EMLIA VILLANI

ABORDAGEM HBRIDA PARA MODELAGEM DE

SISTEMAS DE AR CONDICIONADO EM EDIFCIOS

INTELIGENTES

Dissertao apresentada EscolaPolitcnica da Universidade de SoPaulo para obteno do ttulo deMestre em Engenharia

So Paulo2000

EMLIA VILLANI

ABORDAGEM HBRIDA PARA MODELAGEM DE

SISTEMAS DE AR CONDICIONADO EM EDIFCIOS

INTELIGENTES

Dissertao apresentada EscolaPolitcnica da Universidade de SoPaulo para obteno do ttulo deMestre em Engenharia

rea de Concentrao:Engenharia Mecnica

Orientador: Paulo Eigi Miyagi

So Paulo2000

A meus pais Alberto e

Sonia e s minhas irms

Elvira e Anita.

Agradecimentos

Ao meu orientador Prof. Dr. Paulo Eigi Miyagi pela sua constante orientao e

permanente incentivo para o desenvolvimento deste trabalho.

Ao Prof. Diolino Jos dos Santos Filho e ao Prof. Newton Maruyama pelas

inmeras sugestes e contribuies realizadas durante o desenvolvimento do trabalho.

Ao Prof. Alberto Hernanez Neto pelo auxlio no que se refere parte trmica e ao

sistema de ar condicionado.

Ao grupo SED-SH pelo incentivo, discusses e contribuies.

Ao Grupo de Administrao dos Sistemas de Sade da FSP-USP e a

Superintendncia do HC-FMUSP, por possibilitarem a utilizao do PAMB como

estudo de caso.

A FAPESP pela bolsa-auxlio e pelas contribuies dos revisores.

Ao CNPq pelo suporte complementar s atividades do projeto.

A todos os colegas e funcionrios do Departamento de Engenharia Mecatrnica e

de Sistemas Mecnicos e do Departamento de Engenharia Mecnica da EPUSP, que

colaboraram direta ou indiretamente para este trabalho.

ii

ndice

Lista de Figuras .......................................................................................................................... iv

Lista de Smbolos........................................................................................................................ vi

Lista de Abreviaturas............................................................................................................... viii

1 Introduo........................................................................................................................... 1

1.1. Objetivos e Justificativas ............................................................................................. 1

1.2. Edifcios Inteligentes.................................................................................................... 2

1.2.1. Definio ................................................................................................................. 21.2.2. Caractersticas.......................................................................................................... 41.2.3. Integrao no EI....................................................................................................... 6

1.3. Conforto Trmico em Edifcios.................................................................................... 7

1.4. Organizao do texto................................................................................................. 10

2 Sistemas de Ar Condicionado em Edifcios .................................................................... 12

2.1. O sistema.................................................................................................................... 12

2.2. O Sistema de Ar Condicionado como Sistema Produtivo.......................................... 15

2.3. Tipos de Controle....................................................................................................... 19

2.4. O Sistema de Controle do Ar Condicionado em Edifcios Inteligentes ..................... 21

2.4.1. Caractersticas do Sistema de Controle Programvel ............................................ 212.4.2. Arquitetura do Sistema de Controle do Ar Condicionado..................................... 222.4.3. Controle de Zona ................................................................................................... 232.4.4. Controle de Sistema............................................................................................... 242.4.5. Controle de Operao ............................................................................................ 24

2.5. A integrao em Edifcios Inteligentes ...................................................................... 25

2.6. Tratamento de Perturbaes...................................................................................... 26

3 Classificao e Modelagem de Sistemas ......................................................................... 28

3.1. Sistemas a Eventos Discretos e Sistemas de Variveis Contnuas ............................ 28

3.2. Sistemas Hbridos ...................................................................................................... 30

3.3. Sistemas de Ar Condicionado em Edifcios Inteligentes............................................ 32

iii

3.4. Modelagem de Sistemas Hbridos.............................................................................. 34

3.5. Extenses de Redes de Petri para Modelagem de Sistemas Hbridos ....................... 35

4 Metodologia para Modelagem e Simulao do Sistema de Ar Condicionado............. 42

4.1. Definio das Estratgias .......................................................................................... 42

4.2. Construo dos Modelos ........................................................................................... 44

4.2.1. Modelagem do Sistema de Gerenciamento ........................................................... 454.2.2. Modelagem do Sistema de Ar Condicionado ........................................................ 504.2.3. Modelagem do Sistema de Controle Local............................................................ 564.2.4. Modelagem do Ambiente Interno.......................................................................... 574.2.5. Integrao dos modelos ......................................................................................... 58

4.3. Simulao dos modelos.............................................................................................. 59

5 Estudo de Caso.................................................................................................................. 64

5.1. O PAMB..................................................................................................................... 64

5.2. Definio das estratgias........................................................................................... 66

5.3. Construo do Modelo............................................................................................... 72

5.3.1. Modelagem do Sistema de Gerenciamento ........................................................... 725.3.2. Modelagem do Sistema de Ar Condicionado ........................................................ 835.3.3. Modelagem do Sistema de Controle Local.......................................................... 1095.3.4. Integrao de modelos ......................................................................................... 1135.3.5. Modelo do Ambiente ........................................................................................... 114

5.4. Simulao dos Modelos ........................................................................................... 119

6 Tratamento de perturbaes ......................................................................................... 126

6.1. Tipo de Interveno ................................................................................................. 126

6.2. Estratgia de Controle............................................................................................. 127

6.3. Modelagem do Tratamento de Perturbaes........................................................... 128

7 Concluses e Trabalhos Futuros ................................................................................... 136

Anexo 1 Redes de Petri Hbridas ........................................................................................ 139

Anexo 2 Redes de Petri Diferenciais (rede RPD)............................................................... 143

Anexo 3 - Rede Hbrida Orientada a Objetos (Hybrid Object Net) ................................... 145

Anexo 4 - Rede de Petri de Alto Nvel (HyNets) ................................................................... 148

Bibliografia .............................................................................................................................. 152

Apndice I Trabalhos Publicados ........................................................................................ I-1

iv

Lista de Figuras

Figura 1.1. Integrao de sistemas em EI. ....................................................................................................7

Figura 2.1. Esquema de um sistema de ar condicionado central. ...............................................................13

Figura 2.2. Diagrama do sistema de controle. ............................................................................................15

Figura 2.3. Exemplo de arranjo de pressurizao para controle de fumaa num EI. ..................................26

Figura 3.1. Exemplo de concepo hbrida de um sistema de ar condicionado de um EI. .........................33

Figura 4.1. Etapas gerais da metodologia. ..................................................................................................42

Figura 4.2. Detalhamento da etapa "Construo dos Modelos"..................................................................44

Figura 4.3. Elementos do PFS. ...................................................................................................................46

Figura 4.4. Exemplo de disparo de transio..............................................................................................47

Figura 4.5. Utilizao de arcos habilitadores (a) e inibidores (b) com pesos. ............................................48

Figura 4.6. Exemplos de refinamento de atividade e inter-atividade..........................................................49

Figura 4.7. Sistema de Gerenciamento. ......................................................................................................50

Figura 4.8. Utilizao do elemento inter-atividade como elemento armazenador (a) e distribuidor (b).....51

Figura 4.9. Utilizao da atividade de mistura (a) e distribuio (b). .........................................................52

Figura 4.10. Exemplo de sistema................................................................................................................52

Figura 4.11. PFS correspondente ao sistema da Figura 4.10. .....................................................................52

Figura 4.12. Modelo em rede PTD da atividade [Aquecimento]. ...............................................................55

Figura 4.13. Modelo em rede PTD de um controlador PID........................................................................56

Figura 4.14. Modelo em rede PTD de um processador de sinais contnuos. ..............................................57

Figura 4.15. Modelagem de eventos discretos no ambiente. ......................................................................57

Figura 4.16. Estrutura do modelo resultante. ..............................................................................................59

Figura 4.17. Etapas da simulao hbrida. ..................................................................................................61

Figura 5.1. Modelo em PFS das estratgias de controle para a zona 1. ......................................................73

Figura 5.2. Modelo em PFS das estratgias de controle para a produo de gua gelada. .........................74

Figura 5.3. Modelo em PFS das estratgias de controle para a produo de gua quente. .........................75

Figura 5.4. Detalhamento da atividade [Incndio - zona 1]........................................................................75

Figura 5.5. Detalhamento da atividade [Incndio em zona adjacente]. ......................................................76

Figura 5.6. Detalhamento da atividade [rea utilizada - zona 1]. ..............................................................77

Figura 5.7. Detalhamento das atividades [Aciona aquecimento na zona 1] e [Aciona resfriamento na zona1]. ......................................................................................................................................................78

Figura 5.8. Detalhamento da atividade [rea no utilizada - zona 1].........................................................79

Figura 5.9. Detalhamento da atividade [Reduo da produo de frio]......................................................80

Figura 5.10. Detalhamento da atividade [Entrada em manuteno - "Chiller" 1].......................................81

Figura 5.11. Detalhamento de atividades em Redes de Petri......................................................................81

Figura 5.12. Conexo entre estratgias de controle e operaes. ...............................................................82

vFigura 5.13. Sub-sistemas do ar condicionado do PAMB. .........................................................................84

Figura 5.14. Detalhamento da atividade [Produo de gua Gelada]. .......................................................85

Figura 5.15. Detalhamento da atividade [Produo de gua Quente]........................................................85

Figura 5.16. Detalhamento da atividade [Condicionamento do Ar - Subsistema 1]...................................86

Figura 5.17. Rede PTD - Bomba 1c. ..........................................................................................................92

Figura 5.18. Rede PTD - Vlvula 1c. .........................................................................................................93

Figura 5.19. Rede de Petri - "chiller" 1.......................................................................................................94

