Brevet FR2473158A2 — publié le 19810710

FR 2473158 A2 19810710 FR 8000042 A 19800102 La présente addition au brevet déposé le 7 Décembre 1979 intéresse le système de régulation des matériels (vannes motorisées et pompe à chaleur notamment),l'utilisation des températures de consigne dans l'asservissement desdits matériels,et diverses amélioration destinées à faciliter la circulation du fluide caloporteur. L'objet de la régulation est double : - permettre,d'une part,d'assurer le chauffage dans des conditions optimales de confort,grâce à l'apport d'une énergie mécanique extérieure,mais sans aucun recoure à une énergie thermique non gratuite; - d'autre part,réduire au mieux la quantité d'énergie mécanique consommée,grâce à l'obtention de l'écart le plus faible possible entre les températures de sortie du condenseur et de l'évaporateur,lorsque l'intervention de la pompe à chaleur est nécessaire. Ce double objectif pourrait conduire à la mise en: place d'une régulation entrainant,par son coût initial,des charges trop lourdes pour l'installation équipée.Il y a donc lieu de préciser les caractéristiques de la régulation compatible avec chaque cas étudié. La présente addition est rédigée en conservant les hypothèses formulées dans le brevet (climat,batiment,conditions de chauffage etc..). Il ne s'agit là que d'un exemple destiné à faciliter la compréhension du système décrit,et les principes restent valables dans tous les cas. Deux planches figurent en annexe - La planche 1/2 constitue la reproduction,à l'identique,de la planche unique du brevet.Elle est indispensable à la lecture de la présente addition, toutes les notations du brevet ayant été conservées. - La planche 2/2 est unCbeproduction partielle du schéma (planche 1/2) allégé et modifié afin de présenter les diverses variantes décrites ci-après.Seules quelques notations sont ajoutées. - Les petits réservoirs 20 90 et 97, souvent appelés "bouteilles d'é quilibré;sont destinés à faciliter les variations de débit et les inversions de circulation résultant de l'action de la régulation. - Les tuyauteries 98 et 99 remplacent la tuyauterie 12,de part et d'autre de la bouteille 97.La tuyauterie 89 se substitue à 74.Les tuyauteries 17 et 95,précédement raccordées au réservoir 11,aboutissent à une bouteille 20,reliée au réservoir par un tube 201. La température td,nécessaire au départ de l'installation de chauffage,est une fonction de la température extérieure te,et peut être considérée,dans la pratique,comme une fonction linéaire de celle-ci.Dans le brevet,la relation admise est td = 32,3 - 0,65 te .Des valeurs particulières peuvent être utiles.Elles seront appelées tdl td2 ... et correspondront aux valeurs tel te2 .. de te. La vanne motorisée 53 du circuit des capteurs obéit à deux lois différentes en été et en hiver.La loi,en été (minimum de température à la sortie des capteurs) variera suivant le climat et l'installation.En- hiver,cette loi (liée notamment à la détection d'une augmentation de la température de l'eau dans les capteursXsera fonction de la technologie du dispositif de comparaison et de l'inertie des capteurs. La vanne 92 est asservie à la température de lteau,venue des capteurs,qui la traverse,avec une température de consigne tc.Cette température tc obéira à td suivant une fonction linéaire,et par conséquent à te toujours linéairement.De mbme les températures de consigne tr (réservoir 11 - prise 96) et tp (régulation au départ du condenseur 72) obéiront à une fonction linéaire de te.Si la régulation est à effet discontinu,aux valeurs tel,te2 ...etc correspondront,pour une installation donnée desvaleurs tci,tri,tpi tc2,tr2,tp2 ... etc. Un tel asservissement étant susceptible d'entrainer des variations de régime trop rréquentes,il pourra autre utile de choisir une base périodique,et,par exemple,quotidienweJqui définira les valeurs de consigne pour la Journée.Cette base pourra être le minimum quotidien tm relevé à heure fixe (4,5 ou 6 heures suivant les statistiques).Dans ce cas,les valeurs de consigne de tc,tr,tp (mais non td) seront liées à tm,au lieu de te,et suivant une loi différente. Dans l'exemple du brevet,les lois pourraient être,en cas de variations continues: tc = tr = 28 - 0,5 te et tp = 32,5 - 0,625 te avec des valeurs minimales de 280 pour tc et tr,et de 30 pour tp, ou encore: tc = tr = 30 - 0,5 ts et tp = 32,5 -0,625 tm avec les mêmes minima. Si les variations sont discontinues,les valeurs pourraient titre tc tr tp t > +4 28 28 30 +4 > ti b 0 30 30 32,5 O > t. 32 32 35 La valeur de consigne de tc commande la position de la vanne 92.La valeur de consigne de tp commande, suivant une fourchette liée au matériel utilisé,sise en route et arrêt du compresseur,quand la pompe à chaleur est autorisée à fonctionner,et seulement dans ce cas.Cette autori