Brevet FR2549206A1 — publié le 19850118

L'invention a pour objet un dispositif et dés moyens de contrôle d'installations de conditionnement de locaux. Pour conditionner les locaux ou milieux am5 biants, on adopte habituellement des projets d'installations o on a prévu une unité centralisée constituée par un groupe frigorifique qui refroidit un mélange frigorifique lequel est envoyé ensuite, par un circuit adéquat, à des unités de conditionnement locales situées dans les locaux indivi10 duels. Le contrôle du conditionnement des locaux s'effectue en intervenant séparément sur les unités locales et, éventuellement, sur l'unité frigorifique centrale. Dans de nombreux projets d'exécution, le 15 groupe frigorifique est pratiquement toujours branché et le fluide est envoyé aux diverses unités locales de conditionnement à une température qui est pratiquement indépendante des diverses situations de charge thermique des divers locaux. Les installations réalisées suivant cette technique, même si elles sont dotées de dispositifs permettant de régler la température du mélange qui est envoyé aux unités locales, ne peuvent jamais fonctionner dans des conditions optimales en tenant compte de la variabilité 25 de la charge thermique. L'objectif de la présente invention consiste à réaliser une installation contrôlée capable de s'adapter elle-même aux variations de charge thermique dans les divers locaux. Par conséquent, le but primordial est de réaliser un dispositif de contrôle qui prend au fur et à mesure comme référence la situation du local le plus défavorisé au point de vue thermique ou de celui dans lequel la température ambiante, en vertu de la charge thermique 2 2549206 du moment, s'éloigne le plus de la valeur nominale préalablement choisie. Un autre but de l'invention consiste à réaliser un dispositif de contrôle qui permet de brancher des 5 puissances différentes et progressivement croissantes ou décroissantes en fonction de la situation du local le plus défavorisé et de la situation générale de l'installation toute entière. Un autre but encore de l'invention vise à 10 contrôler l'installation aussi bien localement que dans le groupe frigorifique de manière que le mélange réfrigéré soit de toute façon envoyé à la température la plus élevée compatible avec la situation du local le plus défavorisé. Ces buts et d'autres encore qui apparattront 15 plus clairement par la suite sont atteints grâce à un dispositif et à des moyens de contrôle d'une installation de conditionnement de locaux, du type comprenant principalement: A) un groupe frigorifique de puissance variable, B) un circuit de distribution de mélange réfrigéré, C) une série d'unités ventilées de conditionnement au moyen d'eau réfrigérée équipées d'une vanne motorisée à trois voies pour la répartition du débit de l'eau à travers l'échangeur de chaleur, caractérisés par le fait que chaque unité locale est commandée par un système de contrôle 25 périphérique qui pilote la vanne à trois voies et qui envoie en outre des signaux en fonction de la température ambiante à un groupe de contrôle central, de telle manière que le contrôle périphérique sur l'unité locale qui se trouve dans le local ayant les conditions les plus lourdes 30 de demande soit temporairement le pilote qui commande de ce fait, au moyen du groupe de contrôle central, le branchement d'étages frigorifiques d'une manière dépendant de l'écart entre la température ambiante et la température voulue, de sorte que l'installation puisse fonctionner avec un mélange 35 réfrigéré à la température la plus élevée compatible avec le local le plus défavorisé et par conséquent avec la plus petite puissance possible absorbée par le groupe frigori- 3 2549206 fique. D'autres caractéristiques et d'autres avantages de l'invention seront mieux mis en relief par la description détaillée d'une forme d'exécution préférée, donnée à titre indicatif mais non limitatif, et illustrée dans les planches de dessin annexées dans lesquelles: la figure 1 donne le schéma d'une unité de conditionnement locale avec ses principaux composants, la figure 2 représente une installation constituée par plusieurs unités locales et par un groupe 10 frigorifique, la figure 3 représente