The main objective of this thesis research is to test the applicability of a novel heat and moisture transfer panel (HAMP) in an office building to control the space humidity. A HAMP is a panel that uses a liquid desiccant to add or remove heat and moisture to or from a space. This thesis research uses the TRNSYS computer package to model an office building in four different cities representing four climatic conditions. The cities are Saskatoon, Saskatchewan; Chicago, Illinois; Phoenix, Arizona; and Miami, Florida; representing cold-dry, cool-humid, hot-dry, and hot-humid climates, respectively. The HAMP is employed in the office building with a radiant ceiling panel (RCP) system. Three other HVAC systems are examined and compared to the system employing the HAMP. The systems are: a conventional all-air system, a RCP system with 100% outdoor air, a RCP system with a parallel dedicated outdoor air system (DOAS), and the RCP system with the HAMP and 100% outdoor air. In the latter, the HAMP covers 10% of the ceiling area and uses lithium chloride solution as the liquid desiccant at different temperatures and concentrations. The results show that the HAMP is able to control the space humidity within the control limits in all climates. The HAMP also shows the ability to provide better humidity control than the other systems as it directly responds to the space latent loads. The HAMP is able to control the relative humidity between 26% RH and 62%, 24% RH and 57% RH, 27% RH and 60%, and 40% RH and 62% RH in Chicago, Saskatoon, Phoenix, and Miami, respectively. The HAMP is able to achieve a relative humidity of 35% in Chicago, Saskatoon, and Phoenix for 14%, 13%, and 20% of the working hours of the year, respectively. It is also able to achieve a relative humidity of 60% in Chicago, and Miami 10% and 55% of the working hours of the year, respectively. The results also show the potential of the RCP system with the HAMP to reduce the total energy consumed by a conventional all-air system in the hot climates by 40%, and 54% in Miami and Phoenix respectively, and in the cold climates by 14% and 23% in Saskatoon and Chicago, respectively.

Master of Science / Department of Chemical Engineering / Mary E. Rezac / Mary E. Rezac / Energy consumption due to heating, ventilation, and air conditioning amounts to 10-20% of global electrical energy usage. Air conditioning alone uses one trillion kilowatt hours globally. This energy is required for the dehumidification of air in addition to its cooling. New membrane technologies have the potential to decrease air conditioning energy requirements by significant amounts. A membrane acts as a partial heat and mass exchanger in conjunction with a traditional air conditioning system to remove water content and reduce the cooling load. Membranes vary according to their properties and method of mass transport. Liquid membranes have high permeability and selectivity, dense membranes have high selectivity and low permeability, and porous membranes have low selectivity and high permeability. A theoretical model was created to observe how membrane properties affected the potential energy savings of such systems. The most influential properties were flow rate, water permeability and selectivity, membrane area and thickness, and the purge flow temperature. Other properties were determined to be minimally important such as outdoor temperature and humidity. The effect on energy savings in many cases was not a linear relationship but suggested an optimal value beyond which energy savings did not significantly increase. The best simulations showed electrical energy savings of 86-95%.

Master of Landscape Architecture / Department of Landscape Architecture/Regional and Community Planning / Howard Hahn / Outdoor landscape irrigation is a prodigious consumer of potable water and accounts for more than 50% of urban water use in the United States. It is therefore imperative to reserve potable water for essential uses. The variability of recent drought trends coupled with the prediction of more intense, less frequent storms and rising water costs suggest the need to recycle as much free water as possible to meet non-essential irrigation demands. But is it possible to harvest enough water on-site to meet landscape water requirements with little to no reliance on municipal water? If not, how can design professionals adjust planting plans to bring the landscape water demand into equilibrium with potential supply while still meeting aesthetic objectives? This report uses predictive performance-based modeling to answer these questions. The author chose three study sites in St. Louis, Missouri to determine if the water demand of the existing landscapes can be supplied by collecting enough rainfall runoff and air conditioning condensate. Site selection depended on site size, differing harshness of localized environmental conditions, and ability to collect and generate large quantities of runoff and condensate water. Methods included a literature review, site inventory/analyses, estimation of plant water requirements using evapotranspiration data, estimation of rainfall runoff from various surfaces, and estimation of air conditioning condensate using thermodynamic equations. Findings show that landscape water needs for two of the three sites can be potentially met by on-site water sources with little to no reliance on municipal water. This was due to limited landscape areas compared to larger paved areas, the building footprint, and large quantities of air conditioning condensate produced during the hottest months. Under existing conditions, the third site was out of water balance. Consequently, the author undertook a planting re-design to convert low priority turf expanses to a naturalistic meadow requiring less water. Additionally, the author performed a return on investment analysis for both retrofit conditions and new construction. Overall, this research demonstrates that site-scale water harvesting for landscape irrigation purposes is a viable option to curtail reliance on municipal water supplies in the Midwest and similar climates.

