Aplicação de variadores de velocidade em sistemas de climatização

Por um lado vivemos numa sociedade cujos padrões de conforto são cada vez mais exigentes, por outro encontramo-nos numa era pautada por um certo declínio económico, social e também ambiental. Não se assumindo uma estratégia que limite ou diminua essas condições de conforto resta-nos atuar de forma a que os recursos utilizados para garantir esse mesmo conforto sejam utilizados da melhor forma possível. O setor dos edifícios é responsável por uma grande parcela de consumo de energia na sociedade atual, sendo que os sistemas de climatização que dele fazem parte, apresentam.se na maioria dos casos como os grandes consumidores de energia. Nesse sentido têm sido feitos esforços enormes no sentido de encontrar soluções que garantam a eficiência energética destes sistemas. O Variador Eletrónico de Velocidade apresenta-se como uma das soluções amplamente difundidas, na vertente do controle de processos e economia de energia. A sua aplicação em sistema de climatização é mais um desses casos. Nesse sentido, numa primeira parte é feito o estudo das características e funcionamento dos Variadores de Velocidade, Sistemas de Climatização e sua aplicação conjunta. Em seguida é realizada uma aplicação informática que pretende demonstrar a economia de energia garantida por aplicação de um Variador de Velocidade.

Análise de sensibilidade na simulação dinâmica de um grande edifício escolar existente

Dado o panorama de conservação de energia a nível nacional e mundial, torna-se hoje em dia muito importante, que seja possível controlar e estimar o consumo energético nos edifícios. Assim, atendendo à actual problemática energética e ao crescente consumo energético nos edifícios, é importante parametrizar, avaliar e comparar este consumo. Neste sentido, nas últimas décadas, têm sido efectuados desenvolvimentos técnicos, quer ao nível do equipamento de campo para efectuar monitorização e medição, quer ao nível da simulação dinâmica de edifícios. Com esta dissertação de mestrado, pretendeu-se efectuar a simulação dinâmica de um edifício escolar existente a funcionar em pleno, e efectuar uma análise de sensibilidade relativamente ao grau de variação dos resultados obtidos através da aplicação de dois programas de cálculo térmico e energético. Foram utilizados, o programa VE-Pro da IES (Integrated Environmental Solutions) e o programa Trace 700 da TRANE. Ambos os programas foram parametrizados com os mesmos dados de entrada, tendo em atenção as opções de simulação disponibilizadas por ambos. Posteriormente, utilizaram-se os dados retirados da simulação para calcular a classificação energética no âmbito do sistema de certificação energética (SCE), através de uma folha de cálculo desenvolvida para o efeito. Foram ainda consideradas várias soluções de eficiência energética para o edifício, com vista a poupanças reais de energia, tendo sempre atenção ao conforto térmico dos ocupantes. Dessas medidas fazem parte, medidas relacionadas com a iluminação, como a substituição da iluminação existente por luminárias do tipo LED (Light Emitting Diode), soluções de energias renováveis, como a instalação de colectores solares para aquecimento das águas quentes sanitárias, e painéis fotovoltaicos para produção de energia, bem como medidas ligadas aos equipamentos de climatização. Posteriormente, recalculou-se a classificação energética afectada das melhorias. Os resultados obtidos nas duas simulações foram analisados sob o ponto de vista do aquecimento, arrefecimento, ventilação, iluminação e equipamentos eléctricos. A comparação das duas simulações para cada parâmetro acima referido, apresentaram variações inferiores a 5%. O desvio maior verificou-se na ventilação, com o valor de aproximadamente 4,9%. Transpondo estes resultados para o cálculo do IEE (Índice de Eficiência Energética), verificou-se um desvio inferior a 2%.

Controlo da velocidade e posição de um tapete rolante

A utilização eficiente da energia é essencial para a competitividade económica de um país. Sendo a intensidade energética de Portugal elevada, onde a utilização de motores elétricos, absorve cerca de metade da energia elétrica consumida na indústria, a utilização de conversores eletrónicos de potência permite obter economias de energia. Nesta tese pretende-se controlar a velocidade e o posicionamento de um tapete rolante através da utilização de um conversor eletrónico de potência. Na fundamentação teórica são referidos os conceitos de variação da tensão e frequência, controle escalar e vetorial, modelação por largura de pulso (PWM) assim como a retificação e ondulação da tensão de um variador de velocidades. Na parte prática será utilizado um servo motor, controlado por um variador eletrónico de velocidades, para efetuar o referido projeto. É ainda objeto desta tese o estudo dos parâmetros fundamentais assim como a pesquisa dos parâmetros a utilizar para o desempenho pretendido.