la caractéristique élémentaire du branchement des étages donné, par l'entremise du contrôle central, au groupe frigorifique en fonction de la température du local pilote, la figure 4 représente la caractéristique élémentaire de régulation donnée à la vanne à trois voies en fonction de la température ambiante, la figure 5 représente le graphique de l'évolution des températures dans trois locaux hypothéti20 ques, la figure 6 représente l'évolution de la différence entre la température réelle et la température nominale pour les mômes locaux qu'à la figure 5, les figures 7 et 8 représentent le cas 25 particulier d'une installation relative à un local à conditionner unique. On va décrire, en se référant aux figures citées, une installation oui concerne une pluralité de iocaux dotés chacun d'une unité de conditionnement locale 30 suivant le schéma représenté à la figure 1 dans lequel on distingue le conditionneur 1 complété du ventilateur 2 et d'un échangeur de chaleur 3 traversé par un débit de mélange réfrigéré distribué par le système de tubes de refoulement 4 et de retour 5; le débit de mélange réfrigéré 35 à travers l'échangeur de chaleur est modulé au moyen de l'actionnement d'une vanne à trois voies 6 sous l'action 4 2549206 d'un servomoteur 7 qui est piloté par un système de contrôle 8, définissable comme périphérique, en fonction de la température ambiante perçue par l'élément sensible 9. Le système de contrôle périphérique 8 trans5 met en outre au contrôle central des informations concernant la température voulue, la température ambiante effective et, en particulier, la différence entre ces deux températures. La figure 2 représente la structure schéma10 tique du dispositif de contrôle qui concerne une installation hypothétique à quatre locaux dotés chacun d'une unité de conditionnement locale Dans chacun des quatre locaux, désignés par les lettres A, B, C, D, on trouve une unité de conditionne15 ment du type représenté à la figure 1 avec une sonde servant à releverles conditions thermohygroambiantes, raccordée à un système de contrôle périphérique, désigné par 10, 11, 12 et 13 pour les divers locaux, qui commande la vanne à trois voies et qui transmet les informations relatives 20 aux conditions ambiantes au contrôle central 14, lequel à son tour commande le groupe frigorifique 15. Dans l'exemple représenté ici, ce groupe frigorifique 15 est composé de quatre machines frigorifiques utilisables suivant la puissance demandée comme on 25 l'exposera plus loin. La température qui s'établit dans chacun des locaux est la conséquence de l'équilibre entre la charge thermique à évacuer et la puissance frigorifique de l'unité de conditionnement locale, cette puissance étant influencée 30 par la température du mélange réfrigéré. Ainsi, si avec la vanne à trois voies complètement ouverte, et de la sorte avec un débit maximum de mélange réfrigéré à travers l'échangeur et par conséquent avec une efficacité d'échange maximale, pour une au moins 35 des unités locales, la charge thermique à évacuer dépasse la puissance frigorifique, il est indispensable que la température du mélange réfrigéré soit abaissée jusqu'à ce que 2549206 l'équilibre thermique se rétablisse à la température ambiante désirée. Le graphique de la figure 3 représente la caractéristique élémentaire du branchement de la puissance du groupe frigorifique en fonction de la température du local "pilote" ou bien du local dans lequel, à ce moment là, la température s'écarte le plus de la valeur choisie au préalable "t SET'"; dans ce graphique apparaissent aussi les grandeurs suivantes: t MAX" qui correspond à la température ambiante maximale admise, " A t installation frigorifique" qui correspond à la bande proportionnelle de la caractéristique de régulation. Comme on peut le constater, lors de la variation de la température du local qui a été choisi comme pilote du groupe de contrôle central (représenté par 14 à la figure 2) en-dessous de la température voulue "t SET"' la demande du local étant satisfaite, le groupe frigori20 fique est complètement utilisé. Quand la température du local pilote tend à monter, on voit, dans le cas représenté, le branchement de quatre étages, indiqués respectivement par 