Figura 5.20. Rede PTD - Torre 1................................................................................................................96

Figura 5.21. Rede PTD - Aquecedor 1. ......................................................................................................98

Figura 5.22. Rede PTD - Ventilador de retorno 1r. ....................................................................................99

Figura 5.23. Esquema da caixa de mistura1. ............................................................................................101

Figura 5.24. Rede PTD - Caixa de mistura1.............................................................................................101

Figura 5.25. Rede PTD - Ventilador 1i.....................................................................................................103

Figura 5.26. Esquema da vlvula da serpentina de gua fria. ...................................................................104

Figura 5.27. Esquema da serpentina de resfriamento. ..............................................................................105

Figura 5.28. Rede PTD do controlador de resfriamento da zona 1...........................................................110

Figura 5.29. Modelo para reduo/aumento da retirada de carga trmica. ...............................................111

Figura 5.30. Modelo para determinao da necessidade de chavear controladores deaquecimento/resfriamento. ..............................................................................................................112

Figura 5.31. Exemplo de conexo entre modelos. ....................................................................................113

Figura 5.32. Exemplo de modelos em redes de Petri da ocorrncia de eventos discretos. .......................116

Figura 5.33. Exemplo de modelo construdo no simulador de Redes de Petri .........................................120

Figura 5.34. Evoluo no tempo da temperatura na zona. ........................................................................123

Figura 5.35. Evoluo no tempo da temperatura da gua na sada da serpentina. ....................................124

Figura 5.36. Evoluo no tempo da posio da vlvula............................................................................124

Figura 6.1. Tcnica de controle proposta para tratamento de perturbaes..............................................127

Figura 6.2. Modelo em rede PTD dos controladores considerando tratamento de perturbaes. .............129

Figura 6.3. Modelo em PFS considerando chaveamento de controladores. .............................................131

Figura 6.4. Detalhamento da atividade [Aumenta retirada de carga]. ......................................................132

Figura 6.5. Controle de variao da carga trmica. ..................................................................................132

Figura 6.6. Evoluo no tempo da temperatura no ambiente com e sem chaveamento............................134

Figura A.1.2. Elementos contnuos...........................................................................................................139

Figura A.1.3 Exemplo de modelagem de sistema contnuo......................................................................140

Figura A.1.4. Evoluo do sistema no tempo ...........................................................................................141

Figura A.1.5. Rede de Petri com velocidade varivel...............................................................................142

Figura A.2.2. Transio diferencial e lugar diferencial ............................................................................143

Figura A.2. 3. Exemplo de Rede de Petri Diferencial...............................................................................144

Figura A.3.1. Exemplo de Rede de Petri Hbrida Orientada a Objeto ......................................................146

Figura A.4.1. Disparo de transio discreta..............................................................................................149

Figura A.4.2. Exemplo de transio contnua...........................................................................................150

vi

Lista de Smbolos

A rea.

Abf1 abertura da vlvula.

c calor especfico.

cp calor especfico a presso constante.

e sinal de erro.

h entalpia da gua.

Hc funes de habilitao associadas s transies.

Ix sinal enviado pelo BMS referente a existncia de incndio na zona x.

Kp , Ki, Kd ganho proporcional, integral e derivativo.

m! vazo em massa.

Nv velocidade do ventilador.

P lugares (Redes de Petri).

Px sinal enviado pelo BMS referente a presena de pessoas na zona x.

Q calor, energia.

S sistemas de equaes diferenciais e algbricas associadas a rede.

Scaixa_x porcentagem de renovao parcial do ar para caixa de mistura da zona x.

Si sinal de habilitao da transio para incio da estratgia.

Sp set-point.

Sf sinal de habilitao da transio para inibio da estratgia.

t tempo.

T temperatura.

T transies (Redes de Petri).

U coeficiente de transferencia de calor por conveco.

UA coeficiente global de transferncia de calor.

vii

v vazo.

V sada do controlador (sinal de controle).

V0 parmetro de ajuste do off-set.

vol volume.

X vetor de variveis associadas a rede.

efetividade do trocador de calor.

densidade.

constante de tempo.

umidade.

viii

Lista de Abreviaturas

EI Edifcio Inteligente

BMS Building Management System

PFS Production Flow Schema

Rede PTD Rede de Petri Predicado Transio Diferencial

SED Sistema a Eventos Discretos

SVC Sistema de Variveis Contnuas

ix

Resumo

Dentro do conceito de Edifcio Inteligente, que tem como objetivo a otimizao da

infra-estrutura fsica e do ambiente em relao a aspectos de produtividade e

comportamentais, este trabalho apresenta uma metodologia para modelagem e

simulao de estratgias de gerenciamento de sistemas de ar condicionado onde

focaliza-se a integrao do ar condicionado com os demais sistemas de um edifcio.

Para tanto introduz-se uma abordagem hbrida onde so considerados aspectos de

Sistemas a Eventos Discretos e de Sistemas de Variveis Contnuas. Como estudo de

caso apresenta-se a modelagem do sistema de ar condicionado do Prdio dos

Ambulatrios do Hospital das Clnicas da Faculdade de Medicina de So Paulo, para o

qual se aplica o mtodo proposto para anlise do tratamento de perturbaes no sistema

de ar condicionado resultantes de variaes da carga trmica.

xAbstract

Considering Intelligent Buildings, which have as one of its purpose to improve its

structure and environment in order maximise the effectiveness of its occupants, this

work introduce a methodology for modelling and simulation of HVAC systems. The

focus is on the integration of the HVAC system with other building systems. A hybrid

approach is introduced to consider both discrete and continuous aspects. As case study,

we present the models for the Ambulatory Building of Hospital of the Medical School

of So Paulo University. Particularly, the proposed methodology is used to analyse if

the response of the HVAC system to thermal load variations can be enhanced,

improving the thermal comfort, when integration between systems is considered.

11 Introduo

1.1. Objetivos e Justificativas

Entre as diversas caractersticas dos chamados edifcios inteligentes, encontra-

se a disponibilizao de um ambiente prprio para o aumento da produtividade dos

usurio. Uma das condies fundamentais para atender esta especificao a garantia

do conforto trmico.

Por outro lado, o sistema de ar condicionado de um edifcio responsvel pela

manuteno das variveis ambientais trmicas, de modo a garantir as condies

adequadas para o conforto trmico. No edifcio convencional, o sistema de ar

condicionado opera independentemente de outros sistemas, como o de iluminao, de

controle de acesso, etc. Entretanto, considerando edifcios inteligentes, onde um sistema

de gerenciamento do edifcio responsvel pela integrao dos diversos subsistemas,

existe o acesso a informaes diretamente relacionadas operao do ar condicionado,

tais como fatores relacionados produo de calor, existncia ou no de ocupao, entre

outros. Atravs da utilizao e processamento destas informaes pode-se, por exemplo,

determinar qual a melhor atitude a ser tomada em relao ao sistema de ar

condicionado.

2Assim, o objetivo do presente trabalho o desenvolvimento de uma metodologia1

para modelagem e simulao de estratgias de gerenciamento de sistemas de ar

condicionado dentro do contexto de edifcios inteligentes. Desta forma busca-se

fornecer uma ferramenta para anlise da influncia das estratgias sobre o sistema de ar

condicionado e sobre o condicionamento dos ambientes. Focaliza-se as estratgias onde

ocorram interfaces com os demais sistemas do edifcio.

Para atingir o objetivo acima proposto utiliza-se uma abordagem hbrida onde

aspectos discretos e contnuos so considerados. Como aplicao da metodologia

desenvolvida, prope-se e simula-se o tratamento de perturbaes no sistema de ar

condicionado resultantes de variaes da carga trmica.

Apresenta-se a seguir o conceito de edifcios inteligentes, salientando-se o papel

da integrao de sistemas, e o conceito de conforto trmico, onde destaca-se a sua

importncia como elemento essencial no atendimento dos requisitos de um edifcio

inteligente e evidencia a necessidade de uma efetiva tcnica de modelagem e

simulao.

1.2. Edifcios Inteligentes

1.2.1. Definio

O termo "edifcio inteligente" (EI) foi utilizado inicialmente no final dos anos 70

com conotao comercial e publicitria. No entanto, nos anos subseqentes este termo

adquiriu uma nova dimenso agregando conceitos de engenharia no que se refere ao

projeto, construo e operao de edifcios [Arkin, 1997].

1 Por metodologia entende-se um conjunto de mtodos.

3Os EIs surgiram como o resultado de diversas transformaes e evolues

ocorridas na sociedade. A chamada era da informao foi um dos principais

direcionadores do crescimento da "inteligncia dos edifcios". A globalizao, o

desenvolvimento e a popularizao de tecnologias de comunicao e de processamento

de informaes deram origem a uma sociedade onde a capacidade e a habilidade de

acessar e processar informaes em alta velocidade tm muitas vezes um papel mais

significativo que a manufatura de bens. Tornou-se, ento, necessria a considerao

desta nova tecnologia no projeto e operao do edifcio, o que levou a introduo de

requisitos como flexibilidade, produtividade e segurana [Abramson, 1995; Kujuro &

Yasuda, 1993].

De acordo com [Finley & Kamae, 1993], o adjetivo inteligente uma simples

referncia ao alto grau de automao possvel atravs da integrao dos diversos

sistemas do edifcio. Outros nomes utilizados para EIs so edifcios espertos, edifcios

de alta tecnologia, edifcios integrados, edifcios automatizados [Kroner, 1997].

De acordo com [Becker, 1995], nos Estados Unidos, o IBI (Intelligent Building

Institute) define um EI como sendo aquele que permite a criao de ambientes

produtivos, atravs da otimizao de seus quatro elementos bsicos: estrutura, sistemas,

servios e gerenciamento, assim como o inter-relacionamento entre eles, ... a nica

caracterstica indispensvel a todos os EIs ter a estrutura projetada de tal modo a poder

acomodar modificaes convenientemente com mnimo custo.