[pt] Os laboratórios projetados para testes de motores de combustão interna trabalham sob normas que especificam métodos de ensaios aplicados à avaliação do desempenho do motor. Um motor veicular testado em um dinamômetro de bancada possui equipamentos auxiliares necessários para garantir condições de ensaio específicas, tal como a temperatura do ar de admissão, que deve ser mantida dentro dos valores indicados nas condições-padrão de referência da aplicação pretendida. Diante deste cenário, é evidente a importância de um estudo dos sistemas de condicionamento presentes nas salas de testes de motores. Esta dissertação apresenta o projeto, dimensionamento e simulação de um sistema de condicionamento que controla a temperatura e umidade do ar de admissão para realização de testes de motores de combustão dispostos em dinamômetros de bancada, independente das condições ambientais. A modelagem dinâmica do condicionador de ar e seus componentes (trocador de calor de água gelada, aquecedor elétrico e umidificador) foi implementada no EES. O sistema de controle PID com dois esquemas de ajuste de ganhos (utilizando a fórmula de Ziegler-Nichols, e auto-sintonizado on-line por um sistema supervisório fuzzy) foi desenhado no MATLAB. Para avaliar o desempenho do condicionador e do seu sistema de controle foi estabelecida uma comunicação através do intercâmbio dinâmico de dados entre o MATLAB e o EES. Um estudo de simulação comparativa entre ambos esquemas de ajuste dos controladores, mostra que a estratégia de controle fuzzy supervisório PID proposta permite obter um melhor desempenho dinâmico do sistema condicionador, em termos de estabilidade diante variações tanto na vazão quanto nas condições do ar de admissão, segundo os resultados obtidos na simulação com dados experimentais de um motor Diesel testado sob o ciclo de ensaios dos 13 modos em estado estacionário (ESC test) para certificação de emissões. / [en] Engine testing laboratories designed for automotive vehicles operate under standards that specify test methods used to evaluate the performance of internal combustion engines. A vehicle engine tested on a dynamometer bench has auxiliary equipment required in order to ensure the test conditions, such as intake air temperature which must be maintained within the specified values by standard reference conditions of the intended application. Given this backdrop, it is clear the importance of study of conditioning systems present in engine test facilities. This dissertation presents the design, implementation and simulation of a conditioning system that controls temperature and humidity of the intake air for testing of combustion engines arranged in a dynamometer bench, regardless of ambient conditions. The dynamical modelling of the air conditioner and its components (chilled water heat exchanger, electric heater and humidifier) was implemented in EES. The PID control system with two gains adjustment schemes (using the Ziegler-Nichols formula, and self-tuned on-line with a fuzzy supervisory system) was designed in MATLAB. The conditioning unit performance and its control system was assessed using a communication established through of the dynamic data exchange between EES and MATLAB. A comparative simulation study on both schemes for tuning of controllers shows that the use of the PID supervisory fuzzy control strategy proposed allows for considerable improvements in dynamic performance of the system, in terms of stability on both variation in flow rate and conditions of the intake air, according to the results obtained in the simulation with experimental data of a heavy-duty Diesel engine over the test cycle 13 steady state modes (ESC test) for emission certification.