16, 17, 18 et 19, qui correspondent en définitive au branchement de 25 quatre machines frigorifiques distinctes, ou bien à la répartition de la puissance d'une machine frigorifique unique. La variation en étages de la puissance frigorifique peut être remplacée par une variation linéaire en 30 fonction de la caractéristique indiquée par 20, qui peut être obtenue au moyen d'une structure particulière d'un groupe frigorifique à puissance variable. La fonction de la vanne à trois voies dans chaque unité locale s'explique quand, par suite de la sur35 abondance de la puissance frigorifique par rapport aux besoins du local, la température ambiante descend en-dessous de la valeur désirée, ce qui oblige à abaisser l'effet 6 2549206 frigorifique par répartition du débit à travers l'échangeur. Dans la figure 4 qui représente la caractéristique élémentaire de l'ouverture de la vanne à trois voies, qui se trouve dans chacune des unités locales, donnée par le système de contrôle périphérique en fonction de la température ambiante, apparaissent les paramètres suivants: t NOM" est égal à la valeur de la température ambiante au- dessus de laquelle il n'est pas nécessaire de 10 répartir le débit de mélange réfrigéré, "t MIN" correspond à la température minimale admise, " t soupape" correspond à la bande pro15 portionnelle de la caractéristique de régulation. En dessous de la température "t"" lcnoe la répartiticn du débit jusqu'à ce que,lors de la dirdinutim ultérieure de la teipérature ambiante jusqu'à "t ",la vanne exclue complèteoent l'éangew Dans des conditions de fonctionnement opti20 maies, la vanne à trois voies du local "pilote" devrait être complètement ouverte avant que ne commence le branchement d'étages du groupe frigorifique; en même temps, il est généralement opportun que l'intervalle de température entre "t MIN" et '"t MAX" soit le plus petit possible. Par conséquent, si on considère les caractéristiques données aux figures 3 et 4, la valeur "t SETH de la figure 3 devrait théoriquement coïncider avec la valeur "t NOM"de la figure 4. Il peut, de toute façon, s'avérer avantageux 30 de donner à "t SET" une valeur différente de "t NOM" et, plus particulièrement, on choisira pour "'t SET" une valeur inférieure à celle de "t N OM" si on veut avancer l'intervention NOM du groupe frigorifique en relation avec une évolution de température que l'on vérifie,ou on pourra choisir une va35 leur de "t SET" supérieure à la valeur de "t NOM" en relation avec un temps de retard voulu capable de réduire les effets de variations momentanées qui ne se maintiennent pas ensuite au cours du temps. 7 2549206 Il est important de signaler que bien que les caractéristiques de régulation en fonction de la température ambiante signalées dans les figures 3 et 4 soient linéaires et de type P (purement proportionnelles) par souci de simplicité, elles pourraient, au cas o cela conviendrait mieux, être du type P + I (proportionnelle + intégrale), P + I + D (proportionnelle plus intégrale plus dérivée) ou de tout autre type connu et appliqué couramment dans le domaine de la régulation. Outre le branchement et le débranchement des étages frigorifiques, en plus du fait d'obéir à la caractéristique de régulation indiquée à la figure 3, elles peuvent être sujettes a temporisation afin d'éviter, en cas de variations thermiques cycliques trop soudaines dans les locaux conditionnés, des phénomènes d'enclenchement et de déclenchement a des fréquences dangereuses pour les compresseurs frigorifiques. Dans la figure 5 on indique l'évolution hypothétique de la température dans trois locaux; il est à 20 noter que l'évolution de la température est liée pour chacun des locaux aussi bien à la situation de la variation des charges thermiques qui interviennent dans chaque local qu'à la fonction de la température du mélange frigorifique qui circule dans l'installation On suppose en outre que, 25 dans ce diagramme, les valeurs de température "t SET" et "t NOM" des systèmes de contr 5 le périphériques individuels (en utilisant la notation des figures 3 et 4) ont été réglées de manière à coïncider Dans chacun des locaux on a choisi une valeur différente de "t SET" = "t NOM, Enfin, bien que les valeurs de " t