XIV ENTAC - Encontro Nacional de Tecnologia do Ambiente Construído - 29 a 31 Outubro Juiz de Fora

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1 ANÁLISE DO DESEMPENHO DO SISTEMA DE CONDICIONAMENTO DE AR INTEGRADO COM SISTEMA DE VENTILAÇÃO MECÂNICA ATRAVÉS DE SIMULAÇÃO DE MODELO DE PARÂMETROS CONCENTRADOS Renata Soares Rametta (1), Álvaro Messias Bigonha Tibiriçá (2), Antônio C. G. Tibiriçá (3), Júlio C. Costa Campos (4), Guilherme Caixeta Ferreira (5) (1,2,4, 5) Universidade Federal de Viçosa Departamento de Engenharia de Produção e Mecânica, (3) Universidade Federal de Viçosa Departamento de Arquitetura e Urbanismo, Avenida Peter Henry Rolfs, s/n, Campus Universitário, Viçosa - MG, Brasil {(1) renata.rametta, (2) alvaro.tibirica, (3) tibirica, (4) julio.campos, (5) guilherme.caixeta}@ufv.br Resumo Este trabalho tem por objetivo analisar o desempenho de um sistema de condicionamento de ar para refrigeração integrado com sistema de ventilação mecânica através de simulação utilizando técnicas de modelagem por parâmetros concentrados. Nesses sistemas é possível, em momentos nos quais a temperatura exterior é menor que a temperatura interior desejada, resfriar o ambiente a ser condicionado utilizando ventilação mecânica ao invés de refrigeração. Para isso é importante que o sistema de controle faça integração entre o sistema de refrigeração e de ventilação mecânica, ativando um ou outro de forma a otimizar o uso da energia. Para análise do desempenho de um sistema de controle integrado (refrigeração e ventilação mecânica) foi escolhido à modelagem de um laboratório de informática localizado em Viçosa-MG. Com dados climáticos de Viçosa, foi simulado em quais períodos do ano a ventilação mecânica poderia substituir a refrigeração, diminuindo, desta forma, o consumo de energia elétrica. Os resultados obtidos mostraram que a integração do sistema de refrigeração com sistema de ventilação mecânica pode garantir o conforto térmico do ambiente de forma mais econômica, isto é, reduzindo o consumo energético total do sistema. Esta pesquisa aponta o potencial de integração entre sistemas de refrigeração e ventilação mecânica como forma de aumentar a eficiência energética destes sistemas. Palavras-chave: HVAC, Ventilação, Simulação, Eficiência Energética, Modelagem. Abstract This paper aims to analyze the performance of an air conditioning system for cooling integrated with mechanical ventilation system through simulation modeling techniques using lumped parameters. In these systems, it is possible to cool the environment to be conditioned using mechanical ventilation instead of cooling when the outdoor temperature is less than the desired indoor temperature. At this point, a control system for integration of the refrigeration system and mechanical ventilation is crucial. For performance analysis of an integrated control system (cooling and mechanical ventilation) was chosen modeling a computer lab located in Viçosa-MG. With climatic data of Viçosa, was simulated in which periods of the year the mechanical ventilation could replace cooling, reducing thus the power consumption. The results showed that the integration of the refrigeration system with mechanical ventilation system can ensure the thermal comfort of the environment more economically, reducing total power consumption of the system. This research shows the potential for integration of refrigeration systems and mechanical ventilation in order to increase the energy efficiency of these systems. Keywords: HVAC, Ventilation, Simulation, Energy Efficiency, Modeling 2204

