Brevet FR2542852A1 — publié le 19840921

Dispositif de régulation du chauffage ou de la climatisation d'une enceinte habitée, et procédé de mise en oeuvre de ce dispositif La présente invention concerne un dispositif de régulation du chauffage ou de la climatisation d'une enceinte habitée, comportant une source de chauffage ou de refroidissement d'un fluide caloporteur, des éléments d'échange de chaleur entre ce fluide et l'enceinte, au moins en partie munis de robinets thermostatiques, un circulateur pour le fluide caloporteur, des tuyauteries de transfert du fluide de la source aux éléments d'échange avec l'enceinte, des tuyauteries de retour du fluide des éléments d'échange avec l'enceinte à la source, et un régulateur. Elle s'étend en outre à un procédé de mise en oeuvre de ce dispositif. Les dispositifs et procédés employés jusqu'ici entrent dans trois catégories, présentant chacune divers inconvénients. - Asservissement de la température de départ de fluide de chauffage (ou de climatisation) à la température extérieure, suivant une loi dite "courbe de chauffe". Celui-ci ne permet pas de prendre en compte les apports internes de chaleurs, les apports solaires, le vent, les inerties thermiques, qui ont un effet sur les températures effectivement atteintes dans les habitations ; d'autre part, il nécessite un réglage manuel délicat des paramètres définissant la courbe de chauffe. Enfin, le coût d'installation d'une sonde de tempé- rature à ltextérieur d'une habitation est relativement important. - Asservissement de la température de départ du fluide à une température intérieure mesurée ; ce procédé n'a pas les inconvénients précédents, mais peut être perturbé par l'influence de conditions locales et/ou passagères (ouverture de fenêtres, fermeture d'un robinet de radiateur, exposition au soleil, proximité d'une source de chaleur, etc....), de sorte qu'il ne convient pas au chauffage d'immeubles collectifs, et demande certaines précautions en chauffage individuel ; il demande encore une liaison entre la chaufferie, le régulateur et le local où la température est mesurée. - Modulation de débit par des robinets thermostatiques équipant les radiateurs ; ce procédé, efficace pour des consignes constantes, ne permet pas à lui seul la programmation horaire ; il peut être couplé à une programmation horaire centralis-e de la température de départ ; celle-ci doit être suffisante en période normale pour assurer la satisfaction des besoins, et "limitant" en période de chauffage réduit, de sorte que, les robinets thermostatiques n'opérant plus, les températures des pièces approchent au mieux la consigne réduite ; ce résultat est difficile à obtenir lorsque la régulation centrale ne connait que la température extérieure ou une température intérieure. La présente invention a pour but de procurer un procédé de régulation faisant appel à un dispositif central pouvant hêtre installé en chaufferie, et demandant un câblage minimal, aucune communication avec l'intérieur ou les locaux n'étant nécessaire. I1 a encore pour but d'assurer un certain nombre de fonctions 1,d1auto-apprentissage", permettant de réduire la consommation de chauffage après une période initiale de fonctionnement, de sorte qu'aucun réglage manuel n'est plus nécessaire, en dehors de la mise à l'heure et du choix des consignes. I1 a enfin pour but de procurer une information plus riche sur le niveau de température du bâtiment et l'évolution de ses besoins de chauffage, que la mesure de la température extérieure ou d'une température intérieure, et de ce fait une meilleure satisfaction des conditions de confort, pour un coût moindre. Le dispositif selon l'invention est caractérisé en ce que le régulateur est relié à une horloge, à une sonde de température de départ et à une sonde de température de retour du fluide caloporteur, et dispose de moyens de réglage de ladite température de départ. Ces moyens de réglage peuvent être par exemple la commande modulée d'une vanne à 3 ou 4 voies, ou la commande modulée ou en tout ou rien du débit de combustible du brûleur de la chaudière. Le procédé de régulation du chauffage ou de la climatisation d'une enceinte habitée, à l'aide du dispositif selon l'invention, est caractérisé en ce qu'il réalise en fonctionnement