxima bomba, pela ordem de priorização,
no caso a BS2, seria acionada automaticamente.
Neste ponto da simulação, removeu-se a habilitação da estratégia [Aumento da produção
de frio] e habilitou-se a estratégia [Redução da produção de frio], o que indicaria uma temperatura
de água gelada de retorno abaixo do valor de set point. Verifica-se então a seguinte seqüência
de eventos:
- redução gradual no desempenho do chiller 2 (100% até 0%);
- desligamento do chiller 2 e interrupção do fluxo no seu ramal;
- desligamento da bomba secundária;
97
- desligamento da bomba primária;
- interrupção do fluxo de água gelada.
Ambas as seqüências de eventos no modelo reproduzem fielmente a seqüência
esperada no sistema real.
Fig. 4.36. Simulação 2 do sistema de água gelada indisponibilizando chiller 1 e BS1 no simulador
Durante as simulações do modelo e sua análise dinâmica foram encontradas algumas
situações que impediam o seqüuenciamento correto:
- inicialmente a divisão em ramais partia de uma transição única para vários lugares.
Verificou-se que a condição ideal é a divisão com arcos partindo de um lugar único para várias
transições, representando os ramais, com sua habilitação condicionada ao funcionamento dos
equipamentos relacionados a cada ramal, com a interligação através de arcos habilitadores ao
modelo do sistema de controle local de cada equipamento;
98
- inserção da possibilidade de uma intervenção externa desligando o chiller
diretamente quando este estiver a 100%, sem redução gradual de desempenho. Esta situação
representa uma intervenção emergencial do operador;
- só permitir o acionamento de equipamentos que tenham fluxo de água em seus
ramais, de forma a eliminar a possibilidade de danos mecânicos aos equipamentos, como
cavitação, no caso das bombas, ou golpe de liquido, no caso do chiller. Esta condição foi
obtida a partir de nova concepção estrutural dos modelos;
- inserção de intertravamento, utilizando arcos habilitadores, entre o acionamento das
bombas secundárias, de forma que as estratégias acionem/desliguem somente uma bomba,
deixando o acionamento/desligamento das demais a cargo do sistema de controle local das
mesmas, representado por modelo contínuo;
- inserção de intertravamento, utilizando arcos habilitadores, entre o acionamento das
bombas primárias, de forma que a estratégia acione somente uma bomba, suficiente para
atender o sistema.
Os pontos acima indicam como é o processo de análise dinâmica dos modelos, onde
além de identificar situações não previstas também sinalizam a eventual necessidade de rever
as estratégias consideradas e/ou modelos desenvolvidos.
c)
Outras simulações para o sistema de água gelada
Foram realizadas outras simulações, inserindo a indisponibilidade de vários
equipamentos de forma alternada, sendo que a seqüência de eventos seguiu processo análogo
ao obtido nas simulações 1 e 2.
Foi simulada também a possibilidade de um defeito instantâneo em um dos
equipamentos, isto é, o seu desligamento súbito, sendo obtida a interrupção imediata do fluxo
99
e desligamento dos demais equipamentos, garantindo assim a integridade do sistema como um
todo.
Outra possibilidade testada foi a alternância das estratégias de controle, antes que os
chillers atingissem 100% de desempenho. O resultado obtido correspondeu ao desempenho
esperado para o sistema.
d)
Simulação do sistema de distribuição de ar resfriado
Para realização das simulações do sistema de distribuição de ar resfriado foram
utilizados os seguintes modelos, conforme apresentado na Figura 4.37:
- sistema de controle local de sistema alternativo split;
- sistema de controle local da tomada de ar exterior;
- sistema de controle local de um fan coil que atende determinada rede de dutos;
- sistema de controle local de três caixas VAV desta mesma rede de dutos, vinculando
cada caixa a um ambiente distinto atendido;
- estratégia [Área em utilização];
- estratégia [Área fora de utilização];
- modelo do fluxo do ar resfriado, em insuflamento e retorno dos ambientes.
