Prefácio do Autor
10.1 Resumo do Trabalho
Neste trabalho aplicou-se a Teoria Axiomática de Projecto (AP) a diversos sistemas de climatização.
A AP fundamenta-se em dois axiomas. O axioma da independência ou primeiro axioma, descrito como, “manter a independência dos requisitos funcionais”; e o axioma 2 ou da informação, que enuncia que a informação contida no projecto deve ser minimizada.
Estes axiomas estabelecem que um projecto correctamente definido pode cumprir qualquer requisito funcional independentemente dos restantes. Além disso, idealmente, o funcionamento do sistema ocorrerá sempre dentro dos limites especificados no projecto.
O Projecto, entendido neste contexto como uma nova concepção, é o processo de mapeamento entre o domínio das funções e o domínio físico. A este processo corresponde uma decomposição hierárquica das funções e dos parâmetros, numa relação mútua de interdependência.
O primeiro domínio, o funcional, descreve “o que se pretende obter” descrito pelos requisitos funcionais (RF); o segundo define “como se obtêm” fisicamente os requisitos anteriores na forma de parâmetros físicos de projecto (PP). A relação entre ambos é descrita pela equação
{ }
RF =[A] PP , sendo A a matriz de projecto. Num projecto ⋅{ }
independente a matriz A é diagonal; se a matriz for triangular inferior ou superior o projecto é desacoplável e terá de haver uma sequência própria de ajuste de PP; nos restantes casos, o projecto é acoplado. Um projecto deve ser preferencialmente independente, ou eventualmente desacoplável.Face a um conjunto de soluções independentes, devem ser escolhidas as que tenham menor informação. Numa situação ideal, deverá existir pelo menos uma solução com informação nula. Neste caso, garante-se que os RFs estão sempre dentro dos limites definidos em projecto.
Para se determinar a informação é necessário conhecer a função densidade de probabilidade do sistema calculada no domínio funcional. Face à dificuldade de determinação desta função, propôs-se a utilização de conjuntos vagos para a obtenção de uma função de pertença (f.p.) do sistema, obtida a partir de uma regra de implicação entre os PPs e os RFs.
A AP relaciona-se com diversos métodos de Projecto de aceitação generalizada. Foram apresentadas diversas semelhanças entre a AP e as soluções inventivas do TRIZ, existem semelhanças formais de manipulação entre as matrizes DSM e as matrizes de projecto da AP, a abordagem funcional é comum nos métodos QFD e na AV e finalmente, a
de Taguchi.
A aplicação da AP a um projecto requer também um método. Optámos por considerar uma abordagem racionalista, aliás comum na Física. É possível, por articulação das leis da física e pela aplicação da lógica, obter consequências do funcionamento de sistemas. A experimentação ocorre no domínio racional. Ou de outro modo, após a fase de aparecimento de novas ideias, aplica-se a teoria AP na fase da sua validação. Nesta última fase, comprovámos as conclusões da aplicação da AP a ideias e sistemas comuns, utilizando modelos de simulação.
As principais funções de um sistema de climatização foram enunciadas, usando as normas existentes sobre o assunto. Obteve-se os dois principais desígnios de um sistema de climatização, que são expressos nas funções: “assegurar as condições térmicas apropriadas” e “assegurar ambientes interiores saudáveis”.
Estas funções enquadram-se, nomeadamente, nas normas EN 15251 e na EN 13779, associadas ainda à ISO 7730.
Da decomposição das funções referidas, até ao nível comum aos vários sistemas de climatização, obtêm-se as funções relativas aos sistemas de controlo de temperatura interior, à difusão do ar, ao controlo de insuflação de ar exterior e à filtração.
Devido aos problemas de energia das últimas décadas, um sistema deve ainda ser capaz de ter um consumo de energia reduzido. Para esse fim, contribui não apenas o sistema, mas o edifício como um todo. Neste sentido, o estudo da função relativa à redução do consumo de energia contemplou também o papel do edifício.
