Brevet FR2521696A1 — publié le 19830819

La présente invention concerne des installations de chauffage central par eau chaude comprenant une pompe à chaleur en relève d'une chaudière dont la source de chaleur peut être quelconque. Pour réaliser un confort satisfaisant il convient d'obtenir une température ambiante constante par circulation d'eau dans les corps de chauffe à une température susceptible de compenser très exactement les déperditions. Cette tempéra- ture est directement fonction des variations de la température extérieure. Cependant la plupart des appareils actuellement utilisés pour assurer la régulation voulue ne perett2t pas d'obtenir pleine satisfaction. Ceci est esselltiellerlen-t dû au fait que, dans un but de simplification, ces appareils sont agencés pour fonctionner, non pas selon la courbe réelle de compensation, mais selon une ligne droite qui correspondrait à une émission linéaire des corps de chauffe proportionnelle à la température de l'eau. Par ailleurs dans les installations comprenant une pompe à chaleur en relève d'une chaudibre,le résultat optimum à atteindre serait de faire fonctionner en priorité la pompe à chaleur par rapport à la chaudière afin dedvee edans toute la mesure du possible la consommation/de cette dernière. Mais là encore les procEdEs et appareils actuellement utilisés ne donnent pas satisfaction car il est prévu un seuil fixe (température de relève) pour mettre ou non en fonctionnement la chaudière. C'est ainsi que dans ie plupart des systèmes actuels de il est admis de réguler en fonction/la température extérieure en prévoyant le mode de fonctionnement suivant, par exemple - pour une température extérieure comprise entre 80 C et 20 C, seule la pompe à chaleur est en fonctionnement, - pour une température extérieure de O C à 8 C, la chaudière est mise en fonctionnement en même temps que la pompe à chaleur et ce, à titre de source coplémentaire de calories, - pour une température extérieure inférieure à 0o Ct la pompe à chaleur est arrêtée et la chaudiere est en fonctionnement pour assurer à elle seule la totalité des besoins calorifiques. Mais cette solution n'est pas suffisamment souple et elle ne permet pas de faire fonctionner la pompe à chaleur en priorité chaque fois que cela est possible. C'est pourquoi la présente invention a pour but d'assurer ce résultat et de permettre également une régulation aussi satisfaisante que possible. A cet effet elle a pour objet un procédé de régulation, caractérisè en ce que, par rapport à une courbe de compensation définissant les besoins calorifiques en fonction des variations de la température extérieure, régule de façon différentie la pompe à chaleur et la chaudière - d'une part en commandant l'arrêt et la mise en fonctionnement de la pompe pour des seuils de température de l'eau de départ encadrant la température de consigne, par exemple de + 10 et de - 10, - d'autre part en arrêtant et en mettant en fonctionnement la chaudière pour des seuils supérieur et inférieur qui sont plus faibles que les seuils prévus pour la pompe. De ce fait la pompe à chaleur fonctionne en priorité dans tous les cas. Ainsi lorsque la température de l'eau de départ chute au-dessous de la température de consigne, la pompe à chaleur est mise en feoXnesmtpioennement dès l'apparition d'une différence de - 10/sans que la chaudière le soit. En effet celle-ci n'est mise en marche que si la pompe à chaleur ne parvient pas à rétablir la température voulue et si la chute de température de l'eau de départ devient plus importante. A l'inverse, lorsque la demande de calories devient plus faible, c'est d'abord la chaudière qui est mise hors fonctionnement en laissant la pompe à chaleur en service jusqu'à ce qu'elle s'arrête à son tour à son point supérieur de consigne. Bien entendu l'invention a également pour objet un appareillage de commande spécialement conçu pour la mise en oeuvre du présent procédé. Cet appareillage comporte un système de surveillance de la température de l'eau de départ apte à commander la mise en fonctionnement et l'arrêt de la pompe a chaleur, ainsi que la mise en fonctionnement et l'arrêt de la chaudière, selon le processus exposé ci-dessus. Cependant cet appareillage, ainsi que le procédé selon l'invention présentent d'autres particularités et avantages qui apparaîtront au cours de la description suivante d'un exemple de réalisation. Cette description est donnée en référence au dessin annexé à simple titre indicatif et sur lequel La figure I représente le schéma d'une installation de chauffa- ge du type en cause, équipée d'un appareillage de régulation selon l'invention. La figure 