Inicialmente, foi considerado o sistema em repouso, com todos os equipamentos
desligados (fan coil e split) e todos os dampers fechados (TAE e VAV). Esta consideração é
representada através de uma marcação inicial adequada.
O acesso de alguma pessoa a área a ser climatizada ou a programação feita pelo
operador são eventos que podem ser representados por uma marcação no modelo, habilitando
a estratégia [Área em utilização]. Ao ser habilitada, esta estratégia desencadeia uma série de
eventos no sistema, através de arcos habilitadores das transições dos sistemas de controle local:
100
Fig. 4.37. Modelo do sistema de distribuição de ar no simulador
- abertura da tomada de ar exterior;
- desligamento do sistema alternativo split;
- abertura da caixa VAV da área onde foi detectada a ocupação ou feita a
programação;
- abertura da válvula de água gelada para o fan coil, ponto de integração com o sistema
de produção de frio;
- acionamento do fan coil, acionando o ventilador do mesmo.
Com o acionamento do fan coil, é habilitado o modelo do fluxo de ar resfriado,
resolvendo o equacionamento referente às propriedades do ar, associado a cada evento,
representado por um lugar. Para os sistemas de distribuição de ar que possuem mais de um
ramal/ambiente, a habilitação de fluxo de ar por este ramal só ocorre a partir de sinal
indicando que sua caixa VAV está aberta.
101
Para o controle de posicionamento das caixas VAV e de desempenho do ventilador do
fan coil, que têm modelagem contínua, do tipo PID, a resolução das respectivas relações
ocorre enquanto houver marcação nos lugares [VAV acionada] e [Fan coil ligado].
A partir da primeira simulação, foi identificada a necessidade de implementar as
seguintes adequações ao modelo original proposto:
- cada área a ser climatizada, com ramal de dutos de insuflamento e caixas VAV
independentes, tem que possuir um modelo da estratégia associado, de forma a garantir a
independência do controle entre as áreas, requisito básico do sistema;
- em cada modelo de estratégia, acrescer a opção de, após o acionamento da caixa
VAV, caso seja verificado que o fan coil já está em funcionamento por estar atendendo outra
área, não sejam disparados nova abertura de válvula de água gelada e novo acionamento do
fan coil.
Após a implementação destas alterações, o modelo simulado atendeu a seqüência de
eventos esperada para o sistema, com o controle das propriedades do ar sendo determinado
pelos modelos contínuos vinculados ao ambiente e controle de abertura da caixa VAV e de
desempenho do ventilador do fan coil.
Em uma segunda etapa da simulação dos modelos, considerou-se a situação em que o
ambiente não esteja mais ocupado, sendo desnecessária a sua climatização. Esta condição
pode ser observada através de ausência de sinal enviado por sensor de presença, ou
programação do operador. Com isso, cessa a habilitação da estratégia [Área em utilização] e é
habilitada a estratégia [Área fora de utilização]. A habilitação desta estratégia no simulador
provocou a seguinte seqüência de eventos:
- fechamento da TAE;
- acionamento do sistema alternativo split;
- fechamento total do caixa VAV.
102
Neste ponto, cessa a habilitação da transição que dispara o fluxo de ar pelo ramal, no
modelo do fluxo de ar, habilitando o trajeto alternativo da marca, conforme apresentado na
Figura 4.38. Caso seja verificado, através de sinais, que todas as outras caixas VAV dos
ramais atendidos por este fan coil já estejam fechadas, completam a seqüência os seguintes
eventos:
- fechamento total da válvula de água gelada;
- desligamento do ventilador do fan coil.
O desligamento do fan coil, indicado pelo modelo do sistema de controle local do
mesmo ao modelo de fluxo de ar, desabilita o trânsito da marca, indicando a interrupção do
fluxo de ar.
