Intelligent module to promote water-savings and thermal comfort in domestic water heating equipment

Abstract

There is a growing concern about to the scarceness of natural resources such as water, which portrait an essential role in domestic water heating applications. Although tankless gas water heaters (TGWH) are widely used, some models present challenges related to sudden and unexpected variations in the demanded hot water flowrate that cannot be anticipated by the equipment controller. These undesired output temperature variations are commonly referred as temperature undershoots and overshoots. Furthermore, there is a high waste of water associated with the long waiting time in cold starts of this household appliance. All of these factors affect the users’ thermal comfort. Modern models are already designed and engineered to overcome these problems. The present dissertation proposes to develop an intelligent module to install in existing or new TGWH devices in order to promote the user thermal comfort as well as promote water savings. The proof of concept of the proposed solution depends on modeling and simulation (in a simulated environment) in order to minimize temperature undershoot and overshoot to values not perceived by users. The mechanical project includes the selection of the components included and the design layout in the proposed solution for an easy to install device.

A preocupação com a escassez de recursos naturais como a água tem vido a aumentar, recurso este que protagoniza um papel essencial nos sistemas de aquecimento de água domésticos. Embora os esquentadores de água a gás sem tanque (TGWH) sejam amplamente utilizados, alguns modelos apresentam desafios relacionados com variações repentinas e inesperadas de caudal de água quente, que não podem ser previstas pelo controlador do equipamento. Essas variações indesejadas de temperatura de saída são denominadas de undershoots e overshoots de temperatura. Além disso, existe um elevado desperdício de água associado ao longo tempo de resposta no arranque a frio. Todos esses fatores afetam o conforto térmico do utilizador. Alguns equipamentos mais modernos foram desenhados de modo a incluir estratégias para melhorar estes aspetos. A presente dissertação propõe o desenvolvimento de um módulo inteligente para instalação em dispositivos de aquecimento de água novos ou já instalados com o objetivo de promover o conforto térmico do utilizador, bem como a poupança de água associada ao tempo de espera no arranque a frio. A prova de conceito da solução proposta depende da modelação e simulação (em ambiente simulado) procurando minimizar os undershoots e overshoots de temperatura a valores não perceptíveis pelo utilizador. O projeto mecânico inclui a seleção dos componentes e o layout da solução proposta para um dispositivo de fácil instalação.