2 est une vue de la courbe de compensation suivant laquelle fonctionne le présent appareillage de commande. La figure 3 représente un exemple de diagramme de fonctionnement de l'appareillage selon l'invention. Sur le schéma de la figure 1, les doubles traits représentent le circuit de chauffage, cependant que les traits continus illustrent les circuits électriques de l'appareillage de commande selon l'invention, et les traits interrompus les circuits d'asservissement. Le circuit de chauffage comprend une chaudière 1 en relèv d'une pompe à chaleur 2, cette dernière étant branchée sur la canalisation de retour 3 partant des corps de chauffe 4 de cette installation. Cependant ce circuit comprend une canalisation 5 de by-pass susceptible de mettre hors circuit la chaudière 1. Cette canalisation aboutit à une vanne mélangeuse 6 à laquelle est également raccordée la sortie de la chaudière ainsi que la canalisation de depart 7. Enfin une pope de circulation 8 est branchée sur cette dernière conduite. Comme représenté à la figure 2, la courbe de compensation C selon laquelle fonctionne le présent appareillage correspond à une ligne brisée comprenant trois portions distinctes C1, C2 et C3 de pentes différentes. Du fait même de sa nature une telle courbe se rapproche beaucoup plus fidèlement de la courbe réelle de compensation, que les courbes selon lesquelles fonctionnent les appareils habituels de régulation. Bien entendu la courbe C pourrait éventuellement comporter un nombre plus grand de segments distincts C1, C2, C3, etc... Sur cette courbe le point A correspond à la température de relève de la pompe à chaleur par la chaudière dans le cas particulier de l'installation considérée. En effet la position de ce point A es-t variable suivant la puissance de la pompe à chaleur utilisée. Quant au point B il correspond à la température pour laquelle il est prévu un arrêt définitif de la pompe à chaleur dans ce même cas particulier. L'appareillage de commande selon l'invention comprend une sonde 9 de surveillance de la température de l'eau de départ regnant dans la conduite 7. Cette sonde est reliée au boîtier de commande de l'appareillage, et plus précisément à un programmateur 10 à microprocesseur, dont le fonctionnement correspond à l'application de la courbe de compensation C. Cependant ce programmateur contrôle deux programmateurs auxiliaires distincts 11 et 12, commandant respectivement - une régulation en "tout ou rien" de la pompe à chaleur seule ou de cette pompe en association avec la chaudière, et ce,par l'intermédiaire de contacteurs lia et llb. - une régulation concernant uniquement la chaudière et se matérialisant par une variation/ zip M de sortie au moyen de la vanne mélangeuse 6. Le programme du programmateur 11 est tel que pour des variations déterminées, par rapport à la température de consigne correspondant à une température extérieure donnée, il commande différemment l'arrêt et la mise en fonctionnement de la pompe à chaleur et de la chaudière. Plus précisément, en cas d'abaissement de la température de l'eau de départ, le programmateur commande d'abord la mise en fonctionnement de la pompe à chaleur seule, par exemple pour un abaissement de la température de l'eau de départ de 10 C par rapport à la température de consigne; puis, pour un abaissement plus prononcé la chaudière est alors également mise en fonctionnement. En sens inverse, lors d'un relèvement de la température de l'eau de départ vers la température de consigne le programmateur arrête en premier la chaudière quand il y a égalité de ces deux températures ,alors que la pompe à chaleur n'est arrentée que pour une température de l'eau de départ supérieure, par exemple de 10 C, par rapport à la température de consigne. Cependant les seuils de + 10 et - 10, respectivement pour l'arrêt et la mise en fonctionnement de la pompe à chaleur, ne correspondent qu'à des exemples. En effet ces seuils pourraien être modifiés, pour être remplacés par exemple par + 1,5 ou + 20, etc. Quant aux seuils différents d'arrêt et de mise en fonctionnement de la chaudière ils peuvent être ajustés par l'utilisateur lui-meme grâce à un système approprié de réglage. Le programmateur principal 10 est raccordé à une sonde extérieure 13 qui détermine le changement du type de régulation. Ainsi dès que la température extérieure est plus faible que le seuil prévu pour le fonctionnement de la porrpe à chaleur et doit que oeliecVêtre mise à l'arrêt, la régulation s'effectue uniquement sur la chaudière par l'intermédiaire du programmateur 12 prévu à cet effet. Cette régulation est alors réalisée en maintenant constante la température