satin est accordée si tr est inférieure à la valeur de consigne, si la vanne 18 régulant td est à fin de course,mitigeage fermé,ce qui signifierait que la régulation neest plus assurée,la température,dans le réservoir,étant trop faible. La régulation fonctionnera donc comme suit: - Les valeurs de consigne de tc tp et tr sont fixées en application d'une des règles énoncées (variations continues ou non,variable te ou tn suivant l'installation) - L'eau venue des capteurs circule en fonction de la position de la vanne 92,liée à la température de cette eau par rapport à tc. - La pompe à chaleur est à l'arrêt si la température en 96 est supérieure au point de consigne de tr,et si la vanne 18 n'est pas en fin de course (mitigeage fermé). - La pompe à chaleur peut fonctionner si la température en 96 est inférieure à la valeur de consigne de tr,ou si la vanne 18 est à fin de course.Elle est alors régulée à la température de consigne tp. Dans le cas d'une installation dont l'importance ou la nature ne Justifie pas une telle régulation,le dispositif sera simplifié,soit en passant à une régulation discontinue,avec réduction du nombre des points de consigne,soit en passant à une régulation manuelle. A titre d'exemple de simplification possible: - on adoptera pour tc un seul point de consigne (280 dans l'exemple) avec passage manuel à l'ouverture totale sur 94 quand te est inférieure ou égale à +40 - on choisira pour tr deux points de consigne,30" normalement et 320 quand te est inférieur à +40,avec passage manuel - la pompe à chaleur sera réglée à 350 en permanence. Il en résultera une perte sur le coefficient de performance de la pompe à chaleur,et la consommation d'énergie mécanique augmentera de 5 à 10 % perte qui pourra être inférieure à l'économie d'amortissement réalisée. Il est possible que l'installation soit régulée à l'aide d'un thermostat d'ambiance agissant sur la vanne ?8.Il reste alors possible d'appliquer les dispositions simplifiées qui précèdent,mais aussi de conserver une régulation automatique en asservissant tc tp et tr aux valeurs de td relevées sur la canalisation 12 (après mitigeage),et en prenant certaines précautions (tp sensiblement supérieursà td,et,si la régulation est discontinue tc et tr légèrement supérieurYA td. Un certain nombre d'améliorations au schéma de la planche 1/2 sont en outre susceptibles de faciliter le fonctionnement du système de ré gulation ainsi défini. Il est possible de raccorder les canalisations 17 et 95 à une bouteille 20,reliée elfe-m8me au réservoir 'Il par un tube 201 de gros diamêtre,suivant dessin de la planche 2/2.De la sorte,quand les débits sont égaux dans 17 et 95,le débit dans 201 sera nul,et les capteurs sont alimentés exclusivement par l'eau de retour du chauffage,à température minimale,sans aucun risque de mélange.Si l'une des canalisation se trouve avoir un débit réduit,ou nul,la canalisation 201 assure l'écoulement de la différence,dans le sens voulu,les conditions de pressions relatives étant telles que l'eau venue de 17 passe en priorité dans 95. I1 est également possible,et sera souvent souhaitable,de disposer à l'intersection des canalisations 94 75 et 76 une bouteille d'équilibre dont le rssle sera efficace quand la vanne 92 est ouverte en direc tison de 94.Lorsque la pompe 73 tourne (compresseur en marche)l'eau s'écoulera normalement vers le condenseur.Mais dès 1'arrêt de la pompe 73 la circulation dans le circuit du condenseur est freinée,sinon interrompue,et un piquage pur et simple risque de géner l'écoulement de l'eau vers le réservoir,qui est en dépression relative.La bouteille 90 pallie cette difficulté. I1 est enfin possible de modifier le schéma de la planche 1/2,en fonction des caractéristiques de l'installation, et surtout du réservoir 11,afin d'améliorer la stratification de la chaleur dans celui-ci.Cet objectif sera atteint en raccordant la canalisation 73 non plus sur le réservoir 11,mains sur le départ du chauffage (précédement 12,cette notation étant remplacée dans la planche 2/2 par 98,97,et 99,la bouteille 97 étant intercalée dans le circuit réservoir-98 et 99-mitigeage. L'eau venant de la pompe à chaleur (température maximale à cet instant) passe alors directement dans le circuit de chauffage,sans que son passage dans le réservoir risque de provoquer une diffusion dans l'eau oins chaude.L'eau excédentaire,éventuellement,par suite de l'action du mitigeur 18,refluera alors vers le réservoir.Lors de l'arrêt de la pompe à chaleur,au contraire,le réservoir alimentera,suivant les besoins, la canalisation 98. Dans les trois dispositifs décrits ci-dessus,la circulation s'effectue tantot dans un sens,tantot dans l'autre,à-l'intérieur des canalisations 98 75 et 201.I1 sera utile que les diamètres de ces tuyauteries soient largement