Brevet FR2745372A1 — publié le 19970829

Le dispositif faisant l'objet de cette invention assure le pilotage du brûleur de chaudière de chauffage central, pour adapter le niveau de chauffe à la puissance instantanée nécessaire. Une chaudière de chauffage central doit permettre de maintenir la température désirée dans un logement etlou fournir suffisamment d'eau chaude sanitaire, bien que la température extérieure puisse varier de manière importante suivant les saisons et le moment dans la journée. De même la température de confort est-elle différente le jour et la nuit. La régulation du flux de calorie dans le circuit de chauffe est assurée généralement par des vannes 3 voies, sorte de mitigeur, et par des circulateurs. Souvent la chaudière elle même n'est pas régulée différemment suivant la demande. Elle est dimensionnée pour répondre aux besoins par temps très froid et aux modifications de régime importants tel que la remise en chauffe d'un immeuble après une mise en veille nocturne. Ces remises en chauffe diurne sont quelque fois assurées par des optimiseurs ouvrant totalement la circulation de l'eau chaude avant l'heure à laquelle doit être obtenue la température désirée. Le reste du temps la chaudière à un régime de croisière fluctuant autour d'une moyenne influencée par la température extérieure, la présence ou non des occupants, la demande ou non en eau sanitaire. II est non économique de faire fonctionner les chaudières à une température élevée nécessaire pour ces grands froids et ces redémarrages de chauffe le reste du temps, hors de ces périodes. Et ce reste est très significatif dans la vie de la chaudière en perte de calories par échange thermique dans la chaufferie, en démarrage de chauffe, en température de fumée etc.. On comprend la nécessité de la température haute car si la température de l'eau au retour baisse en dessous de 45"C la condensation risque de corroder la chaudière. De même la température de l'eau sanitaire doit être assurée en permanence et oblige à avoir un minimum plus haut. Le réglage est fait très haut afin d'éviter ces chutes de température. Les chaudières de chauffage central sont de gros consommateurs d'énergie, et à ce titre ont fait l'objet de recherches plus ou moins fructueuses. quant à la possibilité de réduire le coût de revient global d'utilisation de ce mode de chauffage. Nous savons que certaines chaudières modernes sont équipées de dispositifs à capteurs de température extérieur aux locaux et de sondes de température ambiante. Ces installations sont pilotées par des automates très performants qui agissent aussi bien sur la chaudière que sur les vannes de régulation de circulation d'eau. Ces dispositifs ne sont, maiheureusement, pas adaptés à la modification des installations déjà en service de par la lourdeur des travaux à exécuter pour leur implantation. Le parc de chaudière relativement ancienne étant important plusieurs dispositifs et procédés ont fait leur apparition pour remédier à ce problème. La régulation de base d'une chaudière étant tributaire d'un thermostat commandant directement le brûleur, des économies ont été réalisées assurément en augmentant l'écart de basculement de ceux-ci, visant à diminuer le nombre de démarrage. Le thermostat à écart réglable ou le dispositif selon la publication N" Wu94!02787 qui augmente le temps de refroidissement d'un pourcentage du temps qu'il a fallu attendre avant d'avoir le changement d'état du thermostat, sont d'installation peu onéreuse mais la chaudière fonctionne toujours dans la zone de température maximum de la chaudière quelque soit le besoin d'où une perte de possibilité d'économie et absence d'anticipation. La publication N" FR2695981 s'approche beaucoup plus de la solution en modulant le temps de chauffe en partant d'une température minimum. Le problème que nous voyons c'est que le contrôle de la charge de chauffe à lieu à posteriori. Le risque que cela entraîne n'est pas négligeable: la température de l'eau peut descendre d'une manière significative lors de la fin de refroidissement s'il y a une demande importante et le point de rosée peut être atteint sans contrôle. L'analyse des différents dispositifs et procédés existant montrent à l'évidence que notre dispositif doit apporter les solutions aux problèmes soulevés à savoir; - surveillance de la limite inférieure de température - modulation de chauffe suivant la charge de l'installation - inhibition de la régulation en cas de forte demande par anticipation - installation simplifiée au maximum - pas de réglages compliqués - faible coût d'installation Le dispositif est constitué d'un micro-ordinateur dont les périphériques permettent la saisie