Modelagem de um sensor virtual para controle do conforto térmico

Abstract

O consumo de energia para condicionamento de ar responde por uma parte relevante do uso de energia elétrica no Brasil. Em relação a outros aparelhos eletrodomésticos, os aparelhos de ar-condicionado ainda estão presentes em um número pequeno de residências brasileiras. No entanto, em mantendo-se a melhora nas condições econômicas observadas nos últimos anos, haverá cada vez mais equipamentos instalados. Os efeitos gerados por picos de demanda relacionados ao efeito cumulativo de vários aparelhos de ar-condicionado ligados simultaneamente já foram responsáveis inclusive por alguns blecautes em várias redes de distribuição pelo mundo afora. O desenvolvimento de novos sistemas de controle para equipamentos de arcondicionado que possibilitem um controle mais apurado do conforto ambiental tornaria os equipamentos mais eficientes e com melhor desempenho. Neste trabalho é proposto um sensor virtual capaz de estimar o índice de conforto térmico em vários pontos de um ambiente hipotético. O sensor virtual é baseado numa solução numérica das equações médias de Navier-Stokes, incorporando o modelo de turbulência de duas equações, kepsilon. Todo o modelo físico foi implantado em uma linguagem Modelica, agregando equações para cálculo dos índices de conforto térmico em uma biblioteca que gera uma malha espacial e soluciona o modelo das equações médias de Navier-Stokes com equações de turbulência k-epsilon. Os resultados da simulação de um caso-base do sensor virtual foram confrontados com aqueles obtidos na solução de um problema equivalente modelado em uma ferramenta comercial para simulação de dinâmica dos fluidos. Os valores médios das variáveis termodinâmicas obtidos pelo modelo do sensor virtual mostraram-se aderentes quando comparados com sua contrapartida modelada em programa de simulação comercial, cujo código-fonte é privativo. O modelo permite acesso ao valor de todas as variáveis termodinâmicas e de conforto térmico em cada um dos elementos da malha de simulação. _______________________________________________________________________________ ABSTRACT

An important portion of electricity use in Brazil is due air-conditioning energy consumption. Unlike other home appliances, air-conditioning is still present in a small number of Brazilian houses. However, if Brazil succeeds improving its economic conditions as were observed in past years, a higher amount of Brazilian homes will have their own air-conditioning system. In addition, peak demand caused by a high number of air-conditioning apparatus connected simultaneously accounts for massive blackouts throughout the world. The development of control systems, designed specifically for airconditioners, allows a more accurate control of thermal comfort, resulting in more efficient and better performing systems. This work presents a virtual sensor model that can estimate a thermal comfort index at various points in a hypothetical environment. The virtual sensor is based on the numerical solution of Navier-Stokes averaged equations, complemented with k-epsilon turbulence model. The coding was carried out with Modelica modeling language, based on a library that generates a solution mesh and solves the Navier-Stokes averaged equations with k-epsilon turbulence model. The capability of calculating thermal comfort indexes in the mesh nodes was added to the library. Simulations were performed in order to validate the results obtained by the virtual sensor model against the results obtained by a similar problem modeled in a commercial program for fluid dynamics simulation. The simulation results obtained by the virtual sensor model were considered satisfactory, based on a comparison with its counterpart modeled and solved on the commercial simulation program. The model proposed can deliver thermodynamics and thermal comfort data whithin each element of the simulation mesh