de l'eau de sortie et en faisant varier les débits provenant respectivement de la chaudière et de la conduite 5 de by-pass et ce, par action sur le moteur 14 d'entraînement de la vanne mélangeuse 6. Ainsi l'appareillage selon l'invention assure automatiquement deux modes de régulation tout à fait différents suivant les cas pour tenir compte qu'une pompe à chaleur doit fonctionner à débit constant de sorte que sa régulation ne peut être réalisée que par tout ou rien, alors que la régulation d'une chaudière peut être assurée en maintenant constante la température de lleau de sortie et en faisant varier les proportions du mélange eau chaude, eau froide ce qui assure une régulation plus précise. il convient de noter que le seuil déterminant le changement du mode de régulation peut être réglé en fonction même du type de pompe à chaleur prévue dans l'installation en cause. En effet le seuil à partir duquel i' convient d'arrêter une pompe à chaleur en raison de certains phénomènes - tels que : mauvais rendement, phénomènes de givrage etc... - peut varier d'une pompe à chaleur à une autre. Compte-tenu que les pompes à chaleur comportent un dispositif interdisant leur redémarrage pendant quelques minutes apres chaque arrêt, le présent appareillage comprend un système temporisateur 15 agissant sur un interrupteur 16 pour interdire le redémarrage de la chaudière pendant une durée au moins égale à celle du retard de redémarrage de la pompe à chaleur après arrêt. Ceci est encore prévu dans le but d'assurer un fonctionnement prioritaire de la pompe à chaleur par rapport à la chaudière. Enfin l'appareillage selon l'invention comporte un système de surveillance du fonctionnement de la pompe à chaleur et de la chaudière, lequel est apte à commander la mise hors circuit ae cette dernière après un temps de fonctionnement relativement long de la pompe à chaleur seule, sans intervention de la chaudière, ce temps pouvant être par exemple de 60 minutes. En effet si pendant un tel temps la pompe à chaleur a suffi pour fournir les calories voulues, la chaudière peut être mise hors circuit sans inconvénient. A cet effet il est prévu un interrupteur 17 dont l'ouverture entraine l'arrêt de la chaudière. Cet interrupteur est commandé par le système 15 de temporisation, déjà decrit, et qui assure également la fonction d'arrêter la chaudière dans les conditions indiquées ci-dessus. La figure 3 représente un exemple de diagramme de fonctionnement de l'appareillage de commande selon l'invention et de l'installation correspondante. Sur ce diagramme - la ligne brisée L1 représente les périodes de fonctionnement et d'arrêt de la chaudière 1, - la ligne brisée L2 représente les périodes de fonctionnement et d'arrêt de la pompe à chaleur 2, - la ligne brisée L6 représente les divers modes de fonctionnement de la vanne mélangeuse 6, - la ligne brisée L figure les deux modes de régulation possible, la première partie illustrant la régulation par "tout ou rien, cependant que la seconde partie représente la régulation proportionnelle au moyen de la vanne mélangeuse 6. Le présent diagramme illustre quatre types différents de fonctionnement, à savoir 1. La première partie P1 et P2 du diagramme correspond au cas où la pompe à chaleur 2 est susceptible de fournir à elle seule la totalité des besoins calorifiques, la température extérieure étant supérieure à la température de relève de la pompe à chaleur par la chaudière. La température de consigne nécessaire pour assurer la compensation voulue peut être par exemple de 400 C. Lors de la première mise en route de l'installation, la chaudière 7 est mise en fonctionnement en même temps que la pompe à chaleur 2. Cependant la chaudière s'arrête dès que la température de l'eau de départ atteint la température de consigne, par exemple 40 0 C. Pour sa part la pompe à chaleur continue à fonctionner jusqu'à ce que l'eau de départ atteigne une température supérieure de 10 C de la température de consigne. Ensuite la pompe à chaleur continue à fonctionner en tout ou rien selon des cycles de durées variables pour assurer une régulation à plus ou moins 10 C autour de la température de consigne donnée par la courbe de compensation. Si pendant un temps suffisamment long, par exemple 60 minutes, l'intervention périodique de la pompe à chaleur suffit pour assurer les calories voulues, la chaudière est automatiquement mise hors circuit par fermeture de la vanne mélangeuse 6 du côté de la chaudière. Comme déjà indiqué ceci est assuré par un système assurant la surveillance simultanée du fonctionnement de la chaudière et de la pompe à chaleur, ce système comprenant une