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Tese de Doutoramento
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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
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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.
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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,
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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.
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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
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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