Brevet FR2606900A1 — publié le 19880520

DESCRIPTION La présente invention consiste en un procédé et un appareil de régulation de l'humudiré de l'air selon ce procédé pour éviter les effets indésirables de cette ilumidit8 - condensations, suffocation - en consommant le minimum d'énergie. Ses domaines d'application technique sont le chauffage, la climatisation et la ventilation des locaux en général, que ce soit pour assurer le oonfort des personnes, la salubrité, ou la conservation des ouvrages et/ou matériels entreposés. Et plus généralement toute application où l'on désire éviter la formation de condensations ou de buée sur un corps quelconque. La technique actuelle répond aux besoins de lutte contre les condensations dans les bâtiments en général de manières différentes, selon la vocation de ces bâtiments, que l'on peut classer sur ce plan en trois grands groupes - Les locaux "habités" - au sens large du terme - donc chauffés, avec apports internes "normaux" de vapeur d'eau : bureaux, logements, locaux recevant du public, ateliers de montage etc. - Les locaux habités avec apport interne exceptionnel de vapeur d'eau piscines, bains-douches, certains locaux industriels ou agricoles etc. - Les locaux inoccupés mais chauffés ou ventilés pour leur conservation ou celle des matériels entreposés : entrepôts, colonies de vacances, résidences secondaires, monuments historiques etc. Les systèmes de régulation des ventilations par hygrostats ou sondes de qualité d'air, de plus en plus employés dans les locaux du premier groupe, apportent généralement satisfaction tant sur le plan anticondensations que du point de vue des économies d'énergie. Les besoins de renouvellement d'air sanitaire suffisant généralement à évacuer l'humidité produite. Par contre, dans le deuxième groupe de locaux, et principalement en piscines, on trouve une déshumidification ( simple ventilation ou pompe à chaleur en circuit fermé ), soit permanente ou réduite en période d'inoccupation, mais à une valeur fixe. Soit commandée par un hygrostat, c'est à dire à un point de consigne d'humidité relative fixe. Soit parfois selon une loi linéaire d'humidité relative en fonction de la température extérieure ou de celle de la paroi intérieure ( rarement ). Ce qui, dans les deux premiers procédés, rencontrés le plus fréquemment, ne résout pas le problème de condensation sur les structures fragiles, sauf si la valeur fixée au départ est prévue pour les cas extrèmes fort débit d'air dans le premier cas, faible taux d'humidité relative (tir) dans le second. Ces cas étant de courte durée, il en résulte le reste du temps une surconsommation d'énergie due Toujours par l'apport excessif d'air extérieur qu'il faut réchauffer à la température (t') ambiante, ou par la consommation d'énergie propre du système de déshumidification en circuit fermé (PAC) si celui-ci remplace la ventilation. En piscines, s'ajoutent à cette surconsommation celles causées par l'évaporation du bassin qui sugmente avec la diminution du taux d'Rr. la surchauffe de l'air ambiant, et par suite celle de l'eau du bassin, pour obtenir la meme sensation de confort des baigneurs dont la peau mouillée évapore plus d'eau et cède donc plus de chaleur. Le troisième procédé, faisant varier le point de consigne d'un hygrostat avec la te extérieure ou celle de la paroi, devrait théoriquement résoudre le problème. Mais ceci nécessite , dans le cas d'une loi selon la te extérieure, un personnel qualifié connaissant bien le coefficient de conductivité thermique de la paroi et surtout son inertie, pour règler efficacement la courbe de fonctionnement du régulateur, ce qui est rare. On s'affranchit de cet inoonveignent en travaillant avec la te de surface de la paroi à protèger. Cette dernière manière de faire est donc meilleure. Mais, dans les deux cas, les régulateurs utilisés sont du même type que ceux employés pour la régulation du chauffage, fixant des points de consigne de t0 et d'humidité relative en fonction de valeurs relevées par des sondes et selon une loi linéaire. Or la t' de rosée de l'air est une fonction complexe de la t. sèche et de l'humidité relative de l'air, non linéaire (voir diagrammes psychromètriques). De plus les thermostats et hygrostats présentent u. hystérésis souvent important et variables dans le temps, nécessitant des étalonnages fréquents (rarement effectués, même à l'installation). Toutes ces erreurs s'additionnant conduisent dans la pratique à régler le système d'une manière telle que le résultat est proche de celui obtenu avec les deux premiers procédés. Quant au troisième groupe de locaux (inhabités), la déshumidification n'est pas encore entrée dans les moeurs. Mais on trouve assez souvent ce genre de locaux chauffés en "hors gel" pour "chasser l'humidité". Ce qui est dépourvu de signification autant que de relation entre te de l'air et humidité absolue de ce dernier, et est de ce fait enefficace. Ce qui conduit les utilisateurs à augmenter la te de ce chauffage, sans s'affranchir toutefois des condensations, ce qui dépend ici entièrement de l'inertie des parois ou matériaux à protéger de celles-ci. Ce qui expliquerait l'habitude prise par les professionnels du chauffage à fixer la t. hors-gel des locaux inoccupés à 86C, alors que 300 (sécurité répondant à l'imprécision des thermostats) suffisent à assurer cette fonction. C'est que cette fonction "hors-gel" du chauffage a aussi pour but de lutter contre l'humidité en l'absence de cette fonction spécifique, qui ne peut être assurée par les procédés cités pour les autres groupes de bâtiments. Car ici, il n'y a pas de production interne de vapeur d'eau. Celle-ci provient uniquement de l'air extérieur pénétrant dans le local. Sa condensation sur les parois dépend donc uniquement de l'inertie thermique de celles-ci. Un bâtiment d'inertie thermique nulle, s'il existait, ne serait jamais l'objet de condensations intérieures. Ceci est vrai également pour les matériaux entreposés, fers notamment, craignant l'humidité. Pour ce troisième groupe de locaux, seule la déshumidification en circuit fermé, ou à la rigueur, le chauffage direct de la surface à protèger - ce qui est plus énergivore - peuvent répondre au problème. Mais aucun moyen de leur régulation en anti-rosée n'existe actuellement. Le procédé, et l'appareil y procèdant, selon l'invention permettent de remèdier à ces défauts. Le procédé consiste à n'agir artificiellement sur l'humidité absolue de l'air (teneur en eau), ou éventuellement sur la t0 de surface à protèger des condensations, ce qui demande toujours une dépense d'énergie, que si cette humidité atteint un seuil risquant de provoquer un effet indésirable. Ces effets sont de deux ordres - Condensation sur une surface froide où celle-ci est préjudiciable, ce qui n'est pas le cas des vitres, carelages etc., mais le cas des poutres fers, plâtres etc. - Suffocation respiratoire à partir de 15 g d'eau par kg d'air sec, risque concernant les piscines essentiellement. La loi de régulation sera donc : "mise en action du système quand la te de rosée de l'air s'approche de la tO de paroi à protèger des condensations, en lui restant inférieure, avec un écart réglable, et/ou quand la t' de rosée atteint ou dépasse 20iC qui correspondent à une teneur en eau de 14,65 g/ kg d'air sec. Arrêt du système en dessous de ces valeurs". L'appareil assurant cette fonction selon l'invention est un rosistat. Selon une réalisation préférentielle, cet appareil s'affranchit de la mesure de la t0 de rosée qui ne peut être effectuée directement, mais résulte de mesures de t0 sèche d'une part et de tO humide ou du taux d'Hr d'autre part, et selon une loi non linéaire. Ce qui implique avec la technologie actuelle, un dispositif trop complexe, au détriment de la fiabilité et du coût de fabrication, et nécessite une certaine maintenance ( sonde de t. humide à maintenir humectée ou remplacement des cellules électrolytiques dans le cas d'une mesure fiable d'Er). Pour éviter ces inconveignents, l'appareil s'affranchit de la mesure de t'de rosée en détectant le point de rosée de l'air au moment où celuici devient critique. Il crée, pour ce faire, un point de température artificrellement plus bas que la t0 de paroi avec un écart (At) toujours constant mais réglable pour l'adapter à l'inertie de l'installation qu'il pilote. Ainsi, la condensation se produit toujours sur la source froide ainsi constituée avant d'apparaitre sur la paroi quand la tO de surface de celle-ci s'abaisse à proximité de la tO de rosée de l'air ambiant du moment ou inversement. Cette condensation anticipée est détectée par un circuit approprié qui déclenche le système correcteur. On agit ainsi, non plus selon une loi aproximative préétablie et à la suite d'une chaine de mesures et de calcul analogique avec la somme des erreures de chacun de ses maillons, mais sur la détection du phénomène à éviter. En provoquant celui-ci avec une avance contrôlée sur son évènement naturel. Si le système correcteur mis en route est une d8shumidification, il tend à faire baisser la t de rosée, s'il s'agit de chauffage de la paroi, il augmente 1B t0 de cette dernière. Ce qui, dans les deux cas, augmente l'écart tO paroi - t0 de rosée dans le sens