Intra-Task Device Scheduling for Real-Time Embedded Systems

An ever increasing need for extra functionality in a single embedded system demands for extra Input/Output (I/O) devices, which are usually connected externally and are expensive in terms of energy consumption. To reduce their energy consumption, these devices are equipped with power saving mechanisms. While I/O device scheduling for real-time (RT) systems with such power saving features has been studied in the past, the use of energy resources by these scheduling algorithms may be improved. Technology enhancements in the semiconductor industry have allowed the hardware vendors to reduce the device transition and energy overheads. The decrease in overhead of sleep transitions has opened new opportunities to further reduce the device energy consumption. In this research effort, we propose an intra-task device scheduling algorithm for real-time systems that wakes up a device on demand and reduces its active time while ensuring system schedulability. This intra-task device scheduling algorithm is extended for devices with multiple sleep states to further minimise the overall device energy consumption of the system. The proposed algorithms have less complexity when compared to the conservative inter-task device scheduling algorithms. The system model used relaxes some of the assumptions commonly made in the state-of-the-art that restrict their practical relevance. Apart from the aforementioned advantages, the proposed algorithms are shown to demonstrate the substantial energy savings.

CANDi: context-aware node discovery for short-range cooperation

Multi-standard mobile devices are allowing users to enjoy higher data rates with ubiquitous connectivity. However, the benefits gained from multiple interfaces come at an expense—that being higher energy consumption in an era where mobile devices need to be energy compliant. One promising solution is the usage of short-range cooperative communication as an overlay for infrastructure-based networks taking advantage of its context information. However, the node discovery mechanism, which is pivotal to the bearer establishment process, still represents a major burden in terms of the total energy budget. In this paper, we propose a technology agnostic approach towards enhancing the MAC energy ratings by presenting a context-aware node discovery (CANDi) algorithm, which provides a priori knowledge towards the node discovery mechanism by allowing it to search nodes in the near vicinity at the ‘right time and at the right place’. We describe the different beacons required for establishing the cooperation, as well as the context information required, including battery level, modes, location and so on. CANDi uses the long-range network (WiMAX and WiFi) to distribute the context information about cooperative clusters (Ultra-wideband-based) in the vicinity. The searching nodes can use this context in locating the cooperative clusters/nodes, which facilitates the establishing of short-range connections. Analytical and simulation results are obtained, and the energy saving gains are further demonstrated in the laboratory using a customised testbed. CANDi saves up to 50% energy during the node discovery process, while the demonstrative testbed shows up to 75% savings in the total energy budget, thus validating the algorithm, as well as providing viable evidence to support the usage of short-range cooperative communications for energy savings.

Monitorização e Avaliação Dinâmica do Potencial para a Eficiência Energética de Lares de Idosos

Atualmente a situação económica do país é delicada, como tal, a redução dos consumos energéticos é uma mais-valia tanto para os consumidores como para o meio ambiente. A evolução tecnológica nos últimos anos possibilita a realização de soluções para resolver esse problema. A monitorização constante dos consumos de energia elétrica pode fazer com que esta redução seja concretizada. Relativamente ao caso concreto do edificado, o consumo de energia nos edifícios Europeus é muito significativo, quer ao nível das soluções construtivas, dos sistemas e dos equipamentos. Como tal, podem ser tomadas medidas que podem ter um impacto significativo para a redução dos consumos. O presente trabalho passa pelo estudo do potencial para a eficiência energética de três lares de idosos situados no Porto. A auditoria efetuada revelou um enorme potencial de poupança energética, nomeadamente de energia elétrica e gás natural. As medidas a adotar para reduzir os consumos energéticos do edifício passam pela substituição da iluminação existente por uma mais eficiente e de menor potência, a instalação de painéis solares para reduzir o consumo destinado às águas quentes sanitárias (nos dois lares que ainda não possuem este tipo de sistema), a substituição das caldeiras a gás natural por biomassa, a instalação de equipamentos para monitorização de consumos, entre outros. Através da recolha e tratamento de dados com um analisador de energia foi possível verificar que a implementação de uma solução de monitorização de consumos energéticos nos lares poderá permitir baixar os custos da fatura energética.

