Optimized management of air conditioning systems: case study considering occupant comfort – indoor air quality and temperature

Dissertação de Mestrado em Engenharia Eletrotécnica e de Computadores apresentada à Faculdade de Ciências e TecnologiaO presente trabalho apresenta o projeto de gestão otimizada do sistema de climatização e ventilação presente no Bloco D na School of Business and Economics (SBE) da Universidade Nova de Lisboa, em Carcavelos, com o objetivo de obtenção do grau de Mestre em Engenharia Eletrotécnica e de Computadores. O trabalho teve como finalidade o desenvolvimento de um algoritmo que tivesse em atenção a qualidade do ar interior, monitorizando e controlando a concentração de CO2, e o conforto dos ocupantes, garantindo o adequado controlo de temperatura.Foi analisado e otimizado o comportamento das Unidades de Tratamento de Ar (UTAs) que tratam o ar das salas de aulas dos pisos -1, 0 e 1. O controlo, implementado desde a fase de construção, era feito com base apenas na ocupação, ou seja, se uma sala estivesse ocupada, o ar da mesma iria estar a ser tratado, se estivesse desocupada os registos de insuflação e extração correspondentes seriam fechados. Visto que a grande maioria das UTAs trata mais de uma sala e as sondas de temperatura e CO2 estavam instaladas no retorno das UTAs, levava a que se fizesse um controlo conjunto do ar novo da UTA de igual forma para todas as salas tratadas da mesma máquina.Foram instalados diversos componentes eletrónicos, nomeadamente: 32 sondas LK+CO2 da Thermokon nas condutas de retorno de cada uma das salas garantindo a recolha de dados das concentrações de CO2 e das temperaturas de todas as salas, 4 módulos UI-16 da Schneider Electric equipados com 16 entradas universais para medição dos sinais de CO2 e de temperatura e um SmartX Automation Server AS-P, que gere os módulos a ele ligados, garantindo ainda a interação no Sistema de Gestão Técnica Centralizada (SGTC) do edifício.Utilizaram-se os dados recolhidos pelas sondas e efetuou-se o tratamento do ar nas salas com base na pior concentração de CO2 das salas, e criou-se uma curva que com base nos valores mínimos e máximos de concentração de CO2, escolhidos arbitrariamente, para que o pressão de ar da UTA variasse consoante estes valores. Para o controlo das temperaturas, monitorizaram-se os valores das mesmas para que se a temperatura numa das salas tiver um afastamento em relação a um certo Setpoint definido superior a um Delta, também escolhido arbitrariamente, a UTA passa a fornecer uma pressão de insuflação igual à pressão nominal e passa a tratar a temperatura do ar.Todo este controlo foi possível a partir das ferramentas do sistema de gestão técnica do Ecostruxure Building Operation (EBO) e da Function Block Programming, que permite utilizar combinações de diferentes blocos de funções para se realizar a programação tendo em conta as necessidades. No final, a programação foi implementada, e após um espaço de tempo de cerca de 2 meses, ao analisar os resultados relativos aos valores de CO2 e de temperatura concluiu-se que o algoritmo funciona da forma desejada, e também se notou, a partir da média da percentagem de funcionamento do variador de velocidade da UTA quando esta esteve ligada, que esta diminuiu desde a data de implementação até à data atual, passando de 65.24\% para 50.82\%, correspondendo esta diferença a uma poupança de energia.This work presents the project of optimized management of the air conditioning and ventilation system present in Block D at the School of Business and Economics (SBE) of the Universidade Nova de Lisboa, in Carcavelos, in order to obtain a Master's degree in Electrical and Computer Engineering. The aim of the work was to develop an algorithm that would take into account the indoor air quality, monitoring and controlling the CO2 concentration, and the occupants's comfort, ensuring adequate temperature control.The behaviour of the Air Handling Units (AHUs) that treat the air in the classrooms of floors -1, 0 and 1 was analysed and optimised. The control, implemented since the construction phase, was based only on occupancy, i.e. if a room was occupied, its air would be treated, if it was unoccupied the corresponding supply and extraction registers would be closed. Since the vast majority of AHUs treat more than one room and the temperature and CO2 probes were installed in the return of the AHUs, there was a joint control of the new air of the AHU in the same way for all the treated rooms of the same machine.Various electronic components were installed, namely: 32 Thermokon LK+CO2 probes in the return ducts of each of the rooms, guaranteeing the collection of data on the CO2 concentrations and temperatures of all the rooms, 4 Schneider Electric UI-16 modules equipped with 16 universal inputs for measuring the CO2 and temperature signals and a SmartX Automation Server AS-P, which manages the modules connected to it, also guaranteeing interaction with the building's Centralised Technical Management System (TCMS).The data collected by the probes was used and the air treatment in the rooms was carried out based on the worst CO2 concentration of the rooms, and a curve was created based on the minimum and maximum values of CO2 concentration, chosen arbitrarily, so that the air pressure of the AHU would vary according to these values. To control temperatures, the temperature values were monitored so that, if the temperature in one of the rooms deviates from a certain defined Setpoint greater than a Delta, also chosen arbitrarily, the air handling unit would start supplying an inflation pressure equal to the nominal pressure and would start treating the air temperature.All this control was made possible by the tools of the Ecostruxure Building Operation (EBO) and the Function Block Programming, which allows combinations of different function blocks to be used to carry out programming according to needs. In the end, the programming was implemented, and after a time span of around 2 months, on analysing the results related to the CO2 and temperature values, it was concluded that the algorithm works as desired, and it was also noted, from the average percentage value of operation of the variable speed drive of the AHU when it was switched on, that this value decreased from the implementation date to the current date, going from 65.24\% to 50.82\%, with this difference corresponding to an energy saving