Fig. 4.38. Modelo do fluxo de ar nos ramais no simulador
A seqüência de eventos verificada em todas as simulações representa a seqüência
verificada no sistema real, quando é feita a comparação, submetendo-o às mesmas condições
de observação, validando, desta forma os modelos discretos propostos.
103
5. Conclusões
Dentre as tendências de uso racional de recursos, principalmente de energia, e da
necessidade de assegurar a produtividade e qualidade na execução de atividades produtivas,
destaca-se a infra-estrutura que explora o conceito de edifício inteligente. Este ambiente
materializa o conceito de integração dos sistemas prediais potencializando a otimização dos
recursos e a eficiência do trabalho humano. O presente trabalho abordou a integração do
sistema de ar condicionado num edifício inteligente, cuja importância é evidenciada,
principalmente, pela necessidade de manutenção do conforto térmico dos usuários e pelo alto
consumo de energia.
Neste contexto, abordagens conceituais baseadas em sistemas a eventos discretos e
técnicas derivadas de rede de Petri foram aqui também adotadas como uma alternativa eficaz
de modelagem e análise das soluções de integração dos sistemas prediais. Amostras de
resultados expressivos destas iniciativas são os métodos propostos para a modelagem e
análise de estratégias de gerenciamento de sistemas de ar condicionado, utilizando uma
104
abordagem híbrida, onde são considerados os aspectos de sistemas a eventos discretos e as
variáveis de dinâmica contínua.
Contudo, as abordagens e métodos existentes são limitados a soluções específicas de
implementação, como os sistemas de ar condicionado com volume de ar contínuo. Assim, o
presente trabalho introduz uma extensão destas abordagens para modelar e analisar soluções
de automação predial que incluem sistemas de ar condicionado com volume de ar variável e
variação no desempenho de equipamentos.
O presente trabalho explora assim um método existente [Villani & Miyagi, 2004],
ampliando-o para outras estruturas de gerenciamento do sistema de ar condicionado. Novas
considerações são introduzidas tanto no aspecto da modelagem da produção térmica quanto
no da modelagem da distribuição do ar condicionado. Dentre as contribuições deste trabalho,
destaca-se a extensão do método para sistemas com volume de ar variável (VAV), o controle
de desempenho de equipamentos, e a inclusão de proteção a equipamentos críticos, como os
compressores. Além disso, propõe-se uma abordagem aprimorada para modelagem dos fluxos
de água e ar, associando uma representação em rede de Petri à dinâmica contínua.
Para teste e validação das contribuições introduzidas, as mesmas foram aplicadas a
estudos de casos. Nestes estudos, foram consideradas as estratégias de gerenciamento a serem
adotadas, analisando a sua adequação às configurações do edifício. Foram desenvolvidos os
modelos dinâmicos, incluindo as atividades de gerenciamento do sistema de ar condicionado,
controle local e comportamento do ambiente, com posterior integração entre eles. Uma vez
construídos os modelos, utilizou-se a simulação como forma de validação dos modelos e
análise das estratégias. Através deste processo dinâmico de melhoria contínua, a partir das
análises realizadas, chegou-se às soluções mais adequadas de gerência das operações.
Considera-se
que
o
método
desenvolvido
constitui
ferramenta
eficaz
no
desenvolvimento de estratégias de gerenciamento de sistemas de ar condicionado, uma vez
que permite analisar diferentes possibilidades antes de sua implementação física, viabilizando
105
o uso otimizado de recursos. Além disso, permite a verificação da própria adequação do
sistema de ar condicionado, como do seu sistema de gerenciamento, ao ambiente proposto.
Os estudos conduzidos confirmam a versatilidade da rede de Petri e das equações
diferenciais para descrever e detalhar a integração dos sistemas prediais no âmbito do edifício
inteligente, como sistemas de ar condicionado, combate a incêndio, elevadores, iluminação,
dentre outros. Neste contexto, a sistematização dos procedimentos de construção dos modelos
contribui efetivamente para a racionalização e uniformização dos modelos gerados,
fundamentais não só para o projeto e análises de sistemas prediais, mas também para a sua
manutenção e aprimoramentos futuros.
