Notícia

Climatização & Refrigeração

Determinação de índices de ajuste no controle de sistema de condicionamento de ar do tipo 'teto frio'

Publicado em 01 novembro 2008

Os projetos de sistemas de climatização de ambientes têm a função principal de compensar os incrementos de cargas térmicas oriundos de pessoas, de equipamentos, de radiação solar e trocas de calor com as paredes e ar externo. Estes sistemas preocupam-se com a retirada de calor sensível, originado principalmente de pessoas e equipamentos e com a retirada de calor latente, originado de pessoas. Dessa forma, busca-se garantir a manutenção das condições de temperatura, umidade e velocidade do ar dentro dos limites de conforto para as pessoas em ambientes fechados.

O sistema de condicionamento de ar do “teto frio” atende a todos estes requisitos de conforto, tais como, baixo gradiente de temperatura, baixa velocidade do ar e baixo nível sonoro e aparece como uma opção com baixo consumo de energia (Imanari et al,1999; Miriel et al, 2002; Sodec, 1999; Stetiu, 1999; Novoselac, 2002; Mumma, 2002).

O funcionamento deste sistema baseia-se principalmente em dois tipos de trocas térmicas: ele remove a carga térmica das fontes de calor diretamente através da radiação e indiretamente através da convecção (NOVOSELAC, 2002). No mercado existem diferentes tipos de “teto frio”, tais como, viga fria (chilled beams), lajes frias (cooling slabs), grelhas frias (cooling grids), entretanto, os mais conhecidos e, utilizados neste estudo, são as placas metálicas de forro (painéis radiantes) dotadas de serpentinas de água gelada, principal responsável pela carga sensível do ambiente. Adicionalmente às propriedades radiantes do “teto frio”, o resfriamento do ambiente também conta com unidades convectivas de resfriamento por meio da introdução de ar resfriado em uma unidade de resfriamento de ar via rede de dutos e difusores instalados no teto. Suas funções são: combater o calor latente originado de pessoas, manter a taxa mínima de renovação de ar e evitar os efeitos indesejáveis da condensação do vapor de água.

Com relação ao controle de temperatura do ar no ambiente, observa-se, na prática, que os sistemas de climatização podem ter uma diminuição de sua eficiência em função da deficiência de leitura de seu medidor. Tradicionalmente, o valor da temperatura de referência utilizado para a comparação com o setpoint de temperatura do ar do ambiente é obtido por meio de leituras de sensores localizados no duto de retorno do ar ou no próprio ambiente. No caso dos sensores de temperatura que ficam no ambiente, normalmente, estes são posicionados em locais não muito adequados por questões essencialmente estéticas; isto é, eles podem ser encontrados em locais muito altos ou muito baixos em relação à altura de conforto, atrás da porta ou perto de algum equipamento dissipador de calor.

Dessa forma, o posicionamento inadequado destes sensores de temperatura do ar pode implicar em medidas errôneas que, interpretadas pelo sistema de controle fazem com que o sistema de condicionamento do ar opere inadequadamente. Essa diferença resulta em uma diminuição da eficiência do sistema de condicionamento de ar e, inclusive, pode provocar sensação de desconforto no ocupante, além de exigir mais do equipamento, gastando-se mais energia do que o necessário.

Para resolver este problema, tendo-se em vista que nem sempre é possível posicionar estes sensores em um "local ideal", a presente pesquisa experimental, realizada sob a orientação da Profª Drª Brenda Chaves Coelho Leite, no Departamento de Engenharia de Construção Civil da Escola Politécnica da USP, com o apoio da Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo - FAPESP, visou determinar valores de correções nas medidas de temperatura do ar efetuadas pelos sensores do sistema de controle. Estas correções são traduzidas em índices a serem incrementados nos algoritmos de controle do sistema de automação. Em outras palavras, este ajuste resolve indiretamente o problema da má estimativa de temperatura do ambiente, em decorrência do mau posicionamento do sensor. Isto faz com que o sistema opere baseado em um valor mais coerente com as condições térmicas do ambiente. Como resultado, esta solução pode proporcionar uma melhor condição de conforto térmico e gasto de energia elétrica otimizado.

Descrição do sistema de teto frio

O Laboratório, objeto de estudo desta pesquisa é o sistema de climatização de ar do tipo “teto frio”, dotado de um sistema de automação e controle instalado em um laboratório utilizado como sala de aula. Ele é composto por três aspectos básicos: a) Ambiente Experimental, b) Sistema de Condicionamento de Ar e c) Sistema de Automação e Controle.