[pt] Devido ao interesse crescente na utilização da energia solar no condicionamento de ar e secagem de alimentos, o presente trabalho descreve diversos ciclos solares de condicionamento de ar e apresenta um modelo de simulação das condições de operação e desempenho dos equipamentos usados num ciclo aberto de condicionamento. O modelo calcula o ciclo termodinâmico e especifica as características de transferência de calor e massa dos equipamentos para sistemas de qualquer capacidade térmica. Os resultados encontrados são exemplificados para sistemas de 1 a 5 toneladas de refrigeração de capacidade. / [en] Due to the increasing interest in the use of solar energy for air contioning and drying of foods, the present work describes different cycles of solar air conditioning and presents a model for simulating the operating conditions and the performance of the equipaments used in an open air conditioning cycle. The model calculates the termodynamic cycle and specifies the heat and mass transfer characteristics of the equipments for systems of any cooling capacity. The results are exemplified for systems of 1 to 5 refrigerating tons of cooling capacity.

Os sistemas de condicionamento de ar exercem função importante em uma sala cirúrgica, que é proteger a ferida cirúrgica e os equipamentos estéreis dos microrganismos carreados pelo ar. Essa proteção é feita pelo controle simultâneo da movimentação e distribuição do ar, da temperatura, da umidade, da filtragem, das infiltrações de ar de outros setores, entre outros. Esses são fatores que afetam diretamente a quantidade de partículas aéreas presentes em uma sala cirúrgica. Dentro deste contexto, no presente trabalho foi desenvolvido um modelo matemático para predição da concentração de partículas em salas cirúrgicas e para determinação da importância relativa dos fatores que interferem na geração e remoção dessas partículas. O modelo proposto baseia-se no balanço de massa para o cálculo da concentração de partículas, que foi aplicado e validado com os dados obtidos em salas cirúrgicas com diferentes tipos de sistemas de condicionamento de ar. Nessas salas cirúrgicas foram realizadas medições de variáveis ambientais considerando diferentes situações que normalmente ocorrem na rotina de salas cirúrgicas. Para cada uma das condições analisadas, é proposto um determinado conjunto de parâmetros relativos ao ambiente, ao sistema de condicionamento de ar e às concentrações de partículas provenientes das diversas fontes, que são utilizados como dados de entrada no modelo. O modelo que está sendo proposto também pode ser utilizado como uma importante ferramenta para auxiliar na análise específica dos fatores que afetam tanto a geração como a remoção de partículas. / Air conditioning systems exert an important function in surgical rooms, to protect the surgical wound and the sterile equipments from airborne infected particles. This protection is achieved by means of a simultaneous control of the movement and distribution of the air, of the temperature, of the humidity, of the filtering, of air infiltrations from other sections etc. Those factors directly affect the amount of airborne particles present in a surgical room. Within this context, the present work aimed to develop a mathematical model for the prediction of particle concentrations in surgical rooms and for the determination of the relative importance of the factors that interfere in the generation and removal of those particles. The proposed model, based on mass balance for the calculation of the particle concentrations, has been applied and validated with the data obtained from different types of air conditioning systems in which the measurements were carried out, as well as with different conditions that commonly occur in the routine of surgical rooms. For each one of these conditions, a certain group of relative parameters is proposed to the environment, to the air conditioning system, and to the concentrations of particles originated from the different sources, which are used as input data to the model. The proposed model can also be used as an important tool to aid in the specific analysis of the factors that affect both particle generation and removal.

