Brevet FR2627858A1 — publié le 19890901

La présente invention concerne un appareil dénommé "Calculateur analogique pour l'étude du couplage local-émetteurs-régulation en thermique du bâtiment" qui permet de prévoir le comportement d'une enceinte,local d'habitation ou autre,sous l'effet des variations des flux de chaleur intérieurs ou extérieurs. Pour l'exploitation économique d'une installation de chauffage ou de conditionnement on est conduit à moduler la température intérieure des enceintes en fonction des conditions d'occupation.L'économie réalisée dépend de la loi d' évolution de la température intérieure de celles-ci qui doit répondre à certains impératifs. a) Chauffage intermittent quotidien. On maintient une température intérieure Ti de confort pendant la durée d'occupation et une température réduite en dehors de celle-ci.La température de confort doit être atteinte lors de la réoccupation du local.Il existe donc un temps de remise en régime fonction de la température minimale intérieure Tim, des conditions climatiques extérieures,de la surpuissance de l'installation, des caractéristiques constructives du local,du taux de renouvellement d!air,du contenu du local. b) Chauffage à grande intermittence. Dans beaucoup d'applicationsdu tertiaire ou de l'industrie,les locaux sont inoccupés le week-end.Pour des raisons d'économies,la puissance calorifique fournie est ralentie,voire stoppée.Toutefois,la température minimale intérieure ne doit pas descendre au dessous d'un certain seuil Tim. - D'une maniere générale,le local doit être maintenu "hors gel" et pratiquement on considère que Tim ne doit pas être inférieure à SOC. - Pour certaines applications (électronique,laboratoires etc) il est impératif d'éviter les condensations et,par suite,de ne pas descendre en dessous de la température de rosée. - La température de confort doit être atteinte lors de la réoccupation du local. c) Conditionnement d'été modulé. Sous lteffet d'une séquence de journées chaudes,un local atteint plus ou moins rapidement le régime périodique établi.La température intérieure du local peut alors s'élever à des valeurs inacceptables pour les occupants.La puissance frigorifique installée doit être suffisante pour maintenir: - une température intérieure constante pour certaines applications industrielles. - une température intérieure qui peut varier mais qui doit rester compatible avec les conditions de travail.Il faut alors définir la loi d'évolution de la température intérieure qui conduit à la dépense énergétique minimale. Le dispositif selon l'invention permet de prévoir les réponses du système local-émetteurs de chaleur ou de froid-régulation aux perturbations d' origine thermique.Celles-ci dépendent des caractéristiques constructives du local,de la capacité thermique de son contenu,du taux de renouvellement d'air, de l'orientation,des conditions climatiques,de l'inertie éventuelle des émetteurs,du type de régulation retenu. C'est un problème que l'on peut résoudre par modélisation numérique ou analogique. La modélisation numérique du couplage local-émetteurs-régulation fait appel à des programmes de calculs compliqués.En outre,il est difficile de prendre en compte les phénomènes non linéaires. La modélisation analogique est par contre d'application générale.L'appareil réalisé caractérise le système local-émetteurs-régulation par sa réponse fréquentielle.Il permet de simuler les phénomènes périodiques établis qu' ils soient linéaires ou non (chauffage intermittent,régulation en boucle fermée ,effet d'occultation des fenêtres par volets ou stores,taux de renouvellement d'air variable). En celà,il est différent des méthodes de simulations analogiques réalisées antérieurement et citées ci-après. L'analogie hydraulique trouve son origine dans l'hydrocal de MOORE (1936) qui permettait de relever les réponses impulsionnelles d'une paroi. Cette méthode a été étendue à la représentation d'un local par A.DUMEZ (1963) Elle a fait l'objet d'un brevet "Procédé et appareil pour la détermination analogique des variations thermiques" déposé conjointement par le Centre d' Etudes des Liants Hydrauliques et A.DUMEZ le 31 Mai 1963.Son caractère original résidait dans l'utilisation d'une paroi thermiquement équivalente à 1' ensemble des parois intérieures qui séparent le local d'autres enceintes liées (subissant la même évolution de la température),d'un dispositif qui permettait de rendre compte des flux échangés avec le milieu extérieur (température équivalente extérieure),d'un dispositif qui permettait de rendre compte des flux instantanés (autres que ceux dus aux appareils de chauffage ou de conditionnement) qui se manifestent à l'intérieur-du local (température équivalente intérieure). L'analogie électrique a été proposée par BEUKEN (1933) pour l'étude d' une paroi en régime variable.Son principe était de remplacer l'équation de la chaleur par un système d'équations différentielles résolu par l'association d' un ensemble de résistances et de capacités électriques. Pour toutes ces méthodes analogiques on suppose le système initialement au repos et,à partir de cet état,on relève les courbes d'évolution des températures en régime transitoire. L'appareil faisant l'objet de la présente invention comprend: - un oscilloscope - un générateur de fréquence - le calculateur analogique qui simule l'ensemble local-émetteurs-régulation. Il est bien évident que cette simulation peut être étendue aux enceintes qui jouxtent le local considéré. Le signal d'entrée du calculateur analogique représente soit la température extérieure équivalente,soit la température intérieure équivalente,soit la température de consigne dans le cas d'une régulation en boucle fermée. Ce signal est émis par le générateur de fréquence. Le signal de sortie du calculateur représente l'évolution de la température intérieure du local.Il est reçu et visualisé sur un oscilloscope. On peut également imposer la température intérieure et en déduire la température intérieure équivalente.A partir de celle-ci,on obtiendra le flux de chaleur ou de froid à fournir. Une autre