A otimização do controlo das UTA, envolveu diversos componentes das mesmas, entre os quais:
• Ventiladores de insuflação; • Ventiladores de extração;
• Válvulas do fornecimento de água; • Registos de ar exterior;
• Registos de extração de ar; • Registos de mistura de ar; • Roda térmica (permutador).
Cada um destes componentes sofreu alterações, a nível do seu horário de funcionamento e a nível do próprio controlo. No geral, a otimização do controlo destes equipamentos, envolveu a criação de um modelo de conforto adaptativo, para definir a temperatura máxima do ar interior ideal (modo de arrefecimento) e ajuste dos valores dos
set points do aquecimento. Implementou-se o arranque e paragem automáticos (função do
conforto térmico e qualidade do ar interior) e a ativação da modulação da velocidade do ventilador, para controlo eficiente, da carga térmica e da qualidade do ar interior.
5.5.1 Temperatura interior de conforto
Antes: verão: 24 C; inverno: 23 C.
Depois: durante o verão, passou a utilizar-se um modelo adaptativo (algoritmo que
calcula o novo set point de temperatura, com base nas temperaturas dos 7 dias anteriores, baseando-se também nos níveis de humidade interior), com limite máximo de temperatura de 25,5 C. No inverno, estabeleceu-se um novo set point de 21 C.
Descrição: no caso do inverno, pelo facto de se ter relaxado o set point de temperatura,
é expectável que se registem poupanças a nível energético e económico. Uma vez que o sistema de distribuição é de caudal variável (regula a temperatura através da variação de caudal de ar insuflado) uma redução de 23 C para 21 C, irá significar um menor caudal de ar insuflado e consequentemente, menor potência consumida por parte dos ventiladores. Para além disso, verifica-se uma poupança a nível do consumo do gás na caldeira, uma vez que é necessário aquecer uma menor quantidade de água para se obter a temperatura desejada.
Através da análise da Figura 5.5 é possível verificar que esta alteração irá inclusivamente melhorar os índices de conforto dos ocupantes. Utilizando a ferramenta online: CBE Thermal
Comfort Tool da Berkeley University of California [30], foi possível calcular o índice de
desconforto, através do método PMD (Predicted Percentage of Dissatisfied), que prevê a % de pessoas que ficariam desconfortáveis/insatisfeitas em determinadas condições térmicas.
Foram selecionados os seguintes parâmetros:
• Temperatura operativa no ponto 1: 23 C e ponto 2: 21 C; • Humidade relativa de 50%;
• Taxa metabólica de 1,7 MET (corresponde a uma atividade de “walking about”, típica de um centro comercial);
• Velocidade do ar de 0,1 m/s;
• Roupa: ponto 1- típica de inverno (1 Clo); ponto 2 – típica de verão (0,5 Clo).
Figura 5.5 - Diagrama psicométrico para avaliação do índice de desconforto dos ocupantes no inverno.
Temperatura Operativa (°C) H u m id ad e Ab so lu ta (g v /kg as )
Verificou-se que com uma temperatura de 23 C, o índice PMV está nos 10% (provocando uma ligeira sensação calor) e com 21 C o índice de insatisfeitos ronda os 6%. Esta situação é visível na Figura 5.5, onde se verifica que o ponto 1 se encontra no limiar do inaceitável segundo a Norma 55 – 2020 Standard da ASHRAE e o ponto 2 se encontra dentro dos limites.
No caso do verão, a implementação de um modelo que permite alterar o set point de temperatura, faz com que o sistema possa trabalhar com uma temperatura média superior ao longo de toda a estação de arrefecimento. Realizou-se uma verificação análoga à efetuada para o período de inverno e concluiu-se que a % de indivíduos desconfortáveis aumenta de 5% para 7%. No entanto, este índice de desconforto permanece abaixo do limite máximo admissível (10%), tal como se pode verificar através da análise da Figura 5.6. Este aumento de temperatura média não terá impactos significativos ao nível do conforto dos ocupantes e permitirá uma economia de energia ao nível do chiller (de forma análoga às caldeiras na estação de aquecimento). Temperatura Operativa (°C) H u m id ad e Ab so lu ta (g v /kg as)
Figura 5.6 – Diagrama psicométrico para avaliação do índice de desconforto dos ocupantes no verão.
