ESPECIFICAÇÃO DE PROCESSOS DE CONTROLE AVANÇADOS PARA SISTEMAS DE TRATAMENTO DE AR Eng. Mauricio de Barros mbarros@consultar.eng.br XV Encontro Nacional de Projetistas e Consultores da ABRAVA 23/09/2015 1
PROCESSOS DE CONTROLE - INTRODUÇÃO CONDICIONADOR DE AR UNITÁRIO 2
PROCESSOS DE CONTROLE - INTRODUÇÃO CONDICIONADOR DE AR VAZÃO CONSTANTE 3
PROCESSOS DE CONTROLE - INTRODUÇÃO CONDICIONADOR DE AR VAZÃO VARIÁVEL 4
PROCESSOS DE CONTROLE - INTRODUÇÃO CONDICIONADOR DE AR VAZÃO VARIÁVEL CARRIER HANDBOOK 5
PROCESSOS DE CONTROLE - INTRODUÇÃO CONTROLE DE TEMPERATURA CARGA TÉRMICA VARIÁVEL CAPACIDADE VARIÁVEL CONTROLE CONFORTO 6
PROCESSOS DE CONTROLE - INTRODUÇÃO LOOPING DE CONTROLE FECHADO 7
PROCESSOS DE CONTROLE - INTRODUÇÃO CONTROLE DIGITAL 8
PROCESSOS DE CONTROLE - DESAFIOS EVOLUÇÃO TECNOLÓGICA IMPORTÂNCIA DO CONTROLE Chart based on ASHRAE 90.1-2013 determination study conducted by PNNL 9
PROCESSOS DE CONTROLE - DESAFIOS EVOLUÇÃO TECNOLÓGICA IMPORTÂNCIA DO CONTROLE Regulated Buidling Energy Use vs ASHRAE 90.1-2004 110% 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% Commercial HVAC Efficiency Requirements Average ASHRAE 90.1 2013 Requirements ASHRAE 90.1 Building Target Possible Path to nearly Net Zero Buildings 0% 2004 2007 2010 2013 2016 2019 2022 2025 2028 2031 2034 2037 Year MaxTech Limit Full Load Efficiency Equipment Level Limit Systems Approach & Renewable Energy Chart is an estimate of possible future regulations to achieve Near Net Zero by 2034 based on studies done by Carrier on technical limits of HVAC equipment 10
PROCESSOS DE CONTROLE - DESAFIOS EFICIÊNCIA ENERGÉTICA TENDÊNCIA GLOBAL BRASIL ASHRAE Germany Commercial Germany Residential European Union China Shanghai Turkey Japan 11
PROCESSOS DE CONTROLE - DESAFIOS NORMAS E RECOMENDAÇÕES ATUAIS: NBR 16401-1:2008 Instalações de Ar Condicionado Parte 1: Projetos NBR 16401-2:2008 Instalações de Ar Condicionado Parte 2: Conforto NBR 16401-3:2008 Instalações de Ar Condicionado Parte 3: Qualidade do Ar RTQ PBE Edifica INMETRO Eficiência Energética de Edificações ASHRAE Standard 90.1 Energy Standard for Buildings Except Low-Rise Residential Buildings ASHRAE Standard 55 - Thermal Environmental Conditions for Human Occupancy ASHRAE Standard 62.1 Ventilation for Acceptable Indoor Air Quality 12
PROCESSOS DE CONTROLE - DESAFIOS EXEMPLOS DE PROCESSOS DE CONTROLE RECOMENDADOS PELAS NORMAS ( TRATAMENTO DE AR ): Zoneamento do sistema X Zoneamento térmico X Zoneamento de ventilação (AE) Controle de partida otimizado Vazão de ar variável Controle de ar externo por demanda (DCV Demand Control Ventilation) Reset de set point da pressão do ventilador Reset de set point da temperatura de insuflamento Reset de vazão mínima e máxima da zona Ciclo economizador Limites de umidade relativa carga plena / parcial, verão / inverno VELOCIDADES VARIÁVEIS SET POINT DINÂMICO 13
PROCESSOS DE CONTROLE - DESAFIOS RESPOSTAS DA ASHRAE: 14
ASHRAE GUIDELINE 36 ASHRAE GUIDELINE PROJECT COMMITTE 36 Criado para apoiar, disseminar e desenvolver processos avançados de controle de sistemas HVAC, incluindo RP-1455 e outros projetos de pesquisas relacionados do ASHRAE TC 1.4 GPC 36: High Performance Sequences of Operation for HVAC Systems First Advisory Public Review Objetivo: O objetivo deste Guideline é apresentar sequências de operação uniformes para sistemas de HVAC com a intenção de maximizar o desempenho e a eficiência energética dos sistemas, proporcionar a estabilidade do controle e permitir o diagnóstico e detecção de falhas em tempo real Escopo: Sequências de Operação: Apresentação de sequências de operação para sistemas de HVAC, incluindo lista de pontos físicos e diagramas de controle. Testes Funcionais de Desempenho: Definir testes de desempenho que confirmam a implementação das sequências de operação (futuro). 15