O ambiente experimental é o Laboratório para Ensino de CAD do Depto. de Engenharia da Construção Civil da Escola Politécnica da USP que possui geometria retangular com área de piso de 180 m2. e 2,75 m de pé direito. As paredes são de alvenaria e divisórias, com janelas de vidros simples. O teto da sala é composto por placas metálicas de alumínio de 0,78 m2 cada uma. O forro e a laje de teto delimitam um espaço (Plenum) de 40 cm de altura. Nesse forro existem 36 pontos de iluminação com 2 lâmpadas fluorescentes de 32 W cada uma, 1 projetor, 6 grelhas de retorno nas laterais da sala e 15 difusores de ar distribuídos no teto. Sobre as mesas encontram-se 26 computadores e o ambiente é ocupado diariamente por 46 pessoas.

O sistema de condicionamento de ar instalado no ambiente experimental é formado por um sistema misto composto por dois tipos de circuitos: circuito de água e circuito de ar. Os dois circuitos representam duas estratégias de resfriamento de ar diferentes. A primeira é representada pelo sistema de climatização do tipo “teto frio”, cujo funcionamento necessita da água gelada como meio de transferência de calor dentro de seus elementos estruturais. A segunda estratégia é representada pelo sistema convencional de resfriamento de ar com Fan Coil. O sistema de resfriamento do ar pela água das placas de forro depende de uma planta de circulação de água gelada composta de dois circuitos hidráulicos, cada um contendo equipamentos específicos: o Circuito Primário, composto por uma Central de Água Gelada (CAG), que, por um ramo supre um trocador de calor a placas em regime de vazão de água variável e, por outro, fornece água gelada também à Unidade Resfriadora de ar (Fan Coil). O Circuito Secundário é composto pelo circuito fechado de alimentação e retorno das placas radiantes e por uma Bomba de Água Gelada (BAG). O teto radiante é composto por um conjunto de 12 circuitos fechados, (Figura 1), sendo que cada circuito, por sua vez, é formado por um conjunto de 12 ou 13 painéis radiantes agrupados de 6 em 6 placas ligadas em série (Figura 2). O ambiente foi dividido virtualmente em quatro zonas térmicas, atendidas respectivamente por quatro circuitos de placas (cinza e azul na Figura 1), três circuitos (amarelo) e um circuito periférico (verde), que operam independentemente de acordo com as variações de concentração de carga térmica no ambiente. A vazão de água de cada circuito hidráulico é controlada individualmente por válvulas de três vias motorizadas.

A função do trocador de calor a placas é fazer a interligação dos dois circuitos, mencionados acima, de forma a controlar a temperatura da água que circula no circuito secundário.

 A segunda estratégia é aplicada principalmente para se evitar os efeitos da condensação, uma vez que no ambiente da sala existe calor latente; há introdução de ar resfriado, que também contribui tanto para o condicionamento do ar, trocando calor por convecção, quanto para a qualidade do ar, com a renovação. O ar frio é distribuído através de uma rede de dutos e difusores de teto em 15 pontos uniformemente distribuídos. O sistema fornece ao ambiente vazão de ar variável com controle de temperatura e umidade.

A extração do volume de ar do ambiente ocorre através de 6 grelhas de retorno localizadas nas placas de forro laterais do ambiente experimental.

O Sistema de Automação e Controle é dividido basicamente em hardware e software. O hardware consiste de todos os dispositivos que efetivamente influenciam o controle das variáveis ambientais, tais como, sensores, controladoras e atuadores de válvulas e dampers.  O software é representado pelo aplicativo ComfortView, que permite a monitoração destas variáveis e configurações de setpoints.

Os sinais utilizados no sistema de controle são de natureza analógica ou digital e são manipulados com diferentes modos de controle. No caso deste estudo foi utilizado principalmente o modo de Controle Proporcional – Integral (PI). A eficiência do sistema de condicionamento de ar está intimamente relacionada aos sistemas de controle através dos Loops ou rotinas de controle relacionadas a seguir.

