Modular concept of a heat pump focusing on acoustic impact reduction

Abstract

The aim of this work is to develop a prototype of a modular heat pump with focusing on noise reduction by separating the two main noise sources of a heat pump: the compressor and the fan. The first part of this master thesis work consisted of developing two modules, the compressor and the fan modules from a monobloc BOSCH heat pump. The compressor, the refrigerant circuit, the inverter, the expansion valves and the electronic board were installed into the compressor module while the evaporator and the fan were installed in the fan module. Different rapid prototyping technologies were used in to order to obtain the needed components, such as, laser cut, hot wire cut and metal bending. As a result, a functional modular heat pump was developed presented as a solution that allows the end user to manage the preferred location to install both modules and consequently the two main noise sources. The second part included the development of a second sound barrier around the compressor module. Hence, an acoustic enclosure was built. The development of the enclosure was based in three acoustic principles: high acoustic impedance gradient between materials, sound leakage insulation and absence of structure-borne noise. Consequently, a study was conducted about the best material to use taking into account several high density materials. The material chosen was WPC (Wood plastic composite), a composite of rice husk and PVC (Polyvinyl chloride) scraps. In addition, an air gap between the enclosure and the compressor module was designed in order to avoid structure-borne noise. Sound measurements were performed to the compressor module with and without the acoustic enclosure around it. The compressor module solely, presented values of sound power of 50,8dB and 53,3dB in night and max day modes, respectively, correspondingly a reduction of 6,7dB and 10,7dB when compared with the initial monobloc unit. However, the most significant result was obtained with the WPC enclosure, which presented values of 35,2dB and 35,8dB in night and max day modes, respectively. These values demonstrate an excellent behavior of the developed enclosure with regard to sound reduction since they are 22,3dB and 28,2dB lower than the values of the initial monobloc unit. On the other hand, the developed solution presented some tonality problems which may increase the level of sound annoyance. Lastly, a user experience was realised what proved to be very useful since it provided valuable information about market chances, preferred places to install the modules, positive and negative aspects and improvement suggestions.

O objetivo deste trabalho é desenvolver um protótipo de uma bomba de calor modular com foco na redução de ruído através da separação das duas principais fontes de ruído: o compressor e a ventoinha. A primeira parte deste trabalho de dissertação de mestrado consistiu no desenvolvimento de dois módulos, o módulo do compressor e o modulo do ventilador, partindo de uma bomba de calor BOSCH do tipo monobloco. O compressor, o circuito refrigerante, o inversor, as válvulas de expansão e a placa eletrónica foram instalados no módulo do compressor enquanto que o evaporador e o ventilador foram instalados no módulo do ventilador. Diferentes tecnologias de prototipagem rápida foram utilizadas para obter os componentes necessários, como corte a laser, corte com fio quente e quinagem de metal. Como resultado, uma bomba de calor modular e funcional foi desenvolvida e apresentada como uma solução que permite ao utilizador final gerir o local preferido para instalar ambos os módulos e, consequentemente, as duas principais fontes de ruído. A segunda parte contempla o desenvolvimento de uma segunda barreira de som em torno do módulo do compressor. Assim, foi construído um invólucro acústico. O desenvolvimento deste baseou-se em três princípios acústicos: gradiente de alta impedância acústica entre materiais, isolamento de fugas de ondas sonoras e ausência de ruído transmitido por componentes rígidos (structure-borne noise). Consequentemente, foi realizado um estudo sobre qual o melhor material a utilizar tendo em conta diversos materiais de alta densidade. O material escolhido foi o WPC (Composto Plástico-Madeira), um composto de casca de arroz e restos de PVC (Policloreto de vinila). Além disso, um espaço de ar entre o invólucro e o módulo do compressor foi projetado a propagação de ruído proveniente de componentes rígidos (structure-borne noise). Foram realizadas medições de som ao módulo do compressor com e sem o invólucro acústico. O módulo do compressor apresentou valores de potência sonora de 50,8dB e 53,3dB para os modos noturno e máximo diurno, respectivamente. O que significou uma redução de 6,7dB e 10,7dB quando comparado com a unidade monobloco inicial. No entanto, o resultado mais significativo foi com a utilização do invólucro em WPC que apresentou valores de 35,2dB e 35,8dB para os modos noturno e máximo diurno, respectivamente. Estes valores demonstraram um excelente comportamento do invólucro desenvolvido no que diz respeito à atenuação de ruído, uma vez que apresenta valores 22,3dB e 28,2dB menores que os valores da unidade monobloco inicial. Por outro lado, a solução desenvolvida apresentou alguns problemas de tonalidade o que poderá significar um aumento do nível de incómodo sonoro. Por fim, foi realizada uma experiência de utilizador que provou ser batante útil, pois forneceu informações valiosas sobre oportunidades de mercado, locais preferenciais para instalação dos módulos, aspectos positivos e negativos e sugestões de melhorias.