Brevet FR2511480A1 — publié le 19830218

L'invention concerne une commande séquentielle en puissance pour chaudière à gaz. L'augmentation rapide du coût de l'énergie a conduit les utilisateurs à l'épargner par une meilleure utilisation et par la diminution de leurs besoins. En ce qui concerne le chauffage, l'amélioration de l'isolation dans la construction a entrainé une réduction sensible de la puissance des chaudières de chauffage central. Les efforts d'isolation se traduisent, dans la majorité des cas, par des besoins calorifiques réduits de moitié pour la même surface habitable. Par contre, les besoins en eau chaude sanitaire n'ont guère variés dans la mesure où ceux-ci restent fortement fonction du degré d'hygiène, d'équipement ménager et de confort de plus en plus élevé chez l'homme moderne, notamment chez le citadin. Les besoins en eau chaude restent identiques, voir en augmentation, et la puissance nécessaire pour en assurer la production instantanée dans un générateur n'a pas varié La puissance nécessaire au chauffage de l'eau sani taire dépend du degré de confort souhaité. Un calcul rapide montre qu'en chauffage instantané le niveau de cette puissance ne peut être abaissé en dessous de 24 kw. Cette puissance convient tout juste à échauffer un débit de 10 1/mon de 330C ou un débit de 6,7 1/mon de 500C. La puissance d'une chaudière dépend essentiellemen de ses caractéristiques générales de conception et de la puissa] ce de son brûleur. Le calcul des caractéristiques générales d'une chai dière est guidé par la nécessité d'obtenir le- meilleur rendement à la puissance nominale. On lui associe ensuite un brûleur de puissance ada] tée. La puissance d'une chaudière dépend donc essentiel lement de ses caractéristiques générales de conception et de la puissance de son brûleur. Or, le point de fonctionnement correspondant au ren dement optimal pour un type de chaudière donné ne peut se re trouver à deux puissances de fonctionnement très différentes allant du simple au double. De plus, il est impensable d'équiper les chaudières mixtes d'un deuxième foyer ou d'une deuxième rampe de brûleur de plus faible puissance en raison de son incidence sur le prix de revient. Dans les chaudières à gaz, on ne pourrait faire fonctionner la moitié de la rampe du brûleur sans se placer dans des conditions de mauvais rendement. Dans le cas de puissances de chauffage et d'eau chaude instantanée voisines, le générateur de chaleur fonctionne toujours à sa puissance nominale ce qui permet de bénéficier du rendement optimal prévu par le constructeur. Un simple dispositif de priorite interrompt le chauffage ou ne l'autorise pas pendant le temps du soutirage de l'eau sanitaire qui dispose de la pleine puissance pour se chauffer. Les chaudières actuelles à double service disposent d'une puissance nominale imposée par les besoins en eau chaude sanitaire. Cette puissance dépasse les caractéristiques de l'installation de chauffage d'une habitation thermiquement isolée. Pour satisfaire à ces deux nécessités, les chaudières à deux services doivent disposer d'un règlage de puissance qui adapte la fourniture de chaleur aux plus faibles besoins de l'installation de chauffage tout en conservant la disponibilité de la puissance totale pour la production d'eau chaude sanitaire La présente invention a pour but de réaliser, de façon simple, l'ajustement de la puissance de chauffage en conservant la totalité de la puissance pour la préparation instantanée de l'eau chaude sanitaire. En effet, la puissance de chauffage est modulée séquentiellement selon un cycle de fréquence de récurrence constante ou variable permettant d'optimiser les temps d'arrêt de la chaudière. Un autre objectif de l'invention est d'asservir le fonc-tionnement de la chaudière aux variations d'un paramètre climatique en chauffage seul ou en chaudière avec pre- paration d'eau chaude sanitaire par ajustement de la puissanc moyenne en fonction des besoins calorifiques que traduisent les variations d'un paramètre climatique captées et transmise par la sonde extérieure. A cet effet, 11 invention est remarquable en ce que l'allure de fonctionnement résulte de la commande séquentielle d'une vanne de pleine puissance associée endérivation à une vanne d'allure minimale en liaison avec une sonde extérieure et/ou tout autre capteur traduisant la variation d'un paramètre quelconque intéressant la conduite de la chaudière. L'invention s'applique non seulement aux chaudières à deux services mais