Destaca-se, por fim, que em continuidade ao presente trabalho tem-se o estudo de
ferramentas de simulação próprias para modelos em rede de Petri Predicado/Transição
Diferenciais, assim como a integração do modelo aqui proposto com os modelos dos demais
subsistemas que compõem um edifício inteligente, além da implementação prática dos
modelos e estratégias definidas a partir da metodologia em um sistema real. Uma outra
variação do presente trabalho, que deve ser desenvolvida, é a análise e utilização da
metodologia com foco na eficiência energética, já que a abordagem neste trabalho focou o
conforto térmico.
106
6. Referências Bibliográficas
ALLA, H.; DAVID, R., “Continuous and hybrid Petri nets”, Journal of Circuits,
Systems and Computers, Vol.8, n.1, pp. 159-188; 1998.
ANSCHUETZ,
H,
“HPSIM”,
URL:
http://www.informatik.uni-
hamburg.de/TGI/PetriNets/tools/db/hpsim.html; Alemanha, 2002
BOLZANI, C.A.M., “Residências Inteligentes”, 1a. ed., Ed. Livraria da Física, São
Paulo, 2004.
CARDOSO, J; VALETTE, R. “Redes de Petri” Florianópolis: Ed. da UFSC, 1997
CARRIER Air Conditioning Company, “Manual de Aire Acondicionado”, Marcombo
Boixareu Editores, Barcelona, México, 1986
CHAMPAGNAT, R., “Modelling and simulation of a hybrid system through Pr/Tr
PN-DAE model”. 3rdIntern.Conf. on Autom. of Mixed Processes (ADPM),
Reims; 1998
107
CREDER, H., “Instalações de Ar Condicionado”, Editora LTC, 6a ed., Rio de Janeiro,
2004.
DRATH,
R.,
“Visual
Object
Net++”,
URL:
http://www.informatik.uni-
hamburg.de/TGI/PetriNets/ ; Ilmenau University of Technology, Alemanha,
2003
FREY, G “Hierarchical Design of Logic Controllers using Signal Interpreted Petri
Nets”, Proceedings of the IFAC AHDS 2003, pg. 401 - 406
FREY, G.; LITZ, L. “Formal Methods in PLC Programming”, Nashville, 2000
FREY, G “PLC Programming for Hybrid Systems via Signal Interpreted Petri Nets”,
Proceedings of the ADPM 2000, pg. 189 – 194
GUÉGUEN, H.; LEFEFBVRE, M. A., “A comparison of mixed specification
formalisms”, 4th Intern.Conf. on Automation of Mixed Processes (ADPM),
Dortmund; 2000
HONEYWELL, “Engineering Manual of Automatic Control – HVAC”, Honeywell,
Minnesota, 1995
LEE, G. B.; ZANDONG, H.; LEE, J. S., “Automatic generation of ladder diagram
with control Petri Net”, Journal of Intelligent Manufacturing, 15, pg. 245 –
252, 2004
LIMA II, E. J., “Uma Metodologia para a Implementação através de CLP’s de
Controle Supervisório de Células de Manufatura utilizando Redes de Petri”
Dissertação de Mestrado, Salvador, 2002
KLEIN, S. ; FREY, G & MINAS, M., “PLC Programming with Signal Interpreted
Petri Nets”, Proceedings of the International Conference on Application and
Theory of Petri Nets ICATPN, Eindhoven, Holanda, 2003.