possibilité de réalisation de l'appareil consiste à remplacer le générateur de fréquence et ltoscilloscope par un ordinateur en utilisant des cartes de conversion analogique-numérique et numérique-analogique; Tel qu'il est,l'appareil permit de faire varier commodément des différents paramètres qui agissent sur les réponses du système (caractéristiques constructives du local,caractéristiques de son contenu,surfaces vitrées,taux de renouvellement d'air,orientation,conditions climatiques extérieures) et de relever: - les fonctions de transfert du local définies par M.DUMEZ (thèse de Doctorat d'Etat 1981). - la température intérieure du local abandonné à lui-même. - la température intérieure du local conditionné à flux imposé. - les réponses d'une régulation en boucle ouverte ou en boucle fermée en prenant en compte le système de chauffage ou de conditionnement (chauffage modulé quotidien,chauffage à grande intermittence,conditionnement d'été à température constante ou modulée) et d'en déduire la consommation énergétique. L'invention est plus amplement décrite en référence au dessin annexé. Le calculateur analogique comprend: * Les résistances R1,R2,R3,R4 et les capacités C1,C2,C3 qui représentent la figuration d'une paroi composite constituant la partie opaque du mur de façade.Chacune des résistances R1,R2,R3,R4 correspond à la résistance thermique d'une tranche de la paroi représentée. De même,les capacités C1,C2,C3 correspondent aux capacités thermiques des tranches de la dite paroi. L'amplificateur opérationnel A01 ainsi que les résistances rl et P1 permettent de rendre compte d'une variation limitée de la surface opaque du mur de façade * Suivant les problèmes traités,le point El est relié au générateur de fréquence.En S1 pn relève le potentiel électrique simulant la température extérieure équivalente Te. L'interrupteur I1 possède deux fois quatre positions ce qui permet d'établir les liaisons suivantes: - S1 et El - S1 et la masse - S1 et S3 - S1 et le circuit comprenant les diodes D1,D2 et la résistance R6. * Les résistances R'1,R'2,R'3,R'4,R'5 et les capacités C'1,C'2,C'3,C'4,C'S simulent le comportement thermique de la paroi intérieure équivalente. L'amplificateur opérationnel A02 ainsi que les résistances r'l et P'1 permettent de rendre compte d'une variation limitée de la surface du mur équivalent * Les capacités CO,C'O et la résistance RC simulent l'effet des capacités internes au local.L'interrupteur I2 ayant pour rôle de mettre C'O et RC en service. * Les résistances électriques RO et PO permettent de faire varier la résis tance thermique des parties vitrées (nature des vitrages,surface de ceux-ci) et le taux de renouvellement d'air. * Suivant les problèmes traités,le point E3 est relié au générateur de fréquence.En S3 on relève le potentiel électrique simulant la température intérieure équivalente Ti. L'interrupteur I3 possède deux fois trois positions ce qui permet d'établir les liaisons ci-après: - S3 et E3 - S3 et la masse - S3 et le circuit comprenant les diodes D1,D2 et la résistance R6 * Aux points S2 et E2 on mesure le potentiel électrique simulant la température intérieure Ti. Le circuit comprenant les diodes D3,D4,les amplificateurs opérationnels A03 et A04,les résistances R7,R8,P7 sert à simuler le comportement d'une régulation proportionnelle en boucle fermée.L'interrupteur I4 permet de mettre en service ce circuit.Suivant le type de problèmes traités,le point E4 est relié au générateur de fréquence. En S4 on relève le potentiel électrique simulant la température de consigne TC. Le procédé selon l'invention est applicable à l'étude thermique d'un local ou d'un ensemble de locaux,quelle que soit la nature des parois,parois en béton ou en maçonnerie,pleines ou avec ouvertures,murs rideaux- etc. REVENDICATIONS 1 - Appareil de détermination analogique du comportement thermique d'un bâtiment caractérisé en ce qu'il comporte: - Un oscilloscope permettant l'analyse des signaux électriques. - Un générateur de fréquence permettant la simulation des conditions climatiques extérieures ou de l'évolution de la température de consigne dans le cas d'un chauffage ou d'un conditionnement d'été. - Un calculateur analogique permettant de simuler le comportement thermique du bâtiment en régime périodique établi. 2 - Appareil selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'on dispose,entre le générateur de fréquence et l'uns des entrées du calculateur analogique,un circuit électrique comprenant les diodes D1,D2 ainsi que la résistance R6 et permettant de modifier la forme des signaux issus du générateur de fréquence. 3 - Appareil selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'on remplace 1' oscilloscope et le générateur de fréquence par un ordinateur utilisant des cartes d'interface analogique-numérique et numérique-analogique pour générer ou analyser les signaux d'entrée ou de sortie du-calculateur analogique. 4 - Appareil selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le calculateur analogique comporte: - Des résistances électriques R1,R2,R3,R4,R'1,R'2,R'3,R'4,R'5,RC simulant le comportement des résistances thermiques de la partie opaque de la façade,des parois intérieures et du contenu du local. - Des capacités électriques C1,C2,C3,C'1,C'2,C'3,C'4,C'5,CO,C'O simulant le comportement des capacités calorifiques de la partie opaque de la façade,des parois intérieures et du contenu du local. - Un circuit électrique comprenant des diodes D3,D4,des amplificateurs opérationnels A03,A04,des résistances R7,R8 et un potentiomètre P7 simulant une régulation proportionnelle en boucle fermée. - Un potentiomètre Pl,une résistance rl et un amplificateur opérationnel A01 permettant de faire varier la surface opaque de la façade. - Un potentiomètre P'l,une résistance r'1 et un amplificateur opérationnel A02 permettant de faire varier la surface du mur intérieur équivalent. - Un potentiomètre PO et une résistance RO permettant de faire varier la résistance thermique des parties vitrées (nature des vitrages,surface de ceux-ci) ainsi que le taux de renouvellement d'air.