Remote and autonomous assessment of the energy performance of clothes washing machines

Tese de Mestrado Integrado, Engenharia da Energia e Ambiente, 2023, Universidade de Lisboa, Faculdade de CiênciasA presente dissertação intitulada "Avaliação Remota e Autónoma do Desempenho Energético de Máquinas de Lavar Roupa" analisa o desempenho deste aparelho doméstico específico sob cenários para o seu uso quotidiano no residencial que pretendem caracterizar diferentes configurações de ciclo existentes. É testado um protótipo de dispositivo habilitado para a monitorização autónoma e remota das lavagens quotidianas bem como procedimentos para o processamento de dados que permitam inferir o desempenho das práticas de lavagem adotadas. Os resultados mostram que as práticas de lavagem de facto podem afetar profundamente o desempenho energético deste grupo de aparelhos eletrodomésticos. Adicionalmente, são desenvolvidos e testados métodos que podem dar indicação da quantidade de carga de roupa (ou têxteis em geral) posta para lavar por meio da monitorização de outras variáveis-chave. O mote para esta dissertação é o desejo de contribuir para soluções que ajudem a reduzir os fatores indutores das alterações climáticas e a mitigar os seus efeitos. As alterações climáticas que se têm registado de forma crescente nos últimos anos são uma inegável ameaça global e estão a manifestar-se de diferentes formas com consequências por vezes graves em termos económicos, ambientais e perda de vidas humanas. São exemplos disso a ocorrência de fenómenos meteorológicos extremos (ondas de calor, precipitação intensa, tornados, etc.), degelo das calotes polares, recuo dos glaciares, aumento do nível médio das águas do mar e perda de biodiversidade. Tal como referido, este desafio é global e está a ser enfrentado por governos, organizações e cidadãos. É urgente uma atuação no sentido de serem adotadas medidas eficazes de combate às alterações climáticas, bem como de mitigação dos seus efeitos. Tais medidas, referindo apenas as mais comuns, passam pela redução das emissões de Gases com Efeito de Estufa (GEE), promoção da economia circular, adoção de práticas agrícolas sustentáveis, incremento da utilização de fontes de energia renovável e também pela melhor eficiência e resistência das infraestruturas, dos edifícios e dos equipamentos. A União Europeia (UE) não é alheia a tal preocupação e definiu metas ambiciosas como seja a da neutralidade carbónica em 2050. Como tal, existe um empenho para que a descarbonização dos grandes setores da sociedade se efetive, incidindo-se fortemente sobre questões relacionadas à produção e uso de energia. A EU está empenhada em melhorar o seu sistema energético, promovendo-se um aumento geral da eficiência do consumo de energia combinado com a descarbonização das suas fontes de produção. Procuram-se esforços para a melhoria do nível de eficiência em todos os sectores de atividades relacionadas com a produção e o consumo de energia. Entre os vários setores, o residencial não pode ser negligenciado, pois os usos finais da energia podem ser considerados fundamentais para o cumprimento dos objetivos e acordos internacionais. O setor residencial representa cerca de 25% do total consumido em energia final na UE e cerca de 9% do seu total emitido em GEE. No consumo residencial há várias aplicações da energia, mas a maior parte da sua utilização é atribuída à climatização dos espaços interiores (daí ter havido uma forte aposta na certificação do desempenho energético dos edifícios), seguida do aquecimento das águas quentes domésticas e do agrupamento da iluminação e das utilizações finais dos eletrodomésticos. No entanto, em termos de consumo de eletricidade, os aparelhos eletrodomésticos são um dos maiores componentes sendo responsáveis por mais de 50% do total consumido nesta forma de energia. Além disso, muitos dos grandes aparelhos que se encontram instalados na maioria das residências estão centrados no utilizador, oferecendo uma vasta gama de configurações da sua operação e mesmo a possibilidade de escolher os períodos de funcionamento. Desta forma, com uma ampla gama de possíveis configurações, é introduzido um potencial para a má definição dos parâmetros de funcionamento que se pode refletir em níveis de desempenho piores do que outros existentes e capazes de realizar a mesma tarefa e, consequentemente, consumos excessivos. Numa lógica de combate aos fatores geradores de alterações climáticas que também podem ser associados à ineficiência do funcionamento dos equipamentos e à redução dos seus consumos energéticos, é fundamental que o risco de más configurações seja mitigado através de uma maior sensibilização dos utilizadores para este problema e de possíveis otimizações de práticas que podem melhorar o desempenho do equipamento. A União Europeia tem produzido diferente regulamentação e financiado vários estudos com esse objetivo, de que é exemplo o projeto Self-Assessment Towards Optimization of Building Energy (SATO). O projeto SATO procura contribuir para uma avaliação global e para a otimização do uso de energia no quotidiano da vida real. Ou seja, incluindo todos os equipamentos que mais consomem energia em um determinado edifício e, assim, otimizar o desempenho energético de todo o edifício e dos seus equipamentos. Esta dissertação, desenvolvida no âmbito do projeto europeu SATO, contribui para este esforço ao analisar o desempenho de um aparelho doméstico específico, muito comum na maioria dos lares, – máquinas de lavar roupa – sob utilização residencial real e diferentes configurações da sua operação, testando um protótipo de um dispositivo de monitorização autónomo com capacidade de exploração baseada em Internet of Things (IoT). A dissertação começa por revisão de literatura que procura a consolidação de conhecimentos sobre alterações climáticas e metas