- Rotinas de controle do suprimento de água gelada dos circuitos primário e secundário, que regem: o controle da vazão de água gelada no trocador de placas (pelo lado do chiller) e, por conseqüência, a temperatura da água de alimentação do circuito secundário (determinada no trocador a placas) e o controle da vazão de água gelada nas serpentinas do “teto frio”, feito individualmente para cada circuito. A modulação das válvulas depende da comparação da temperatura do ar medida pelo sensor fixo no ambiente, individualmente para cada região que compreende um conjunto de circuitos de água gelada, e do setpoint de temperatura do ar estabelecido para o ambiente. Existe ainda outro controle, chamado de “controle de segurança” que determina o fechamento das válvulas por completo, que depende da temperatura de ponto de orvalho do ar de retorno.

- Rotinas de controle do suprimento de ar frio que contemplam: o controle da vazão de água gelada na serpentina, por meio de uma válvula de três vias e o controle da vazão de ar no Fan Coil, pela variação de freqüência do ventilador. O programa de controle do variador de freqüência se baseia na leitura da vazão de ar do Fan Coil e em um setpoint dinâmico determinado por um algoritmo de controle. O controle da vazão de ar do Fan Coil e o controle de temperatura do ambiente são feitos em duas rotinas independentes, como Loops de controle Mestre / Escravo. Nesse contexto, com a variação da temperatura do ar no ambiente, tem-se uma variação correspondente no setpoint dinâmico de vazão de ar, aumentando ou diminuindo o suprimento de ar frio no ambiente.

- Rotina de controle de umidade - o Loop de controle da umidade permite acionar uma resistência elétrica de aquecimento proporcional para gerar uma carga térmica adicional. Esse acionamento provoca um aumento na temperatura do ar a ser resfriado, forçando uma maior abertura da válvula de água gelada, provocando a desumidificação do ar. A umidade do ar no ambiente é controlada pelo percentual de acionamento do variador de potência da resistência, conforme a variação da umidade ambiente em relação a um setpoint.

Desenvolvimento do trabalho

O método utilizado para a determinação dos índices de ajuste em medidas efetuadas pelos sensores de temperatura do ar se baseia em um conjunto de procedimentos de avaliação de ambientes térmicos em regime permanente, adaptados para esta pesquisa, que foi em regime transiente. Os procedimentos e técnicas adotados seguem as recomendações das normas ISO 7726 (1998) e ASHRAE 55 (2004), como também alguns utilizados por Leite (2003), que propõem procedimentos de avaliação em regime permanente.

Para comparar a eficiência da medição de temperatura do ambiente coletada pelos sensores na parede, procurou-se outra referência de temperatura na sala de forma que todo o ambiente foi termicamente mapeado, procedendo-se a medições simultâneas de temperatura e velocidade do ar em 16 pontos do ambiente, em 6 alturas (0,1;0,6; 1,1; 2,0 e 2,35m). É importante ressaltar que os sensores fixos estão posicionados no ambiente, de forma que correspondem a uma situação real de uso, isto é, em locais e alturas esteticamente aceitáveis podendo sofrer as mais diversas influencias, como por exemplo, a quantidade de pessoas existentes no recinto, a carga térmica gerada pelos equipamentos, a temperatura e umidade do ar externo e a radiação solar. O método adotado se fundamentou em indicações das principais normas de conforto térmico: ISO 7730 (1994), e ASHRAE Standard 55 (2004) e procedimentos da ISO 7726 (1998). Estas normas recomendam que, para uma avaliação mais adequada do comportamento térmico do ambiente, as medições das principais variáveis ambientais sejam efetuadas sob certas condições de temperatura operativa1, velocidade e umidade relativa do ar, dentro da zona de conforto proposta por elas. Neste trabalho, a temperatura operativa foi substituída pela temperatura do ar pela proximidade de valores, já constatada em pesquisas anteriores (LEITE, 2003), realizadas em ambientes similares ao desta pesquisa. Neste contexto, as medições foram realizadas sob seis condições térmicas relacionadas na Tabela 1.

O índice de ajuste foi calculado através de Método Estatístico, onde foram comparadas as medições internas de temperatura do ar, efetuadas por sensores localizados em posições fixas, em relação às medições de temperatura do ar efetuadas em posições ou regiões chamadas de móveis. Através da análise da variável temperatura nas 16 posições móveis e 6 níveis correspondentes, totalizando 96 pontos de medição, foi possível se determinar a temperatura mais representativa do ambiente no nível de ocupação, aqui denominada de “temperatura ideal” e, por conseguinte, o local ou região onde esta temperatura se encontra dentro do ambiente medido, chamado de “local ideal”. A determinação desta temperatura foi feita por meio de critérios de classes de freqüência.