positif. Ce qui a pour effet de faire disparaître la buée de la source froide quand le risque de condensation sur la paroi est écarté.Ce qui fait revenir le circuit de détection à l'état initial , arrêtant le système correcteur, et prêt pour une nouvelle détection. utilisé Le la moyen de détectio g st opto-électronique par mesure de la variation de la lumière réfléchie par la source froide qui constitue un miroir, selon la présence ou l'absence de buée sur celui-ci. Ce système évite la dérive du point de fonctionnement dû à la variation de PE des condensats selon la nature de la vapeur qui les cause. Dérive que l'on subirait dans le cas d'une détection par variation d'impédance. Pour les locaux habités où il y a risque de dépasser la limite de suffocation, comme dans les piscines par exemple, une version de l'appareil utilise, outre les éléments décrits ci-dessus, un circuit additionnel qui déroge au fonctionnement de celui qui maintient un At constant entre paroi et source froide , quand la t de cette source atteint 200C. Et la maintient à cette valeur tant que la t' de paroi ne s'abaisse pas à un point tel qu'elle fasse redescendre la tO de source froide en dessous de ces 20. Moment où le circuit dérogé reprend son fonctionnement de régulation à ht constant, le circuit additionnel redevenant inactif. La figure 1 représente le synoptique illustrant ce fonctionnement. Les figures suivantes donnent les schémas électroniques d'un mode de réalisation du rosistat La figure 2 représente le schéma des éléments constituant la sonde. La figure 3 représente le schéma du circuit de régulation de At constant et le circuit additionnel de limitation de la source froide à 200de la version "piscines". La figure 4 représente le schéma du circuit de détection de buée sur la source froide et de commande du système à réguler. La structure générale de l'appareil apparait à la figure 1 consti tuée d'un coffret de régulation (1) situé dans l'armoire électrique comportant les organes de commande de déshumidification ou de chauffage. D'une sonde (2) dont les composants détaillés ci-après, sont enfermés dans un boitier aluminium en contact thermique le plus parfait possible avec la paroi la plus froide à protèger. C'est à dire la paroi ayant le plus fort coefficient K de conductivité thermique dans le cas de locaux chauffés. Et la paroi ou le matériau présentant la plus grande inertie thermique dans le cas de locaux non chauffés. Cette sonde, schématisée figure 1, apparait figure 2 avec ses connexions électriques représentées en traits pleins et ses liaisons thermiques internes en traits pointillés. Elle se compose de La sonde de t. de paroi proprement dite (3) en contact thermique direct avec celle-ci par le fond du boitier en aluminium. Elle est const4- tuée d'une diode de Zehner programmable dont la tension de Zehner est de 10 mV/X (échelle thermodynamique), choisie pour son excellente linéarité et son facteur d'échelle, en parallèle avec une résistance ajustable multitours (4) pour son étalonnage précis. Le dispositif permettant d'obtenir un abaissement de température ht constant par rapport à celle de la paroi, est constitué par une cellule à effet Pelletier (CEP) (5) dont la source chaude (6) est en contact thermique avec la paroi par le fond du boitier en aluminium, et la face froide (7) comporte une métallisation polie constituant le miroir. Une deuxième sonde de température de contact (8 et 9), identique à la première, est en contact thermique avec cette face froide. Elles permettent toutes deux la mesure du At entre paroi et face froide du CEP, au niveau du coffret dont un circuit (Al) régule ce At selon une consigne réglable de 0,5 à 3'C. Un système optique de détection de buée (10) constitué d'une led cristal à éclairage ponctuel (11) et d'un phototransistor (12) dans la version présente, mais qu'il est prévu de remplacer par une cellule photovoltaique au silicium amorphe, plus sensible et ne nécessitant pas d'alimentation. Ces deux composants opto-électroniques sont disposés en regard du miroir (7) de la face froide du CEP selon les lois de réflé xion spéculaire de manière à détecter l'apparition de buée sur celle-ci par diminution sensible de la lumière réfléchie. L'éclairement de la led peut varier par la résistance ajustable (13) en série avec la résistance d'alimentation (14) de la led, pour règler le système à une sensibilité optimum. L'ensemble de la sonde est enfermé dans un boitier aluminium (2) de 45 x 55 x 72 mm. Extérieurement, il est peint d'une couleur à faible émissivité, sauf sur le fond en contact avec la paroi qui est laissé