Desenvolvimento do modelo dinâmico e sistema de controle para uma bomba de calor a R290 assistida por energia solar com expansão direta: eficiência no aquecimento de água residencial
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Universidade Federal de Minas Gerais
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Tese de doutorado
Título alternativo
Development of the dynamic model and control system for a solar-assisted direct expansion R290 heat pump: efficiency in residential water heating
Primeiro orientador
Membros da banca
Luiz Machado
Willian Moreira Duarte
Paulo Eduardo Lopes Barbieri
Tiago de Freitas Paulino
Willian Moreira Duarte
Paulo Eduardo Lopes Barbieri
Tiago de Freitas Paulino
Resumo
Dada a crescente demanda por soluções de energia sustentável, esta pesquisa aborda o desafio
de aprimorar a eficiência e reduzir o impacto ambiental dos sistemas de aquecimento de água
residencial. Este trabalho apresenta um modelo matemático dinâmico de fronteira móvel do
condensador de uma bomba de calor solar com expansão direta, operando com propano, e o
projeto de um controlador, destinado a regular a temperatura final da água. O modelo
matemático foi desenvolvido com base nas leis da conservação de massa, energia e quantidade
de movimento, e validado por meio da comparação das respostas a um degrau na vazão de água
com 121 pontos experimentais, alcançando um máximo desvio relativo médio de 6,5%. O
controlador projetado é do tipo PID, e foi implementado em um microcontrolador. Para regular
a temperatura de saída da água, o controlador atua na vazão da água. A eficácia do controlador
foi avaliada usando simulações computacionais e testes experimentais. O modelo matemático
desenvolvido é capaz de descrever o comportamento da bomba de calor, e os principais
resultados das simulações realizadas com o modelo mostram que a vazão e a temperatura de
entrada da água influenciam significativamente na temperatura final da água e no coeficiente
de desempenho (COP) do sistema. A maior temperatura da água, 68,5 ºC, foi alcançada com
temperatura de entrada de 30 ºC e vazão de 0,25 L/min, enquanto o maior COP, 2,3, ocorreu
com temperatura de entrada de 10 ºC e vazão de 0,80 L/min. Além disso, o aumento da pressão
de entrada do compressor elevou a temperatura de saída da água em 17,8% e o COP em 55,0%.
O controlador demonstrou boa precisão e robustez, mantendo a temperatura desejada estável
mesmo diante de perturbações, tanto em simulações quanto em testes experimentais.
Abstract
Given the growing demand for sustainable energy solutions, this research addresses the
challenge of improving the efficiency and reduce the environmental impact of residential water
heating systems. This work presents a dynamic moving boundary mathematical model of the
condenser of a direct expansion solar-assisted heat pump operating with propane, along with
the design of a controller aimed at regulating the final water temperature. The mathematical
model was developed based on mass, momentum, and energy conservation equations and
validated by comparing the water flow rate step responses with 121 experimental data points,
with a maximum mean relative deviation of 6.5%. The designed controller is of the PID type
and was implemented on a microcontroller. To regulate the output water temperature, the
controller acts on the water flow rate. The controller effectiveness was evaluated using
computer simulations and experimental tests. The developed mathematical model accurately
describes the behavior of the heat pump, and the main results of the simulations show that both
water flow rate and inlet temperature significantly influence the final water temperature and the
system coefficient of performance (COP). The highest water temperature, 68.5 °C, was
achieved with an inlet temperature of 30 °C and a flow rate of 0.25 L/min, while the highest
COP, 2.3, occurred with an inlet temperature of 10 °C and a flow rate of 0.80 L/min. In addition,
increasing the compressor inlet pressure raised the water outlet temperature by 17.8% and the
COP by 55.0%. The controller demonstrated high accuracy and robustness, ensuring the
stability of the water temperature under external disturbances in both simulations and
experimental validations.
Assunto
Engenharia mecânica, Desenvolvimento sustentável, Bombas de calor, Energia solar, Abastecimento de água quente
Palavras-chave
DX-SAHP, R290, Modelo matemático, Fronteira móvel, Sistema de controle, Aquecimento de água
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