MIYAGI, P. E. “Controle Programável – Fundamentos do Controle de Sistemas a
Eventos”. São Paulo: Ed. Edgard Blucher, 1996
108
MIYAGI, P.E., “Petri Net Approach for Modelling System Integration in Intelligent
Buildings”, Journal of The Brazilian Society of Mechanical Sciences, Rio de
Janeiro, vol.23, n.4, pp.341-350, 2002
SAUER Jr, H. J ; HOWELL, R. H.; COAD, W. J., “Principles of Heating, Ventilating
and Air Conditioning“, ASHRAE – American Society of Heating,
Refrigerating and Air Conditioning Engineers Inc., Atlanta, 2001
SIERRA, E.; HOSSIAN, A.; MAEZ, R.; MARINO, P., “Sistema experto para control
inteligente de las variables ambientales de un edificio energéticamente
eficiente”, XI Reunión de Trabajo en Procesamiento de la Información y
Control, Buenos Aires, 2005.
TACKEN, J.; RUST, C.; KLEINJOHANN, B. “A Method for Prepartitioning of Petri
Net Models for Parallel Embedded Real-Time Systems”, C-Lab, Paderborn,
Germany, 2002
TRANE Company, “Air Conditioning Manual”, Milwaukee, USA, 1980.
UZAM, M.; JONES, A. H.; AILUONI, N., “Conversion of Petri Net Controllers for
Manufaturing Systems into Ladder Logic Diagrams”, Salford - UK, 1996
VENKATESH, K.; ZHOU, M.; CAUDILL, R. J., “Comparing Ladder Logic
Diagrams and Petri Nets for Sequence Controller Design Through a Discrete
Manufacturing System”, IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 41,
no. 6, pg. 611 – 619, 1994
VILLANI, E. “Abordagem Híbrida para Modelagem de Sistemas de Ar Condicionado
em Edifícios Inteligentes” Dissertação de Mestrado – EPUSP, São Paulo,
2000.
VILLANI, E.; MIYAGI, P.E. “A hybrid Petri net modeling approach for HVAC
systems in intelligent buildings”, Controle & Automação, 15, pp. 135-148,
2004.
109
VILLANI, E.; MIYAGI, P. E., “A Petri Net-Based Object-Oriented Approach for the
Modelling of Hybrid Productive Systems. Nonlinear Analysis: Theory,
Methods & Applications”, Amsterdam, vol.62, n.8, pp.1394-1418, 2005.
http://www.informatik.uni-hamburg.de/TGI/PetriNets/
110
Livros Grátis
( http://www.livrosgratis.com.br )
Milhares de Livros para Download:
Baixar livros de Administração
Baixar livros de Agronomia
Baixar livros de Arquitetura
Baixar livros de Artes
Baixar livros de Astronomia
Baixar livros de Biologia Geral
Baixar livros de Ciência da Computação
Baixar livros de Ciência da Informação
Baixar livros de Ciência Política
Baixar livros de Ciências da Saúde
Baixar livros de Comunicação
Baixar livros do Conselho Nacional de Educação - CNE
Baixar livros de Defesa civil
Baixar livros de Direito
Baixar livros de Direitos humanos
Baixar livros de Economia
Baixar livros de Economia Doméstica
Baixar livros de Educação
Baixar livros de Educação - Trânsito
Baixar livros de Educação Física
Baixar livros de Engenharia Aeroespacial
Baixar livros de Farmácia
Baixar livros de Filosofia
Baixar livros de Física
Baixar livros de Geociências
Baixar livros de Geografia
Baixar livros de História
Baixar livros de Línguas
Baixar livros de Literatura
Baixar livros de Literatura de Cordel
Baixar livros de Literatura Infantil
Baixar livros de Matemática
Baixar livros de Medicina
Baixar livros de Medicina Veterinária
Baixar livros de Meio Ambiente
Baixar livros de Meteorologia
Baixar Monografias e TCC
Baixar livros Multidisciplinar
Baixar livros de Música
Baixar livros de Psicologia
Baixar livros de Química
Baixar livros de Saúde Coletiva
Baixar livros de Serviço Social
Baixar livros de Sociologia
Baixar livros de Teologia
Baixar livros de Trabalho
Baixar livros de Turismo