Sistema de Controlo

3.4.1 Introdução

Tal como referido no Capítulo 2, o setor dos edifícios está envolvido em duas grandes preocupações, no que diz respeito às alterações climáticas: o aquecimento global e a destruição da camada de ozono. Os edifícios são uma importante fonte de emissões de dióxido de carbono, seja diretamente (através do consumo de combustível, na produção de energia térmica, para aquecimento dos espaços e de AQS), ou indiretamente (pelo consumo de eletricidade na iluminação, ar condicionado, entre outros). Por essa razão existe uma grande urgência na redução dos consumos de energia neste setor [25].

Nesta ótica, os sistemas de controlo são essenciais para uma operação segura e eficiente da generalidade dos edifícios. Para além de ajudar a manter o interior de um edifício confortável, para os ocupantes, um sistema de controlo ajuda a manter uma instalação AVAC a operar de forma eficiente, garantindo que todo o sistema opera com segurança, evitando desperdícios de energia e permitindo estabelecer uma comunicação bidirecional com o pessoal encarregado da sua operação. A crescente ênfase na necessidade de redução de consumos de energia e de emissões de gases de efeito de estufa, faz com que este tipo de controlos tenha, cada vez, maior relevância [25].

Os desperdícios de energia num edifício podem ocorrer sob diferentes formas: • Controlo deficiente da temperatura interior do edifício;

• Utilização ineficaz dos ganhos internos de calor; • Ventilação excessiva;

• Baixa eficiência operacional do sistema AVAC; • Mau projeto e ou instalação defeituosa do sistema;

• Utilização desnecessária de iluminação artificial e de ar condicionado [25]. Os sistemas de controlo ajudam a solucionar cada uma das formas de desperdício mencionadas. Estas soluções serão abordadas no Capítulo 5 onde se descrevem as medidas implementadas.

Um sistema de controlo é constituído por três elementos básicos: um sensor, um controlador e um dispositivo controlado. O sensor mede as variáveis, como por exemplo temperatura, e transmite seu valor ao controlador. O controlador converte este valor num sinal de saída, que é transmitido ao dispositivo controlado, que por sua vez, faz alterar a carga saída e atua no sistema controlado [25].

Os sistemas de controlo, podem ser classificados em dois tipos: sistemas de malha aberta (open loop) e sistemas de malha fechada (closed loop). Os sistemas de malha aberta operam sem feedback, isto é, a operação do dispositivo controlado, é uma função do valor medido pelo sensor, mas este não resulta em nenhuma mudança na variável medida [25]. A título de exemplo, considera-se o caso do controlo da temperatura do ar, ilustrado na Figura 3.9. Uma das desvantagens destes sistemas de malha aberta, neste caso, é que não têm em consideração, as variáveis que podem afetar a temperatura do ar a jusante da bateria de

arrefecimento, como as variações no fluxo de ar ou da temperatura da água. Neste exemplo, o ar pode estar demasiado quente ou demasiado frio, resultando num desperdício de energia e até no desconforto dos ocupantes. Por esse motivo, as malhas de controlo abertas, são pouco utilizadas em sistemas AVAC [26].

Por outro lado, os sistemas de malha fechada, os mais utilizados em sistemas de climatização, funcionam com mecanismo de feedback. Neste caso, o controlador procura ajustar a variável, cujo valor está a ser medido pelo sensor, sendo os resultados dos seus ajustes, devolvidos sob forma de sinal de input ao controlador [26]. A Figura 3.10, ilustra um esquema de controlo de malha fechada. Neste caso, o controlador compara a temperatura do ar, que sai do permutador de arrefecimento, com a temperatura de set point e ajusta a válvula, para atender à temperatura desejada. Por outras palavras, o controlo de malha fechada é baseado diretamente na condição da variável controlada, como é o caso da temperatura de saída do ar neste exemplo. Desta forma, um circuito fechado providencia um controlo mais eficaz, resultando na utilização, mais eficiente de energia e maior conforto dos ocupantes. Por essa razão, o controlo de malha fechada é o mais utilizados em aplicações AVAC [26].

Figura 3.7 -Sistema de controlo da temperatura do ar, em malha aberta. Adaptado de [24].

Figura 3.8 - Sistema de controlo da temperatura do ar, em malha aberta. Adaptado de [24].

3.4.2 Modos de controlo

Relativamente aos sistemas de malha fechada, a forma como estes respondem à alteração de uma variável controlada, corresponde ao seu modo de controlo. Os modos de controlo básicos utilizados num sistema AVAC incluem, entre outros [26]:

• Controlo de duas posições on/off; • Controlo proporcional;

• Controlo Integral;

• Controlo proporcional e integral (PI);

• Controlo proporcional, integral e derivativo (PID) [26].