normal des tâches d'autoapprentissage a/ de l'inertie thermique du circuit d'alimentation des éléments d'échange, b/ d'une commande proportionnelle, intégrale et différentielle des moyens de réglage de la température de départ, c/ de la loi reliant la température de départ à la température de retour lorsque la demande de chauffage ou de climatisation est satisfaite, d/ de la loi permettant d'estimer à partir des températures de départ et de retour la température moyenne de l'enceinte en période de chauffage ou de climatisation réduits, e/ de la loi permettant de définir la durée nécessaire à la progression en température intérieure liée à la programmation horaire, rt de la loi permettant d'anticiper l'arrêt du chauffage ou de la climatisation lors des périodes de consigne réduite. De préférence, le régulateur assure une mise à jour permanente de ses valeurs apprises. De préférence également, les valeurs initiales choisies pour les variables reliées- à l'auto-apprentissage sont telles que les conditions de confort requises pour des occupants de l'enceinte soient assurées dès la mise en service. Il est décrit ci-après, à titre d'exemple et en référence aux figures du dessin annexé, des dispositifs de régulation du chauffage d'une habitation selon l'invention. La figure 1 représente un dispositif à régulation par vanne 3 voies. La figure 2 représente'un dispositif à réglage de l'apport de chaleur d'une source de chauffage au fluide caloporteur. Dans le dispositif de la figure 1, une partie du fluide de. chauffage, par exemple de liteau, est réchauffée dans l'échangeur 1, où il circule dans un serpentin ou un faisceau de tubes 2, par un brûleur 18. Il est envoyé par le conduit 3 aux éléments de chauffage. Toutefois, une vanne à trois voies 4, commandée comme il sera indiqué ci-après, permet d'ajouter au débit provenant du conduit 3 une fraction variable recyclée par la canalisation de dérivation 7, en aval des radiateurs de chauffage. L'ensemble est envoyé par le circulateur 5 et la canalisation principale 6 aux radiateurs de chauffage. La chaudière possède un dispositif de régulation interne, fixant sa température de sortie (au niveau du conduit 3). De la manière habituelle; il se détache de la canalisation 6 des conduits en parallèle 8A, 8B, 8C, 8D, 8E, 8F, de chauffage des différentes pièces de l'habitation. Chacun des radiateurs 9A, 9B, 9D, 9E est alimenté en débit contrôlé par un robinet thermostatique 10A, 10B, 10D, 10E. Les radiateurs 9C, 9F ne sont pas munis d'un robinet thermostatique. En aval des radiateurs, la canalisation principale de retour 11 rejoint la dérivation 7. La canalisation 12 ramène le fluide de chauffage à l'échangeur 1. Les organes de régulation de la répartition des débits de fluide de chauffage revenant des radiateurs entre l'échangeur 1 et la dérivation 7 sont les suivants. Une sonde de température 13 est disposée sur la canalisation aller 6 en amont des radiateurs, et une autre sonde de température 14 sur la canalisation de retour 11. Les indications de ces deux sondes sont transmises au régulateur 15, qui commande la vanne 4 de contrôle du débit revenant dans la canalisation 6 par la dérivation 7. Le régulateur 15 peut élever la température de départ en commandant la vanne 4 de sorte que le débit augmente dans la canalisation 12 et diminue dans la déviation 7. Réoiproquement, il peut abaisser cette température en commande la vanne 4 dans le sens opposé.Pour permettre d'adapter le chauffage à la période de la journée, le régulateur 15 est muni d'une horloge i7, permettant de modifier la loi de régulation du chauffage à des moments déterminés de la journée (par exemple, passage à un chauffage réduit au début de la nuit, et à un chauffage accéléré en début de matinée). La figure 2 représente un dispositif dans lequel le régulateur règle l'apport de chaleur dans l'échangeur de réchauffage du fluide caloporteur. Il a été représenté un brûleur 18 de chaudière de chauffage d'un combustible liquide ou gazeux, mais le chauffage pourrait aussi être électrique. Le régulateur 15, sensible aux indications des sondes 13 et 14, envoie par la liaison 19 à la vanne 20 un ordre d'augmentation ou de diminution du débit de fluide de chauffage au bruleur 18, selon l'écart entre les températures de