Rede de Calor – Uma Solução a Biomassa para um Complexo de Hóteis

O recurso às energias renováveis é na actualidade um tema que atinge um grau de importância primordial face á crescente preocupação com o meio ambiente e o impacto negativo, que a produção de energia com base em combustíveis fósseis tem. Esta importância aliada a uma tendência cada vez maior para a criação de soluções de produção sustentável de energia, tem obrigado ao desenvolvimento desta vertente do sector energético e ao estudo e consequentemente implementação de soluções integradas que permitam uma economia competitiva. Os hotéis, sendo estabelecimentos comerciais que desenvolvem uma actividade que envolve, na generalidade, um nível de consumo energético considerável para garantir os seus serviços básicos de acomodação e lazer, tornam-se por excelência alvos primordiais no que concerne ao seu elevado potencial de poupança de energia. O ramo da hotelaria, dada a sua especificidade e a natureza dos edifícios que comporta, torna-os em excelentes candidatos para análise e optimização energética, e como tal um alvo de negócio para as empresas de comercialização de poupanças energéticas. As empresas dedicadas aos serviços de energia são conhecidas por ESCO (Energy Service Company ou Energy Savings Company). A sua actividade tem por base apresentar soluções de energia, nomeadamente a implementação de projectos de poupança energética que podem englobar produção, conservação e fornecimento de energia, bem como gestão de risco associada. O objectivo principal é apresentar soluções de optimização e eficiência energética levando á sua implementação em casos reais de exploração em edifícios ou sectores específicos, rentabilizando o investimento e partilhando o lucro dessa rentabilização com os clientes. No caso específico dos hotéis, mais concretamente um complexo de hotéis, como o estudado neste trabalho, esta análise pretende elaborar uma caracterização das necessidades energéticas do sector e apresentar um conjunto de soluções energéticas adequadas à realidade hoteleira. É também objecto de análise, toda a aproximação de um modelo de negócio energético a explorar por uma ESCO. O presente trabalho, realizado no âmbito da parceria entre a Gebio e a Confraria do Bom Jesus, tem por objectivo demonstrar as bases do contracto de performance entre uma empresa ESCO (Gebio – empresa concessionária do projecto) e um complexo de hotéis (constituído pelo Hotel do Lago, Hotel do Parque e Hotel do Templo), com vista a optimizar os consumos energéticos para a produção de energia térmica capaz de corresponder às necessidades do complexo. Foi desenvolvido um estudo completo das necessidades térmicas do complexo, com vista a projectar uma solução integrada de produção de energia térmica, com recurso a uma caldeira de biomassa, para os hotéis. Foi realizado um levantamento extensivo dos consumos e custos energético do complexo, nomeadamente para as águas quentes sanitárias. Desta análise obtiveram-se os custos reais do sistema e com os mesmos foi possível, numa primeira fase, elaborar os diversos projectos, hidráulico, eléctricos e civil, de forma a se definir a solução base e quais os orçamentos previstos para a instalação de um sistema de produção a biomassa, e numa segunda fase foi estudada a viabilidade da assinatura de um contracto de performance entre a ESCO e o complexo de hotéis.