europeias para o clima e a energia; sobre a realidade do setor energético residencial e o consumo de eletrodomésticos; sobre a produção de legislação e normas europeias sobre eletrodomésticos; e, para a concluir, sobre os equipamentos objetos do estudo de caso – máquinas de lavar roupa (como funcionam e relatórios de mercado, como são testadas, como são utilizadas e possíveis medidas de otimização). Para o efeito de experimentação empírica, seis máquinas de lavar diferindo em marca de fabricante, capacidade máxima de carga e ano de aquisição, foram o lote de uma campanha experimental que obedeceu a uma metodologia de teste previamente definida. Os resultados, acabam por corroborar as preocupações anteriormente expressas sobre o comportamento dos utilizadores, pois mostram que as práticas de lavagem podem afetar profundamente o desempenho energético deste grupo de eletrodomésticos, sobretudo no que diz respeito à escolha da configuração de temperatura do ciclo de lavagem e quantidade de roupa colocada no processo de lavagem. Além disso, outra ramificação deste trabalho apresenta a possibilidade de estimar a carga colocada para lavagem através da monitorização de outras variáveis chave e consequente inferição da carga. Para efeitos de implementação de avaliações de desempenho remotas e autónomas é necessário ter uma indicação da quantidade de roupa lavada. Na perspetiva de publicitar o desempenho energético, com base em testes padronizados, existe um rótulo que apresenta uma classificação harmonizada por categorias. Trata-se daquilo que comumente se designa de etiqueta energética e que é idêntica no âmbito da União Europeia, pois resulta de legislação comum. É sobretudo uma ferramenta de apoio à decisão informada dos consumidores no processo de aquisição de equipamentos. No entanto, os requisitos da etiqueta energética, apesar de serem essenciais para aumentar os padrões de eficiência, constituem uma avaliação estática, genérica e altamente padronizada do desempenho energético de um equipamento, que pode certamente diferir do que se observa na utilização em cenários reais e onde a utilização é customizada às preferências e/ou necessidades específicas de cada utilizador. Por isso, tendo ainda em conta o leque alargado de opções que o utilizador pode escolher para configurar o funcionamento de eletrodomésticos (como é no caso das máquinas de lavar roupa), este trabalho assume que existe uma forte possibilidade de ocorrer de facto má utilização de equipamentos, prejudicando a sua eficiência, e que através da disponibilização de relatórios provenientes de uma monitorização contínua, o utilizador terá melhor perceção sobre o real desempenho energético do seu equipamento. Uma contribuição final e esperançosamente útil deste trabalho para a abordagem do projeto SATO na otimização do uso de energia dos equipamentos é a confirmação empírica da veracidade de muitos tópicos levantados no capítulo de revisão da literatura. Como as máquinas diferem, tanto no dimensionamento quanto nos perfis de operação, pode ser inadequado aplicar a mesma regra de benchmarking (neste caso, benchmarking de desempenho energético) para todos. No entanto uma análise específica a cada caso pode ser também considerada altamente exigente a nível computacional dado que os modelos de avaliação teriam de ser calibrados e guardados para cada modelo de máquina. Não obstante, este trabalho comprovou a utilidade da instalação de alguns dispositivos de monitorização de baixo custo para obter dados relevantes sobre as operações das máquinas e a capacidade de os relacionar com o desempenho geral do equipamento. Estes dispositivos podem ser facilmente aprimorados e expandidos para registar dados de outras variáveis consideradas relevantes para apoiar as avaliações da máquina de lavar (e outros equipamentos).Climate action is mandatory to confront the climate crisis. This global challenge is being tackled by governments, organizations, and citizens. Resources and energy consumption at the residential level are also critical to meet the goals of global agreements. The European Union is committed to improve the energy system, promoting a general increase in consumption efficiency combined with the decarbonization of its sources. Action is sought in all sectors of activities related to energy consumption. The majority of residential energy use is allocated to the climatization of indoor spaces, followed by the heating of domestic hot waters, and the grouping of lighting and household appliances end uses. However, in terms of household electricity consumption, appliances solely are one of the biggest drivers, accounting for more than 50% of the total consumed. Also, many large appliances are user-centered, offering wide ranges of configuration and even the possibility to choose the periods for operation. Thus, potential for misuse is introduced that could be mitigated by increasing user awareness about this problem and of possible optimizations of practices that can improve the performance of equipment. This dissertation, developed within the framework of European project SATO, contributes to this effort by analyzing the performance of a specific domestic appliance (washing machines) under real residential usage and different cycle configurations, testing a prototype of an autonomous monitoring device. Six washing machines, differing in brand, capacity and age were the lot of an experimental campaign. Results show that washing practices can deeply affect the energy performance of this appliance group. Also, the load put to wash could potentially be estimated through monitorization of other key variables. Energy label requirements are essential to increase efficiency standards however constitute a static, generic, and highly standardized assessment of the equipment energy performance that can differ from real-life usage