également à toutes les chaudières de chauffage au gaz car elle permet . d'ajuster la puissance réellement nécessaire d'une chaudièr type utilisée dans des conditions et des besoins de puissan ces différentes, . la modulation automatique de cette puissance par asservisse ment de sa commande de fonctionnement aux variations des conditions climatiques extérieures. La commande selon l'invention garantit une consommation optimale du combustible gazeux par la correspondanc parfaite de la puissance et du temps de fonctionnement aux besoins instantanés. Cette adaptation est étudiée pour optimiser l'exploitation de l'installation au niveau du fonctionnement de la chaudière par la réduction des temps d'arrêt imposés par une puissance nominale dépassant les besoins de l'installation de chauffage dans le cas d'une chaudière à deux services. Elle permet ainsi de choisir une chaudière de puissance confortable sans la faire consommer au-delà des stricts besoins en chauffage. D'autres caractéristiques techniques et avantages ressortiront de la description qui suit, effectuée à titre d'exemple, sur un mode de réalisation de l'invention, illustré par le dessin annexé dans lequel la figure 1 représente le schéma de la commande sé quentielle de puissance selon l'invention, la figure 2 est une représentation graphique d'un mode de fonctionnement des puissances en fonction du temps où Pn désigne la puissance nominale et t le temps. La commande séquentielle en puissance selon l'invention se compose d'un jeu de vannes placées sur le circuit d'alimentation tel que représenté sur la figure annexée entre le brûleur à gaz 1 et la conduite d'alimentation 2 après le compteur 3. Une vanne d'allure réduite 4, à débit ajustable, impose à la chaudière un fonctionnement en allure réduite. Cette allure réduite préréglée par le constructeur ou ajustée par l'installateur à la mise en marche de l'installation correspond aux besoins minimum de l'installation. Le débit de cette vanne pourra etre règlé de façon à assurer un fonctionnement à puissance réduite à une valeur comprise par exemple entre 20 et 40 % de la puissance nominale. Cette vanne d'allure réduite est complétée par une deuxième vanne 5 dite de pleine puissance montée endérivationsur la première vanne ou inversement. La vanne de pleine puissance fonctionne en tout ou rien. On la choisira de préférence dans le groupe des vannes à possibilité de commande à distance, par exemple parmi les électrovannes. La vanne de pleine puissance sera commandée séquentiellement par un dispositif séquenceur électromécanique ou électronique 6 à partir des informations fournies par une unité de commande 7 qui prend en compte un ou plusieurs paramètres climatiques intérieurs ou extérieurs, par exemple la température des pièces par un thermostat d'ambiance 8, la température extérieure par une sonde extérieure 9, la tem perature de l'eau de chauffage par une sonde de départ chauffage 10 ou tout autre. L'unité de commande 7 est réduite, dans le cas le plus simple, au thermostat d'ambiance 8 ou à la commande 11 de règlage de la température de l'eau dans la chaudière. Un organe de liaison 12 à élément ou circuit retardateur introduit un retard à l'ouverture entre la vanne de pleine puissance et la vanne d'allure réduite. L'unité de commande 7 assure àvec le séquenceur 6 le fonctionnement entièrement automatique de la chaudière. Elle comportera tout de même des éléments 13 et 14 de commande et de réglage manuels des caractéristiques du mode de fonctionnement séquentiel : en fréquence, en amplitude et en rapport cyclique. Bien entendu, d'autres commandes pourront être associées telles que programmation horaire ... et, de façon générale, toutes celles existant en chauffage. Hormis la programmation, ces commandes ou éléments de réglage sont, pour la plupart, non accessibles à l'utilisateur. En effet, le mode de fonctionnement optimal sera déterminé par l'installateur en fonction des caractéristiques de l'installation et réglé à la mise en route. Dans un exemple de réalisation préférée de l'invention, la commande séquentielle sera basée sur la variation du rapport cyclique. Autrement dit, le dispositif électronique de commande offrira la possibilité de faire varier de zéro à un le rapport du temps de marche sur le temps total. La puissance effective ou la puissance moyenne dans ce cas, sera égale à la puissance minimale donnée par le débit dans la vanne d'allure réduite additionnée d'une valeur égale à la puissance nominale