nu. Intérieurement, il est anodisé noir pour absorber toute lumière parasite, et ventilé par un jeu de chicanes piégeant la lumière extérieure de manière à être balayé en permanence par l'air ambiant sans trop d'inertie. Un circuit imprimé porte toutes les connexions internes de la sonde ainsi que le bornier de raccordement au coffret du régulateur auquel il est relié par un cable téléphonique 3 paires faradisé. Ces connexions sont l'alimentation de la sonde +Vcc et OV relié également au blindage du cable pour éviter la captation de toute tension parasite), les fils de sonde de températures (Tc) et (Tf) pour contre du At par le régulateur, l'alimentation du CEP (CEP) en courrant régulé pour maintient de ce bt, et le fil de détection optique (dut). On retrouve les mêmes appellations d'attaches sur le circuit imprimé dans le coffret régulateur qui porte les deux circuits représentés figures 3 et 4. Un deuxième circuit imprimé dans ce coffret porte le circuit d'alimentation, non dessiné ici car d'un type classique. On veillera toutefois à sa parfaite stabilisation en tension, fixée à 6V. ici, pour qu'elle délivre un courrant de 40 à 200 mA sans variation de celle-ci. Le circuit de régulation de courrant dans le TEP pour maintenir son At constant est représenté à la figure 3. Il est construit autour de l'ampli opérationnel (A1) qui amplifie la tension différentielle des deux sondes de température avec un gain variable selon le réglage du potentro- mètre (15) inséré dans sa boucle de réaction. Ces sondes (3) et (8) sont alimentées par des générateurs à courrant constant constitués par les transistors (16) et (17) et les résistances (18) et (19), le V3E étant stabilisé à -3,6 V. par la diode Zehner (2O) et la résistance (21).La tension délivrée par les sondes est typiquement de 10 mV/K (kelvin) et celle relative à la source froide est appliquée à travers la résistance (22) à l'entrée inverseuse de l'AOP (AI). Celle relative à la tO de paroi est appliquée à travers la résistance (23) à l'entrée non inverseuse. Une augmentation duit, donc de la tension différentielle d'entrée, augmente le potentiel de sortie de L'TOP (A1), rendant moins conducteur le transis tor (24) alimentant la CEP, tendant à diminuer le t. inversement, une diminition du bt fera baisser le potentiel de sortie de l'AOP (Ai)1 rendant plus conducteur (24), tendant à augmenter le At. La valeur du At ainsi régulé est fixée par le gain de (A1), lui même fixé par la boucle de contre-réaction (15)(25) dont l'arrangement des valeurs permet un règlage de Et de 0,5 à 3 C entre les extrémités du potentiomètre (15) dont la commande est accessible de l'extérieur du coffret. Les points (Tc),(Tf) et (OV) sont également accessibles pour pouvoir y brancher un millivoltmètre électronique (Z220MOhms/V) pour lire directement le bt entre (Tc) et (Tf) à raison de O,1'C/mV, et contrbler le règlage. Ou bien la t absolue de la paroi ou de la source froide en branchant le voltmètre entre (OV) et (Tc) ou (Tf), à raison de 0,1 K/mV. Dans la version "piscines" de l'appareil, le circuit de dérogation du précédent à la limite de suffocation est construit autour de l'AOP (A2) monté en comparateur de tensions. La tension relative à la tO de source froide est appliquée à l'entrée inverseuse à travers la résistance (26). Le potentiel de référence correspondant à la limite de suffocation fixée à t. de rosée = 20C = 293 K, soit 2,93 V, est fixée par le pont diviseur (27),(28) et (29) et stabilisé par la diode Zehner (30) et la résistance (31). L'arrangement des valeurs de résistance de (27),(28) et (29) est tel que la course de la résistance ajustable (28) va de 2,86 à 3 V, permettant un réglage fin. Ce potentiel de référence est appliqué à l'entrée non inverseuse de (A2) à travers la résistance (32). Tant que la t se source froide est inférieure à 20e, la tension sur l'entrée inverseuse de (A2) est inférieure aux 2,93 V présente sur l'entrée non inverseuse, et la sortie de L'TOP (A2) est haute. Ce qui est sans effet sur le transistor (24), la diode (33) étant polarisée en inverse. Mais si cette température atteint ou dépasse 200C, le potentiel de sortie de (A2) s'abaisse d'une valeur proportionnelle à ce dépassement. Faisant conduire (24) dans la même proportion à travers (33) alors polarisée dans le sens direct. Ce qui tend à maintenir la source froide à 200C, quelle que soit la t de paroi, la sortie de (Al) alors à potentiel élevé n'ayant pas d'action sur le transistor (24), la diode (34) étant alors polarisée en inverse. Ceci dans la limite du courrant de collecteur admissible par le transistor (24) qui est