dimensionnés,afin que les vitesses d'eau à l'entrée dans le réservoir soient aussi faibles que possible.En outre les systèmes classiques destinés à limiter au mieux les risques de mélange des eaux introduites et des eaux stagnantes devront etre utilisés. RSWENDICATIONS 1. Dispositif conforme aux revendication 1 et 8 du brevet,caractérisé par la définition d'une relation mathématique simple entre la tem chacune pérature extérieure te (variable choisie) et/d > s températures de consi- gne tc (applicable à la température de l'eau traversant la vanne 92),tr (applicable à la température du réservoir 11) et tp (applicable à la régulation de la température de l'eau sortant du condenseur),les tempéra turesde consigne tc,tr et tp pouvant ainsi étre asservies de façon con tinue,grce å des solutions simples et connues,à la température te. 2. Dispositif conforme à la revendication 1 ci-dessus,caractérisé par le fait que l'asservissement continu est remplacé par un pilotage discontinu,un certain nombre de températures limites tél te2 etc... déterminant les valeurs assignées aux températures de consigne,soit,respectivement, tct,trl,tpt tc2 tr2 tp2 etc... 3. Dispositif conforme aux revendications 1 et 2 ci-dessus,caractérisé par le remplacement de la variable te (température extérieure de l'instant), remplacée,avec modification convenable des relations ma- thématiques,pour l'une des trois température de consigne tc,tr,tp,pour deux d'entre elles,ou pour les trois,par la température minimale probable de la journée tm,admise et mesurée de façon arbitraire par référence à l'évolution habituelle des températures dans le climat étudié. 4. Dispositif conforme à l'une des trois revendications 1,2 et 3 ci-dessus caractérisé par le fait que le fonctionnement de la pompe à chaleur (toujours sous le contrôle de la consigne tp) n'est possible que si l'une des deux conditions suivantes est remplie: - température dans le réservoir inférieure à la température de consigne,ou - température insuffisante au départ du chauffage (pouvant être signalée par exemple par contact de fin de course sur la vanne 18). 5. Dispositif conforme à l'une des revendications 2 et 3 ci-dessu, caractérisé par le remplacement de l'asservissement automatique (électronique,pneumatique ou autre) par des interventions manuelles,l'opérateur réglant les trois températures de consigne (ou seulement une ou deux d'entre elles) en fonction d'un tableau de correspondances basé sur la température extérieure instantanée,ou sur le minimum quotidien probable (te ou ton). 6. Dispositif conforme aux revendications 1,3,6,7,et8 du brevet,ca ractérise par l'application des types de régulation décrits dans les re rendications ci-dessus à des installations dont le réglage automatique ne dépend pan de la température extErieure,mais,par exemple,d'un ther mostat d'ambiance,la variable étant alors la température de départ td instantanée du chauffage (rev.l et 2 ct-dessus),ou la température de départ maximale de la journée tdm(rev.3 ci-dessus) ou meme td et tdm employées conjointement ou non (rev. 5 ci-dessus),au lieu de te ou tm, les rêgles d'asservissement ou de correspondance étant adaptées en conséquence,en fonction de la technologie de la régulation du chauffage,et éventuellement ramenées à une simple différence arithmétique entre les variables et les températures asservies. 7. Dispositif conforme à la revendication 1 du brevet,caractérisé par l'existence d'une bouteille d'équilibre recevant les raccordements du retour du chauffage et du départ vers les capteurs,bouteille raccordée à la partie basse du réservoir par une tuyauterie largement dimensionnée,dans laquelle le sens et l'importance de la circulation dépendront principalement du débit des deux canalisations précédentes. 8. Dispositif conforme aux revendications t et 7 du brevet,caractérisé par l'existence d'une bouteille d'équilibre sur le retour du réservoir au condenseur,bouteille à laquelle sera raccordée la tuyauterie venant de la vanne trois voies précédement simplement piquée sur ce retour,bouteille destinée notamment à faciliter l'écoulement de l'eau venue de la vanne trois voies vers le réservoir,lors de l'arrêt de la pompe à chaleur. 9. Dispositif conforme à la revendication 1 du brevet,caractérisé par le raccordement du départ de la pompe à chaleur (condenseur) non plus sur le réservoir,mais directement sur le départ du chauffage. 10. Dispositif conforme à la revendication 9 ci-dessus,- caractérisé par l'existence d'une bouteille d'équilibre placée au point de raccordement du départ du condenseur sur le départ du chauffage,bouteille destinée notamment à faciliter l'inversion éventuelle de la circulation de l'eau entre réservoir et point de raccordement,inversion résultant éventuellement de la technologie de régulation utilisée.