A escolha das funções e parâmetros relativos a esta função considerou a norma ASHRAE 90.1 e a directiva congénere europeia, EPBD. Esta directiva foi transcrita para a legislação dos diversos países da UE, tendo-se utilizado para validação das escolhas das funções, algumas das suas transposições. Abordou-se também a norma EN 15251, norma destinada a apoiar a aplicação da EPBD.
Para a decomposição da função relativa ao conforto térmico, seguiu-se o modelo de Ole Fanger pela sua possibilidade de quantificar os estados de conforto. Este modelo utiliza o voto médio previsível, VMP, para determinar a percentagem de pessoas insatisfeitas com as condições interiores, PPI. Com este índice, calcula-se facilmente o somatório anual das pessoas previsivelmente insatisfeitas com o conforto térmico, que foi utilizado para comparar o funcionamento dos sistemas.
A decomposição da função relativa à qualidade do ar interior seguiu as normas EN 13779 e a ASHRAE 62.1. Esta norma estabelece caudais de ar inferiores aos referidos nas
normas europeias. Em qualquer das normas define-se a qualidade interior do ambiente em função do caudal de ar novo e da concentração de poluentes.
Para avaliar em que medida os sistemas cumprem os requisitos funcionais, introduziu-se o conceito de eficiência funcional, EF, dada pela razão entre o número de pessoas·hora na gama definida para o projecto e o número total anual de pessoas·hora. A EF foi calculada para cada sistema de climatização relativamente à qualidade do ar interior, QAI, e ao conforto. Na definição das condições de conforto, tomou-se a temperatura operativa no intervalo de 20 ºC a 24 ºC. Estes valores consideram o efeito da produtividade, sendo ligeiramente inferiores aos da gama de grande conforto do modelo de Fanger. Para a qualidade do ar, definiu-se um caudal de ar novo por pessoa na zona ocupada de 35 m3/h.
Aplicou-se a AP à avaliação dos sistemas de climatização, de acordo com as funções anteriormente referidas, a quatro tipos de sistemas. Foram eles, os sistemas de volume de ar variável (VAV) e três sistemas com ar novo dedicado, constituídos pelos sistemas com ventiloconvectores (VC), com tectos arrefecidos (TA) e com unidades de indução (UI).
Realizou-se, ainda, um conjunto de programas de simulação de cada um dos sistemas, que permitiram confirmar as situações de falha dos sistemas, identificadas pela prévia aplicação da AP.
Os sistemas VAV funcionam com temperatura de insuflação geralmente constante, adaptando-se à carga a remover por variação do caudal de insuflação nas caixas VAV de cada espaço. Construindo a matriz de projecto para este caso, resulta que o sistema VAV é acoplado. Na realidade, o caudal de ar novo entregue em cada zona, em cada momento, depende não só da sua carga térmica, mas também da que ocorre nas restantes zonas. Além disso, a necessidade de insuflar um caudal de ar novo mínimo em cada espaço obriga que cada caixa VAV admita um caudal mínimo, que quando vem arrefecido poderá causar desconforto. A solução adoptada neste sistema para este desconforto é, normalmente, a introdução de baterias de reaquecimento terminal.
Em termos de conforto térmico, os sistemas VAV, desde que se considere que têm reaquecimento, cumprem os requisitos funcionais analisados. Já em termos de qualidade do ar, o sistema VAV não permite cumprir geralmente uma eficiência funcional unitária. No entanto, para o exemplo estudado, obteve-se EF unitária para um caudal de ar novo constante superior a 50 m3/(h·ps).
Já os sistemas com ar novo dedicado insuflam o caudal de ar novo necessário a cada espaço, a partir de unidades de tratamento de ar novo (UTAN). Assim, cumprem os requisitos impostos em termos de caudal de ar novo.
