Brevet FR2642151A1 — publié le 19900727

LE VEROUILLAGE CONDITIONNEL DE LA DESHUMIDIFICATION EN CLIMATISATION La présente invention concerne un procédé rationnalisant le démarrage des installations de climatisation et particulièrement des installations a fonctionnement intermittent; assurant une mise en régime accélérée, un vieillissement moindre des matériels ainsi que de sensibles économies d'énergie. Une installation de climatisation est souvent destinée au maintient des conditions de température et d'hygrométrie relative (HR) requises pour l'exploitation de matérie's techniques sensibles ou de haute technologie. Les constructeurs de ces matériels techniques distinguent le plus souvent deux types d'environnement pour les appareils selon qu'ils sont ou ne sont pas en fonctionnement.Les paramètres couramment requis sont de l'ordre de: appareils en fonctionnement appareils à l'arret température : C 21 +/- 1 > 12 à 15 hygrométrie : HR % 50 +/- 10 80 à 90 Pour des raisons évidentes d'économies, les exploitants décident le plus souvent l'arrêt de l'installation de climatisation en même temps que les matériels techniques c'est à dire , en général pendant les heures non oeuvrées.A l'abord d'une phase oeuvrée la climatisation est remise en service un certain temps avant les matériels techniques afin que les conditions du température et d'hygrométrie soient rétablies en temps voulu; la durée de la mase en régime est déterminée par l'expérience. Pendant les phases d'arrêt, les paramètres température et hygrométrie relative ont dérivé sous la vigilance de capteurs teillant au non dépassement des limites appareils à l'arret", remettant périodiquement, si nécéssaire, 11 installation en service. La figure n 1 schématise une installation de climatisation. Le principe du fonctionnement est succintement le suivant: L'air du local climatisé est capté par des bouches de reprise (2), acheminé vers un appareil de traitement chargé de corriger les divers paramètres puis l'air traité est réintroduit dans le local par les bouches de soufflage (3).Un filtre (t) épure l'air et un ventilateur (1) le met en mouvement. La régulation assure, par l'intermédiaire de capteurs, de convertisseurs et d'actionneurs, le pilotage des divers organes qui interviendront sur les paramètre de l'air arrivant dans l'appareil de traitement.Quelle soit proportionnelle, proportionnelle-intégraie, ou proportionnelle-intégrale-dérivée, les actions de la régulation sont toujours - activer la batterie de chauffage (4) si la température de l'air est trop basse. - activer la batterie de réfrigération ( ) si la température de l'air est trop élevée. - activer l'humidificateur (6) si l'hygrométrie relative est trop faible. - activer la baterie de réfrigération (5) si l'hygrométrie relative est trop élevée et ainsi provoquer la condensation d'une partie de la vapeur d'eau contenue dans l'air.La conséquence immédiate est l'abaissement excessif de la température et l'entrée en action de la batterie de chauffage (4). Pour respecter les valeurs de consigne choisies ici (21 C;50% HR) la régulation pourra par exemple le ttre réglée poar: - ne rien activer entre 20,D à 21,5 C et 45 à 55 % HR. - commencer à activer le chauffage au dessous de 20,D C pour l'activer au maximum à 20 C. - commencer à activer la réfrigération à 21,5 C pour l'activer au maximum à 22 C. commencer à activer l'humidification à 45 Z HR pour l'activer au maximum à 40 X HR. - commencer à activer la réfrigération à 55 % HR pour l'activer au maximum à 60 X HR. Pendant les périodes d'arrêt de la climatisation la température ambiante va s'abaisser naturellement à cause des déperditions thermiques des locaux climatisés car, une large majorité de l'année, la température extérieure est inférieure à celle des locaux climatisés, surtout lors des heures non oeuvrées (généralement la nuit). Or, en psychrométrie, pour une teneur en vapeur d'eau donnée, l'hygrométrie relative s'élève- quand la température s'abaisse et inversement. A l'aide d'un diagramme psychrométrique1 on s'aperçoit que si les paramètres lors de l'arret de l'installation étaient 21 C;50 % HR,il suffit que la température se soit abaissée à 18 C pour que