t soupape" et " A t installation frigorifique" puissent être différentes pour mieux répondre aux exigences du procédé de régulation, on a supposé dans la figure 5, pour la simplicité de l'explication et de la représentation, que celles-ci sont égales dans les 35 divers locaux. Dans la figure 6, on montre l'évolution non plus de la température réelle mais de la différence de la 8 2549206 température de chaque local par rapport à sa propre valeur ut NO Mn; ces différences sont aussi indiquées pour trois instants choisis au hasard, dans la figure 5, par les symboles" t A, A t B A tc"5 Dans la même figure 6 on représente en outre l'évolution du degré d'ouverture des vannes à trois voies des trois unités locales avec, pour conséquence, l'évolution du profil thermique ambiant ainsi que le diagramme de branchement des étages frigorifiques en fonction du 10 temps; ces quatre diagrammes ont été construits sur la même base des temps que l'évolution des différences de température. Le dispositif de contrôle de l'installation fonctionne de la manière suivante: Jusqu'à l'instant 51, les trois locaux se trouvent dans une condition de température inférieure à la "t No M" propre; par conséquent, le contrôle périphérique pilotera la vanne à trois voies de chaque unité locale en position de fermeture totale (comme dans le local A) ou 20 partielle (comme dans les locaux B et C). A l'instant 51 la température du local B dépasse la valeur nominale choisie au préalable et à oe mcent le dispositif de contrôle central choisit ce local comme local pilote et, en fonction de la température qui augmente graduellement, il insère des étages frigorifiques qui, en pratique, abaissent de plus en plus la température du mélange qui circule dans l'installation. A l'instant 52 également, la température du local A dépasse sa propre valeur nominale mais tant que la 30 différence entre la température instantanée et la valeur nominale propre dans le local A ne dépasse pas la différence de température analogue dans le local B il ne se produit aucun changement et le local pilote est toujours le local B. Ensuite, à partir de l'instant S c'est le local A qui devient le local pilote puisque, comme on le voit, c'est lui qui se trouve dans la situation thermique la plus mauvaise tant est grand l'écart entre la tempéra- 9 2549206 ture réelle et la température nominale choisie au préalable. A l'instant 54 aussi la température du local C dépasse la valeur de sa propre température nomina5 le, mais ce local C ne deviendra le local pilote suite à l'intervention du dispositif de contrôle qu'ultérieurement, à l'instant 55. A l'instant 56, de nouveau, la température du local B dépasse sa propre valeur nominale jusqu'à l'in10 stant 57, mais vu que cet écart est inférieur à celui qui existe dans la même période dans le local C, c'est encore le local C qui est considéré comme pilote. A l'instant 58 tous les locaux se portent à une température effective inférieure à leur propre tempé15 rature nominale, ce qui a pour conséquence d'exclure le groupe frigorifique. D'après ce qui a été décrit et illustré, on remarque qu'une caractéristique fondamentale du dispositif consiste en ce qu'il comprend un contrôle qui détermine, 20 par comparaison, quel est le local qui prend peu à peu une température qui s'écarte le plus de sa propre température nominale. Ce local est donc choisi comme pilote pour l'installation et c'est précisément sa variation de tempé25 rature qui détermine le branchement ou le débranchement graduel des diverses machines frigorifiques qui constituent le groupe frigorifique servant à refroidir le mélange. La vanne à trois voies qui se trouve dans chaque unité locale permet encore de moduler le débit de mélange froid dans l'échangeur du conditionneur de manière à adapter sa puissance frigorifique aux demandes des locaux dans les cas o la température du mélange est plus froide qu'il n'est nécessaire pour ce local. En utilisant comme signal de contrôle et de 35 commande du groupe frigorifique celui qui provient du local qui se trouve graduellement dans les conditions thermiques les plus mauvaises, on a la certitude d'un côté de réussir 254920 O à conditionner tous les locaux et de les maintenir dans les