Given the growing demand for sustainable energy solutions, this study addresses the challenge of improving the efficiency and environmental performance of residential water heating systems. This work presents the design and implementation of a controller aimed at regulating the outlet water temperature of a direct-expansion solar-assisted heat pump operating with propane. A dynamic model was experimentally identified using the AutoRegressive with eXogenous input methodology and used to design a Proportional–Integral–Derivative controller via the direct synthesis method. To regulate the outlet water temperature, the controller acts on the water flow rate. The effectiveness of the controller was evaluated through computer simulations and experimental tests. Its robustness was assessed by considering parametric variations of ±15%, during which the system maintained stability and performance. The controller demonstrated good accuracy and performance, keeping the desired temperature stable even in the presence of disturbances, both in simulations and experimental evaluations.

His article presents an analysis of the thermal behavior of a direct-expansion solar-assisted heat pump (DX- SAHP) using CO2 experiencing different heat incomes due to the cloud cover variability. This heat pump was designed to elevate water temperature up to comfortable bath levels. The choice of a solar evaporator increases significantly the coefficient of performance in these systems but also leads to greater variations in the outlet water temperature as a result of changes in radiation income during the day. These variations demonstrate the necessity of a control system in order to maintain water temperature in appropriate standards. The study of the outlet water temperature is the first step to develop this control algorithm. The necessary information was collected by making step variations on the water mass flow that runs through the gas cooler. As results of this work, the transfer functions generated by the experimental data and the dynamic behavior of the system will be presented. The results gathered are essential for a future implementation of the control system of the outlet water temperature in the DX-SAHP. Neste artigo é apresenta uma análise do comportamento térmico da saída da água de uma bomba de calor a CO2 com evaporador solar submetido a diferentes aportes de calor devido à variabilidade da insolação ao longo do dia. A bomba de calor está projetada para produzir água quente em temperaturas confortáveis para banhos. A utilização de um evaporador solar aumenta significativamente o coeficiente de performance da bomba de calor, mas também induz uma maior variabilidade na temperatura de saída da água quente devido às mudanças da insolação. Essas variações levam a necessidade da implantação de um sistema de controle para manter a temperatura da água quente em níveis adequados para o banho. O primeiro passo para desenvolver este algoritmo de controle é o estudo do comportamento da temperatura da água quente. Este estudo foi realizado por meio de variações do tipo degrau na vazão mássica da água no resfriador de gás da bomba de calor. Como resultados dessa pesquisa são apresentadas as funções de transferência geradas com os dados experimentais e o comportamento dinâmico do sistema. O resultados obtidos são essenciais para a futura implementação do sistema de controle da temperatura da água quente na bomba de calor.