Controlo de duas Posições (On/Off)

Um controlador on-off, tem tipicamente dois estados, máximo ou mínimo, aberto, ou fechado, ou ligado e desligado (tal como o próprio nome indica). Neste modo de controlo, o controlador compara o sinal de entrada medido, com o valor de referência definido pelo utilizador (set point), emitindo de seguida, um sinal de resposta que chega ao dispositivo controlado. No que diz respeito ao controlo da temperatura do ar, por exemplo, um modo de controlo on-off, resulta numa constante variação da temperatura perto do set point e numa temperatura média geralmente a baixo do valor definido como referência. No sentido de reduzir essa variação, é comum definir-se um intervalo de valores, em torno do valor de referência da variável de controlo definida, designada banda diferencial ou banda morta, dentro do qual, o sinal de saída do controlador não varia. Esta funcionalidade é bastante útil, uma vez que confere estabilidade ao sistema de controlo. Por um lado, um diferencial reduzido, resulta numa menor variação da variável controlada, contudo pode levar a um aumento da frequência de comutação, o que pode causar o desgaste do sistema [26].

Controlo Proporcional

No controlo proporcional, a resposta do controlador é proporcional ao desvio da variável controlada em relação ao valor de referência (set point). Por outras palavras, o sinal de saída do controlador é proporcional à diferença entre o sinal de entrada (condição da variável controlada) e o Set point. O intervalo de valores, que corresponde ao intervalo de desvios em relação ao valor de set point é designado por banda de estrangulamento. No exemplo apresentado na Figura 3.11, quando o sistema de encontra na linha de set point mais 5 °C, a válvula encontra-se totalmente aberta; em oposição, na linha de set point menos 5 °C, a válvula encontra-se totalmente fechada. A linha central corresponde à posição de referência, onde a válvula se encontra 50% aberta. Quando a temperatura do ar, que sai da bateria de arrefecimento, sobe acima do ponto de referência (ponto A), a diferença entre a temperatura atual e o ponto de ajuste é de 4 °C. O controlador responde, sinalizando a abertura da válvula a

90%, aumentando a capacidade de arrefecimento da bateria. Embora o controlo proporcional seja estável, tem uma desvantagem que é a sua característica de deslocamento - o desvio. O desvio, é o deslocamento entre a variável controlada e o respetivo valor de referência. Uma vez que a posição da válvula é função do desvio de temperatura de set point, é necessário que esse desvio seja mantido, de modo a manter a posição atual da válvula. Assim, em condições estacionárias, um controlador proporcional produz um desvio ou erro de carga, o qual aumenta com o aumento da carga do sistema. Neste exemplo, a temperatura do ar que sai da bateria de arrefecimento, apenas corresponde ao set point, quando a válvula está aberta a 50%. Em todas as outras posições da válvula, o ar estará ou demasiado frio, ou demasiado quente. Este tipo de desvio, pode não ser aceitável em determinadas aplicações [26].

Controlo Integral

Isoladamente, o controlo integral é pouco utilizado, sendo geralmente combinado com outros modos de controlo, como é caso do controlo proporcional, dando origem ao controlo Proporcional e Integral (PI), este sim, amplamente utilizado. A inclusão da função integral do controlo, permite colmatar a característica de deslocamento, inerente ao controlo proporcional. A função derivativa permite responder, não apenas com base na magnitude do desvio em relação ao ponto de referência, mas também com base no tempo de duração do desvio. Em resposta a um desvio em relação ao ponto de referência, o controlo integral, altera continuamente o sinal corretivo enviado ao dispositivo controlado, devolvendo a variável controlada ao seu set point. O controlador apenas deixa de ajustar o sinal de controlo, uma vez que o desvio seja zero. A vantagem deste tipo de controlo, em relação ao anterior, é o facto de o primeiro ajustar a condição da variável controlada em direção ao set point, eliminando assim a característica de deslocamento. No entanto, muitas vezes, o controlo integral resulta no oscilar constante da variável controlada em torno do set point, tal como demonstrado na Figura 3.12, não atingindo um estado estacionário, nas condições de referência [26].

Figura 3.9 -Variação do sinal de saída do controlodor, em função do desvio da variável controlada, para o controlo proporcional. Adaptado de [24].