Os sistemas de condicionamento de ar exercem função importante em uma sala cirúrgica, que é proteger a ferida cirúrgica e os equipamentos estéreis dos microrganismos carreados pelo ar. Essa proteção é feita pelo controle simultâneo da movimentação e distribuição do ar, da temperatura, da umidade, da filtragem, das infiltrações de ar de outros setores, entre outros. Esses são fatores que afetam diretamente a quantidade de partículas aéreas presentes em uma sala cirúrgica. Dentro deste contexto, no presente trabalho foi desenvolvido um modelo matemático para predição da concentração de partículas em salas cirúrgicas e para determinação da importância relativa dos fatores que interferem na geração e remoção dessas partículas. O modelo proposto baseia-se no balanço de massa para o cálculo da concentração de partículas, que foi aplicado e validado com os dados obtidos em salas cirúrgicas com diferentes tipos de sistemas de condicionamento de ar. Nessas salas cirúrgicas foram realizadas medições de variáveis ambientais considerando diferentes situações que normalmente ocorrem na rotina de salas cirúrgicas. Para cada uma das condições analisadas, é proposto um determinado conjunto de parâmetros relativos ao ambiente, ao sistema de condicionamento de ar e às concentrações de partículas provenientes das diversas fontes, que são utilizados como dados de entrada no modelo. O modelo que está sendo proposto também pode ser utilizado como uma importante ferramenta para auxiliar na análise específica dos fatores que afetam tanto a geração como a remoção de partículas. / Air conditioning systems exert an important function in surgical rooms, to protect the surgical wound and the sterile equipments from airborne infected particles. This protection is achieved by means of a simultaneous control of the movement and distribution of the air, of the temperature, of the humidity, of the filtering, of air infiltrations from other sections etc. Those factors directly affect the amount of airborne particles present in a surgical room. Within this context, the present work aimed to develop a mathematical model for the prediction of particle concentrations in surgical rooms and for the determination of the relative importance of the factors that interfere in the generation and removal of those particles. The proposed model, based on mass balance for the calculation of the particle concentrations, has been applied and validated with the data obtained from different types of air conditioning systems in which the measurements were carried out, as well as with different conditions that commonly occur in the routine of surgical rooms. For each one of these conditions, a certain group of relative parameters is proposed to the environment, to the air conditioning system, and to the concentrations of particles originated from the different sources, which are used as input data to the model. The proposed model can also be used as an important tool to aid in the specific analysis of the factors that affect both particle generation and removal.

ABE, V.C. Determinação de parâmetros de operação de sistema de distribuição de ar frio pelo piso em ambientes de escritórios. 2007. 132 p. Dissertação (Mestrado) - Departamento de Engenharia de Construção Civil da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, São Paulo, 2007. Atualmente, um dos principais requisitos para que um ambiente de escritório atenda plenamente às necessidades de uso e ocupação é a flexibilidade, mas com conforto. O sistema de distribuição de ar frio pelo piso (Underfloor Air Distribution System - UFAD) está sendo utilizado nos edifícios de escritórios para garantir a flexibilização integrada do sistema com o mobiliário. Trata-se de um sistema que fornece ar frio proveniente de um plenum, através de difusores localizados nos painéis do piso elevado. Os difusores de ar podem ser ajustados, ou reposicionados pelos próprios usuários dos ambientes, possibilitando o controle das condições térmicas no entorno próximo, de acordo com suas preferências individuais. Embora o sistema de distribuição de ar pelo piso apresente diversas vantagens com relação ao sistema de distribuição de ar convencional, ainda há falta de informações objetivas e diretrizes de projeto padronizadas, havendo a necessidade de realização de mais pesquisas na área. A introdução da Dinâmica dos Fluidos Computacional (Computational Fluid Dynamics - CFD) apresentou uma alternativa para as pesquisas experimentais relacionadas ao estudo do escoamento do ar. Assim, para o desenvolvimento do presente estudo foram utilizados recursos de dinâmica dos fluidos computacional, com o uso do código FLUENT. O objetivo do presente trabalho é apresentar uma estratégia para a determinação dos parâmetros de operação de sistemas de distribuição de ar pelo piso aplicados a ambientes de escritórios. A estratégia baseiase no estabelecimento de inter-relações entre os principais parâmetros que definem o escoamento do ar em ambientes com o sistema de distribuição de ar pelo piso: a vazão de ar insuflado, a temperatura do ar insuflado e a diferença de pressão entre o plenum pressurizado e o interior do ambiente. O emprego da estratégia possibilita que o projetista identifique as diversas combinações entre os parâmetros de operação que resultem numa mesma condição desejada, permitindo assim a escolha da opção mais satisfatória. / ABE, V.C. Determination of operation parameters of rooms with underfloor air distribution system. 2007. 