Num sistema com VC, o ar novo é insuflado nos espaços às condições médias interiores. A carga térmica interna é removida na bateria de arrefecimento ou introduzida pela bateria de aquecimento, em modo de aquecimento. A matriz de projecto deste sistema
pela da qualidade do ar. Mesmo adicionando uma função relativa à filtração em cada espaço, este sistema mantém-se independente incorporando os filtros necessários em cada unidade.
Já os sistemas com TA só são independentes se se desprezar a função de filtração e se o ar novo não interferir na remoção de carga térmica. Esta é removida por efeitos conjuntos de convecção e de radiação, não permitindo, para as implementações correntes deste sistema, o funcionamento simultâneo nos modos de aquecimento e de arrefecimento. Neste sentido, o sistema não apresenta eficiência funcional unitária relativa ao conforto térmico. Além disso, não consegue fisicamente remover as cargas comuns que ocorrem nos edifícios em Portugal.
Os sistemas com unidades de indução (UI) utilizam ar primário, geralmente apenas ar novo, para provocar um fluxo induzido de ar do ambiente nas UI. Este fluxo passa por uma bateria, onde é arrefecido, misturando-se de seguida com o ar primário. O ar primário tem um caudal normalmente bastante superior ao caudal de ar novo necessário, pelo que a eficiência funcional relativa a este requisito é unitária. Utilizando-se um caudal de ar primário elevado, há a capacidade de aproveitamento de arrefecimento gratuito. Nestes sistemas, a carga a remover depende não apenas das baterias das unidades interiores, mas também da temperatura a que o ar primário é insuflado. Este é insuflado frio a uma temperatura constante. Assim, há situações em que o ar primário causa arrefecimento excessivo nos espaços servidos. Mais uma vez, este problema pode ser resolvido utilizando baterias de aquecimento nas unidades terminais.
Neste caso, e desprezando mais uma vez a função de filtração, o sistema é desacoplável, ou como foi referido tecnologicamente desacoplável. Sem baterias de reaquecimento o sistema é acoplado, situação em que o sistema não consegue cumprir a eficiência funcional relativa ao conforto térmico.
Ou seja, dos sistemas apresentados, devem ser escolhidos para implementação os sistemas com VCs por constituírem uma solução independente. Nas situações em que exista apenas arrefecimento com uma carga interna baixa, podem ainda ser utilizados os sistemas com tectos arrefecidos. Existem ainda várias variantes de sistemas com TA e com UI que são tecnologicamente desacopláveis por fixação de parâmetros. De acordo com a AP, poderão se implementados, mas os referidos parâmetros não poderão variar ao longo da vida do sistema. Mais ainda, estes sistemas serão mais influenciados por pequenas variações de parâmetros do que os sistemas independentes.
Analisou-se então os consumos de energia de um edifício com um sistema com VC. O consumo de energia no sistema de climatização depende do edifício em que se encontra
instalado. Por isso, começou por decompor-se a função associada ao consumo de energia no edifício.
Desta decomposição, concluiu-se que as características da envolvente devem ser definidas após a caracterização do uso do edifício. Além disso, o tipo de sistema de aquecimento de AQS deve ser definido após avaliação dos sistemas locais de produção de energia.
Simulando-se o comportamento de três edifícios, efectuou-se uma avaliação paramétrica, da qual se obtiveram as seguintes conclusões:
Existindo controlo de iluminação, a utilização de envidraçados neutros, em vez de coloridos, é uma medida de redução do consumo de energia;
A alteração da massa interna do edifício ou o aumento no isolamento da envolvente, relativamente aos valores usualmente adoptados, não contribuem para a redução do consumo de energia;
Aproveitando o arrefecimento gratuito, é possível duplicar o caudal de ar novo, melhorando as condições interiores, sem que haja aumento significativo do consumo de energia.
De seguida, avaliou-se o desempenho energético do sistema de climatização utilizado. Do mapeamento, verificou-se que os parâmetros usados para dimensionamento das instalações, ou sejam as perdas de carga e as temperaturas de operação das redes, têm influência em diversos requisitos funcionais.