minuterie. Dans la presaibre partie du diagramme de la figure 3, la premiere phase correspond à la portion P1 cependant que la seconde phase correspond à la portion P2 pendant laquelle la chaudière est mise hors circuit. Il convient également de noter que sur cette première partie du diagramme les références T1 et T2 désignent respectivement les durées d'interdiction de redémarrage de la chaudière et de la pompe à chaleur immédiatement après leur arrêt. Or conformément à une caractéristique importante du présent appareillage la durée T1 d'interdiction de redémarrage de la chaudière est au moins égale, et en réalité légèrement supérieure, à la durée T2 d'interdiction de redémarrage de la pompe à chaleur. Par ailleurs, on remarquera que le temps T1 n'est décompté qu'à partir d'un arrêt de la pompe à chaleur. Ainsi en tout état de cause c'est la pompe à chaleur qui est remise la premiere en fonction t avait la chaudière. Or le redémarrage de la pompe à chaleur peut éventuellement suffire à assurer les besoins calorifiques voulus. Ceci évite donc une intervention inutile de la chaudière. 20 La seconde partie P3 du diagramme de la figure 3 correspond au cas où la température de relève de la pompe à chaleur par la chaudière est inférieure à la température extérieure. Dans un tel cas la température de consigne de l'eau de départ, qui est donnée par la courbe de compensation, peut être par exemple de 50"C. Dans ce cas la pompe à chaleur ne suffit plus à fournir la totalité des besoins calorifiques. C'est pourquoi la chaudière est alors remise en fonctionnement pour fournir l'appoint et en même temps la vanne mélangeuse 6 est ouverte du coté de cette dernière. Pendant cette période P3, la chaudière et la pompe à chaleur sont alors régulées en tout ou rien, inépendamment l'une de l'autre en tenant compte toutefois des temps d'arret minimum qui peuvent varier par exemple de 5 à 10 minutes. Ainsi qu'il est indiqué précédemment, la pompe à chaleur est remise en fonctionnement en priorité avant la chaudière e+ en cas de relèvement de la teppérature de l'eau de départ, c'est cette dernière qui est arrêtée enpreE!ier. Cependant il est bien évident que si de nouveau les calories fournies par la pompe à chaleur suffisent pendant un temps suffisamment long, par exemple 60 minutes, la chaudière est isol comme decrit précédemment. 3. La partie P4 du diagramme correspond au cas où la température extérieure étant encore plus faible que précédemment la régulation s'effectue en tout ou rien uniquement sur la chaudière, la pompe à chaleur restant constamment en fonctionnement. La température de consigne pour l'eau de départ peut alors être par exemple de 600 C. Dans un tel cas la chaudière est utilisée uniquement pour fournir l'appoint nécessaire aux calories provenant de la pompe à chaleur. En conséquence même dans ce cas de température extérieure relativement froide, le présent appareillage assure en priorité le fonctionnement de la pompe à chaleur. 4. La quatrième partie P5 du diagramme correspond au cas à la température extérieure est inférieure à la température d'arrêt de la pompe à chaleur. La température de consigne de l'eau de départ peut être alors de 700 C, par exemple. Dans un tel cas l'appareillagc de commande selon l'invention maintient arrêtée la pompe à chaleur et la régulation de la chaudière est alors assurée par le programmateur auxiliaire 12. Celui-ci commande la régulation de la température de l'eau d'alimentation par une régulation intégrale et proportionnelle au moyen de la vanne mélangeuse 6 ainsi qu'il a été indiqué précédemment. La chaudière est alors maintenue à température constante par son aquastat. Dans ce cas particulier les seuils de fonctionnement sont de + 20 C. Cependant les cycles de régulation de la vanne mélangeuse ne correspondent pas nécessairement aux cycles de fonctionnement de la chaudière. En conséquence dans tous les cas décrits ci-dessus, et illustrés sur le diagramme de la figure 3, l'appareillage selon l'invention assure en priorité la fonctionnement de la pompe à chaleur chaque fois que cela est possible, c'est-à-dire tant que la température extérieure n'est pas tombée au-dessous du seuil pour lequel on doit impérativement arrêter cette pompe, notamment pour des raisons de sécurité. Cependant cet appareillage comporte également un système assurant automatiquement le fonctionnement de la chaudière à la place de la pompe à chaleur au cas où il est nécessaire de procéder à des délestages sur le réseau de fourniture de courant électrique, par exemple à certaines heures de pointe. Ceci peut alors être commandé par l'envoi d'une impulsion sur le