Segundo [Maeda, 1993], no Japo, o IBSC (Intelligent Building Study

Committee) define que: o EI deve possuir: (a) um bom ambiente para as pessoas e os

equipamentos, (b) bom suporte para assegurar uma alta produtividade dos trabalhadores,

(c) boa segurana contra incndio, patrimonial e individual e, (d) operao altamente

econmica.

4De acordo com [Arkin & Paciuk, 1995], na Europa, o EIBG (European Intelligent

Building Group) define um EI como sendo aquele que cria um ambiente que permite s

empresas alcanarem os seus objetivos nos negcios e maximizar a produtividade de

seus ocupantes oferecendo simultaneamente uma utilizao eficiente de recursos com

um mnimo custo.

Para [Finley, Karakura & Nbogni, 1991] a inteligncia de um edifcio reside no

grau de facilidade que os ocupantes e administradores tm disponvel na realizao de

suas tarefas. Um edifcio altamente automatizado no pode ser considerado inteligente

se a automao no propiciar um ambiente que favorea a criatividade, a produtividade

e a troca de informaes, bem como a sade fsica e mental dos usurios. Do mesmo

modo, um edifcio ergonomicamente projetado, mas com falta de sistemas de

telecomunicao e computadores, tambm no pode ser chamado de inteligente.

O EI deve ter flexibilidade e modularidade para acomodar qualquer modificao,

fornecendo a base sobre a qual sero implementados outros desenvolvimentos no futuro.

Assim, o EI deve permitir ao proprietrio, ocupantes e administradores desfrutar de

novas tecnologias, introduzindo-as com um mnimo custo e sem considervel

interrupo nas atividades produtivas do ambiente de trabalho [Flax, 1991; Kroner,

1997].

1.2.2. Caractersticas

Os principais sistemas que compem um EI so [Flax, 1991]:

sistemas para gerenciamento e monitorizao do consumo de energia;

sistema de iluminao;

sistemas para controle de acesso;

sistemas de segurana;

5 sistemas de preveno contra incndio;

sistema de telecomunicaes;

sistema de automao de escritrios;

sistemas para gerenciamento de informaes;

sistemas de manuteno.

Entre as novas capacidades dos EIs, alguns exemplos so [Kroner, 1997]:

deteco da presena humana e/ou caractersticas de ocupao em qualquer parte do

edifcio, visando o controle de iluminao, aquecimento, ventilao e ar

condicionado, baseando-se em respostas pr programadas;

realizao de auto-diagnstico dos componentes dos sistemas do edifcio;

ativao otimizada de elevadores, escadas rolantes e outros sistemas de locomoo;

monitorizao da segurana e acionamento do sistema de alarme de incndio,

tratando prioritariamente as localidades onde existem ocupantes, no caso de

emergncia;

percepo da intensidade, ngulo da luz e radiao solar, temperatura e umidade,

para ajuste das propriedades do envoltrio do edifcio para atingir os nveis de

desempenho desejados;

reconhecimento de digitais ou outro meio de identificao biomtrica e controle de

acesso ao edifcio;

deteco de odores e poluentes para o controle da ventilao;

distribuio da energia eltrica aos equipamentos de acordo com a demanda ou de

acordo com a prioridade definida e ativao automtica de baterias e geradores de

reserva;

6 ativao de bancos de gelo ou bancos de calor quando as tarifas de consumo de

energia so menores;

1.2.3. Integrao no EI

De acordo com [Arkin & Paciuk, 1995] e com [Fujie & Mikami, 1991] a chave

para operao efetiva de um EI a integrao dos sistemas entre si, e entre os sistemas e

a estrutura do edifcio. No existem dvidas que integrao ou inter-conexo dos

sistemas, quando devidamente implementadas, melhoram a segurana e a robustez do

controle dos sistemas, e, ao mesmo tempo, reduzem os custos de operao. Tambm

amplamente sabido que a integrao dos sistemas uma parte vital do EI.

Em um edifcio convencional, o sistema de energia eltrica, de ar condicionado,

de iluminao, etc. operam independentemente. Consequentemente, o gerenciamento do

edifcio torna-se complicado no que se refere a satisfao de demandas conflitantes.

Entretanto, com a introduo de uma concepo integrada e abrangente que inter-

relacione os diversos sistemas, o edifcio pode responder em tempo real e com melhor

custo efetivo [Flax, 1991]. Pode-se ento definir um EI como a integrao de uma

ampla gama de servios e sistemas, cuja finalidade criar um ambiente que conduza a

uma maior criatividade, produtividade e segurana que nos edifcios convencionais

[Finley & Kamae, 1993].

De acordo com [Arkin & Paciuk, 1995] a integrao dos diversos sistemas em EIs

pode ser implementada em uma estrutura onde um Sistema de Gerenciamento do

Edifcio (Building Management System BMS) responsvel por compartilhar

informaes dos sistemas prediais em tempo real de modo a otimizar todos os controles

e atender aos requisitos de conforto do usurio, de eficincia energtica, entre outros

(Figura 1.1).

7Figura 1.1. Integrao de sistemas em EI.

1.3. Conforto Trmico em Edifcios

O homem um animal homeotrmico. Seu organismo mantido a uma

temperatura interna aproximadamente constante, da ordem de 37C. A manuteno da

temperatura interna relativamente constante, em ambientes cujas condies termo-

higromtricas so as mais variadas e variveis, se faz por intermdio de seu aparelho

termorregulador, que comanda a reduo ou o aumento das perdas de calor pelo

organismo atravs de alguns mecanismos de controle [Jabardo, 1984].

O organismo do homem gera energia atravs do metabolismo. Parte desta energia

transformada em trabalho e o restante transmitido ao ambiente atravs dos seguintes

mecanismos: conveco, radiao, evaporao por difuso e atravs da transpirao, e

respirao [Jabardo, 1984].

O homem experimenta a sensao de conforto trmico quando, sem recorrer a

nenhum mecanismo de termorregulao, est em equilbrio trmico, ou seja, perde para

o ambiente a mesma quantidade de calor produzida pelo seu metabolismo. A

termorregulao, apesar de ser o meio natural de controle de perdas de calor pelo

organismo, representa um esforo extra e, por conseguinte, uma queda da

potencialidade de trabalho [Frota & Schiffer, 1988].

Sistema de ArCondicionado

Sistema deControle de

Acesso

Sistema deIluminao

Sistema deGerenciamento

do Edifcio

8De acordo com a norma ASHRAE 55-64, conforto trmico para uma pessoa

pode ser definido como "a satisfao com o ambiente trmico onde ela se encontra", que

significa que a pessoa em questo no prefere um ambiente mais frio ou mais quente

[Fanger, 1972].

Nesse sentido, o desempenho durante qualquer atividade fsica ou mental pode ser

otimizado, desde que o ambiente propicie condies de conforto, sendo esse o objetivo

primeiro dos sistemas de controle ambiental [Jabardo, 1984].

O ambiente trmico constitudo principalmente pelos seguintes parmetros:

temperatura do ar, que influencia a troca de calor por conveco;

temperatura radiante mdia (temperatura das paredes e superfcies), que influencia a

troca de calor por radiao;

velocidade relativa do ar, que influencia a troca de calor na conveco forada;

presso de vapor do ambiente ou umidade, que influencia a troca de calor por

respirao e por evaporao de gua e suor.

Aliado a estes fatores ambientais, a troca de calor do homem com o ambiente

tambm influenciado por outros fatores, como por exemplo:

metabolismo, com a produo interna de calor do corpo;

resistncia trmica das roupas, que gera uma resistncia a troca de calor por

conveco.

Assim, importante determinar quais as combinaes das variveis acima que

levam ao conforto trmico do homem. Dois mtodos so utilizados atualmente. O

primeiro mtodo, sugerido pela [ASHRAE, 1997], baseado em experincias onde

pessoas so submetidas a diversas condies votando em relao a sua sensao

trmica. O segundo mtodo, proposto por [Fanger, 1970], consiste em equacionar a

9troca de calor do homem com o ambiente, introduzindo condies de conforto

fisiolgicas da temperatura da pele e da quantidade de suor e transpirao.

Resumidamente, a ASHRAE considera, para os climas mais quentes, 25C como

temperatura tima, podendo variar entre 23 e 27C, sendo que estes valores so

aplicveis para velocidade do ar de 0,5 m/s, umidade relativa entre 40 e 60%,

vestimenta de meia estao, pessoa sentada, ocupao sedentria e temperatura radiante

mdia igual a temperatura do ar.

Outro aspecto importante a respeito das condies trmicas a salubridade do

ambiente. Neste sentido os principais fatores a serem considerados so a temperatura, a

umidade e a quantidade de ar exterior introduzida no ambiente. Esta preocupao

recente e causou a reduo da faixa aceitvel de umidade para os 40-60% citados

anteriormente [Hansen, 1991].

De acordo com outros estudos, altas temperaturas podem afetar a acuidade mental

e so relacionadas ao aparecimento de alguns sintomas de SBS (Sick Building

Sintomys). Aquecimento ou resfriamento inadequados ou no uniformes podem

contribuir para o aumento da sensibilidade dos ocupantes a contaminantes, pois altas

temperaturas e umidade aceleram a liberao de componentes orgnicos volteis, como

formaldedos, de materiais do edifcio e moblias [Hansen, 1991].

Com a diminuio da umidade, aumenta o ressecamento interno do nariz,

diminuindo a quantidade de muco, o que favorece a entrada de microorganismos.