ASHRAE GUIDELINE 36 OBJETIVOS PRÁTICOS DO GPC 36: Cumprimento das normas em qualquer condição de operação: ASHRAE/IESNA Standard 90.1 (Energia) ASHRAE Standard 62.1 (Qualidade do Ar) ASHRAE Standard 55 (Conforto) Redução de custos Programação e Comissionamento Redução de erros Sequências de Operação definidas de forma clara, inequívoca Algoritmos padronizados e pre-testados Estabelecer padrões para a indústria de controle Incorporar a detecção e diagnóstico automático de falhas APROXIMAR O CONTROLE EM AR CONDICIONADO DO CENÁRIO PLUG & PLAY COM LÓGICAS DE CONTROLE ABERTAS E CONFIGURÁVEIS 16
ASHRAE GUIDELINE 36 - EXEMPLOS CAIXA VAV - LISTA DE PONTOS FÍSICOS 17
ASHRAE GUIDELINE 36 - EXEMPLOS CAIXA VAV - DIAGRAMA 18
ASHRAE GUIDELINE 36 - EXEMPLOS CONDICIONADOR DE AR MULTIPLE ZONE VAV - LISTA DE PONTOS FÍSICOS 19
ASHRAE GUIDELINE 36 - EXEMPLOS CONDICIONADOR DE AR MULTIPLE ZONE VAV - DIAGRAMA 20
ASHRAE GUIDELINE 36 - EXEMPLOS CONDICIONADOR DE AR SINGLE ZONE VAV - LISTA DE PONTOS FÍSICOS 21
ASHRAE GUIDELINE 36 - EXEMPLOS CONDICIONADOR DE AR SINGLE ZONE VAV - LISTA DE PONTOS FÍSICOS 22
ASHRAE GUIDELINE 36 - EXEMPLOS OUTRAS CONFIGURAÇÕES 23
ASHRAE GUIDELINE 36 - EXEMPLOS SEQUÊNCIAS DE OPERAÇÃO E LÓGICAS DE CONTROLE Modos de Operação do condicionador de ar: Exemplo: Cool Down Mode = Optimal Start: Para cada zona, deve ser calculado o tempo de cooldown baseado no setpoint no modo de ocupação, temperatura atual, temperatura externa e o fator de massa/capacidade de cada zona (fator ajustado manualmente). A operação nesse modo deve ser iniciada conforme o tempo requerido, mas não antes de 3 horas do início de ocupação definido pelo respectivo schedule configurado. 24
ASHRAE GUIDELINE 36 - EXEMPLOS SEQUÊNCIAS DE OPERAÇÃO E LÓGICAS DE CONTROLE Condicionador de ar Exemplo do procedimento de Partida e Parada do Ventilador: 1) O ventilador deve operar quando o sistema estiver nos modos Cool-down, Setup ou Occupied 2) Se existe aquecimento nas zonas periféricas, o ventilador também deve operar quando o sistema estiver nos modos Setback ou Warmup 3) Totalizar a vazão de ar total das caixas VAV e indicar na tela de supervisão junto ao duto de saída do condicionador de ar 25
ASHRAE GUIDELINE 36 - EXEMPLOS SEQUÊNCIAS DE OPERAÇÃO E LÓGICAS DE CONTROLE Condicionador de ar Exemplo da lógica de reset de setpoint de pressão: 1) O setpoint de pressão deve ser reajustado usando a lógica Trim & Respond: 26
ASHRAE GUIDELINE 36 - EXEMPLOS SEQUÊNCIAS DE OPERAÇÃO E LÓGICAS DE CONTROLE Lógica Trim & Respond (T & R): Utilizada para reset de pressão e temperatura de insuflamento baseado na demanda das caixas de VAV atendidas pelo condicionador de ar Cada zona (caixa VAV) envia um pedido ( Request ) de mudança de setpoint baseado na temperatura da zona ou na posição do damper A cada ciclo de tempo o setpoint é reduzido ( Trim ) Depois o setpoint é aumentado ( Respond ) proporcionalmente ao número de pedidos ( Request ) Cada zona pode receber um Peso em função do seu grau de importância (Importance Multiplier ). Valor default = 1 27
ASHRAE GUIDELINE 36 - EXEMPLOS SEQUÊNCIAS DE OPERAÇÃO E LÓGICAS DE CONTROLE Lógica Trim & Respond (T & R): Para cada sistema são definidas as seguintes variáveis: (Variáveis ajustáveis a partir de um gráfico/tabela de reset acessível na tela de supervisão. Valores absolutos sugeridos para pressão devem ser ajustados no processo de comissionamento para garantir um controle estável). 28
ASHRAE GUIDELINE 36 - EXEMPLOS SEQUÊNCIAS DE OPERAÇÃO E LÓGICAS DE CONTROLE Lógica T&R Exemplo numérico de reset de setpoint de pressão: A pressão estática deve ser reajustada usando a lógica T&R entre os valores de 0,15 e 1,5 inh2o. Cinco minutos após a partida do ventilador, reduza o setpoint de pressão em 0,04 inh2o a cada 2 minutos. Caso existam mais de 2 Requests de pressão, aumente o setpoint em 0,06 inh2o para cada Request além de 2, até um máximo de 0,15 inh2o. Um Request de pressão deve ser gerado quando a caixa VAV apresentar uma abertura acima de 95%. 29