5.5.2 Ventilador de insuflação
Antes:
1. Horário de funcionamento de acordo com a programação do SGT; 2. VSD operava a uma frequência fixa de 40 Hz.
Depois:
1. No que ao horário diz respeito, os ventiladores passaram a funcionar, durante as horas de abertura ao público, com um sistema start and stop automático, baseado na diferença entre a temperatura de ar interior e a de set point, e na qualidade do ar (concentração de CO2/CO).
2. A nível do controlo, o VSD operava anteriormente a uma frequência fixa de 40 Hz, passando a variar entre os 25 Hz e 40 Hz, em função da temperatura interior e da qualidade do ar interior (CO2/CO).
Descrição:
1. Com implementação do sistema start and stop, o ventilador irá funcionar durante menos horas, ao longo do ano, pois só opera quando há necessidade de satisfazer necessidades e ou a concentração de CO/CO2 está acima do limite admissível.
2. Ao permitir que o ventilador opere a frequências inferiores à máxima, irá ocorrer uma redução de consumo de potência por parte dos mesmos, não deixando de se garantir os valores de set point desejados.
5.5.3 Ventilador de extração
Antes: Horário de funcionamento de acordo com a programação do SGT; funciona sempre a 40 Hz.
Depois: O ventilador de extração passou a funcionar, de forma intercalada com o
ventilador de insuflação, exceto quando este se encontra desligado e há necessidade de garantir um caudal de ar extraído mínimo, para evitar sobrepressurização excessiva do edifício. Tal como o ventilador de insuflação, ao nível do controlo, passou variar a sua frequência entre os 25 Hz e 40 Hz.
Descrição: Idêntico ao ventilador de insuflação.
5.5.4 Válvulas da bateria
Antes:
1. Horário de funcionamento de acordo com a programação do SGT;
2. Abertura entre 0 e 100% de acordo com o set point de temperatura interior.
Depois:
1. Funcionamento intercalado com o ventilador de insuflação (válvulas fechadas caso o ventilador esteja desligado);
Descrição:
1. O fecho das válvulas, caso o ventilador de insuflação se encontre desligado, faz com que as bombas, do circuito em questão, não operem, passando a funcionar durante menos horas, ao longo do ano.
2. A utilização de um controlador PID regula a abertura da válvula, mediante a temperatura de ar insuflado e o seu set point (quer temperatura quer de velocidade de ajuste), faz com que o ar seja fornecido à temperatura de design da máquina, aumentando a sua eficiência e garantindo um controlo de temperatura mais eficaz, evitando-se correntes de ar demasiado frias na insuflação – garante conforto.
5.5.5 Registos de ar exterior
O funcionamento de certos componentes das UTA, depende do modo de operação, no qual a UTA se encontra. Olhando ao comportamento dos registos do ar isoladamente, não será possível compreender as economias que advém da alteração do seu comportamento, pelo que é necessário analisar o funcionamento das UTA como um todo.
As UTA possuem 4 modos de operação, que alternam automaticamente:
a. Modo Aquecimento: ativado, se houver água quente disponível e a temperatura interior seja inferior à mínima admissível;
b. Modo Arrefecimento: ativado, se houver água fria disponível e a temperatura interior for superior à máxima admissível;
c. Modo QAI (Qualidade do Ar Interior): ativado, se a temperatura interior estiver entre os limites de conforto e os níveis de CO2 forem superiores ao máximo admissível;
d. Modo Controlo de pressão: ativado, se a temperatura e os níveis de CO2
estiverem dentro dos limites admissíveis.
No modo de aquecimento, o registo de ar exterior comporta-se da seguinte forma:
i. Se o nível de CO2 for inferior ao máximo, então o registo encontra-se na posição que permite a entrada do mínimo caudal de ar exterior. Desta forma, reduz-se a quantidade de ar frio que entra na UTA (ar proveniente do exterior), reduzindo-se a necessidade de fornecimento de água quente nas baterias de aquecimento – caldeiras.
ii. Se o nível de CO2 for superior ao máximo admissível, o registo encontra-se na posição máxima compatível com uma temperatura de ar fornecido 2 graus abaixo do set point (ex.: se a temperatura de set point for 30 C, o registo começa a fechar caso a temperatura de insuflação seja inferior a 28 C). Desta forma, garante-se a renovação de ar necessária, sem que haja penalização a nível do conforto térmico.