Fungos, caros e alguns tipos de vrus, como os da gripe, sobrevivem melhor em

ambientes secos. Outros vrus, como o da poliomielite, preferem ambientes muito

midos. Altos teores de umidade, acima de 70%, favorecem a proliferao de bactrias.

Um baixo teor de umidade causa ressecamento da pele, favorece a quebra de fibras de

carpetes e mveis, aumentando o nmero de partculas suspensas. O teor de umidade

10

mais favorvel ao homem de 50%, onde diminui a incidncia de doenas respiratrias

[Hansen, 1991].

A ventilao tambm um aspecto importante, pois auxilia a retirada de

contaminantes expelidos por mveis e pelo prprio edifcio, entretanto necessrio que

o ar externo seja de boa qualidade.

As consideraes acima salientam, portanto, o papel do conforto trmico como

elemento importante na obteno do bem estar dos usurios do edifcios e,

conseqentemente, no aumento da produtividade, auxiliando a atingir os objetivos

propostos para o edifcio inteligente.

1.4. Organizao do texto

O Captulo 2 apresenta as principais caractersticas do sistema de ar condicionado,

bem como do seu sistema de controle, focalizando a interface com outros sistemas do

edifcio.

O Captulo 3 apresenta um breve estudo sobre sistemas a eventos discretos,

sistemas de variveis contnuas e sistemas hbridos. A partir deste estudo considera-se o

sistema de ar condicionado como hbrido. Apresenta-se, ento, algumas tcnicas de

modelagem para sistemas hbridos, analisando-as no que se refere a sua adequabilidade

para modelagem do sistema de ar condicionado.

O Captulo 4 apresenta a metodologia desenvolvida para modelagem e simulao

de estratgias de controle do sistema de ar condicionado.

O Captulo 5 apresenta um estudo de caso, onde aplica-se a metodologia

desenvolvida para o Prdio dos Ambulatrios do Hospital das Clnicas da Faculdade de

Medicina da Universidade de So Paulo.

11

O Captulo 6 discute-se o tratamento de perturbaes no sistema de ar

condicionado, considerando o contexto de EI e a metodologia proposta.

O Captulo 7 apresenta as observaes finais e as principais concluses obtidas,

bem como sugestes para realizao de trabalhos futuros.

12

2 Sistemas de Ar Condicionado emEdifcios

Devido a crescente urbanizao e industrializao da sociedade, as pessoas esto

despendendo cada vez mais tempo em ambientes interiores, climatizados artificialmente

atravs de sistemas de ar condicionado. Neste contexto, a principal finalidade do

sistema de ar condicionado o conforto trmico [Fanger, 1986].

Neste captulo apresenta-se as principais caractersticas do sistema de ar

condicionado, seus componentes e seu modo de operao. Aborda-se ainda seu sistema

de controle, apresentando a estrutura para a sua integrao com outros sistemas do EI.

2.1. O Sistema

As principais funes de um sistema de ar condicionado so resfriar, aquecer,

umidificar, desumidificar, purificar e distribuir o ar condicionado adequadamente de

modo a garantir condies de conforto e sade para os usurios do ambiente.

Um sistema de ar condicionado pode ser divididos em trs sistemas principais, o

primeiro responsvel pela produo de frio, o segundo responsvel pela produo de

calor e o ltimo responsvel pela distribuio do frio e/ou calor atravs do

condicionamento do ar [Carrier, 1950; McQuiston & Parker, 1994; Stocker, 1985]. Um

exemplo de sistema de ar condicionado apresentado no esquema da Figura 2.1 e seu

modo de operao apresentado a seguir.

13

Figura 2.1. Esquema de um sistema de ar condicionado central.

Produo de Frio

A produo de frio geralmente realizada em chillers, onde um fluido

resfriado. Este fluido pode ser um lquido ou um gs e comumente chamado de

refrigerante. O fluido refrigerante ento bombeado at as unidades de

Torre de resfriamento

Aquecedor

Ventilador deinsuflamento

damper

Serpentina deresfriamento

damper

Serpentina deaquecimento

damper

Ventiladorde retorno

Filtro

Bomba

Bomba

Chiller

Ar p/ oambiente

Ar doambiente

Ar p/ oexterior

Ar doexterior

Caixa de mistura

P/ outrasunidades

P/ outrasunidades

Produo de Frio

Produo de Calor

Distribuio de frio/calor

Trocador de Calor

Condicionamento do Ar

Vlvulas

Bomba

14

condicionamento do ar onde, atravs de um trocador de calor, recebe o calor do ar a ser

resfriado.

No chiller ocorre a retirada de calor do refrigerante aquecido nas unidades de

condicionamento, este calor deve ento ser devolvido atmosfera. Alguns chillers

liberam calor diretamente para o ar, outros o transmitem para gua que bombeada at

as torres de resfriamento, onde o calor liberado para a atmosfera exterior.

Produo de Calor

A produo de calor realizada de modo semelhante. No boiler, ou aquecedor,

ocorre o aquecimento do fluido, geralmente gua, que transmitir o calor. A gua quente

bombeada at as unidades de condicionamento onde trocar calor com o ar do

ambiente a ser condicionado.

Condicionamento do Ar

Quanto ao condicionamento do ar, este realizado em diversas unidades de

condicionamento que podem estar espalhadas pelo edifcio. Neste subsistema o ar

retirado do ambiente condicionado atravs de um ventilador. Uma parcela deste ar

renovada atravs da sua substituio por ar da atmosfera exterior. A quantidade de ar a

ser renovada e a quantidade de ar exterior a ser enviada ao ambiente so determinadas

na caixa de mistura. O ar a ser condicionado ento conduzido para a unidade de

condicionamento, onde filtrado e, posteriormente, resfriado ou aquecido, retornando

ento ao ambiente condicionado.

Um dos principais aspectos do sistema de ar condicionado a disposio das

zonas a serem condicionadas. Uma zona um espao condicionado sobre o controle de

um nico sensor de temperatura. Considera-se, portanto, que a temperatura no interior

15

da zona uniforme. Entretanto, edifcios comerciais geralmente no apresentam zonas

com comportamento uniforme, se considerados, por exemplo, os casos onde existe

produo localizada de calor causada, por exemplo, por mquinas, luminrias, etc.

Existem diversas variaes para sistemas de ar condicionado em relao ao

exemplo apresentado. Alguns sistemas operam controlando a temperatura do ambiente

condicionado variando a quantidade de ar insuflado, so os chamados sistemas VAV

(Volume de Ar Varivel). Outras variaes referem-se ao sistema de distribuio

trmica, ao nmero de zonas atendidas, aos equipamentos presentes no sistema, entre

outras coisas. Maiores informaes podem ser encontradas em [Carrier, 1950;

McQuiston & Parker, 1994; Stocker, 1985].

2.2. O Sistema de Ar Condicionado como Sistema Produtivo

Considerando o sistema de ar condicionado como um sistema produtivo, onde o

produto final o ar condicionado, pode-se adotar o modelo apresentado na Figura 2.2

[Miyagi, 1996], para a classificao das diversas partes do sistema de ar condicionado.

Figura 2.2. Diagrama do sistema de controle.

Dispositivo deComando

Dispositivo deMonitorao

Dispositivode Realizao do Controle

Dispositivo deAtuao

Dispositivo deDeteco

Operador/Usurio

Ar condicionado

Ar do exteriorAr do ambiente

Dispositivo de Controle

Sistema de Controle

Objeto deControle

16

Objeto de Controle

O objeto de controle no caso do ar condicionado so os fluxos de gua quente e

fria e o fluxo de ar enviado ao ambiente a ser condicionado, dos quais deseja-se

controlar propriedades como temperatura, vazo, entre outras.

Dispositivos de Atuao

Os dispositivos de atuao so responsveis pela modificao do estado do objeto

de controle a partir do sinal recebido pelo dispositivo de realizao do controle.

Os principais dispositivos de atuao do sistema de ar condicionado so:

vlvulas das serpentinas: geralmente, so do tipo de trs vias e, atravs do desvio de

parte da gua quente ou fria fornecida as serpentinas, modificam a temperatura do ar

que escoa atravs das serpentinas;

vlvulas de bloqueio: so utilizadas, entre outras coisas, para bloquear o fluxo

atravs de chillers e aquecedores quando estes so desligados;

ventiladores: so responsveis pelo transporte do ar e pela regulagem da presso e

vazo nos dutos;

dampers: so registros que regulam a passagem do ar, so utilizados na caixa de

mistura, onde so responsveis pelo ajuste da proporo de ar exterior e de ar de

retorno enviada s serpentinas, e para regular a quantidade de ar insuflado em

sistemas VAV;

umidificadores: aumentam a umidade do ar em sistemas com controle de umidade;

bombas: so responsveis pelo transporte da gua atravs do edifcio;

aquecedores: realizam o aquecimento da gua, geralmente operam com fluxo de

gua constante e fornecem gua a uma temperatura constante pr-determinada;

17

chillers: so responsveis pelo resfriamento da gua, geralmente operam com

fluxo de gua constante e fornecerem gua a uma temperatura constante pr

determinada;

torres de resfriamento: so responsveis por liberar para a atmosfera exterior o calor

retirado pelos chillers;

Dispositivos de Deteco

Os dispositivos responsveis pela deteco do estado do sistema so os sensores

e/ou transdutores. O sensor o componente do sistema responsvel pela realizao da

medida das variveis de controle.

Os principais sensores utilizados no sistema de ar condicionado so:

sensores de temperatura: podem ser utilizados para medir a temperatura do ar nas

zonas, no fluxo de ar de retorno, no fluxo de ar de insuflamento, e a temperatura da

gua quente e da gua gelada que distribuda pelo edifcio, bem como da gua que

retorna aos chillers e aquecedores;

sensores de umidade: tambm chamados de higrmetros, so utilizados para medir a

umidade nas zonas em sistemas com controle de umidade;

sensores de presso: so utilizados em sistemas do tipo VAV, para determinar a

velocidade dos ventiladores;

sensores de fluxo: so utilizados em alguns edifcios para a regulagem da velocidade

dos ventiladores de retorno, principalmente em zonas prximas a portas externas.