d'information telle que les deux sondes de température étroitement appliquées sur les tubulures de sortie d'eau chaude et de retour au plus près du corps de chaudière, de boutons poussoir permettant l'initialisation de l'appareil, et la saisie de la consigne et un relais raccordé en série avec le thermostat de la chaudière. L'appareil étant raccordé à la chaudière. l'utilisateur initialise le dispositif en appuyant sur le bouton prévu à cet effet ce qui met toutes les mémoires à zéro et laissant refroidir la chaudière en la mettant hors service, jusqu'au point souhaité pour la température de retour minimum, il appuiera sur un autre bouton poussoir pour saisir le point de CONSIGNE qui remettra la chaudière en service. A partir de ce moment le dispositif est en apprentissage et dans un premier temps sera uniquement observateur de la chaudière, et de toute l'installation pendant, par exemple, une semaine. Pendant cette période il surveille les évolutions de chauffe à l'aide de la sonde de sortie et celles de refroidissement par la sonde de retour. Pendant cette surveillance il détecte les paramètres de chauffe normale tels que températures de mise en route de chauffe et d'arrêt; ainsi que la température inférieure de retour. Un agenda est constituée, correspondant à la période de surveillance, il servira à marquer les périodes de surconsommation. Lors de cette observation, si le dispositif constate que la température de sortie a été atteinte alors que la température de retour continue à descendre sous la valeur qu'il a appris comme normale il conclu qu'une consommation dépassant la capacité instantanée du brûleur est en demande, due à une remise en chauffe du bâtiment, et marque sur l'agenda la place de cette anomalie, il continuera à marquer cet agenda jusqu'à retour à une régime normal. Lorsque cette période d'observation d'une semaine, dans l'exemple, est arrivée à son terme, le dispositif devient actif en prenant en charge la régulation de la chaudière en prenant comme référence la température de CONSIGNE saisie lors de la mise en route. Le brûleur de la chaudière sera commandé par le relais en série avec le thermostat et non plus par celui-ci. Maintenant le dispositif va être capable de réagir suivant le taux de charge de la chaudière. Pour ce faire il surveille en permanence la température de refroidissement en calculant la vitesse instantanée de celui-ci. Cette vitesse est proportionnelle au taux de charge de l'installation. Le dispositif dispose d'un tableau de taux de charge qu'il va mettre à jour en permanence. Dans ce tableau à un taux de charge correspondra un delta de température de refroidissement entre le lancement de chauffe et l'inflexion de réchauffement sur le retour, du à l'inertie de chauffage et à la préventilation précédent le chauffage. Tout le long du refroidissement aura lieu une comparaison de la température actuelle du retour et de la température CONSIGNE additionnée de la valeur d'inertie du tableau si elle est déjà connue pour cette valeur de taux de charge. Si elle n'est pas connue il sera pris par défaut une valeur de 5"C, par exemple, correspondant au maximum relevé sur d'autres installations. Lorsqu'il y a concordance de ces valeurs le chauffage sera relancé, le dispositif mesurant alors le delta de température jusqu'à inflexion et mettra à jour le tableau de taux de charge. Afin de diminuer le nombre de démarrage lorsque le taux de charge augmente on calculera la température d'arrêt de chauffe en tenant compte de celui-ci, en augmentant progressivement la température. Si à un moment quelconque du cycle la lecture de l'agenda rencontre une période marquée, le dispositif devient transparent un certain temps avant le moment fatidique afin de permettre à la chaudière de monter en puissance et le restera jusqu'à ce que la lecture de l'agenda rencontre un zone non marquée. Le dispositif continuant à apprendre les anomalies de fonctionnement de la chaudière, L'agenda est mis à jour en permanence par suppression des périodes marquées si les précautions deviennent inutiles et par ajout de périodes marquées si d'autres périodes à forte demande apparaissent, par exemple en intersaison. Un exemple de réalisation d'un tel dispositif pourrait ce faire autour d'un microcontrôleur dont l'alimentation serait essentiellement constituée d'un transformateur alimenté par le secteur dont la tension de sortie redressée, filtrée et stabilisée pourrait en plus charger une batterie d'accumulateur assurant une alimentation de secours pour maintenir le calendrier à jour en cas de manque de secteur. Pour ce microcontrôleur un quartz et ces condensateurs seront utilisés pour assurer une précision