réseau extérieur. Grâce à leur conception, le présent appareillage de commande et le procédé correspondant, permettent d'obtenir une régulation aussi satisfaisante que possibie, et par suite le confort désiré de température, pour une consommation d'énergie de la chaudière la plus réduites possible. Ceci résulte évidemment du fait que le fonctionnement de la pompe à chaleur est assure en priorité. REVENDICATIONS 1. Procédé de régulation d'une installation de chauffage central par eau chaude1 comprenant une chaudière et une pompe à chaleur dont la sortie est reliée à la canalisation d'alimentation en eau chaude par l'intermédiaire d'une vanne mélangeuse, caractérisé en ce que, par rapport à une courbe de compensation définissantles besoins calorifiques en fonction des variations de la température extérieure, on régule de façon différente la pompe à chaleur et la chaudière - d'une part en ccmmandant l'arrêt et la mise en fonctionnement de la pompe pour des seuls de température de l'eau de départ encadrant la température de consigne, par exemple de +10 et de -10 ;; - d'autre part en arrêtant et en mettant en fonctionnement la chaudière pour des seuils supérieur et inférieur qui sont plus faibles que les seuils prévus pour la pompe, les seuils ainsi prévus pour la chaudière pouvant correspondre respectivement à une légalité de la température de l'eau de départ avec la température de consigne, et à une différence de -2 par rapport à cette dernière température, ce qui assure en priorité le fonctionnement de la pompe à chaleur avec une température de relève variable en fonction des besoins calorifiques. 2. Procédé de régulation selon la revendication 1, caractérisé en ce que, lors du fonctionnement simultané de la chaudière et de la pompe à chaleur, la régulation de ces deux appareils est assurée par tout ou rien, indépendamment l'un de l'autre, cependant que lors du fonctionnement de la chaudière seule, la régulation de la température de lèau de départ est assurée de façon proportionnelle au moyen de la vanne mélangeuse. 3. Procédé de régulation selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'après un temps de fonctionnement relativement long de la pompe à chaleur seule, sans intervention de la chaudière, on met cette dernière hors circuit par fermeture de la vanne mélangeuse du côté de celle-ci. 4. Appareillage de commande pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1 pour la régulation d'une installation de chauffage central par eau chaude, comprenant une chaudière et une pompe à chaleur dont la sortie est reliée à la canalisation d'alimentation en eau chaude par l'intermédiaire d'une vanne mélangeuse, caractérisé en ce qu'il comporte un système de surveillance de la température de l'eau de départ relié à un programmateur à microprocesseur dont le fonctionnement correspond à l'application de la courbe de compensation calorifique et qui est apte à assurer - d'une part l'arrêt et la mise en fonctionnement de la pompe à chaleur pour des seuils de température de l'eau de départ encadrant la température de consigne, par exemple de + 10 et de - 10, - d'autre part l'arrêt et la mise en fonctionnement des de la chaudière pour/seuils supérieur et inférieur qui sont plus faibles que ceux prévus pour la pompe, ce qui assure en priorité le fonctionnement de la pompe à chaleur avec une température de relève variable en fonction des besoins calorifiques. 5. Appareillage de commande selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comporte deux programmateurs auxiliaires associés au programmateur de commande et dont lrun correspond à la régulation en tout ou rien de la pompe à chaleur avec la chaudière, cependant que le second correspond à la régulation de la chaudière seule après arrêt de la pompe à chaleur, le passage de l'un de ces programmateurs à l'autre étant commandé par une sonde de surveillance de la température extérieure détectant la température au-dessous de laquelle la pompe à chaleur doit être arrêtée. 6. Appareillage de commande Selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comporte un système de surveillance du fonctionnement de la pompe à chaleur et de la chaudière assurant automatiquement la mise hors circuit de cette dernière, par fermeture de la vanne mélangeuse du côté de celle-ci après un temps de fonctionnement relativement long de la pompe à chaleur sans intervention de la chaudière. 7. Appareillage de commande selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comprend un système temporisateur retardant le redémarrage de la chaudière d'une durée au moins égale à celle du retard de redémarrage de la pompe à chaleur.