Dispositivo de Comando

Nos sistemas de ar condicionado os dispositivos de comando geralmente se

encontram espalhados nos diversos ambientes e variam de acordo com o tipo de

18

sistema, englobando botes e chaves para a interface do usurio/operador com o sistema

de ar condicionado.

Em sistemas automatizados, os equipamentos tambm podem ser comandados via

interface com o computador, atravs de teclados, ou via aparelhos de telefone.

Dispositivo de Monitorizao

A monitorizao realizada atravs de sinalizadores e mostradores nos

equipamentos e/ou nos diferentes ambientes condicionados. Para o caso de sistemas

microprocessados a interface pode ser realizada atravs de CRTs (Cathode Ray Tubes)

e/ou monitores/mostradores digitais.

Dispositivo de Realizao do Controle

Os dispositivos de realizao do controle, ou controladores, recebem os sinais dos

dispositivos de deteco e dos dispositivos de comando (da parte dos usurios e

operadores), comparam com o valor desejado (set point) e/ou processam os dados, e

enviam os sinais de sada para os dispositivos de atuao e de monitorizao (para os

usurios e operadores).

No sistema de ar condicionado os controladores podem ser de diferentes tipos:

eletro-mecnicos, digitais, analgicos, etc. Entretanto, no contexto de EI e em funo do

atual estado-da-arte da informtica, considera-se aqui apenas os controladores

programveis.

Os sistemas com controladores programveis, realizam o controle via software.

Este tipo de controle tambm chamado de controle digital direto (Direct Digital

Control - DDC). Segundo [ASHRAE, 1991], o controlador digital direto recebe sinais

eletrnicos dos dispositivos de comando e dos dispositivos de deteco, converte os

sinais eletrnicos em variveis digitais e realiza operaes lgico-matemticas no

19

processador. A sada do computador na forma de variveis digitais que so

convertidas para sinais adequados que operam os dispositivos de atuao e os

dispositivos de monitorizao....

2.3. Tipos de Controle em Sistemas de Ar Condicionado

Os sistemas de controle em sistemas de ar condicionado so geralmente

classificados segundo o tipo de ao corretiva gerada em resposta a uma alterao da

varivel de controle. Os principais tipos so apresentados a seguir.

Controle ON OFF

Neste tipo de sistema de controle o dispositivo de atuao pode assumir somente

duas posies, ou seja, um estado mximo e outro mnimo, ou ligado e desligado.

Controle de passo (Step Control)

Este controladores consistem em mltiplos dispositivos de duas posies que so

acionados sucessivamente de acordo com a necessidade, na tentativa de se obter um

efeito mais prximo a um controle proporcional.

Controle Proporcional

Neste caso o dispositivo de controle atua proporcionalmente diferena (erro)

entre o valor medido da varivel de controle e o set point desejado. Um controlador

proporcional pode ser descrito pela Equao 1:

op VeKV += (1)

onde V = sada do controlador (sinal de controle);

Kp = ganho proporcional;

e = sinal de erro;

20

Vo = parmetro de ajuste do off-set.

Controle Proporcional e Integral (PI)

Neste tipo de controle um novo termo relacionado integral do erro adicionado

expresso do controle proporcional visando obteno de melhores resultados.

O controle proporcional-integral pode ser representado pela Equao 2:

oip Vdt.eKeKV ++= (2)onde Ki = ganho integral;

t = tempo.

Este novo termo introduzido faz com que quanto maior for o perodo durante o

qual o erro existir, maior ser o valor da sada do controlador na tentativa de eliminar o

erro.

Controle Proporcional-Integral-Derivativo (PID)

Neste tipo de controle uma nova parcela adicionada ao controle PI. A finalidade

deste termo derivativo fornecer ao de controle um carcter antecipatrio

decorrente da forma de variao do erro. A expresso deste sistema fornecida na

Equao 3:

odip Vdt

deKdt.eKeKV +++= (3)

onde Kd = ganho derivativo;

de/dt = derivada do erro em relao ao tempo.

No entanto, a adio do termo derivativo tambm faz com que o controlador seja

sensvel a rudos, assim, a maioria das malhas de controle dos sistemas de ar

21

condicionado obtm, na prtica, resultados mais satisfatrios com um controlador do

tipo PI.

Controle Adaptativo

O controle adaptativo monitora as variveis do sistema e busca a melhoria do

desempenho atravs do ajuste dos parmetros do controlador. O mtodo utilizado para a

modificao dos parmetros varia de acordo com o algoritmo do controle e com o

critrio de otimizao. Alguns critrios so a melhoria do tempo de resposta, a

diminuio do consumo de energia, entre outros.

Tcnicas de controle inteligente

Alm das tcnicas de controle tradicional apresentadas acima, so tambm

utilizadas em sistemas de ar condicionado tcnicas de controle derivadas de inteligncia

artificial como fuzzy, algoritmos genticos, redes neurais, etc.

So encontrados tambm exemplos de aplicao combinada destas tcnicas.

2.4. O Sistema de Controle do Ar Condicionado em Edifcios

Inteligentes

Os requisitos de EI envolvem alta flexibilidade e grande capacidade de

processamento de diferentes informaes, assim, os dispositivos de controle do sistema

de ar condicionado so predominantemente do tipo programvel

2.4.1. Caractersticas do Sistema de Controle Programvel

Entre as principais vantagens dos sistemas de controle programvel destacam-se:

Baixo custo por funo: o custo de microprocessadores, memrias e perifricos est

constantemente em declnio, diminuindo o custo de hardware do sistema. Tambm

22

possvel implementar um maior nmero de estratgias de controle, mais sofisticadas

e eficientes.

Flexibilidade: modificaes nas seqncias de controle podem ser facilmente

implementadas atravs de alteraes no software utilizado.

Preciso: uma maior preciso conseguida atravs de algoritmos de controle mais

efetivos.

Confiabilidade: controladores digitais permitem a incorporao de subrotinas para

auto-diagnstico, de modo a aumentar a segurana e a confiabilidade do sistema.

2.4.2. Arquitetura do Sistema de Controle do Ar Condicionado

O sistema de controle de ar condicionado em edifcios geralmente dividido em

duas partes: controle de zona e controle de sistema.

Os controladores de zona controlam as unidades terminais que realizam o

aquecimento ou resfriamento aos ambientes, como por exemplo: unidades terminais

VAV, fan-coils, equipamentos para controle da pressurizao do ambiente, etc.

Os controladores de sistema so de maior capacidade de tratamento de dados. Eles

so responsveis pelo controle de equipamentos centrais como chillers, aquecedores e

unidades centrais de suprimento do ar para sistemas VAV.

Evidentemente, a automao dos edifcios envolve a integrao das diversas

partes do sistema de ar condicionado, assim como a integrao com os demais sistemas

do edifcio.

Os diversos controladores devem ser integrados, compartilhando informaes e

atuando de modo coordenado. Esta estrutura envolve um novo nvel de controle, o

controle de operao, onde realizada a interface com os operadores do sistema.

23

Com a integrao entre os diversos sistemas de um edifcio, so introduzidas, no

controle de operao, funes de integrao de sistemas para permitir o interfaceamento

com outros sistemas do edifcio, gerenciando o sistema de ar condicionado de acordo

com a ocorrncia de eventos nestes sistemas. Tem-se assim, como resultado, a

introduo no topo desta hierarquia do sistema de gerenciamento do edifcio (BMS

Building Management System), responsvel, entre outras coisas, pela transmisso de

dados entre os nveis de operao dos diversos sistemas do edifcio.

2.4.3. Controle de Zona

O controle de zona responsvel pelo controle das propriedades da zona

condicionada, como temperatura e umidade. Este sistema apresenta diversas

configuraes em funo do tipo de sistema de ar condicionado.

Em sistemas do tipo VAV, o controle da posio dos dampers de insuflamento

realizado em funo da temperatura do ambiente e geralmente do tipo proporcional.

Para sistemas com volume de ar constante, o set-point de temperatura de

insuflamento do ar determinado atravs de um controlador do tipo P ou PI em funo

da temperatura do ambiente. Um segundo controlador controla as vlvulas que regulam

a vazo de gua quente e fria nas serpentinas de acordo com o set-point desejado para

temperatura de insuflamento.

Os dampers da caixa de mistura podem ter posies pr-definidas, neste caso

possvel apenas o chaveamento entre algumas configuraes. Outra opo encontrada

aquela onde a posio dos dampers da caixa de mistura modificada continuamente

visando o fornecimento do ar a temperatura constante. O controle realizado geralmente

do tipo PI.

24

Controladores tambm podem ser utilizados para o controle da umidade no

ambiente, atravs do umidificador, e para o controle da presso nos dutos e no

ambiente, atravs da variao da velocidade dos ventiladores.

2.4.4. Controle de Sistema

Em sistemas onde o ar aquecido centralmente e distribudo para diversas zonas,

a ao de aquecimento ou resfriamento do ar realizado em funo da temperatura de

insuflamento, que segue um determinado set-point. Controladores do tipo P ou PI

controlam as vlvulas que regulam a vazo de gua quente e fria nas serpentinas. A

determinao do set-point realizada em funo das temperaturas nas diversas zonas

por um controlador do tipo proporcional.

O controle do conjunto de chillers e aquecedores geralmente consiste em

desligar ou ligar chillers, aquecedores e bombas de acordo com a necessidade. Em

chillers de mltiplos compressores pode-se ainda desligar/ligar compressores,

obtendo a operao do chiller para cargas intermedirias.