2 1. INTRODUÇÃO A energia consumida e a eficiência energética em edifícios são tópicos que tem atraído à atenção da sociedade nos últimos anos. Estudos recentes mostram que a energia consumida em edifícios representa 40% do total da energia consumida no mundo, e mais da metade é consumida pelos sistemas de HVAC (Heating, Ventilation, and Air Conditioning) (CASTILLA et al, 2011). Neste contexto, destaca-se a importância de buscar sistemas de HVAC mais eficientes, isto é, que consomem menos energia elétrica para promover o mesmo nível de conforto. Entre possibilidades de melhoria da eficiência de sistema de HVAC está o uso de sistemas de ventilação mecânica em conjunto com sistemas de condicionamento de ar. Nessa linha de raciocínio, técnicas de modelagem e simulação são ferramentas que permitem, através de modelos matemáticos, analisar o comportamento de situações reais a custo menor que análises experimentais. Entre as técnicas de modelagem, a modelagem por parâmetros concentrados considera que as propriedades do sistema são homogêneas e concentradas em pontos (nós) de interesse do sistema, isto é, não há distribuição espacial de propriedades. Os modelos são construídos a partir de Equações Diferencias Ordinárias (EDO). A utilização desse tipo de abordagem para testar o desempenho de sistemas de controle para HVAC é corrente na literatura (KOLOKOTSA et al, 2001; DOUNIS et al, 2001). O trabalho aqui proposto tem por objetivo analisar, através de simulação de modelo de parâmetros concentrados, o desempenho de sistema de controle que integre sistema de refrigeração com um sistema de ventilação mecânica. 2. METODOLOGIA O trabalho foi desenvolvido nas seguintes etapas: modelagem do ambiente estudado, implementação do modelo no Matlab, inserção dos dados climáticos de Viçosa, simulação apenas com sistema de condicionamento de ar e simulação com sistema de condicionamento de ar integrado com sistema de ventilação mecânica, e análise dos resultados obtidos Ambiente estudado Foi escolhido um ambiente condicionado que funciona como laboratório de informática com dimensões de 4,35 m (comprimento) x 5,10 m (largura) x 2,80 m (altura). O laboratório se situa no Departamento de Engenharia de Produção e Mecânica da Universidade Federal de Viçosa. O ambiente possui quatro paredes, uma janela e uma porta. Uma das paredes, onde se encontra a janela, é externa e é orientada para o sudeste Modelo do ambiente Foi construido um modelo matemático para descrever o ambiente estudado. Neste modelo, considerou-se a transferência de calor através das paredes externa (Q pe ) e internas (Q pi ), da janela (Q j ), da porta (Q po ) e do teto (Q t ) (o piso foi considerado adiabático), o calor dissipado por pessoas (Q pes ), por computadores (Q comp ) e por lâmpadas (Q lamp ), e taxa de refrigeração do ar condicionado (Q ac ). A EDO do modelo é dada pela equação 1. [Eq. 1] onde ρ ar e c ar são a densidade e o calor específico do ar, respectivamente, e V sala é o volume do ambiente. Expandindo cada termo tem-se: transferência de calor através da parede externa (equação 2), transferência de calor através das paredes internas (equação 3), transferência de 2205

3 calor através da janela (equação 4), transferência de calor através da porta (equação 5), transferência de calor através do teto (equação 6), e o calor dissipado pelas pessoas, computadores e lâmpadas (tabela 1). Este último é o produto do valor unitário (tabela 1) e da quantidade de pessoas, lâmpadas e computadores, respectivamente. [Eq. 2] onde p é a transmitância das paredes, A p1 é a área da parede, T e é a temperatura externa, R se é a resistência a convecção da superfície externa, α é a absortância da parede, I p é a radiação solar na parede e T ms é a temperatura (média) do ambiente. [Eq. 3] onde que A p é a área de cada parede (há duas paredes com áreas iguais e uma diferente), e T ei é a temperatura dos ambientes