départ du fluide de chauffage mesurée et souhaitée. Le mode de traitement des informations fournies par les sondes de température, en vue d'une gestion optimisée, sera axé sur la détermination par "auto-apprentissage" de divers paramètres caractéristiques, les valeurs apprises pouvant être continuellement remises à jour, afin de permettre une réadaptation à tout changement pouvant survenir dans les conditions de fonctionnement (réglage manuel de robinets thermostatiques, ouverture ou fermeture de robinets ordinaires, perte d'informations due à une coupure de courant). Cet "apprentissage" intervient au cours des séquences normales de régulation, et ne nécessite donc pas la génération de conditions de fonctionnement particulières. La gestion avant 1' "apprentissage" des paramètres de régulation est choisie de façon que les conditions de confort soient assurées, aux dépens d'une éventuelle majoration du coût de fonctionnement par rapport au coût idéal. Il est possible de faire appel aux fonctions suivantes f1 : représentative de l'inertie thermique de la boucle de distribution du chauffage, obtenue par observation de la réponse de la-température de retour aux variations de la température de départ. f2 : déterminant les paramètres définissant une commande proportionnelle, intégrale et différentielle, en fonction des résultats mesurés, afin d'obtenir une stabilisation rapide de la température de départ aux niveaux désirés. f3 : correspondant à la loi caractéristique de la boucle de distribution reliant la température de retour à la température de départ dans des conditions normales, c'est-à-dire lorsque les besoins de chauffage ou de climatisation sont satisfaits, les robinets thermostatiques n'assurant qu'un écrétage faible ou nul des apports de chaleur ou de froid aux éléments d'échange (on se trouve en particulier dans oes conditions vers la fin de la période de chauffage accéléré dont il sera question plus loin). On déduit de cette loi, par homothétie, la loi optimale, correspondant à un taux d'écrétage donné des apports thermiques ou frigorifiques (25% environ en pratique). f4 : fonction de régulation de la température de départ, Par rapport à la loi optimale définie par la fonction f3, une température de retour dépassant la valeur calculée indique que la puissance de chauffage disponible est incomplètement utilisée, et donc excédentaire, d'où la possibilité d'abaisser la température de départ. Cette fonction de régulation de la température de départ permet d'assurer la loi optimale de correspondance entre températures de départ et de retour. La température de départ est alors aussi basse que possible, tout en permettant de respecter la satisfaction des besoins de chauffage. Ceci améliore les rendements de la chaudière et de la distribution de chaleur, évite les surconsommations de combustible. et réduit les battements de la température intérieure dus aux robinets thermostatiques, dont la précision est moins bonne avec un fluide de chauffage à température élevée qu'avec un fluide à température modérée. f5 : fonction de réglage de la température de départ pour la remise en marche progressive du chauffage après un arrêt. Dans les premières heures des périodes de consigne de température interieure réduite, le chauffage peut être arrêté, de sorte que les températures de départ et de retour tendent vers une même limite, correspondant à la moyenne des températures des pièces du volume chauffé, à laquelle il est donc possible d'accéder (en tant que valeur moyenne, celle-ci est plus représentative de l'état thermique de l'enceinte habitée qu'une température locale). Il est ainsi possible de vérifier l'effet sur la température intérieure d'un arrêt anticipé du chauffage, et donc de choisir l'heure de cet arrêt assurant le meilleur compromis entre l'économie de combustible et le confort. Lorsque la température intérieure réduite de consigne est atteinte, on peut remettre en marche progressivement le chauffage, et le réguler de façon à stabiliser la température moyenne intérieure. En effet, les robinets thermostatiques ne réduisent généralement pas l'apport thermique, leur température de consigne étant plus élevée que la température réduite de consigne. La correspondance entre températures de départ et de retour