Controlo Proporcional e Integral

Tal como referido anteriormente, este tipo de controlo é amplamente utilizado em aplicações de AVAC. Seguindo a lógica do exemplo anterior, quando ocorre um desvio da variável, em relação ao valor de se tpoint, ambos os sinais, proporcional e integral, ocorrem simultaneamente. A componente proporcional proporciona uma resposta relativamente rápida ao desvio registado. Por outro lado, a componente integral permite ajustar a variável de controlo, de volta ao set point, eliminando a característica de deslocamento do controlo proporcional. Estes dois sinais são aditivos e encontram-se representados na Figura 3.13. A resposta de um sistema de controle PI pode ser ajustada alterando o ganho do sinal proporcional e do sinal integral. O ganho é um fator de ponderação, que determina o impacto, que cada uma dessas duas ações de controlo tem, na resposta resultante do controlador. Por essa lógica, se o ganho proporcional for maior que o ganho integral, o componente proporcional terá maior influência na resposta do controlador. A alteração desses ganhos para melhorar a resposta da malha de controle é chamada de sintonização da malha. Quando devidamente ajustado, o controlo PI revela ser de ação rápida, eliminando o erro de deslocamento, característico do controlo proporcional e reduzindo a quantidade de oscilação proveniente do controlo integral [26].

Figura 3.10 - Variação do sinal de saída do controlador, em função do desvio da variável controlada, para o controlo integral. Adaptado de [24].

Figura 3.11 - Variação do sinal de saída do controlador, em função do desvio da variável controlada, para o controlo PI. Adaptado de [24].

Controlo Proporcional, Integral e Derivativo

A ação derivativa proporciona um controlo de sinal proporcional à taxa de variação da variável controlada. Esta característica faz com que, na eventualidade de a variável controlada se aproximar rapidamente do ponto de referência, seja reduzida a ação de controlo, a fim de antecipar o facto de a variável estar prestes a atingir o valor desejado e atenuar assim o eventual sobressinal (overshoot). Esta é uma característica muito útil para os sistemas de inercia elevada. Esta ação nunca é utilizada de forma isolada, sendo combinada com as ações proporcionais e integrais [25]. Quando estas ações são sintonizadas convenientemente, os controladores PID, revelam-se muito eficazes na sua função. A Figura 3.14 ilustra o desvio de uma variável, em relação ao valor de set point, quando implementadas as diferentes ações de controlo [26]. Por forma a comparar os diferentes tipos de ações de controlo, apresenta-se na Figura 3.15, a variação da variável de controlo (temperatura neste caso), em relação ao set point, para as diferentes ações.

3.4.3 Arquitetura dos sistemas de controlo

Pretende-se agora analisar a forma como os diferentes componentes de um sistema de controlo se conectam, formando assim os sistemas de gestão de energia dos edifícios (Building

Management Systems, BMS). Os BMS abrangem uma ampla gama de sistemas de controlo,

desde controladores conectados ao equipamento que eles próprios controlam, até aos sistemas distribuídos em grande escala, estendendo-se por vários sítios ou até mesmo países [25].

Os primeiros sistemas de controlo eletrónico utilizavam sinais analógicos para transmitir a informação, entre as diferentes partes do sistema. Os controladores utilizavam por base amplificadores operacionais, hoje em dia substituídos pelos microprocessadores. Contudo, os controladores analógicos ainda fazem parte da constituição base dos sistemas de controlo de edifícios de pequenas dimensões. Cada controlador está ligado diretamente ao dispositivo controlado e executa uma única função, ou seja, um único loop de controlo. Vários sistemas de controlo independentes podem coexistir dentro de um edifício [25].

Figura 3.14 -Variação do sinal de saída do controlador, em função do desvio da variável controlada, para o

controlo PID. Adaptado de [24].

Figura 3.15 -Variação da variável de controlo em relação ao set point, para os diferentes tipos de

Com o desenvolvimento dos microprocessadores, surgiram os sistemas de controlo digital direto (Direct Digital Control – DDC). Nestes sistemas, a função do controlador é desempenhada por um programa de software, que pode ser escrito por forma a desempenhar qualquer tarefa de controlo desejada, podendo ser alterado a qualquer momento, por parte do programador, não sendo necessário alterações a nível do hardware. Os DDC possibilitam ainda, a integração de vários loops de controlo num só processador [25].