que fazem divisa com o ambiente estudado. [Eq. 4] onde j é a transmitância da janela, A j é a área da janela e F s é o fator solar da janela. [Eq. 5] onde po é a transmitância da porta e A po é a área da porta. [Eq. 6] onde t é a transmitância do teto, A t é a área do teto, R set é a resistência à convecção da superfície externa do teto, α t é a absortância do teto e I t é a radiação solar no teto. Tabela 1 Especificação dos componentes e o calor dissipado por cada unidade Componente Calor dissipado por unidade (W) Pessoa em pé 140 Pessoa sentada 130 Lâmpada

4 Computador 110 Fonte: NBR (ABNT, 2008) O modelo foi implementado no software Matlab/Simulink. Dados como temperatura externa, radiações solares foram inseridos de acordo com a localização do ambiente, dia e hora. Dados de transmitâncias, fator solar, absortâncias, resistências foram retirados ou calculados de acordo com a norma NBR (ABNT, 2003). A temperatura desejada (de referência) para o ambiente foi de 23ºC. Para efeito de cálculo de energia do sistema de refrigeração foi considerado o COP (Coeficiente de Performance) de 3, Sistema de Ventilação Foi utilizado um sistema de ventilação mecânica integrado com o ar condicionado. O sistema de ventilação foi uma tática visando diminuir a energia consumida. Ele deveria ser acionado caso a potência do ventilador fosse menor do que a do ar condicionado e a vazão volumétrica necessária para ventilação fosse menor que a vazão volumétrica máxima desejada. A vazão volumétrica necessária para combater a carga térmica foi estimada pela equação 7. [Eq. 7] onde CT é a carga térmica e T d é a temperatura desejada. A potência do ventilador foi calculada a partir das leis de semelhança usando um ventilador comercial como referência (equação 8). [Eq. 8] onde P vent é a potência do ventilador, P ref é a potência de referência do ventilador comercial, Q vent é a vazão volumétrica do ventilador e Q ref é a vazão volumétrica de referência do ventilador comercial. Admitiu-se que o ventilador seria controlado através de inversor de frequencia que permite o controle contínuo da rotação do ventilador e por consequencia da sua vazão Análise de Resultados Foi analisado o desempenho do sistema de refrigeração separado e desse sistema integrado com o sistema de ventilação mecânica. Foi calculado o consumo energético de cada tática. Para comparação dos resultados foram selecionados dados climáticos do dia 15 de cada mês e variou-se as condições como quantidade de pessoas, a quantidade de computadores (sempre igual ao número de pessoas), e a vazão volumétrica máxima permitida. 3. RESULTADOS Foram simuladas os dois sistemas variando-se os seguintes parâmetros: quantidade de pessoas (1, 5 e 10 pessoas) e vazão máxima permitida (0,5 e 1 m³/s). A tabela 2 (próxima página) mostra os resultados encontrados para o dia 15 de cada mês (dia 15) para variações de parâmetros mencionadas acima. Na tabela, SR signfica sistema de refrigeração, SI é o sistema integrado e E é economia de energia do sistema integrado quando comparado com sistema de refrigeração funcionando isoladamente. É possível observar que, em todas as situações, o mês de julho é o que há maior ecomonia de 2207