132 p. Dissertation (Master Course) - Departamento de Engenharia de Construção Civil da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, São Paulo, 2007. Nowadays, one of the main requirements of an office room to fully attend the use and occupation needs is the flexibility, but with comfort. The underfloor air distribution system is being used in the office buildings to guarantee the integrated flexibility of the system with the furniture layout. The system supplies cooled air to the room from a pressurized plenum, passing through air diffusers located in the raised floor panels. The air diffusers can be adjusted or relocated by the room users themselves, making possible the control of the thermal conditions in their surroundings, according to their individual preferences. Though the underfloor air distribution system presents a lot of advantages with regard to conventional overhead distribution systems, there is still a lack of objective information and standardized guidelines, and the necessity of accomplishment of more researches about the subject. The introduction of Computational Fluid Dynamics presented an alternative for the experimental tests related to the study of airflow in rooms. Thus, for the development of the present study a CFD tool was used, the code FLUENT. The purpose of the present work is to develop a strategy for the determination of the operation parameters of an underfloor air distribution system applied to office rooms. The strategy is based on the establishment of interrelations between the main parameters that define the airflow in rooms with the underfloor air distribution system: the input volume flux, the input air temperature and the pressure difference between underfloor plenum and the room. The use of this strategy enables the designer to identify several combinations of the operation parameters that result in one desired condition, allowing the choice of the most satisfactory option.

Hospitais e demais instalações médicas constituem-se em ambientes complexos, que requerem sistemas de tratamento de ar e de ventilação adequados para o conforto e segurança de pacientes, de pessoal e de visitantes. Em ambientes cirúrgicos as condições de conforto térmico precisam ser as melhores possíveis, para que o cirurgião e a equipe médica trabalhem em condições favoráveis para o sucesso do procedimento cirúrgico. Simultaneamente, os riscos de infecção do paciente e dos profissionais de saúde, causadas por partículas transportadas pelo ar, devem ser minimizados. Neste trabalho foram realizadas avaliações experimentais de condições de conforto térmico e desconforto local em salas cirúrgicas com três diferentes tipos de sistemas de distribuição de ar. O procedimento experimental consistiu de medições e avaliações subjetivas (questionários). As avaliações de condições de conforto térmico foram realizadas segundo os critérios de conforto de Fanger e conforme previsto nas normas ISO 7730 e ASHRAE 55. A aplicação do método de Fanger na avaliação de condições de conforto térmico em salas cirúrgicas mostrou-se adequada, embora seja necessário cuidado especial na sua utilização e na análise dos resultados. Verificou-se que é muito difícil prover condições de conforto térmico para toda a equipe cirúrgica, principalmente devido a fatores pessoais como o tipo de vestimenta e o nível de atividade, bem como de fatores específicos do ambiente cirúrgico, como o calor liberado pelo foco cirúrgico. Os resultados obtidos permitiram verificar que o sistema de fluxo unidirecional apresentou melhores condições de conforto térmico. Esse sistema também apresenta um maior potencial de controle de contaminantes no campo cirúrgico. Finalmente, resultados de estudo comparativo com trabalhos de outros autores mostram valores praticamente iguais de temperaturas equivalentes de conforto térmico em torno de 22°C para todos os membros da equipe cirúrgica. Esse resultado é particularmente útil para avaliar diferentes condições ambientais e pessoais em propiciar condições de conforto térmico aos diferentes membros da equipe cirúrgica. / Hospitals and medical centers are complex environments which request special air treatment and ventilation systems for the comfort and safety of patients, personnel and visitors. In surgical environments the thermal comfort conditions need to be the best as possible in order to the surgeons and the medical team work in favorable conditions for the success of the surgical procedure. Simultaneously, the risks of infection caused by airborne particles should be minimized. In the present work experimental evaluations of thermal comfort and local discomfort conditions were carried out for surgical rooms with three different types of air distribution systems. Measurements and subjective evaluations (questionnaires) were accomplished. The evaluations of thermal comfort conditions were done according to the Fanger comfort criteria and as foreseen in the norms ISO 7730 and ASHRAE 55. The use of the Fanger method in the evaluation of thermal comfort conditions in surgical rooms is appropriate, although it is necessary special care in its use and in the analysis of the results. It was verified that it is very difficult to provide conditions of thermal comfort for the whole surgical team, mainly due to personal factors like clothing and activity level, as well as surgical-specific environmental factors like the heat of the surgical focus. The analysis shows that the unidirectional flow system presented better conditions of thermal comfort. Additionally, this system also presents greater potential of pollutants control in the surgical field. Finally, results of comparative study with other authors\' works show practically same values of equivalent temperatures of thermal comfort around 22°C for all of the members of the surgical team. That result is particularly useful to evaluate different environmental and personal conditions in propitiating conditions of thermal comfort to the different members of the surgical team.