2.4.5. Controle de Operao

O controle de operao tem o papel de um sistema supervisor do sistema de ar

condicionado. Entre suas funes encontram-se:

funes para limitar o acesso e operao do sistema de ar condicionado somente

pessoas autorizadas;

funes de formatao de dados, funes grficas e funes para elaborao de

relatrios;

funes de gerenciamento de manuteno para organizar e gerar automaticamente

ordens para manuteno de equipamentos baseando-se no programa de utilizao do

25

edifcio, no histrico do equipamento ou em calendrios pr-definidos pelos

fornecedores;

funes de programao para permitir aos operadores programarem remotamente os

controladores de sistema e de zona;

funes de integrao para permitir o interfaceamento com outros sistemas como de

segurana e de controle contra incndio, gerenciando o sistema de ar condicionado

de acordo com a ocorrncia de eventos nos outros sistemas, etc.

funes para acionar ou desligar equipamentos centrais de aquecimento ou

resfriamento de gua de acordo com a necessidade.

2.5. A integrao em Edifcios Inteligentes

A integrao do sistema de ar condicionado com outros sistemas visa,

evidentemente, a otimizao do modo de operao do edifcio.

A integrao deve ocorrer entre diferentes sistemas e com diversas intensidades.

Um dos tipos de integrao mais comumente considerado refere-se a integrao com o

sistema de gerenciamento contra incndio.

Em caso de incndio, uma vez acionado um determinado detetor de fumaa, o

sistema de ar condicionado deve evitar que a fumaa seja levada a outras zonas. Para

tanto o damper de retorno da referida zona deve ser fechado, enquanto que os

dampers de sada de ar e entrada de ar externo devem ser abertos.

Outra medida a ser tomada a despressurizao da zona onde foi detectado

fumaa e a pressurizao das zonas vizinhas, de modo a evitar a difuso da fumaa.

A Figura 2.3 apresenta um exemplo de modificao da presso nas zonas em caso

de incndio. Nesta figura cada bloco representa uma zona. As zonas com sinais

negativos indicam diminuio da presso e so aquelas onde foi detectada fumaa. As

26

zonas com sinais positivos indicam aumento da presso e so as zonas adjacentes

quelas onde foi detectada fumaa.

Figura 2.3. Exemplo de arranjo de pressurizao para controle de fumaa num EI.

Outro exemplo de integrao aquela com o sistema de controle de

presena/controle de acesso, de modo a reduzir ou desligar o ar condicionado em reas

no ocupadas, minimizando o consumo de energia.

Pode-se considerar tambm a integrao com o sistema de manuteno, para o

gerenciamento da manuteno dos equipamentos do sistema de ar condicionado, bem

como com sistemas de comunicao, para obteno de previses do tempo que possam

auxiliar no controle dos equipamentos de produo de gua gelada ou quente.

Os dados referentes a outros sistemas so transmitidos atravs do BMS,

responsvel tambm por disponibilizar os dados do sistema de ar condicionado para

outros sistemas.

2.6. Tratamento de Perturbaes

Para o sistema de ar condicionado, modificaes ou distrbios na carga trmica

correspondem a modificaes na varivel de controle que causam alteraes no

processo de condicionamento. A magnitude, a freqncia e a durao dos distrbios

-

-

+

+

+ ++

+

+

+ + +

Corte verticalCorte horizontal

-+

++ + +

+++

27

alteram o equilbrio entre a entrada e resposta do sistema de controle do ar

condicionado. Estes distrbios podem ser interpretados como perturbaes que influem

no desempenho do ar condicionado.

Em sistemas de ar condicionado observa-se que existe um atraso intrnseco entre a

ocorrncia da perturbao e o momento em que o sistema de ar condicionado comea a

responder a esta perturbao [Honeywell, 1995]. Uma razo para este atraso no controle

de sistemas de ar condicionado que uma modificao na carga trmica no gera uma

alterao instantnea das variveis envolvidas. Ao se introduzir uma nova fonte de

calor, esta aquece inicialmente o ar ao seu redor, em seguida este calor transmitido ao

restante do ambiente, at atingir o sensor. Finalmente tem-se tambm o atraso do

prprio sensor, que demora um certo tempo para alterar suas propriedades e transmitir a

informao para o sistema de controle.

Somando-se a este atraso tem-se o tempo de resposta do sistema, ou seja o tempo

necessrio para que o sistema retire efetivamente o calor extra introduzido e para que o

ar j devidamente resfriado seja espalhado pelo ambiente.

Atravs da integrao do sistema de ar condicionado com outros sistemas,

variaes de carga trmica como entrada de pessoas, incio de funcionamento de

equipamentos ou acionamento da iluminao, podem ser programadas, previstas e/ou

detectadas e adequadamente tratadas pelo sistema de ar condicionado em tempo

efetivamente menor, diminuindo o atraso do sistema e aumentando o conforto trmico

do usurio.

28

3 Classificao e Modelagem deSistemas

Neste captulo apresenta-se definies de Sistemas a Eventos Discretos, Sistemas

a Variveis Contnuas e Sistemas Hbridos. A partir destas definies caracteriza-se o

sistema de ar condicionado em EI, considerando os objetivos deste trabalho.

Em seguida aborda-se a modelagem de sistemas hbridos, apresentando e

analisando algumas das principais tcnicas existentes.

3.1. Sistemas a Eventos Discretos e Sistemas de Variveis Contnuas

Os sistemas podem ser classificados de acordo com diversos critrios [Blanchard

&Wolter, 81]. Uma possvel dicotomia a diviso dos sistemas em Sistemas de

Variveis Contnuas (SVC) e Sistemas a Eventos Discretos (SED) [Ho, 1987; Ho,

1989].

O principal atributo dos SVC a continuidade no tempo. Esta caracterstica

encontrada principalmente nos sistemas que interagem diretamente com fenmenos na

natureza e cuja dinmica regida por leis fsicas. De acordo com os especialistas das

reas de controle, este tipo de sistema sempre foi o principal objeto de estudos. Uma das

principais ferramentas matemticas utilizadas na modelagem e controle deste tipo de

sistemas so os sistemas de equaes diferencias que vm sendo usados para soluo de

diversos problemas [Ho, 1989]. Os tipos de controle discutidos em 2.3 so basicamente

para sistemas desta natureza.

29

No entanto, com a evoluo da tecnologia, surgiram sistemas totalmente

concebidos com base em regras e procedimentos definidos pelo homem (man-made

systems), como sistemas de manufatura integrados por computador, redes de

comunicao, entre outros. A principal caracterstica destes sistemas que a sua

dinmica, ou seja, a modificao do seu estado ocorre principalmente em funo de

eventos discretos, como incio do funcionamento de uma mquina, chegada de uma

mensagem, etc. Estes sistemas so chamados de SED e a metodologia tradicional de

equaes diferenciais no adequada para seu estudo, pois toda a sua dinmica

caracterizada por estados discretos e eventos discretos (instantneos), que por sua vez

so definidos por regras estabelecidas pelo homem em funo de algum tipo de

interao discreta do sistema com a natureza [Ho, 1987].

Como evento discreto se entende aquele cuja ocorrncia pode ser considerada

instantnea, ou seja, de durao desprezvel dentro do sistema. Por exemplo, o

acendimento de uma lmpada em uma sala pode ser considerado um evento discreto,

pois o tempo entre o momento em que o usurio comeou a acionar o interruptor e o

momento em que a lmpada est completamente acesa, , geralmente, irrelevante

quando se deseja avaliar a funcionalidade do ambiente.

Os SED podem, ento, ser representados por uma srie de estados que se mantm

constante durante um certo tempo e se modificam de forma instantnea.

A classificao de um sistema em SED ou SVC depende da finalidade para qual

ele definido. A partir de um mesmo processo, pode-se definir diversos modelos de

sistemas que podero ser discretos ou contnuos, dependendo do seu uso, ou seja, das

sadas que se deseja obter [Alla & David, 1998].

30

3.2. Sistemas Hbridos

O termo hbrido em geral utilizado para indicar heterogeneidade em relao a

natureza ou composio [Antsaklis & Nerode, 1998]. O termo hbrido, aplicado a

sistemas, interpretado como referente a existncia simultnea de caracterstica de SVC

e de SED.

Existem diversas definies do que vem a ser um sistema hbrido. Estas

definies caracterizam o sistema de acordo com as caractersticas da interao entre a

parte com dinmica contnua e a parte onde a evoluo dos estados dirigida por

eventos discretos instantneos.

Segundo [Alla & David, 1998], um sistema pode ser classificado pelos tipos de

variveis que representam o estado do sistema. Assim, um sistema SED se todas as

suas variveis so discretas e SVC se todas as suas variveis so contnuas. Define-se,

assim, um sistema hbrido como aquele contendo pelo menos uma varivel discreta e

pelo menos uma varivel contnua.

Uma definio semelhante adotada por [Antsaklis & Nerode, 1998], onde um

sistema hbrido aquele onde o comportamento de interesse do sistema determinado

pela interao de dinmicas contnuas e discretas. Os diversos sinais e variveis podem

ser dependentes do tempo, ou dirigidos por eventos, de modo assncrono.

De acordo com [Gotesman & Lopez-Benitez, 1996] e [Drath, 1998] um sistema

hbrido corresponde a um tpico sistema SVC, representado por equaes diferenciais,

onde eventos discretos ocorrem introduzindo modificaes no-contnuas e que no

podem ser representadas atravs de equaes diferenciais.

Para [Wieting, 1996b] e [Wieting & Sonnenschein, 1995] sistemas hbridos so

sistemas onde existe uma mistura de variveis discretas e contnuas se influenciando

mutuamente em um mesmo nvel hierrquico.