conditions de température voulues, et d'un autre côté d'engager toujours le minimum de puissance frigorifique qui correspond à l'adduction dans l'installation d'un 5 mélange réfrigéré à la température maximale admissible dans les conditions o se trouvent les locaux à traiter. Il convient de noter que si l'on a décrit jusqu'ici une installation composée d'unités locales se trouvant chacune dans un local différent, le principe reste valable également pour des unités locales destinées à conditionner des surfaces différentes d'un môme local de grandes dimensions, chacune étant indépendante des autres; en outre, le principe reste également valable dans le cas de locaux dont un au moins est pourvu de deux ou plu15 sieurs unités locales asservies au même contrôle périphérique et fonctionnant en parallèle. Si l'on désire également contrôler la valeur de la teneur hygrométrique de chacun des locaux au moyen des unités de conditionnement locales, celles-ci devront disposer de moyens pour la création de vapeur (humidification) et pour la condensation de la vapeur d'eau (déshumidification); pour obtenir ce dernier phénomène on a l'habitude d'abaisser la température du mélange réfrigéré en abaissant ainsi également la température superfici25 elle et l'échangeur de chaleur audessous du point de rosée de l'air ambiant en provoquant, par conséquent, la condensation désirée de la vapeur existante sous forme d'humidité. Dans le cas o l'un au moins des locaux a besoin d'une déshumidification, le contrôle périphérique de l'unité locale correspondante transmet l'information au contrôle central lequel, ignorant toutes les fonctions décrites jusqu'ici, porte la température du mélange réfrigéré à une valeur préfixée (capable de garantir un taux de condensation de vapeur d'eau suffisant) pendant le temps nécessaire pour amener l'humidité relative dans les limites voulues. il 2549206 Comme vraisemblablement la température du mélange dans cette circonstance peut être trop froide, l'équilibre thermique des locaux qui ne sont pas intéressés par la demande de déshumidification est garanti par le contrôle local avec la fermeture partielle de la vanne à trois voies de l'unité de conditionnement tandis que dans les locaux intéressés à la déshumidification, dans lesquels la vanne à trois voies doit rester totalement ouverte pour obtenir le débit maximal possible de mélange réfri10 géré et par conséquent la température superficielle de l'échangeur la plus basse possible, le bilan thermique peut être obtenu au moyen d'un chauffage ultérieur ou par une diminution de la capacité d'échange de chaleur, par exemple en réduisant le débit d'air ou bien en réduisant 15 par l'effet d'une répartition, la surface intéressée par l'échange. Le système de contrôle décrit jusqu'ici trouve une application particulière dans le cas d'une installation de conditionnement d'un local unique et comportant 20 par conséquent une seule unité locale ou un seul groupe d'unités locales fonctionnant en parallèle. Il est évident que les unités de conditionnement locales ne sont pas munies d 9 une vanne à trois voies, laquelle a pour fonction de répartir le débit de mélange réfrigéré au cas o sa température est inférieure à ce qui est nécessaire, puisque le système de contrôle adaptera la puissance frigorifique de l'installation aux besoins du local suivant une courbe caractéristique semblable à celle représentée à la figure 3. Le schéma de principe de l'installation devient ainsi celui qui est représenté à la figure 7, ou bien à la figure 8 dans le cas o par souci de simplicité le système de contrôle central englobe aussi le contrôle périphérique, en utilisant les mêmes symboles et les mêmes 35 repères de référence que ceux des figures 1 et 2. Dans cette application, en cas de demande de déshumidification, la température du mélange réfrigéré 12 254920 à est abaissée à la valeur préfixée pendant le temps requis et, si c'est nécessaire, on effectue un chauffage ultérieur ou une réduction de la capacité d'échange pour maintenir la température ambiante dans les limites tolérées. D'après ce qui a été décrit et illustré, on voit que l'on atteint tous les objectifs que l'on s'était proposés que les dispositifs et les moyens