Os controladores DDC começaram por utilizar controladores centralizados, que incorporam toda a capacidade de processamento numa só unidade, designada por unidade central de processamento (Central Processing Unit, CPU). O CPU está conectado à interface do utilizador, designada por supervisor, que possibilita ao utilizador a monitorização do estado do sistema e a alteração dos parâmetros de controlo. Todos os sensores estão conectados ao CPU. Quando a distância entre os sensores e a unidade de central de processamento é grande, poderá ser necessário recorrer ao condicionamento do sinal. Este condicionamento resulta da combinação de um transdutor - que converte o ouput do sensor numa forma padrão; e de um transmissor que amplifica o sinal para ser transmitido, por fio, a longas distâncias. No controlador central, o sinal de entrada é condicionado por um cartão de entrada, e convertido em formato digital, através de um conversor analógico/digital, antes de ser enviado ao microprocessador para processamento. O sinal de saída do controlador, recebe o tratamento padrão inverso [25].

Uma das principais desvantagens deste tipo de sistemas é o facto de o aprovisionamento de cabo, para cada sensor e atuador, ser bastante caro. Para ajudar a colmatar este problema, foram introduzidas as designadas, estações locais, ou painéis de coleta de dados. Desta forma, os sensores e atuadores estão conectados às estações locais, que não possuem inteligência, isto é, estações que não desempenham nenhuma função de controlo, possuindo apenas capacidade de processamento de sinal. Por sua vez essas estações estão conectadas ao CPU, que está ligado à interface do utilizador. Apesar deste avanço, este tipo de instalações continua a ser vulnerável a uma eventual falha do CPU, o que automaticamente ditaria uma falha total do sistema. Nesse sentido, substituíram-se as estações locais sem inteligência, por estações locais com inteligência programáveis. Cada uma destas estações possui um microprocessador e é capaz de desempenhar funções de controlo local, operando em caso de eventual falha do CPU. A Figura 3.16 é um exemplo esquemático da arquitetura de um sistema deste género. Neste tipo de sistemas, a comunicação entre as estações locais e a central de supervisionamento, é efetuada através de redes locais (Local Area Network, LAN) e têm como principais funções monitorizar, reportar falhas, recolha de dados e alteração de parâmetros de controlo [25].

Como principais capacidades deste tipo de arquitetura destacam-se:

• Incorporação de funções de controlo em estações locais;

• Funcionamento independente do CPU por parte das estações locais; • A estação central pode alterar set points e outros parâmetros;

• Os dispositivos comunicam entre si via LAN ou outra, segundo determinados protocolos [25].

Ao nível da comunicação, um sistema de controlo de um grande edifício moderno, pode ser organizado numa estrutura hierárquica de tês níveis. Segundo o Comité Europeu para a Padronização (CEN) [25], os três níveis são:

• nível de gestão – comunicação entre supervisores;

• nível de automação – comunicação entre os controladores DDC e os dispositivos do nível seguinte;

•

.

Desta forma, as informações locais não são transmitidas para os níveis superiores, reduzindo, assim, tráfego no sistema. A comunicação com sensores e atuadores dá-se ao nível de campo. Controladores inteligentes atuam no nível de automação, bem como o supervisor principal, que tem acesso a todos os sistemas deste nível. O nível de gestão, tem acesso, às informações do nível de automação, assim como a uma ampla rede, através da qual troca informações de gestão, com sistemas independentes, localizados no mesmo ou em outros edifícios. As interfaces entre níveis têm a função de: (a) restringir a passagem do tráfego proveniente dos níveis inferiores, para os níveis superiores; (b) traduzir linguagens entre diferentes protocolos. O uso de protocolos de comunicação padrão permite que os dispositivos de diferentes fabricantes consigam comunicar uns com os outros, sendo exemplos destes protocolos o BACnet, LonTalk, DALI, entre outros [25].

Figura 3.12 - Arquitetura de um BMS, com estações inteligentes. Adaptado de [23].

4 Apresentação do Caso de Estudo

Esta tese surge no âmbito de uma auditoria realizada a um grande edifício de serviços, em maio de 2019, pela ESC consultores. Desta ação de consultoria resultou um conjunto de medidas, que por sua vez originaram um Caderno de Encargos. As medidas de eficiência energética, presentes neste caderno de encargos, foram implementadas e comissionadas durante o período de setembro de 2020 a outubro de 2020, sendo que algumas, por motivos vários, ainda não se encontram ativas. Como comissionamento funcional adicional, surge a presente dissertação, com a qual se pretende verificar se as medidas implementadas estão a produzir os resultados esperados.

O caso de estudo inicia-se com o presente capítulo, começando pela descrição do edifício, seguindo-se a descrição do sistema de climatização e respetivos equipamentos. Será também apresentado o sistema de controlo instalado no edifício e a capacidade instalada de monitorização dos consumos de energia.