dans les mesures et l'horloge du calendrier. Les ports d'entrées et sorties aboutissent: - à une bobine de relais dont le contact est fermé au repos afin d'assurer le fonctionnement du brûleur si le dispositif devient hors service à cause d'une panne. - à 2 leds de signalisation de fonctionnement - à 2 boutons poussoirs assurant la communication entre l'installateur et le microcontrôleur - à 2 capteurs de température pour les relevés de température - à un point test de présence d'alimentation secteur. Ces entrées sorties de microcontrôleur seraient gérées par un programme assurant les tâches suivantes: Horloge et calendrier Le microcontrôleur utilisé permet l'interruption du programme en cour, à chaque fois qu'un compteur inteme boucle de 255 à 0 et de se brancher sur une routine diviseuse qui gère un compteur d'heure qui s'annule dès qu'il a compté 24 en augmentant le compteur de jour qui s'annule dès qu'il a compté 7, en sortant de cette routine d'interruption le programme reprend à l'endroit où il a été suspendu. Compte tenu du temps nécessaire à la routine d'interruption pour faire sa tâche, I'influence du temps sur l'évolution de la chauffe ou du refroidissement est strictement nulle. Agenda L'agenda dans l'exemple sur 7 jours est représenté par une série de 24 mémoires numérotées de 0 à 23, de 1 octet soit 8 bits dont les 7 premiers seulement sont utilisés et numéroté de 0 à 6. Le marquage des surconsommations se fera en positionnant à 1 bit correspondant au jour de la mémoire correspondant à l'heure dans le cas contraire, s'il n'y a pas eu une seule demande importante pendant l'heure en cause le même bit est mis à 0. Apprentissage des remises en chauffe Si alors que le point bas de la température a été atteint et que la température de retour est en dessous du minimum normal, il y a surconsommation et le brûleur ne suffit pas à fournir: on marque à un le bit de la mémoire de l'agenda représentant le jour et l'heure du calendrier. Si à la fin de l'heure aucun dépassement de capacité n'a été enregistré on remet ce bit à 0. Table des taux de charge Le temps mis par la chaudière à récupérer des calories disponibles n'est pas négligeable ce qui fait que pendant un certain temps la température du retour continue à baisser alors que le brûleur est en marche. II est important d'en tenir compte surtout lors de taux de charge important où la baisse peut etre de plusieurs degrés. Un table sera utile pour stocker ce delta de température en regard du temps mis pour refroidir de 0.2"C. Cette table de 32 mémoires numérotée de 0 à 31 permettra de relever ces résultats pour des vitesses allant de 0.1 C/seconde à 0.2"C/minute. Apprentissage des taux de charge Lors du refroidissement, on relève le temps nécessaire, à l'eau du retour, pour baisser d'une fraction de degré, par exemple 0.2"C après ce relevé on lit la valeur de la mémoire à l'adresse correspondant au temps, qui contient la différence de température entre lancement de chauffe et inflexion de réchauffement sur le retour. Si la valeur n'a pas encore été initialisée on prend une valeur par défaut (maximum rencontré sur d'autres chaudières) par exemple 5"C, si la valeur est initialisée on prend celleci. Puis on compare la température actuelle à l'addition de la CONSIGNE et de cette valeur si le résultat est égal ou plus petit on relance la chauffe, sinon on recommence le relevé. Lorsque la chauffe est relancée on attend l'inflexion du réchauffement de l'eau de retour et on fait la différence des températures de lancement et d'inflexion. se résultat étant rangé après moyenne algébrique avec le précédant dans la table des taux de charge. Commande de chauffe Les deux sondes de température sont raccordées à deux entrées analogiques du microcontrôleur en série avec des résistances formant diviseur de tension permettent une surveillance des températures aussi bien en sortie de chaudière qu'un retour d'eau. Le programme détermine deux types de commande de chauffe. Le premier automatiquement valable au démarrage consiste à relâcher le relais en permanence, jusqu'à ce que l'horloge ait parcouru intégralement le calendrier. Ceci est réalisé extérieurement au microcontrôleur dont une entrée est chargée par une résistance raccordée à l'alimentation, et par une sortie chargeant ou déchargeant cette entrée permettant la commande simple par programme en pilotant la sortie ou la commande extérieure par mise à zéro de l'entrée soit pour test de fonctionnement comparatif en mettant le dispositif en service ou hors service avec surveillance de paramètre par un dispositif extérieur à l'appareil et ne faisant pas partie de l'invention, tel que ordinateur et interface