Análise energética e optimização em sistemas de abastecimento de água

Abstract

Actualmente, em sistemas de distribuição de água é necessário despender energia de forma regular para a acumular sob a forma de energia potencial e utilizá-la quando necessário. O exemplo mais imediato é o do uso das torres de água para criação de pressão na rede ou dos tanques de água para abastecimento de populações. Neste último exemplo, a água é enviada para um ponto de cota mais elevada por meio de bombas. E quando necessário, a água, através da energia potencial gravítica, toma o rumo para o qual é guardada nas torres ou tanques de abastecimento. Nos sistemas actuais é tomado como imperativo a garantia de existência de um nível mínimo de água para qualquer eventualidade. Deste modo, no panorama actual a água é bombeada para as torres ou tanques de abastecimento quando o nível de água dos tanques atinge um valor mínimo. Contudo, esta acção não tem em conta o custo energético que é dependente do ciclo horário. É possível minimizar os recursos energéticos utilizados nestas acções de acordo com o custo energético horário. Quando os sistemas apresentam rami cações e vários equipamentos de bombagem e tanques, a minimização dos recursos energé- ticos apresenta-se como uma tarefa de elevada complexidade. Este facto é devido ao grande número de variáveis a optimizar e ao comportamento não-linear do sistema. Há uma década, os únicos métodos de optimização utilizados em engenharia eram os métodos clássicos baseados no gradiente. Estes métodos, apesar de serem muito objectivos, são dependentes dos parâmetros iniciais do processo de optimização e só garantem a chegada a mínimos locais. Recentemente, outros métodos de optimização tornaram-se atractivos pela não necessidade da informação do gradiente e porque têm uma grande probabilidade de encontrarem o óptimo global. Desses métodos heurísticos de procura directa destacam-se os métodos inspirados na natureza (Algoritmos Genéticos e Evolucionários, Evolução Diferencial, PSO etc.). Neste trabalho, analisa-se a e ciência de diferentes metodologias de optimização que consigam minimizar os recursos energéticos utilizados nestas acções. Para isso, toma-se como função objectivo a simulação de um ciclo diário actual onde os parâmetros de funcionamento das bombas são as variáveis de optimização e as metodologias de optimização são comparadas de forma a veri car se o valor encontrado é o mínimo global.

At present it is necessary to expend energy in water distribution systems on a regular basis to accumulate in the form of potential energy and use when necessary. The most immediate examples are the use of water towers to create pressure in the system, or of water tanks to supply water to the population. In the latter example, water is sent to a point of higher elevation using pumps. And, when necessary, the water, through gravitational energy, follows its course to be stored in water towers or tanks. In current systems it is imperative to guarantee a minimum level of water to cover every eventuality. In this way, in the current landscape, water is pumped to the towers or tanks when the water level in the tanks reaches the minimum level. However, this action does not take into account the energetic cost, which is dependent on cycle time. It is possible to minimize energy resources used in these actions by scheduling pump operation. When systems have many rami cations and various types of pumps and storage tanks the minimization of energy resources becomes a highly complex task. This is due both to the high number of variables to optimize and to the non-linear behaviour of the system. A decade ago the only methods of optimization used in engineering were classical methods based on gradient. These methods, despite being objective, are dependent on initial parameters in the optimization process and only guarantee arrival to local minima. Recently other optimization methods have become attractive as there is no need for gradient information and also because there is high probability of nding the global optimum. These heuristic methods, which include direct search methods, were inspired by nature (Genetic and Evolutionary Algorithms, Di erential Evolution, PSO etc.). In this paper, the e ciency of di erent optimization methodologies, which are able to minimize energy resources used, are analyzed. For this, simulation of a daily cycle is taken as the target action, where the current pump operating parameters are variables in optimization and optimization methods are compared in order to check whether the value found is the global minimum.