Diagnóstico energético da indústria de pneus e sugestões de melhoria

Cada vez mais a indústria tem vindo a sofrer algumas mudanças no seu processo produtivo. Hoje, mais que nunca, é preciso garantir que as instalações produtivas sejam as mais eficientes possíveis, procurando a racionalização da energia com um decrescimento dos custos. Deste modo o objectivo desta dissertação é o diagnóstico energético na fábrica de pneus e sugestões de melhoria na empresa CNB/CAMAC. A realização de um diagnóstico energético, para a detecção de desperdícios de energia tem sido amplamente utilizada. A optimização irá prospectar potenciais de mudanças e aplicação de tecnologias de eficiência energética. Pretende-se deste modo travar o consumo energético sem que seja afectada a produção, já que a empresa é considerada consumidora intensiva de energia. Na empresa CNB/CAMAC há consumo de fuelóleo, gasóleo, vapor e energia eléctrica, sendo o vapor a forma de energia mais consumida (36,1%) seguido da energia eléctrica (33,8%), fuelóleo (29,9) e gasóleo (0,3%). O levantamento energético permitiu estudar a influência de algumas variáveis, nos consumos anuais da energia, e assim apresentar propostas de melhoria. Uma das propostas analisadas foi a possibilidade de efectuar um isolamento térmico a algumas válvulas no equipamento de produção e distribuição de vapor. Este isolamento conduziria a uma poupança de 33.540 kWh/ano. Também se propôs o isolamento dos tubos de transporte de vapor no sector da vulcanização o que geraria uma poupança de 549.826 kWh/ano. Sugere-se a implementação de um economizador na caldeira nº1 uma vez que a temperatura média dos gases de chaminé se situa á volta dos 311ºC. Uma vez que existe a pré instalação de um sistema de cogeração, sugere-se que este seja finalizado. Propôs-se a implementação de balastros electrónicos, que conduziria a uma diminuição em energia eléctrica de 33.5877 kWh/ano. Também se propõe a eliminação das fugas de ar na rede de distribuição do ar comprimido poupando assim 12,96kW/h.

Eficiência Energética, Gestão de Energia e Integração de Renováveis em Instalações Hospitalares

A presente dissertação é o resultado de um estudo realizado entre Março de 2015 e Março de 2016 centrado no tema Eficiência Energética nos Edifícios, no âmbito da Dissertação do 2º ano do Mestrado em Engenharia Eletrotécnica – Sistemas Elétricos de Energia no Instituto Superior de Engenharia do Porto (ISEP). Atualmente, os edifícios são responsáveis por cerca de 40% do consumo de energia na maioria dos países da europa. Energia consumida, principalmente, no aquecimento, arrefecimento e na alimentação de aparelhos elétricos. Os hospitais, como grandes edifícios, são grandes consumidores de energia e, na maioria dos países europeus, situam-se entre os edifícios públicos menos eficientes. Neste contexto, representam um tipo de edifícios cuja atividade apresenta um potencial de poupança energético importante. O tipo de atividade aí desenvolvida, aliada às especificidades do sector da saúde, faz deste tipo de edifícios um alvo de análise e otimização energética bastante apetecível. O presente trabalho passa pelo estudo do potencial para a eficiência energética de um hospital situado na zona do Porto. Foi, inicialmente, efetuado um levantamento das necessidades energéticas, de modo a identificar os sectores prioritários de atuação. Este estudo conta com a análise dos consumos obtidos através do processo de monitorização, substituição da iluminação existente por uma mais eficiente, a instalação de painéis solares para reduzir o consumo destinado às águas quentes sanitárias, a substituição de caldeira a diesel por caldeira a biomassa, substituição de um chiller por um mais eficiente, entre outros. Os consumos registados no hospital em estudo serão comparados com um plano nacional (Eficiência Energética e Hídrica no Sistema Nacional de Saúde), para, desta forma, se perceber quais os consumos do hospital em estudo, quando comparados com outros hospitais.

Energy-conscious tasks partitioning onto a heterogeneous multi-core platform

Modern multicore processors for the embedded market are often heterogeneous in nature. One feature often available are multiple sleep states with varying transition cost for entering and leaving said sleep states. This research effort explores the energy efficient task-mapping on such a heterogeneous multicore platform to reduce overall energy consumption of the system. This is performed in the context of a partitioned scheduling approach and a very realistic power model, which improves over some of the simplifying assumptions often made in the state-of-the-art. The developed heuristic consists of two phases, in the first phase, tasks are allocated to minimise their active energy consumption, while the second phase trades off a higher active energy consumption for an increased ability to exploit savings through more efficient sleep states. Extensive simulations demonstrate the effectiveness of the approach.