31

Por outro lado, para alguns autores, como [Demongodin & Koussoulas, 1998] e

[Stiver, Antsaklis & Lemmon, 1995], um sistema hbrido corresponde a uma planta

contnua ou uma planta mista contnua/a eventos discretos, supervisionada por um

sistema de controle que reage a eventos externos, onde existe a necessidade de uma

interface hbrida para comunicao entre a planta e o sistema de controle.

Do ponto vista do sistema de controle, para [Champagnat, et all, 1998a] um

sistema hbrido corresponde a interao de um sistema de controle local basicamente

contnuo com um sistema supervisrio a eventos discretos. [Antsaklis & Nerode, 1998]

consideram sistemas de controle hbridos aqueles resultantes da interao de um

processo controlado com tcnicas de controle contnuo e de acordo com um

planejamento discreto. Os sistemas de controle hbridos, neste caso, contm dois tipos

de componentes que interagem entre si: sub-sistemas com variveis contnuas e

subsistemas a eventos discretos. Dentro de uma organizao hierrquica, a parte hbrida

pode corresponder a integrao de nveis superiores, onde utiliza-se abstraes de

sistemas a eventos discretos, com nveis inferiores, representados por modelos de

sistemas de variveis contnuas.

Segundo [Yang, Linkens & Banks, 1995] poucos processos, quando analisados

sob o ponto de vista de integrao com outros sistemas, podem ser considerados

inteiramente contnuos ou discretos. A maioria dos processos contnuos sofrem

modificaes discretas significantes que se sobrepem ao seu comportamento contnuo.

Exemplos tpicos destas interferncias so falhas em equipamentos, modificaes

planejadas, incio e concluso de operao, operaes de manuteno, etc. Situaes

semelhantes existem em sistemas discretos, onde eventos so influenciados pelo estado

de partes contnuas. Para alguns eventos discretos so comuns pr-condies

relacionadas ao estado de variveis contnuas. Em muitos sistemas industriais, como

32

plantas qumicas, linhas de montagem, plantas nucleares, etc., ambas as partes, de

eventos discretos e de dinmica contnua, no so negligenciveis. , portanto,

desejvel que, em muitas situaes, a modelagem, anlise e controle do sistema sejam

desenvolvidos de maneira hbrida.

No presente trabalho, considera-se como sistema hbrido aquele onde a no

observncia da parte discreta ou da parte contnua comprometem o modelo

desenvolvido. Em outras palavras, necessrio a observao do sistema de um ponto de

vista contnuo, considerando a sua evoluo em funo do tempo, mas, ao mesmo

tempo, tambm necessrio considerar a interferncia resultante de eventos discretos,

que introduzem modificaes discretas no sistema e que no podem ser desprezadas.

3.3. Sistemas de Ar Condicionado em Edifcios Inteligentes

De acordo com o apresentado anteriormente, o sistema de ar condicionado , em

geral, um sistema considerado como tipicamente contnuo, pois o processo de

condicionamento do ar envolve o controle de variveis como temperatura e umidade,

que tm a propriedade de variao contnua segundo leis fsicas, como a de conservao

de energia e de troca de calor. A modificao do estado do sistema , portanto, realizada

continuamente em funo do tempo.

Analogamente, o sistema de controle do ar condicionado tradicional tambm

contnuo, sendo comumente adotadas estratgias de controle automtico realimentado

do tipo proporcional (P) e proporcional-integral (PI).

Quando se trata o sistema de ar condicionado no contexto de edifcios inteligentes,

torna-se imprescindvel a interao com os demais sistemas do edifcio, que apresentam

caractersticas predominantemente discretas, como por exemplo: sistema de controle de

acesso, sistema de iluminao, etc., o que implica em interpretar-se o sistema como

33

tambm dirigido a eventos discretos. A ocorrncia de eventos discretos gera, portanto,

intervenes no sistema de controle contnuo do ar condicionado.

O sistema resultante apresenta caractersticas contnuas e discretas

simultaneamente, interagindo entre si. A parte discreta do sistema fundamental na

modelagem da influncia dos eventos discretos. Por outro lado, a parte contnua est

intrinsecamente presente no sistema de controle do ar condicionado.

Nestes termos, o sistema deve ser representado como um sistema hbrido. A

Figura 3.1 ilustra esta discusso.

Figura 3.1. Exemplo de concepo hbrida de um sistema de ar condicionado de um EI.

No tratamento de grandes variaes da carga trmica em curto espao de tempo,

uma abordagem puramente contnua no permitiria a considerao destas variaes. Por

outro lado, a no modelagem do comportamento contnuo implica na impossibilidade de

observao dos resultados gerados pelas modificaes no sistema de controle, uma vez

que para tanto deve-se modelar a troca de calor que ocorre em funo do tempo e em

funo do estado do sistema.

Adotando uma abordagem hbrida, estas perturbaes podem ser devidamente

tratadas e as modificaes no sistema de controle podem tambm ser melhor

Sistema de ArCondicionado

Sistema de Controlede Acesso

Sistema deIluminao

Status deEquipamento

InteraoDiscreta

Ambiente

Interno

Ambiente

Externo

InteraoContnuaInterao

Contnua

InteraoDiscreta

InteraoDiscreta

34

dimensionadas para que este atue mais eficientemente, proporcionando um maior

conforto ao usurio.

3.4. Modelagem de Sistemas Hbridos

Uma vez identificada a necessidade de utilizao de uma abordagem hbrida, o

passo seguinte refere-se a anlise de tcnicas de modelagem de sistemas hbridos

considerando sua adequao para a modelagem do sistema de ar condicionado e seu

sistema de controle.

Existem inmeras abordagens genricas para a modelagem, anlise e controle de

sistemas hbridos. De acordo com [Demongodin & Koussoulas, 1998], alguns autores

definem um modelo homogneo que engloba em um nico formalismo as partes de

eventos discretos e de dinmica contnua. Outros autores utilizam-se de formalismos

especficos para cada parte e definem um modelo para a interface entre as duas partes.

Genericamente, as abordagens diferem entre si no que se refere complexidade da

parte continua e discreta e finalidade do modelo, se para anlise ou controle [Antsaklis

& Nerode, 1998].

Algumas abordagens consistem em extenses de modelos contnuos, descritos por

equaes diferenciais ordinrias nas quais so includas variveis cujo valor pode ser

modificado de forma descontnua no tempo. Em geral, estas abordagens tm a

capacidade de trabalhar com sistemas contnuos de grande complexidade e tm como

objetivo a obteno de informaes relativas a estabilidade do sistema [Antsaklis &

Nerode, 1998].

Outras abordagens consistem na modificao de tcnicas de modelagem utilizadas

em sistemas a eventos discretos, onde so introduzidos novos elementos que permitem a

representao da dinmica contnua do sistema. Um exemplo so as Redes de Petri

35

Hbridas [Alla & David, 1998]. Este tipo de abordagem procura enfatizar resultados de

anlises e simulaes [Antsaklis & Nerode, 1998].

Existem, tambm, abordagens intermedirias que combinam modelos de sistemas

contnuos, descritos por equaes diferenciais, e de sistemas discretos descritos por

autmatos finitos ou Redes de Petri, onde foi introduzida uma interface para a

comunicao entre os dois tipos de modelos. Um exemplo pode ser encontrado em

[Valentin-Roubinet, 1998].

No escopo do presente trabalho optou-se pela utilizao de tcnicas derivadas das

tcnicas para modelagem de SED, uma vez que o objetivo do presente trabalho a

anlise do sistema no nvel de gerenciamento do sistema de ar condicionado, que de

caracter predominantemente discreto.

3.5. Extenses de Redes de Petri para Modelagem de Sistemas

Hbridos

Entre os modelos para SED as Redes de Petri se destacam no que se refere a

facilidade de interpretao do modelo, a representao de forma hierrquica, a

facilidade de integrao entre diversos sistemas e a especificao das estratgias de

controle.

Esta modelagem tambm apropriada para sistemas onde h interaes

simultneas e paralelas entre os componentes [Matsusaki, 1998], como por exemplo em

um sistema de ar condicionado multizona, onde diversas unidades operam

simultaneamente sob o controle de um controlador.

O modelo bsico de Redes de Petri foi proposto por Carl Adam Petri em 1962 e

tambm chamado de Rede de Petri Ordinria. Consiste em um grafo bipartido onde os

lugares tm capacidade ilimitada de alojar marcas, as transies so conectadas aos

36

lugares atravs de arcos direcionados formando caminhos que compem a estrutura da

rede, e uma regra estabelece o comportamento dinmico das marcas que modelam os

estados do sistema [David & Alla, 1994].

Extenses das Redes de Petri Ordinrias incorporam regras e elementos adicionais

de forma a enriquecer o poder de modelagem. Entre estas extenses destacam-se a

introduo de arcos inibidores, de prioridade de disparo e de elementos temporizados

[David & Alla, 1994].

Diversas extenses tambm foram definidas para a modelagem de sistemas

hbridos. Estas extenses variam, entre outras coisas, no que se refere a sua abrangncia

e complexidade. A seguir apresenta-se uma anlise das extenses das Redes de Petri

mais representativas encontradas na bibliografia consultada, apontando seus principais

pontos positivos e negativos.

Rede de Petri Hbrida

Baseando-se na Rede de Petri Lugar/Transio, aos lugares e transies discretos

so adicionados lugares contnuos, cuja marcao um nmero real no negativo, e

transies contnuas, as quais so associadas velocidades mximas de disparo que

representam um fluxo contnuo de marcas [Alla & David, 1998]. Esta velocidade de

disparo de uma transio pode ser constante, depender da marcao dos lugares, evoluir

em funo do tempo, entre outras coisas. Exemplos desta rede so apresentados no

Anexo 1.