ou enregistreur. A cette fin on pourra rajouter un commutateur court-circuitant l'entrée à la masse. A la remise à 0 de l'appareil correspond la mise à 0 de cette sortie jusqu'à ce que l'horloge ait parcouru intégralement le calendrier. Le brûleur. pendant ce temps, suit les états du thermostat comme si le dispositif n'était pas présent. Lorsque le calendrier a été parcouru une fois. lors du rebouclage de celui-ci sortie est mise à 1 et le programme détecte donc l'autorisation de régulation par scrutation de l'entrée sus décrite. Le microcontrôleur prend en charge la régulation en autorisant ou non le fonctionnement du brûleur en faisant basculer le relais. Ce fonctionnement est tributaire de la valeur des températures instantanées ainsi que de l'autorisation de régulation ordonnée après lecture de l'agenda. Prise de CONSIGNE Le seul réglage à faire est la saisie de température basse de l'eau de retour. Pour ce faire il suffit de signaler le moment auquel la valeur est atteinte. Les températures de sortie et de retour sont relevées en permanence par le microcontrôleur, tout appui sur le bouton de CONSIGNE, mémorisera la valeur instantanée de la température de retour comme étant la valeur à ne pas dépasser. Cette prise de consigne peut être faite à n'importe quel moment elle sera prise en compte comme étant la nouvelle valeur, elle peut toujours être modifiée. Cette souplesse permettra un affinage vers le bas de la régulation suivant la réaction des utilisateurs. Cette nouvelle saisie ne remet pas en question l'apprentissage déjà réalisé. Remise à zéro En sortie d'usine le dispositif est vierge donc il ne serait pas utile de prévoir cette RAZ. néanmoins il peut être avantageux, lors d'une modification de l'installation (adaptation de puissance, rajout de vanne, d'optimiseur etc) de pouvoir reprendre l'apprentissage de l'agenda et des taux de charge, aussi cette RAZ annule-t-elle toutes les valeurs relevées et remet à zéro l'agenda. A cette saisie correspond un préapprentissage complet des paramètres. Rupture d'alimentation Une entrée du microcontrôleur est affectée à la surveillance de l'alimentation. En effet, une rupture d'alimentation, si il n'y avait pas de sauvegarde par batterie, décalerait le calendrier et obligerait à reprendre l'apprentissage. Afin de permettre une sauvegarde du dispositif dans le cas de rupture d'alimentation des batteries semblent être la meilleure solution ce qui impose un contrôle de présence secteur pour économiser ces dites batteries, qui ne doivent pas se décharger en pure perte dans le relais ou les LEDs, le programme surveille donc cette entrée et dans le cas où elle tombe à 0 interdit tout les accès à consommateur laissant l'alimentation à la seul gestion du calendrier, ce qui va permettre un redémarrage immédiat au rétablissement du secteur. L'invention telle que décrite est adaptée à la régulation de chauffe de chaudière en vue de réaliser des économies de combustible. REVENDICATIONS 1 - Pilote intelligent de chaudière, caractérisé en ce qu'un microcontrôleur, surveillant par l'intermédiaire de sondes, apprend les paramètres de chauffe inhérents à l'installation sur laquelle il est monté, pour piloter le brûleur, en fonction de la demande instantanée. 2 - Pilote intelligent de chaudière selon revendication 1, caractérisé en ce que la saisie de consigne de température basse du retour d'eau est le seul réglage à effectuer. 3 - Pilote intelligent de chaudière. selon revendication 1. caractérisé par l'apprentissage de paramètres liés à la vitesse de refroidissement comme étant l'image du taux de charge, pour gérer le redémarrage du brûleur avant atteinte de la température minimum saisie. 4 - Pilote intelligent de chaudière, selon revendications précédentes prises dans leur ensemble 10 caractérisé par le fonctionnement permanent de la chaudière en basse température tant que la puissance instantanée du brûleur est suffisante. 5 - Pilote intelligent de chaudière. selon revendications précédentes prises dans leur ensemble caractérisé par la modulation de l'écart mise en chauffe/arrêt chauffe en fonction du taux de charge relevé précédemment. 6 - Pilote intelligent de chaudière, selon revendications précédentes prises dans leur ensemble caractérisé en ce que le programme du microcontrôleur entretient un agenda des périodes de chauffe dépassant les capacités instantanées du brûleur. 7 - Pilote intelligent de chaudière, selon revendications précédentes prises dans leur ensemble caractérisé en ce que le pilote devient transparent lorsque qu'une période marquée dans l'agenda approche pour anticiper les surconsommations. forçant la chaudière dans la zone de haute température.