Desenvolvimento de um controlador preditivo para sistemas de aquecimento de águas domésticas

• Autor(a) principal: Conceição, Cheila Silva
• Data de Publicação: 2022
• Tipo de documento: Dissertação
• Idioma: por
• Título da fonte: Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
• Texto Completo: http://hdl.handle.net/10773/36439
• topic: Esquentadores de água a gás sem tanque; Água quente doméstica; Conforto térmico; Controlo preditivo baseado em modelo; Controlo integrado de baixo custo; Simulação em tempo real

O aquecimento de água é uma peça fundamental no consumo de energia de um agregado familiar e os esquentadores de água a gás sem tanque (TGWHs) são largamente utilizados. Contudo, existem desafios de projeto e engenharia para desenvolver equipamentos mais eficientes, com menores emissões gasosas e que proporcionem um melhor conforto ao utilizador. Um dos inconvenientes destes dispositivos é a dificuldade em manter a estabilidade da temperatura da água quente na saída, quando ocorrem mudanças no caudal de água. Estas mudanças são, geralmente, inesperadas e não podem ser antecipadas pelo controlador geralmente usado nestes equipamentos, afetando altamente o conforto do utilizador. Além disso, existe um elevado desperdício de água associado ao longo tempo de resposta no arranque a frio. Assim, existe a necessidade de um controlador rápido e robusto que seja capaz de ultrapassar estas limitações. Neste sentido, a presente dissertação propõe o desenvolvimento de um controlador preditivo baseado em modelo (MPC) a ser implementado em dispositivos de aquecimento de água, com a finalidade de proporcionar o conforto térmico ao utilizador e a poupança de água associada ao tempo de espera no arranque a frio. Foram desenvolvidos em Matlab/Simulink cinco controladores de temperatura: Proporcional, PID, feedforward PID, MPC e MPC com função adaptativa. As simulações em ambiente simulado demonstraram que os controladores tradicionais não são adequados para o controlo de TGWHs. Além disso, as duas técnicas de controlo preditivo desenvolvidas mostraram melhor desempenho do que os métodos de controlo convencionais para todos os cenários considerados, nomeadamente, mudança de setpoint, arranque a frio e alterações no caudal de água. Seguidamente à análise em ambiente simulado, foram realizadas simulações em tempo real, nomeadamente, simulações com hardware-inloop, com vista a implementar o controlador preditivo clássico em hardware de baixo custo. Foi analisada a influência do tempo de amostragem, do horizonte de predição, do horizonte de controlo e do número de iterações requeridas para resolver o problema quadrático, em cada intervalo de controlo, tanto na resposta de temperatura como na quantidade de memória exigida. Encontrando um equilíbrio entre os parâmetros do MPC e a memória requerida foi possível implementar o algoritmo MPC, num microcontrolador de 32 bits e num microcontrolador de 8 bits. Para a implementação no Arduino MKR Zero (32 bits) foi obtido um índice de conforto 6,8% superior ao obtido para a técnica atualmente utilizada em esquentadores a gás e para a implementação no Arduino Mega 2560 (8 bits), um índice de conforto 4,2% superior. Relativamente ao tempo de espera no arranque a frio, o tempo de estabilização foi reduzido, em média, 3,65 segundos. Com a implementação do controlador preditivo, em hardware de baixo custo, capaz de responder às oscilações de temperatura, demonstrou-se que é possível alcançar o conforto térmico do utilizador e garantir a sua segurança. Além disso, é possível reduzir o seu impacto ambiental diminuindo os gastos de água e energia.