l'hygrométrie relative atteigne 60 X HR (voir diagramme psychrométrique 4/4,évolution selon AB). A la mise en service de l'installation de climatisation en vue d'une phase oeuvrée, la régulation détecte à la fois une température trop faible et une hygrométrie trop élevée.Les actions correspondantes sont alors immédiatement déclenchées: - activation maximun du chauffage pour élever la température. - activation maximum de la réfrigération pour abaisser l'hygrométrie C'est dans ces conditions, et parce que la batterie de chauffage est toujours surdimentionnée dans ce type d'installation là cause de la déshumidification), que l'on va rejoindre lentement les conditions nominales.Mais les actions antagonistes du chauffage et de la réfrigération n'auront pas seulement retardé la mise en régime et provoqué une surconsommation d'énergie, il aura aussi été condensé une quantité de vapeur d'eau qui va manquer lorsque la température ambiante requise sera atteinte et l'humidificateur devra, à son tour, entrer en action. Le dispositif selon l'invention permet de remédier à cet inconvénient en adoptant une stratégie de régulation interdisant le fonctionnement de la déshumidification tant que la température des locaux climatisés est inférieure à sa valeur nominale minimale.Ainsi, dans l'exemple cité, la déshumidification aurait été verrouillée dés la mise en service et jusQu'à ce que la température atteigne 20,5 C.A ce stade, l'hygrométrie relative aurait naturellement été de 52 %. Ni la batterie de réfrigération ni l'humidificateur n'auraient été sollicités et, grâce à toute la puissance de la batterie de chauffage, 1-a durée de la mise en régime aurait été largement diminuée. Les graphiques de la figure 2 représentent les évolutions parallèles des paramètres température (TE) et hygrométrie relative (HR) de locaux climatisés. En ordonnées nous avons les variations d'amplitude des deux paramètres, en abcisses: le temps.Le verrouillage conditionnel de la déshumidification fonctionne de la façon suivante: - en A, on quitte une phase oeuvrée, l'installation de climatisation est mise à l'arrêt; la température ambiante, à sa valeur nominale, va s'abaisser à cause des déperditions thermiques des locaux. - en B, la température atteint la valeur de consigne moins la tolérance (X-T!: le fonctionnement de la déshumidification se verrouille en B' légèrement inférieur à B. La batterie de réfrigération ne peut plus etre activée pour déshumidifier I'air. - au point @, la température s'est abaissée excessivement et a Atteint la valeur limite S (limite environnement matériel technique à l'arrêt). L'hygrométrie relative s'est élevée au dessus de sa tolérance à cause de la baisse de la température; elle n'a cependant pas atteint sa valeur limite S' L'installation est ici remise en service à cause de la baisse de la température.Mais, alors qu'elle aurait normalement été sollicitée pour déshumidifier, la réfrigération ne sera pas activée car elle a été verrouillée en B'. C'est donc trés rapidement que la température va s'élever de la raleur préréglée du différentiel D, et la chute observée de l'hygrométrie en C' n'est dûe qu'à la hausse de la température.Plusieurs cycles semblables peuplent ètre mis en oeuvre durant des périodes non oeuvres prolongées. - en E, l'installation est réactivée en vue d'une phase oeuvrée, là encore la réfrigération qui aurait normalement été sollicitée est toujours verrouillée. C'est donc en un temps minimum que l'on va rejoindre le point F (X-T) ou la déshumidification sera de nouveau autorisée durant la phase oeuvrée qui débute ou va incessament débuter. A ce stade, l'hygrométrie relative a rejoint sa plage de tolérance à cause de la remontée de la température et ne provoque pas d'activation de la réfrigération.La durée de la mise en régime EF est déterminée par l'expérience et dépend des caractéristiques thermiques des locaux et de l'installation, mais elle ne peut qu'être inférieure à sa valeur sans " le verrouillage conditionnel de la déshumidification ". - entre F et G, phrase oeuvrée, la régulation pallie aux variations de température et d'hygrométrie relative et maintient leur valeur dans les plages de tolérances soit X +/- T pour la température et Y +/- T' pour l'hygrométrie. Le fonctionnement est classique. - au point G, fin d'une phase oeuvrée, on stoppe de nouveau l'installation. De nouveau la température s'abaisse et l'hygrométrie est verrouillée en H', légèrement inférieur & ff (franchissement de la tolérance X-T). - en 1.c'est l'hygrométrie relative qui atteint le seuil limite S'. L'installation est remise en service et de nouveau seul le chauffage fonctionne jusqu'à ce que, grâce à l'élévation de température, l'hygrométrie relative s'abaisse de la valeur préréglée J.Plusieurs cycles peuvent entre ainsi effectués. - au point X,l'installation est relancée pour une nouvelle phase oeuvrée, la température s'élève rapidement car, seule la batterie de chauffage fonctionne, l'hygrométrie relative s'abaisse tout aussi vite. - en L, la température franchit son seuil nominal minimal (X-T), pourtant, à cause des apports de vapeur d'eau durant la phase d'arret, l'hygrométrie est encore au dessus de sa tolérance. La réactivation de la déshumidification à ce point, va permettre de rejoindre en M les conditions nominales pour la phase oeuvrée qui va commencer. Dans ce cas, au lieu d'etre activée depuis K -la déshumidification n'a été activée qu'en L, soit, uniquement pour enlever l'excédent de vapeur d'eau contenu dans l'air. Le verrouillage conditionnel de la déshumidification peut être réalisé de plusieurs façons dans les installations de climatisation selon qu il s'agit d'installations à créer ou existantes et que ces installations sont équipées de matériel de régulation offrant plus ou moins de souplesse d'adaptation et d'extension. Le dispositif offrant les meilleurs résultats doit être intégré à la régulation principale sous la forme d'un asservissement lié à la variable 'température'. La position de cet asservissement sur le vecteur température étant lié à l'ensemble des actions "température". Cette disposition comporte des avantages: - en cas de modification du point de consigne X, le point de verrouillage de la déshumidification se déplace de la meme valeur. - en cas de dérive des caractéristiques de la régulation, due par eXemple au vieillissement du matériel, les deux points, -consigne et Vérrouillage seront uniformément affectés. Le diagramme de la Figure 3 donne un exemple du calage des divers asservissements d'une régulation. Sur le vecteur température est d'abord positionné le point de consigne X (21 C dans l'exemple), puis les tolérances + T et - T (+ l et - 1 K). Le verrouillage conditionnel de la déshumidification doit être positionné à des valeurs inférieures à la plage de fonctionnement. Le nécessaire différentiel de commutation (DF) entre la mise en et hors service du verrouillage conduit à une température maximale V de la mise en verrouillage de la déshumidification de X - T@-.DF avec X = point de consigne T = tolérance de régulation DF= différentiel de commutation du vérrouillage de la déshumidification. La température maximale M de remise en service de la déshumidification étant X - T. Exemple de réglage: X = 2I C T = +/- 1 K DF= 0,2 K Température de verrouillage de la déshumidification 21 - l - 0,2 = 19,8 C Température de remise en service de la déshumidification 19,8 + 0,2 = 20 C Par sécurité, on pourra toujours adopter une valeur inférieure par exemple 19 C pour la coupure et 19,2 'C pour la remise en service. La performance du système ne sera que peu affectée et la dissociation des zones de verrouillage et de fonctionnement normal sera assurée. Dans le cas d'une installation équipée de matériel de régulation n'autorisant pas l'intégratioii d'un asservissement supplémentaire il est possible d'utiliser un thermostat indépendallt I)ur assurer le verrouillage je la déshumidification. Si le thermostat a tin différentiel de commutation de 1,5 K, son point de verrouillage sera X - T - DF 21 - 1 - 1.5 = 18,5 C La remise en service s'effectuant à 18,5 + 1,5 = 20 'C. La faible précision de ce matériel incitera à un réglage du verrouillage à 18 'C la remise en service intervenant à 18 + 1,5 = 19,5 'C On disposera d'une marge de sécurité de : 20 - 19,5 = 0,5 K évitant le risque de perturbation de la plage de fonctionnement