No modo de arrefecimento, também se denotam economias resultantes do funcionamento do registo de ar exterior:
i. Se a temperatura do ar exterior, for inferior à temperatura de retorno e apenas estiver até 2 C, abaixo da temperatura de set point do ar fornecido, o registo encontra-se aberto a 100%. Neste caso é possível realizar free-cooling, o que permite a redução da carga total requerida ao chiller, poupando-se energia. ii. Se a temperatura do ar exterior for inferior à temperatura de retorno e for
também, inferior à temperatura do set point de insuflação, então o registo encontra-se na posição máxima, compatível com a temperatura de ar fornecido, 1 C abaixo do set point. Neste caso, também é possível realizar free-cooling. iii. Se a temperatura do ar exterior for superior à temperatura de retorno, não há
condições para realizar free-cooling;
Nos restantes modos de funcionamento, a posição do registo de ar exterior não tem implicações a nível das economias, pelo que não serão explorados.
5.5.6 Registos de extração de ar
Os registos de extração de ar funcionam de forma intercalada com os registos de ar exterior, seguindo a mesma lógica ao nível das economias. O horário de funcionamento manteve-se igual ao definido no Sistema de Gestão Técnica, passando este registo, a abrir ou fechar, de acordo com o funcionamento do ventilador de extração. O controlo deste equipamento, passou a ter dois modos de operação associados:
• Modo QAI (Qualidade do Ar Interior) e modo de free-cooling: associado ao funcionamento do registo de ar exterior (mesma posição);
• Modo de sobre pressurização máxima: aberto a 100%.
5.5.7 Registos de mistura de ar
O horário de funcionamento manteve-se igual ao definido no SGT, (exemplo: aberto a 100%, caso o seu estado em determinado horário seja OFF). A nível de controlo, a sua posição de abertura depende do modo de operação escolhido:
• Modo de sobre pressurização máxima: aberto a 100%;
• Outro modo: abertura em conformidade com a abertura do registo de ar exterior.
5.5.7 Roda térmica (permutador)
Modo de aquecimento
Antes: No modo de aquecimento, a roda térmica estava sempre ligada e a operar à
velocidade máxima.
Depois: Quando as UTA operam em modo de aquecimento, a roda térmica opera de
forma intercalada com o ventilador de insuflação. O VSD altera a frequência de acordo com a diferença entre a temperatura de insuflação e o valor de set point mais 1°C (ex.: se a
temperatura de set point for de 30 C, a roda térmica assume a velocidade máxima, caso a temperatura de insuflação desça dos 31 C).
Descrição: O funcionamento intercalado com o ventilador de insuflação, resulta na
redução do número de horas de funcionamento. Para além disso, o controlo da velocidade de rotação, em função da temperatura de set point, leva a um menor consumo de potência por parte deste dispositivo.
Modo de arrefecimento
Antes: No modo de arrefecimento, a roda térmica estava sempre desligada. Depois: Passam a existir 3 modos de funcionamento:
i. Se a temperatura do ar exterior for superior à temperatura de retorno, a roda encontra-se ligada e a operar à velocidade máxima. Desta forma, o ar novo, sofre um pré-arrefecimento, antes de se misturar com o ar de retorno e chegar à bateria.
ii. Se a temperatura do ar exterior for inferior à de retorno, mas superior ao valor de set point menos 1 C, a roda encontra-se desativada;
iii.
Se a temperatura do ar exterior for inferior à de retorno e inferior ao valor deset point menos 1 C, a roda térmica roda a uma velocidade tal, que permita
uma temperatura de insuflação de pelo menos o valor de set point menos 1 C (ex.: nos dias de meia estação, quando a temperatura exterior é demasiado baixa para o arrefecimento, a roda térmica, permite a recuperação de algum calor, permitindo que temperatura de insuflação esteja próxima do set point).