Saving energy in the GFRP pultrusion process

This study addresses to the optimization of pultrusion manufacturing process from the energy-consumption point of view. The die heating system of external platen heaters commonly used in the pultrusion machines is one of the components that contribute the most to the high consumption of energy of pultrusion process. Hence, instead of the conventional multi-planar heaters, a new internal die heating system that leads to minor heat losses is proposed. The effect of the number and relative position of the embedded heaters along the die is also analysed towards the setting up of the optimum arrangement that minimizes both the energy rate and consumption. Simulation and optimization processes were greatly supported by Finite Element Analysis (FEA) and calibrated with basis on the temperature profile computed through thermography imaging techniques. The main outputs of this study allow to conclude that the use of embedded cylindrical resistances instead of external planar heaters leads to drastic reductions of both the power consumption and the warm-up periods of the die heating system. For the analysed die tool and process, savings on energy consumption up to 60% and warm-up period stages less than an half hour were attained with the new internal heating system. The improvements achieved allow reducing the power requirements on pultrusion process, and thus minimize industrial costs and contribute to a more sustainable pultrusion manufacturing industry.

Energy-aware task mapping onto heterogeneous platforms using DVFS and sleep states

Heterogeneous multicore platforms are becoming an interesting alternative for embedded computing systems with limited power supply as they can execute specific tasks in an efficient manner. Nonetheless, one of the main challenges of such platforms consists of optimising the energy consumption in the presence of temporal constraints. This paper addresses the problem of task-to-core allocation onto heterogeneous multicore platforms such that the overall energy consumption of the system is minimised. To this end, we propose a two-phase approach that considers both dynamic and leakage energy consumption: (i) the first phase allocates tasks to the cores such that the dynamic energy consumption is reduced; (ii) the second phase refines the allocation performed in the first phase in order to achieve better sleep states by trading off the dynamic energy consumption with the reduction in leakage energy consumption. This hybrid approach considers core frequency set-points, tasks energy consumption and sleep states of the cores to reduce the energy consumption of the system. Major value has been placed on a realistic power model which increases the practical relevance of the proposed approach. Finally, extensive simulations have been carried out to demonstrate the effectiveness of the proposed algorithm. In the best-case, savings up to 18% of energy are reached over the first fit algorithm, which has shown, in previous works, to perform better than other bin-packing heuristics for the target heterogeneous multicore platform.

Short-term wind forecasting for energy resources scheduling

This paper proposes a wind power forecasting methodology based on two methods: direct wind power forecasting and wind speed forecasting in the first phase followed by wind power forecasting using turbines characteristics and the aforementioned wind speed forecast. The proposed forecasting methodology aims to support the operation in the scope of the intraday resources scheduling model, namely with a time horizon of 5 minutes. This intraday model supports distribution network operators in the short-term scheduling problem, in the smart grid context. A case study using a real database of 12 months recorded from a Portuguese wind power farm was used. The results show that the straightforward methodology can be applied in the intraday model with high wind speed and wind power accuracy. The wind power forecast direct method shows better performance than wind power forecast using turbine characteristics and wind speed forecast obtained in first phase.

Real-time energy resources scheduling considering intensive wind penetration

The use of distributed energy resources, based on natural intermittent power sources, like wind generation, in power systems imposes the development of new adequate operation management and control methodologies. A short-term Energy Resource Management (ERM) methodology performed in two phases is proposed in this paper. The first one addresses the day-ahead ERM scheduling and the second one deals with the five-minute ahead ERM scheduling. The ERM scheduling is a complex optimization problem due to the high quantity of variables and constraints. In this paper the main goal is to minimize the operation costs from the point of view of a virtual power player that manages the network and the existing resources. The optimization problem is solved by a deterministic mixedinteger non-linear programming approach. A case study considering a distribution network with 33 bus, 66 distributed generation, 32 loads with demand response contracts and 7 storage units and 1000 electric vehicles has been implemented in a simulator developed in the field of the presented work, in order to validate the proposed short-term ERM methodology considering the dynamic power system behavior.

Energy resource scheduling in a real distribution network managed by several virtual power players

Smart Grids (SGs) appeared as the new paradigm for power system management and operation, being designed to integrate large amounts of distributed energy resources. This new paradigm requires a more efficient Energy Resource Management (ERM) and, simultaneously, makes this a more complex problem, due to the intensive use of distributed energy resources (DER), such as distributed generation, active consumers with demand response contracts, and storage units. This paper presents a methodology to address the energy resource scheduling, considering an intensive use of distributed generation and demand response contracts. A case study of a 30 kV real distribution network, including a substation with 6 feeders and 937 buses, is used to demonstrate the effectiveness of the proposed methodology. This network is managed by six virtual power players (VPP) with capability to manage the DER and the distribution network.