normal. Une autre solution permet de réaliser le verrouillage conditionnel de la déshumidification. Au lieu d'utiliser le facteur température, elle utilise la facteur temps. La déshumidification reste verrouillée pendant un temps prédéterminé, aprés la mise en service. Certes, à la remise en fonctionnement de l'installation, la durée de .la remontée de la température ambiante est variable selon l'abaissement subi lors de la ihase non oeuvrée, donc selon les conditions extérieures; mais il est possible de retenir une durée moyenne de mise en régime pendant laquelle la déshumidification ne pourra fonctionner.Même si cette durée du verrouillage s'avère tantôt un peu plus courte tantôt un peu plus longue que la phase théorique de la remise en température - représentée par EF ou KL sur la figure 2 - l'efficacité n'en sera en fait que peu affectée car c'est surtout en début de phase de démarrage que l'hygrométrie relative est ia plus élevée et donc que la déshumidification risque d'-être le plus fortement sollicitée. Outre qu'il n'allourdit pas la régulation, le verrouillage conditionnel de la déshumidification utilisant une temporisation à 1R mise en service de l'installation, a l'avantage de prévenir le risque de chevauchage des zones de verrouillage et de fon température de sécurité S.Cette durée sera egalement utilisée pour déte-rminer la durée totale de mise en régime en la majorant d'une phase de déshumidification active - correspondant à L.M sur la figure 2 -selon la perméabilite des locaux à la vapeur d'eau, et le climat du site, mais là encore, la durée totale de mise en régime sera nécessairement inférieure à sa valeur sans le "vérrouillage conditionnel de la déshumidification". Sur le vecteur temps de la figure 4 le point P représente la mise en service de l'installation, en Q la température des locaux est atteinte car- PQ est égal à la durée de réchauffage à partir de la température de sécurité S ; QR défini par l'expérience, constitue une phase de possible déshumidification avant la phase oeuvrée débutant en R. Quel que soit le dispositif retenu pour effectue le verrouillage conditionnel de la déshumidification (asservissement intégré à la régulation principale, thermostat indépendant ou temporisateur) l'installation de climatisation se trouve transformée en instailation- de chauffage le temps d'atteindre la température nominale. A ce titre, l'installation est devenue apte à recevoir un dispositif d'optimisation pour installation de chauffage. L'optimiseur ayant à- charge dans ce cas, de faire varier le moment de la mise en service en prenant en compte les conditions intérieures et extérieures et garantissant l'obtention de la température requise au.point L de la figure 2 ou au point Q de la figure 4; c'est à dire au début de la phase destinée à l'éventuelle désirnmidificatiom. REVENDICATIONS 1 - Stratégie de régulation destinée à favoriser la mise en régime des installations de climatisation en interdisant le fonctionnement de la déshumidification durant la phase d'élévation de la température; évitant ainsi le fonctionnement antagoniste du chauffage et de la réfrigération; écourtant la durée de mise en régime; rendant possible l'optiîïsation du démarrage telle que pour une installation de chauffage et entraînant des économies d'énergie.Caractérisée en ce quelle consiste à vérrouiller le fonctionnement de la déshumidification dés la chute de température consécutive à l'arrêt de l'installation (points B' ou H' figure 2) et jusqu'à l'obtention ,aprés redémarrage, de la température nominale minimale (point F ou L fig.2) 2 - Stratégie de régulation selon la revendication 1 caractérisée en ce qu'on utilise pour ce faire un asservissement à la température sur la régulation de l'installation. 3 - Stratégie selon la revendication 1 caractérisée en ce que le vérrouillage puis le dévérrouillage sont provoqués par un thermostat indépendant de la régulation de l'installation. 4 - Stratégie selon la revendication 1 caractérisée en ce que le vérrouillage puis le dévérrouillage de la déshumidification sont assures par un temporisateur retardant, lors de la mise en service l'autori8ation d'entrée en action de la déshumidification.