limité par la résistance (35). La résistance (36) est, elle, facultative et sert à limiter si besoin est le gain de (A2). Le circuit de détection de buée devant commander le système à réguler, tel qu'il est représenté à la fugure 4, est construit autour de 1'BOP (A3) fonctionnant en trigger de Schmitt. Le générateur de courrant variable en fonction de la lumière constitué par le phototransistor (12) de la sonde, ou la cellule photovoltaique au silicium amorphe selon la version, constitue avec la résistance (37) et sa propre résistance interne, un diviseur de tension. La tension appliquée sur l'entrée inverseuse de (A3) à travers la résistance (38) va donc varier entre deux extrèmes correspondant respectivement à la présence et à l'absence de buée sur le miroir constituant la face froide de la CEP. Une tension de référence ajustée entre ces deux valeurs est élaborée par le pont diviseur constitué par (39),(4c) et (41). Et appliquée sur l'entrée non inverseuse de (A3) à travers la résistance (42). En l'absence de buée sur le miroir, le potentiel de l'entrée inverseuse est plus élevé que celui de référence sur l'entrée non inverseuse. La sortie de (A3) est donc à un potentiel bas dont la tension résiduelle est éliminée par les 3 diodes (43). Le transistor (44) est donc bloqué. En présence de buée sur le miroir, le potentiel de détection sur l'entrée inverseuse tombe en dessous de la tension de référence et la sortie de (A3) passe à l'état haut, proche de Vcc, amenant le transistor (44) à saturation. La résistance (45) détermine, avec les résistances (42) (41) et la branche basse de (40), la valeur de l'hystérésis nécessaire à gommer les transitoires. La résistance (46) détermine le courrant de base dans (44) selon son utilisation. L'état bloqué ou saturé du transistor (44) est utilisé pour commander un circuit d'interface avec la tension secteur commandant la mise en route ou l'arrêt de la déshumidification. Soit en tension sur la gachette d'un tyristor, soit en alimentant en courrant le relais (47). Dans les deux cas, une led (48) alimentée par la résistance (49) et le transistor (44), visible sur la face avant du coffret, sert à visualiser l'état de la sortie. De ce qui précède, la manière dont l'invention est susceptible d'applications industrielles est évidente. REVENDICATIONS 1) Procédé de régulation anticondensations et anti-suffocation caractérisé par le fait de n'actionner soit le système de chauffage d'une surface sur laquelle on doit éviter la condensation, soit un système quelconque de déshumidification de l'air, que lorsque la teneur en vapeur d'eau de cet air atteint un seuil tel que si elle augmentait encore d'une faible valeur, soit une rosée se déposerait sur cette surface, soit cet air provoquerait la suffocation des personnes le respirant. 2) Dispositif réalisant la régulation selon la revendication 1, caracterisé par l'utilisation d'une sonde (2) en contact thermique avec la surface à soustraire aux condensations, utilisant une cellule thermoélectrique à effet Pelletier (5) pour créer sur une surface (7) une température légèrement inférieure à celle de la surface à soustraire aux condensations, de manière à provoquer un dépit de buée sur cette surface (7), et le détecter pour actionner le système de chauffage ou de déshumidification avant qu'une condensation n'apparaisse sur la surface à y soustraire. 3) Dispositif selon la revendication 2 caractérisé en ce que l'écart entre les températures de surface à soustraire aux condensations et de surface froide (7) est maintenu constant par un régulateur (Ai) alimentant la cellule thermoélectrique (5) en courrant électrique d'une intensité inversement proportionnelle à l'écart de température mesuré entre les sondes (3) et (8), et à raison fixée par un potentiomètre (15) servant à préétablir la valeur de cet écart de température. 4) Dispositif selon la revendication 2 caractérisé en ce que la détection de buée sur la surface (7) qui constitue un miroir, s'effectue par variation de lumière réfléchie par ce miroir, émise et captée par un dispositif opto-électronique (10) constitué d'un émetteur (11) et diun récepteur (12) de lumière, sans aucun contact galvanique ni thermique entre la surface (7) et le dispositif (10). 5) Dispositif selon les revendications 1, 2 et 3 caractérisé en ce qu'un second régulateur électronique (A2) déroge au fonctionnement du régulateur (Al) en alimentant la cellule (5) de manière à maintenir la surface (7) à une température de 20'C quand celle-ci tend à dépasser cette valeur sous l'effet de l'échauffement de la surface à soustraire aux condensations,