Resultados das medições e análise quantitativa das condições térmicas do ambiente na altura de conforto

Os resultados das “temperaturas ideais”, índices de ajuste e “locais ideais” são baseadas nas condições de ensaio, tendo-se como referência os setpoints de temperatura de 21ºC a 26ºC, medidos em duas etapas estipuladas da pesquisa: a primeira envolvendo duas situações de ocupação (Ocupado/Desocupado) e a segunda, somente na situação de “Desocupado” (essas situações se referem à presença ou não dos usuários no ambiente. De acordo com a norma ASHRAE 55 a (2004), das 6 alturas tomadas como referência, a temperatura operativa mais recomendável para representar as condições do ambiente onde o ocupante se encontra, para a condição de uma pessoa sentada à maior parte do tempo, está na altura h=0,60 m, denominada de altura de conforto h2. Portanto, a “Temperatura Ideal” será o valor da média de temperaturas dos sensores móveis (aparato de medição) MTSM, calculado nesta altura, nos 6 setpoints das 2 etapas. Quanto à determinação do “Local Ideal”, esta foi feita através da localização desta temperatura na altura de conforto. Esta representação gráfica (modelo) foi obtida com o auxílio de um aplicativo computacional que utiliza métodos numéricos e algoritmos do Computational Fluid Dynamics (CFD), chamado Paraview.

Conclusão

Foi observado que os valores de índices de ajuste obtidos na etapa 2 foram maiores que a da etapa 1 em todos os setpoints e que as medições realizadas com a sala “desocupada”, sem influência da carga térmica, na etapa 2, apresentou maior estabilidade em seus valores em todos os setpoints. Esta linearidade induziria a um único índice para todos os setpoints. Entretanto, observou-se que este valor comparado com os demais da etapa 1 é diferente e, portanto, não poderia ser tomado como uma solução geral. A obtenção da melhor estimativa dos índices de ajuste demandaria muitas outras medições nas mesmas condições de contorno e um processo mais ágil de tratamento de dados.

Portanto, embora não tenha sido possível obter um único índice de ajuste em todas as situações de ocupação nas duas etapas, foi possível encontrar uma boa estimativa de seu comportamento e um valor aproximado para cada etapa, comprovando-se a eficácia e aplicabilidade do método de trabalho.

A tabela 2 mostra os resultados obtidos das “temperaturas ideais”, os índices de ajuste e os “locais ideais” correspondentes por setpoint de temperatura de cada etapa e situação de medição.

Com base nos resultados encontrados, verifica-se que os índices de ajuste para cada setpoint apresentaram valores diferentes. Entretanto, para a etapa 1 verifica-se que os índices não apresentaram uma mudança substancial em cada uma das situações, de forma que na média, os índices foram iguais a 0,1 ºC.

Quanto ao “local ideal”, foi convencionado neste estudo que os 16 pontos que constituem o plano horizontal na altura h2=0,60 m fossem divididos em 9 quadrantes ou regiões de dimensões iguais (Figura 3). Esta figura, que representa a ETAPA 1, Situação Ocup./Desoc., SP23., ilustra onde os sensores fixos poderiam ser posicionados. Pelos resultados, verificou-se que na maioria dos setpoints da etapa 1, a “temperatura ideal” foi encontrada nos quadrantes 4 e 5. Portanto, a melhor região para se colocar um sensor de temperatura para se obter a “temperatura ideal” na altura de conforto (h2=0,60 m) seria nestes dois quadrantes.

A principal conclusão que pode ser tirada desta pesquisa é que, tendo em vista os valores pouco significativos dos índices de ajuste determinados, pode-se afirmar que o ambiente que tenha este tipo de sistema de climatização instalado pode ser bastante homogêneo, isto é, a temperatura do ar no ambiente pode ser a mesma em qualquer ponto, o que confirmam a boa estratégia de controle e a adequada arquitetura do sistema. Sendo assim, os sensores do sistema de controle podem ser instalados em qualquer ponto do ambiente, abaixo de 2,0m de altura, sem prejuízo da eficiência do sistema, desde que o mesmo tenha as características do aqui apresentado.