ASHRAE GUIDELINE 36 - EXEMPLOS SEQUÊNCIAS DE OPERAÇÃO E LÓGICAS DE CONTROLE Lógica T&R Exemplo numérico de reset de setpoint de pressão - Gráfico: 30
ASHRAE GUIDELINE 36 - EXEMPLOS SEQUÊNCIAS DE OPERAÇÃO E LÓGICAS DE CONTROLE Lógica T&R Exemplo numérico de reset de setpoint de pressão: O sistema tende para uma pressão estática mínima através de cortes (Trim) sucessivos do setpoint de pressão, mas responde (Respond) rapidamente ao aumento de demanda das caixas VAV em função dos Requests. A lógica T&R apresenta um perfil cíclico robusto como característica, onde o setpoint é dinâmico e sempre busca reduzir a pressão e potência do ventilador. O exemplo apresentado é ilustrativo do funcionamento da lógica de reset de setpoint e não representa o comportamento real esperado do sistema. 31
ASHRAE GUIDELINE 36 - EXEMPLOS SEQUÊNCIAS DE OPERAÇÃO E LÓGICAS DE CONTROLE Lógica T&R Outro exemplo: 32
ASHRAE GUIDELINE 36 - EXEMPLOS SEQUÊNCIAS DE OPERAÇÃO E LÓGICAS DE CONTROLE Vantagens da Lógica T&R: Minimiza o consumo de energia do ventilador Mais estável e mais fácil de ajustar do que o looping PID. Os ciclos são tipicamente longos e lentos Corta (Trim) o valor de setpoint lentamente e responde (Respond) rapidamente Pode identificar e eliminar zonas que induzem distorções no comportamento do sistema, basta configurar o multiplicador de importância para zero. Da mesma forma, pode aumentar a importância de uma zona crítica Menor dependência da precisão de leitura do sensor de pressão 33
ASHRAE GUIDELINE 36 - EXEMPLOS ALARMES E DETECÇÃO DE FALHAS: Definição de 5 níveis de alarmes com aplicação de hierarquia em função do sistema: Nível 1: Crítico / Segurança dos ocupantes Nível 2: Falha severa de equipamento Nível 3: Falha de equipamento ou operação não crítica Nível 4: Monitoramento de conservação de energia Nível 5: Indicação / notificação de manutenção Exemplo de Alarme para Caixa VAV Baixa Vazão de Ar : 1) Se a vazão de ar medida é menor que 70% do valor de setpoint quando o setpoint for maior do que zero por 5 minutos, gerar um alarme Nível 3 2) Se a vazão de ar medida for menor que 50% do valor de setpoint, quando o setpoint for maior que zero, por 5 minutos, gerar um alarme Nível 2 3) Se a caixa atende a uma zona com multiplicador de Importância = 0 (peso=0) para a looping de controle T&R, o alarme de baixa vazão deve ser ignorado para essa zona. 34
OUTRAS PESQUISAS RELACIONADAS COM O TEMA PROJETOS DE PESQUISA EM ANDAMENTO QUE PODEM SER INCORPORADOS PELO GUIDELINE 36: RP-1547 CO2-based Demand Controlled Ventilation for Multiple Zone HVAC Systems 1587-RP: Control Loop Performance Assessment. 1746-TRP: Validation of RP- 1455 Advanced Control Sequences for HVAC Systems Air Distribution and Terminal Systems. 1747-TRP: Implementation of RP-1547 CO2-based Demand Controlled Ventilation for Multiple Zone HVAC Systems in Direct Digital Systems. 1711-WS: Advanced Sequences of Operation for HVAC Systems Phase II Central Plants and Hydronic Systems. 35
REFERÊNCIAS BSR/ASHRAE Guideline 36P - Advisory Public Review Draft - High Performance Sequences of Operation for HVAC Systems - First Public Review (April 2015) ASHRAE Research Project Report - 1455-RP - Advanced Control Sequences for HVAC Systems Phase I Air Distribution and Terminal Systems - Approval: November 2014 AHRI Spring Meeting - Planning for the Future using a Systems Approach - 05/07/2014 GPC 36 Best of Class Control Sequences for Air Systems December, 2014 Energy Simulation for Commercial Buildings Carrier Corporation Handbook of Air Conditioning System Design Carrier Corporation 36