Cabines de aeronaves vêm sendo desenvolvidas de modo a tornar o ambiente a bordo mais aceitável e confortável para os seus usuários. No presente trabalho, a influência de sistema de ventilação personalizada instalado na poltrona na dispersão de partículas expiratórias foi estudada em um mock-up de 12 lugares, que reproduz o interior de uma aeronave comercial com quatro poltronas por fileira. Os ensaios foram realizados com temperatura do ar insuflado na cabine a 18°C, correspondendo a uma leve sensação de frio, e temperatura do ar insuflado pelo sistema personalizado a 24°C com vazão de 3,0 l/s. As partículas simulando uma pessoa espirrando foram injetadas em dois pontos no fundo da cabine, respectivamente, na poltrona próxima da fuselagem e naquela perto do corredor, a 1,10m do piso, que corresponde à região de respiração. A contagem de partículas foi realizada nos assentos da fileira imediatamente à frente do ponto de injeção das partículas, ou seja, na fileira do meio do mock-up, onde se encontra instalado o sistema de ventilação personalizada, respectivamente, na poltrona próxima da fuselagem e naquela perto do corredor. Medições para o mapeamento dos perfis de temperaturas e de velocidades do ar também foram realizadas. Os resultados mostraram que a dispersão de partículas sofre forte influência do sistema de ventilação personalizada e do ponto de injeção de partículas. A quantidade de partículas expiratórias na cabine sempre foi maior quando a injeção foi feita pelo assento junto ao corredor. Isto ocorre devido ao sistema de ventilação por mistura da cabine, com exaustão do ar pela parte inferior próximo da fuselagem. O sistema personalizado avaliado no assento próximo da fuselagem e junto do corredor foi capaz de reduzir, respectivamente, em 40% e 65% a quantidade de partículas expiratórias na zona de respiração dos ocupantes destas poltronas. Adicionalmente, quando o sistema personalizado está funcionando junto ao corredor, a redução das partículas em toda a fileira é de quase 60% em comparação ao sistema personalizado desligado. / Aircraft cabins have been developed in order to make the onboard environment more acceptable and comfortable for their users. In the present work, the influence of a personalized ventilation system installed on the armchair in the dispersion of expiratory particles was studied in a 12-seat mock-up, which reproduces the interior of a commercial aircraft with four seats per row. The tests were performed with inlet air temperature into the cabin at 18°C, corresponding to a slight cold sensation, and inlet air temperature of the customized system at 24°C with a flow rate of 3.0 l/s. Particles simulating a person sneezing were injected at two points in the bottom of the cabin, respectively, in the seat near the fuselage and in the one near the corridor, 1.10m from the floor, which corresponds to the breathing zone. Particle counting was carried out in the row seats immediately in front of the particles\' injection point, i.e. in the middle row of the mock-up, where the custom ventilation system is installed, respectively, in the seat near the fuselage and in that one near the aisle. Measurements for the mapping of temperature and air velocities profiles were also performed. The results showed that the particle dispersion is strongly influenced by the custom ventilation system and the particle injection point. The amount of expiratory particles in the cabin was always greater when the injection was done by the seat near the aisle. This occurs due to the mixing ventilation system of cabin, with air exhaust located nearby the fuselage low part. The personalized ventilation evaluated on the fuselage seat and the aisle seat was able to reduce by 40% and 65%, respectively, the amount of expiratory particles in the breathing zone in these seats. Moreover, when the custom system is working along the corridor, the particle reduction across the row is nearly 60% less compared to the custom system, when it is off.