Com base na simulação de um dos edifícios mencionados, fez-se, ainda, uma avaliação multi-variada a quinze parâmetros definidores de um sistema de climatização. Desta avaliação, obteve-se as seguintes conclusões:
A opção por caudal variável nos circuitos hidráulicos não tem uma expressão significativa na redução do consumo de energia;
A recuperação de calor na UTAN é um elemento que agrava o consumo de energia. A sua utilização deve ser associada a unidades com reduzida velocidade facial;
As UTAN devem utilizar caudal variável nos ventiladores, com um controlador que receba os valores medidos das necessidades de caudal. O consumo de energia nas UTAN é determinante para o consumo geral do sistema;
A recuperação total de calor no GPFC, vulgo chiller com recuperação total, é uma solução que contribui para o aumento do consumo de energia, ao contrário da recuperação parcial, que permite reduzi-lo;
Deve ser dada especial atenção à adaptação do GPFC a cargas parciais;
Aumentos da temperatura nos circuitos de água arrefecida só devem ser usados se não implicarem aumento de consumo da energia necessária à movimentação do ar.
Então, utilizando algumas das conclusões da avaliação efectuada, simularam-se em igualdade de circunstâncias os sistemas indicados. Para o efeito, construiu-se programas de avaliação do consumo de energia para cada um dos sistemas. Os menores valores de consumo de energia ocorrem nos sistemas com tectos arrefecidos. Estes sistemas permitem que um GPFC funcione a uma temperatura mais elevada, não tendo além disso consumo nas unidades interiores. Os sistemas com UI têm um consumo ligeiramente mais elevado, comparável ao dos sistemas com VC.
O arrefecimento gratuito motivado pelo elevado caudal de ar primário, contribui determinantemente para a eficiência energética dos sistemas com UI. Os sistemas VAV têm, geralmente, um maior consumo de energia.
Os sistemas devem ainda cumprir o segundo axioma da AP. Optou-se por analisar apenas as condições de qualidade do ar interior, como contributo para definir o caudal de ar novo necessário. A partir da normativa europeia, escolheu-se para aplicação deste axioma o sistema com VC, dado ser o único sistema independente que tem condições de cumprir todos os requisitos funcionais. No entanto, a avaliação efectuada é suficientemente genérica para poder ser aplicada a outros sistemas.
Para o efeito, estimaram-se as funções de desempenho com diversos caudais de ar novo e eficiências de filtração variáveis, utilizando implicações de lógica vaga. Utilizou-se três regras de implicação, baseadas na EN 13779. Determinou-se, com base nestas regras, os consequentes da implicação e, por agregação do conjunto dos consequentes, a função de pertença, f.p. Definiu-se ainda dois níveis de satisfação, superior a 80% e superior a 90%. Para estes níveis de satisfação e para a aplicação mais estrita da norma referida, obteve-se um caudal mínimo de 63 m3/h por 10 m2. Este valor pode ser confundido com o
caudal por pessoa, já que a área usada é típica da ocupação média num edifício de serviços. O nível de filtração exigido é o F7.
Propôs-se então um novo sistema de climatização. Este difere de um sistema comum com ventiloconvectores, por insuflar o ar novo às condições exteriores numa ampla gama de temperaturas. Este sistema foi aprovado pelo INPI como modelo de utilidade, registado com a referência MU 10211. Permite cumprir os requisitos de conforto térmico e de qualidade do ar em todas as zonas e em qualquer momento, tendo além disso um baixo consumo de energia.
Comparou-se este sistema com os restantes sistemas independentes ou desacopláveis, para os quais se impôs os novos requisitos de caudal de ar novo e nível de filtração, ou sejam respectivamente 63 m3/(h·ps) e filtros F7. Concluiu-se que o sistema MU com caudal
menor número de insatisfeitos com a qualidade do ar; os sistemas com VC e o MU apresentam os melhores resultados em termos de conforto térmico.