O objetivo desta rede adicionar s propriedades da rede de Petri Lugar-

Transio a representao de um fluxo contnuo, que pode ser, por exemplo, de material

ou energia. Este fluxo representado atravs das transies contnuas. A marcao dos

lugares contnuos representam a quantidade de material em pontos do sistema (como

37

buffers, tanques, etc.). A construo da rede hbrida realizada principalmente a

partir da observao do sistema e o modelo obtido tem um forte relacionamento fsico

com a estrutura do sistema, conservando a caracterstica das Redes de Petri de fornecer

uma ferramenta grfica efetiva para anlise e simulao. Em [Petterson & Lennartson,

1996] um paralelo realizado entre Redes de Petri Hbridas e os Bonds Graphs

(tcnica de modelagem proposta para SVC), destacando a semelhana entre a

representao da parte contnua do modelo em Redes de Petri e o Bond Graph

correspondente, sendo que as Redes de Petri Hbridas oferecem como vantagem

adicional a possibilidade de modelagem dos elementos discretos.

No caso do modelagem do sistema de ar condicionado tem-se um fluxo contnuo

atravs do sistema que poderia ser modelado atravs de transies. No entanto, as

variveis contnuas a serem representadas nos lugares referem-se as propriedades deste

fluxo em diversos pontos do sistema, como temperatura do ar, vazo da gua, etc., e no

ao volume de ar ou gua em pontos do sistema. Esta caracterstica do sistema a ser

modelado faz com que o modelo deva ser construdo a partir da determinao das

relaes matemticas entre as propriedades dos fluxos, obtidas a partir da considerao

de leis fsicas como troca de calor, o que restringe a utilizao desta rede para o presente

trabalho, uma vez que existem dificuldades intrnsecas para a modelagem precisa das

relaes matemticas entre os elementos do sistema de ar condicionado.

Redes de Petri Diferenciais (RPD)

Este modelo visa unir as vantagens de uma representao grfica com as

vantagens da modelagem atravs de relaes matemticas entre os diversos elementos

do sistema. A partir da hiptese de que um sistema contnuo pode ser representado por

um nmero finito de equaes de estado diferenciais de primeira ordem, foram

38

definidas as Redes de Petri Diferenciais (RDP). Uma descrio formal das RDP pode

ser encontrada em [Demongodin & Koussoulas, 1998].

Nesta rede so introduzidos lugares diferenciais, cuja marcao um nmero real,

e transies diferenciais, as quais so associadas velocidades de disparo que podem ser

constantes ou funes dependentes da marcao dos lugares diferenciais. Uma

descrio mais detalhada e um exemplo desta rede apresentada no Anexo 2.

Como observado anteriormente, esta rede visa apresentar maior flexibilidade pois

permite a sua construo a partir da modelagem matemtica do sistema, onde cada par

transio-lugar representa uma equao diferencial de primeira ordem. A representao

de uma equao de ordem superior deve ser feita atravs da partio do sistema em

diversas equaes, de forma semelhante ao realizado na abordagem de espao de

estados. Assim, verifica-se que a rede proposta adequada para representao de

sistemas onde a variao das variveis contnuas representadas corresponde a somatria

de diversas parcelas que so consideradas ou no de acordo com a ocorrncia de eventos

discretos. A representao da equao atravs de elementos grficos no adiciona

informaes ao modelo sobre a parte contnua do sistema, em relao a representao da

equao na forma de expresso matemtica, uma vez que a possibilidade de adicionar

funes s transies implica na no explicitao das relaes entre os diversos

elementos.

Quanto a sua utilizao para a modelagem do sistema de ar condicionado,

observa-se que ela no adequada para representar um estado ao qual no esteja

associado uma dinmica e que seja uma combinao direta de outros estados, como por

exemplo a vazo na sada de uma vlvula de trs vias, que resultado direto da

multiplicao da varivel que representa a posio da vlvula e do fluxo na entrada da

vlvula.

39

Rede Hbrida Orientada a Objetos (Hybrid Object Net)

Este tipo de rede visa a utilizao do conceito de orientao a objetos na

modelagem de sistemas hbridos com grande nmero de componentes, baseando-se em

uma rede de Petri semelhante a Rede de Petri Diferencial. Esta rede definida em

[Drath, Engmann & Schwuchow, 1998] e une as vantagens de uma abordagem

hierrquica e modular, possibilitando ainda a incorporao de conceitos como

reutilizao e encapsulamento de informaes.

Resumidamente, os conceitos referentes a modelagem orientada a objetos so

aplicados considerando-se que, nos objetos, a marcao dos lugares so atributos e

a estrutura da rede representa mtodos. Uma descrio mais detalhada e um exemplo

so apresentados no Anexo 3.

Esta abordagem tem como vantagem sobre as Redes de Petri Diferenciais a

facilidade de modelagem de sistemas complexos. Esta caracterstica de grande

utilidade na modelagem do sistema de ar condicionado, no entanto, persiste aqui os

problemas identificados nas Redes Diferenciais no que se refere a utilizao dos

elementos diferenciais quando da definio dos objetos.

Rede de Petri de Alto Nvel (HyNets)

Este modelo utiliza redes de Petri de alto nvel e equaes diferenciais algbricas

para descrever o comportamento de sistemas contnuos.

Esta rede foi desenvolvida a partir de uma classe especial de redes de Petri de alto

nvel orientada a objetos chamada Thorns (Timed Hierarchical Object-Related Nets)

definida em [Schof, Sonnenschein & Wieting, 1995].

Nesta rede, marcas so objetos. A linguagem utilizada na definio de objetos

e classes baseada em C++. Os atributos so variveis do tipo int, bool, char,

40

etc., e os mtodos so definidos atravs de operaes matemticas. Os elementos

presentes na rede so transies (discretas e contnuas) e lugares. s transies so

associadas funes de habilitao que habilitam o disparo em funo dos atributos dos

objetos e funes de ao que determinam os atributos dos objetos aps o

disparo. Uma descrio mais detalhada e um exemplo so apresentados no Anexo 4.

Esta rede apresenta bastante flexibilidade para a modelagem de diferentes tipos de

sistemas, em relao s demais redes apresentadas. No entanto a sua utilizao,

simulao e interpretao grfica no trivial, o que compromete sua aplicao prtica

para o presente caso.

Redes de Petri Predicado/Transio Diferenciais (redes PTD)

Este modelo combina as Redes de Petri Predicado/Transio [Genrich, 1987] com

equaes diferenciais algbricas. O objetivo deste modelo o de modelar um fluxo

contnuo de material que processado em diversos equipamentos e cuja configurao

alterada de forma discreta. As Redes de Petri representam as diversas configuraes

discretas possveis para os diferentes equipamentos enquanto o sistema de equaes

diferenciais algbricas, associados aos lugares que representam as diferentes

configuraes, modela a evoluo contnua do estado do sistema quando em uma

determinada configurao [Champagnat, 1998 e Champagnat et all, 1998 a, b e c].

Este modelo apresenta maior flexibilidade em relao s Redes de Petri Hbridas e

s Redes de Petri Diferenciais no que se refere a modelagem da parte contnua, uma vez

que esta parte derivada diretamente do equacionamento matemtico do sistema. Entre

as desvantagens deste sistema se encontra a necessidade, durante a simulao, da

coexistncia de dois ambientes distintos: um responsvel pela evoluo da rede de Petri

discreta e outro responsvel pela resoluo do sistema de equaes diferenciais. Outra

41

desvantagem a ausncia de uma representao grfica da parte contnua que auxilie na

visualizao da evoluo da parte contnua do sistema em funo dos eventos discretos

ocorridos. Esta caracterstica faz com que o modelo seja composto por uma srie de

sub-redes de Petri no conectadas entre si graficamente.

Apresar das desvantagens apresentadas considerou-se esta rede como a mais

adequada para a modelagem do sistema de ar condicionado principalmente devido a

facilidade de construo do modelo hbrido a partir da definio das relaes

matemticas entre as propriedades dos fluxos em diferentes pontos do sistema.

42

4 Metodologia para Modelagem eSimulao do Sistema de ArCondicionado

Este captulo apresenta a metodologia proposta para anlise por simulao de

tcnicas de gerenciamento do sistema de ar condicionado e foi desenvolvida atravs de

estudos de caso. As suas principais etapas so apresentadas na Figura 4.1. O

detalhamento de cada etapa apresentado a seguir.

Figura 4.1. Etapas gerais da metodologia.

Observa-se que, apesar de no encontrar-se ilustrado na Figura 4.1, o retorno s

etapas anteriores so considerados no decorrer da metodologia sempre que necessrios.

4.1. Definio das Estratgias

Inicialmente devem ser definidas as estratgias a serem analisadas. Esta definio

realizada de forma descritiva e deve conter:

Definio dasestratgias

Construo demodelos dinmicos

Simulao dosmodelos

43

a seqncia de eventos e aes da estratgia;

sobre quais equipamentos do sistema de ar condicionado ela atua;

em que condies realizada;

em que condies deixa de ser realizada;

etc.

Aps a definio das estratgias deve-se definir quais dos seguintes aspectos

deseja-se analisar:

Influncia da estratgia sobre o ambiente, ou seja, como evoluem as propriedades

relacionadas ao conforto trmico, como temperatura, umidade, etc., uma vez que a

estratgia inserida no sistema de gerenciamento do ar condicionado.

Influncia da estratgia sobre o ar condicionado, ou seja, como evoluem as

propriedades dos fluxos de ar e/ou gua, como vazo, temperatura, etc. e/ou como

evoluem os estados dos equipamentos uma vez que a estratgia inserida no sistema

de gerenciamento do ar condicionado.

Influncia da estratgia sobre o sistema de gerenciamento, ou seja, co