est donc (abstraction faite des inerties thermiques prises en compte par la fonction f1) la loi normale définie par la fonction f3, décalée d'un certain nombre de degrés, fonction de la température intérieure uniquement. Il suffit alors de régler la température de départ de façon à obtenir-pour ce décalage une valeur constante. f6 : fonction de chauffage accéléré. La procédure de chauffage accéléré (température de départ maximale) peut être considérée comme terminée lorsque les robinets thermostatiques réduisent de façon appréciable l'apport thermique, c'est-à-dire lorsque la température de retour devient sensiblement supérieure à celle qu'indiquerait la loi normale définie par la fonction f3. On peut alors revenir à la régulation normale définie par la fonction f4. Le microprocesseur mesure la durée de la période de chauffage accéléré, et la relie aux conditions de départ, qui sont, soit une température intérieure (chauffage arrêté), soit une température de départ (température réduite de consigne atteinte). Il peut ainsi retarder au maximum le démarrage de la période de chauffage accéléré (d'où une réduction appréciable de la consommation) tout en assurant les conditions de confort requises. REVENDICATIONS 1/ Dispositif de régulation du chauffage ou de la climatisation d'une enceinte habitée, comportant une source de chauffage ou de refroidissement d'un fluide caloporteur, des éléments d'échange de chaleur entre ce fluide et l'enceinte, au moins en partie munis de robinets thermostatiques, un circulateur pour le fluide caloporteur, des tuyauteries de transfert du fluide de la source aux éléments d'échange avec l'enceinte, des tuyauteries de retour du fluide des éléments d'échange avec l'enceinte à la source, etun régulateur, caractérisé en ce que le régulateur est relié à une horloge, à une sonde de température de départ et à une sonde de température de retour du fluide caloporteur, et dispose de moyens de réglage de ladite température de départ. 2/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé-en ce qu'il comprend des moyens pour modifier la loi de variation de l'apport calorifique ou frigorifique à l'enceinte à des moments déterminés de la journée en relation avec les informations de l'horloge. 3/ Dispositif selon les revendications 1 ou 2, comportant une tuyauterie de dérivation d'une fraction auxiliaire du fluide en parallèle avec les éléments d'échange de chaleur avec l'enceinte, et une vanne d'alimentation des éléments d'échange de chaleur, reliée à la source et à la tuyauterie de dérivation, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens de commande des débits du fluide caloporteur passant respectivement dans la source et dans la dérivation. 4/ Dispositif selon les revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de commande, progressifs ou par tout ou rien, de l'apport de chaleur on de froid de la source au fluide caloporteur. 5/ Procédé de régulation du chauffage ou de la climatisation d'une enceinte habitée à l'aide du dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il réalise en fonctionnement normal des tâches d'auto-apprentissage a/ de l'inertie thermique du circuit d'alimentation des éléments d'échange, b/ d'une commande proportionnelle, intégrale et différentielle des moyens de réglage de la température de départ, c/ de la loi reliant la température de départ à la température de retour lorsque la demande de chauffage ou de climatisation est satisfaite, d/ de la loi permettant d'estimer à partir des températures de départ et de retour la température moyenne de l'enceinte en période de chauffage ou de climatisation réduits, e/ de la loi permettant de définir la durée nécessaire à la progression en température intérieure liée à la programmation horaire, f/ de la loi permettant d'anticiper l'arrêt de chauffage ou de la climatisation lors des périodes de consigne réduite. 6/ Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que le régulateur assure une mise à jour permanente des valeurs apprises. 7/ Procédé selon les revendications 5 ou 6, caractérisé en ce que les valeurs initiales choisies pour les variables reliées à l'auto-apprentissage sont telles que les conditions de confort requises pour des occupants de l'enceinte soient assurées dès la mise en service.