5 energia. Isto ocorre porque neste mês tanto as temperaturas externas como a radiação solar no teto e na parede externa é menor, o que, respectivamente, aumenta o potencial de resfriamento da sala através do ar externo e diminui em parte a carga térmica de resfriamento do ambiente. Nesta situação o sistema de ventilação pode ser utilizado em grande parte do dia enquanto o sistema de refrigeração pode permanecer desligado. A quantidade de pessoas influenciou no consumo energético. O calor dissipado pelas pessoas compõe parcela relevante da carga térmica do sistema. Vale ressaltar que nas situações simuladas, mesmo para uma pessoa no ambiente, o sistema de refrigeração necessitou ser acionado pelo menos em parte do dia. A diminuição da vazão máxima permitida diminuiu a economia energética do sistema integrado. Isso aconteceu porque a o sistema necessitou utilizar, em todos os dias simulados nos momentos em que temperatura externa é inferior a desejada (23 C), pelo menos uma vez o ventilador na vazão máxima. Quando se aumenta a vazão máxima permitida pode-se aumentar a economia de energia, pois o sistema de ventilação mecânica ficará acionado por mais tempo. No entando, a velocidade do ar dentro ambiente pode atingir patamares altos causando desconforto. Tabela 2 - Cosumo e ecomonia de energiade cada mês e o total do ano para as condições estabelecidas. 10 pessoas 1 m 3 /s 5 pessoas 1 m 3 /s 1 pessoa 1 m 3 /s 10 pessoas 0,5 m 3 /s 5 pessoas 0,5 m 3 /s 1 pessoa 0,5 m 3 /s Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez Ano AC 16,9 16,0 14,5 12,9 10,7 10,6 10,2 11,8 14,3 15,6 16,8 16,5 13,9 SI 16,7 15,9 14,3 11,8 7,1 7,0 5,3 9,0 13,8 15,3 15,8 16,2 12,4 E (%) 1,1 0,4 1,3 8,7 34,0 33,4 47,8 23,9 3,5 1,5 5,5 1,6 11,0 AC 12,5 11,6 10,0 8,5 6,3 6,1 5,7 7,3 9,9 11,1 12,4 12,1 9,4 SI 11,9 11,0 9,7 7,6 3,6 4,0 2,3 5,2 8,8 10,3 11,3 11,5 8,1 E (%) 4,2 4,8 3,3 10,4 42,5 35,2 59,2 28,5 11,3 7,1 8,2 5,1 14,2 AC 9,8 8,0 6,5 5,0 2,9 2,7 2,4 3,9 6,3 7,6 8,8 8,5 6,0 SI 9,2 7,5 6,2 4,4 1,5 1,9 0,5 2,7 5,4 7,0 8,0 7,8 5,2 E (%) 6,4 6,4 4,9 10,6 49,2 30,0 78,3 30,3 14,6 7,9 9,6 9,0 14,3 AC 16,9 16,0 14,5 12,9 10,7 10,6 10,2 11,8 14,3 15,5 16,8 16,5 13,9 SI 16,9 16,0 14,5 12,5 8,3 8,1 6,6 10,4 13,9 15,5 16,8 16,5 13,0 E (%) 0,0 0,0 0,0 3,4 22,3 23,3 34,9 11,8 3,1 0,0 0,0 0,0 6,4 AC 12,5 11,6 10,0 8,5 6,3 6,1 5,7 7,3 9,9 11,1 12,4 12,1 9,4 SI 12,5 11,4 10,0 8,0 4,6 4,4 3,3 6,0 9,4 11,0 12,0 12,1 8,7 E (%) 0,0 1,3 0,8 6,1 27,1 27,8 41,6 17,7 4,4 0,7 2,6 0,0 7,6 AC 8,9 8,0 6,5 5,0 2,9 2,7 2,4 3,9 6,3 7,6 8,8 8,5 6,0 SI 8,8 7,8 6,4 4,6 1,7 2,0 1,1 2,8 5,9 7,2 8,4 8,4 5,4 E (%) 1,3 2,7 1,8 7,3 40,8 25,8 54,5 27,7 7,1 5,2 4,8 1,4 9,0 4. CONCLUSÕES Este trabalho propôs simular o funcionamento de um sistema de refrigeração e de um sistema que integre o sistema anterior com sistema de ventilação mecânica visando economia de energia. As simulações foram executadas para um laboratório de informática localizado em Viçosa-MG. Verificou-se que os sistemas integrados possuem potencial para economia de energia principalmente nos meses mais frios nos quais o ar exterior fica em temperaturas mais baixas. Os resultados apontam o potencial de economia energética na integração de sistemas de condicionamento de ar com outros sistemas como de ventilação mecânica, de ventilação natural e de resfriamento evaporativo. 2208

6 REFERÊNCIAS ABNT (ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS). NBR15520: Desempenho Térmico de Edificações. Rio de Janeiro ABNT (ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS). NBR16401: Instalações de arcondicionado Sistemas centrais e unitários. Rio de Janeiro CASTILLA, M. ÁLVAREZA, J,D. BERENGUELA, M. RODRÍGUEZA, F. GUZMÁNA, J,L. PÉREZB, M. A comparison of thermal comfort predictive control strategies. Energy and Buildings, v. 43, p , DOUNIS, A. I. MANOLAKIS, D. E. Design of fuzzy system for living space thermal-comfort regulation. Applied Energy, v. 69, p , KOLOKOTSA, D. TSIAVOS, D. STAVRAKAKIS, G, S. KALAITZAKIS, K. ANTONIDAKIS, E. Advanced fuzzy logic controllers design and the evaluation for buildings occupants thermal-visual comfort and indoor air quality satisfaction. Energy and Buildings, v. 33, p , AGRADECIMENTOS Os autores agradecem à FAPEMIG, à FUNARBE e ao CNPq pelo apoio financeiro ao grupo de pesquisa. 2209