pondérée par le rapport cyclique. Ainsi, par exemple, pour une puissance nominale Pn de 24 KW et un réglage d'allure réduite procurant une puissance égale à 0,3 Pn (30 t de la puissance nominale), un rapport cyclique de 0,5 permet d'obtenir une puissance effective totale de 7,2 + 8,4 = 15,6 KW. Le rapport cyclique sera choisi en fonction des caractéristiques de la chaudière à équiper en tenant compte surtout de son inertie. La valeur de ce rapport sera limitée vers le bas par une valeur n'entrainant pas des manoeuvres excessives de la vanne en ouverture et en fermeture. Il semble que le temps minimum d'ouverture d'une vanne doit être limité à trente secondes. Le choix d'une pé riode de cinq minutes permettra donc un rapport cyclique minimum dc 0,1 ct, avec une puissance nominale de 24 KW, de réaliser une variation continue de puissance entre 8,88 KW et 24 KW en modifiant simplement le rapport cyclique. Afin d'assurer dans tous les cas d'usage un fonctionnement le plus silencieux possible on optera pour un séquenceur 6 à retour automatique à zéro et à action différée afin que chaque demande de chaleur actionne d'abord l'ouverture de la vanne minimale qui sera suivie ou non de l'ouverture de latvanne de pleine puissance. Ceci permet, en toute circonstance, d'assurer un allumage silencieux du brûleur à la plus faible allure. Pour la même raison, l'allumage direct à pleine puissance se fera en retardant légèrement l'ouverture de la vanne de pleine puissance par rapport à la vanne d'allure minimale. La représentation graphique de la figure 2 rend compte du fonctionnement séquentiel de période égale à T. Les tracés inférieurs en traits pleins, mixtes et en pointillés représentent les niveaux de puissance en allure réduite. Le temps d'application de la pleine puis sance est indiqué par 01, 02 ... A chaque niveau de base vient s'ajouter en modulation tout ou rien le complément de la puissance jusqu'à la puissance nominale Pn selon un rapport cyclique variable fonction des besoins calorifiques. Tout se passe comme si on modulait la puissance en largeur d'impulsion à partir du seuil donné par l'allure réduite. On a représenté à droite un temps de fonctionnement du brûleur à pleine puissance plus important. On peut observer également sur ce graphique le décalage à l'ouverture de la vanne de pleine puissance. L'invention a été décrite en détail ci-dessus. Il est bien entendu que diverses modifications simples, substitutions par des éléments équivalents et variantes directes ne sauraient sortir du cadre de la présente définition de l'invention. REVENDICATIONS 1. Commande en puissance pour chaudière à gaz par action sur le fluide combustible à travers un jeu de vannes entre le compteur et le brûleur caractérisée en ce que l'allure de fonctionnement résulte de la commande séquentielle d'une vanne de pleine puissance (5) associée à une vanne d'allure réduite (4). 2. Commande selon la revendication 1 caractérisél en ce que la vanne de pleine puissance (5) est montée en dérivationsur la vanne d'allure réduite (4). 3. Commande selon la revendication 1 caractérisés en ce que la vanne de pleine puissance (5) fonctionne en tout ou rien. 4. Commande selon. les revendications 1 et 3 caractérisée en ce que la vanne d'allure réduite (4) est reglée à un débit fixe correspondant à une fraction de la puissance nominale. 5. Commande selon la revendication 1 caracterisée en ce que la vanne de pleine puissance (5) est pilotée par un séquenceur électromécanique ou électronique (6) à partir des informations fournies par une unité de commande (7). 6. Commande selon les revendications 1 et 5 caractérisée en ce que l'unité de commande (7) est reliée à une sonde extérieure (9) et/ou à divers capteurs tels que thermostat d'ambiance (8) ou sonde de temperature départ chauffage (10). 7. Commande selon les revendications 1 et 6 caractérisée en ce que l'unité de commande (7) est le thermostat d'ambiance ou le thermostat de la température de l'eau de chaudière (11). 8. Commande selon les revendications précédentes prises dans leur ensemble caractérisée en ce que la séquence de commande débute par le temps de fermeture de la vanne de pleine puissance avec commande automatique en fermeture en fin de cycle. 9. Commande selon les revendications 1, 5 et 6 caractérisée en ce qu'un élément de coordination (12) introduit lors de la mise en route de la chaudière un retard à l'ouverture entre la vanne d'allure réduite qui s'ouvre en premier et la vanne de pleine puissance.