de contrôle peuvent être facilement et avantageusement employés dans des installations ayant des caractéristiques différentes. En partant du même concept inventif, il est clair que les mêmes dispositifs et moyens de contrôle peuvent aussi être installés dans des installations de chauffage en vue d'introduire dans le circuit un fluide à la température la plus basse possible, compatible avec la 15 situation du local qui se trouve de temps à autre dans les conditions thermiques les plus défavorables. Il va de soi que les composants pourront être choisis à volonté suivant les nécessités et les convenances. -13 R E V E N D I C A T I O N S 1. Dispositif et moyens de contrôle d'une insta ation de conditionnement de locaux, du type comprenant prlncipalement: A) un groupe frigorifique ou thermique ( 15) de puissance vari5 able, B) un circuit de distribution de mélange réfrigéré, C) une série d'unités ventilées de conditionnement au moyen d'eau réfrigérée équipées d'une vanne motorisée à trois voies ( 6) pour la répartition du débit de l'eau à travers l'échan10 geur de chaleur, caractérisés par le fait que chaque unité locale ( 1) est commandée par un système de contrôle périphérique ( 8) qui pilote la vanne à trois voies ( 6) et qui envoie en outre des signaux en fonction de la température ambiante à un groupe de contrôle central ( 14), de telle manière 15 que le contrôle périphérique sur l'unité locale ( 1) qui se trouve dans le local ayant les conditions les plus lourdes de demande soit temporairement le pilote qui commande de ce fait, au moyen du groupe de contrôle central ( 14), le branchement d'étages frigorifiques d'une manière dépendant de l'écart 20 entre la température ambiante et la température voulue, de sorte que l'installation puisse fonctionner avec un mélange réfrigéré à la température la plus élevée compatible avec le local le plus défavorisé et par conséquent avec la plus petite puissance possible absorbée par le groupe frigorifique O 25 2 Dispositif et moyens de contrôle selon la revendication 1, caractérisés par le fait que ledit groupe de contrôle central ( 14), pilote un groupe frigorifique ( 15)(ou thermique) de puissance variable, de manière continue ou variable en étages. 3 Dispositif et moyens de contrôle selon l'une des revendication 1 ou 2, caractérisés par le fait que le groupe de contrôle ( 14) choisit parmi les signaux provenant des diverses sondes des locaux celui qui indique une température ambiante qui s'écarte le plus de la température nominale décidée, ledit signal et donc ledit local devenant ainsi pilotes pour le branchement de la puissance frigorifique (ou -14 thermique) 4. Dispositif et moyens de contrôle selon la revendication 1, caractérisés par le fait que ledit groupe de contrôle ( 14) maintient un local comme pilote jusqu'à ce qu'un autre local vienne à se trouver dans de plus mauvaises conditions ou bien jusqu'à ce que la température d'un autre local ait un plus grand écart par rapport à sa propre température de référence. 5. Dispositif et moyens de contrôle selon la reven10 dication 1, caractérisés par le fait que la vanne à trois voies ( 6) de chaque unité locale ( 1) est pilotée par ladite sonde de son propre local, en fonctionnant comme modulateur du débit de mélange frigorifique à travers l'échangeur de l'unité locale. 6 Dispositif et moyens de contrôle suivant la revendication 1, caractérisés par le fait que dans le cas d'application à une installation de chauffage le groupe thermique est du type de puissance variable en continu ou en étages. 7 Dispositif et moyens de contrôle suivant la revendication 6, caractérisés par le fait que dans le cas d'une installation de chauffage le fluide chaud est contrôlé progressivement par le local qui se trouve dans les conditions thermiques les plus mauvaises, en permettant que sa tempéra25 ture soit de toute façon la plus basse possible. 8. Dispositif et moyens de contrôle suivant la revendication 7, caractérisés par le fait que dans le cas d'une installation de conditionnement d'un local unique la présence de la vanne à trois voies ( 6) dans les unités locales 30 n'estpas nécessaire et le système de contrôle adapte la puissance de l'installation aux besoins du local.