Modelling, simulation and control of tankless gas water heaters: a hardware-in-the-loop approach

Abstract

Tankless gas water heaters (TGWH) are widely used to produce hot water for domestic use. Despite its advantages over other water heating systems, one of the relevant drawbacks is undesirable water temperature oscillations. When subjected to variations in hot water demand, sudden temperature changes with overshoots or undershoots occur, causing waste of water and energy, unwanted emissions, and a negative impact on the user's comfort. As a result, improvements are needed in TGWH temperature control, and the manufacturers need to reduce the development time for new control strategies. Thus, the present work aims to develop methodologies and tools to implement and evaluate TGWH advanced control strategies with improved comfort by reducing temperature undershoots and overshoots impact, in addition to higher sustainability and lower environmental impact by reducing energy and water waste and gaseous emissions. TGWH models are developed and implemented to establish a simulation framework that supports the development of model-based control strategies and the evaluation by hardware-in-the-loop simulation (HILS). A lumped space approach is applied to model individual components, describing thermal, fluidic and mechanical dynamics. For the heat cell, a semi-empirical model was considered and parametrised with experimental data. Models of each component are interconnected, creating models of complete TGWHs. A methodology based on HILS is proposed, and a prototype of a virtual test bench is constructed to support the development of water heater control strategies embedded in low-cost microcontrollers. This platform allows for speeding up the development and evaluation of control systems even before the existence of prototypes or tests in realistic environments. The architecture of the proposed system establishes four operating modes: data acquisition, real-time simulation, hardware-in-the-loop simulation, and test of the complete system. A control strategy based on model predictive control (MPC) is proposed to stabilise a non-linear process with a time-varying delay. To overcome linear MPC loss of performance when operating far from the linearisation operating point, adaptive MPC and gain scheduling MPC are also developed, showing performance improvements; however, with high computational resources and memory space, limiting its embedded implementation. Classic feedback PID and combined feedforward feedback control strategies are commonly used by TGWH manufacturers and are implemented as references. For the embedded implementation of MPC, an automatic code generation tool is developed explicitly for TGWH. Computational burden and memory footprint were optimised for implementation on low-cost microcontrollers. Embedded MPC was assessed using HILS methodologies in disturbance rejection and cold start scenarios. It was demonstrated that embedded MPC could be successfully implemented on computationally limited microcontrollers, even for thermal systems with large and varying time delays. MPC has shown significant performance improvements with increased comfort by reducing the temperature, undershoots and overshoots impact.

Os esquentadores a gás são amplamente utilizados para a produção de água quente para uso doméstico. Apesar das vantagens relativamente a outros sistemas de aquecimento de água, uma desvantagem relevante são as inconvenientes oscilações na temperatura da água. Quando sujeitos a variações no caudal de água quente, ocorrem mudanças bruscas de temperatura com overshoots ou undershoots, provocando desperdício de água e energia, emissões indesejadas e um impacto negativo no conforto do utilizador. Como resultado, são necessárias melhorias no controlo de temperatura dos esquentadores, além disso os fabricantes precisam de reduzir o tempo de desenvolvimento de novas estratégias de controlo. O objetivo do presente trabalho é desenvolver metodologias e ferramentas para implementar e avaliar estratégias avançadas de controlo de esquentadores, com melhoria do conforto, reduzindo o impacto de undershoots e overshoots de temperatura além de maior sustentabilidade e menor impacto ambiental, reduzindo o desperdício de energia e água e emissões de gases. Modelos de esquentadores são desenvolvidos e implementados para estabelecer uma estrutura de simulação para o suporte do desenvolvimento de estratégias de controle baseadas em modelos e análise através de simulação com hardware-in-the-loop (HILS). Uma abordagem de parâmetros concentrados é utilizada para os modelos de componentes individuais, de forma a descrever as dinâmicas térmicas, fluídicas e mecânicas. Para a célula de aquecimento foi considerado um modelo semi-empírico parametrizado com dados experimentais. Os modelos de cada componente são interligados de forma a criar modelos de esquentadores completos. É proposta uma metodologia baseada em HILS e contruído um protótipo de uma bancada de testes virtual para o suporte do desenvolvimento de estratégias de controlo de sistemas de aquecimento de água embebidos em microcontroladores de baixo custo. Esta plataforma permite acelerar o desenvolvimento e a análise de sistemas de controlo mesmo antes da existência de protótipos ou do teste em ambientes reais. A arquitetura do sistema proposto estabelece quatro modos de operação: aquisição de dados, simulação em tempo real, simulação com hardware-in-the-loop e teste do sistema real completo. Uma estratégia baseada em controlo preditivo de modelo (MPC) é proposta para a estabilização de um processo não linear com atrasos temporais variáveis. Para ultrapassar a perda de performance do MPC linear quando opera afastado do ponto de linearização, foram também desenvolvidos controladores MPC adaptativo e gain scheduling MPC que apresentam melhorias de performance, no entanto com elevados requisitos computacionais e de memória, limitando a sua implementação embebida. Estratégias de controlo clássicas de feedback PID e combinação de feedback e feedforward são normalmente utilizadas pelos fabricantes de esquentadores e são implementadas como referências. Para a implementação do MPC embebido, é desenvolvida uma ferramenta de geração automática de código especifica para esquentadores. Os requisitos computacionais e de memória foram otimizados para a implementação em microcontroladores de baixo custo. O MPC embebido foi avaliado em cenários de rejeição de perturbações e arranque a frio através de metodologias HILS. Foi demonstrado que o controlo MPC embebido pode ser implementado com sucesso em microcontroladores computacionalmente limitados, mesmo para sistemas térmicos com elevados e variáveis atrasos temporais. O controlo MPC apresenta melhorias significativas de performance com maior conforto através da redução do impacto de undershoots e overshoots de temperatura.