Brevet FR3132564A1 — publié le 20230811

Procédé de commande du fonctionnement d’une thermofrigopompe. Procédé de commande du fonctionnement d’une thermofrigopompe (10) reliée à des ballons tampons de chaud (22) et de froid (24), capable d’opérer selon au moins un premier mode de production de chaud seul, un second de production de froid seul et un troisième de production combinée de froid et de chaud, le déclenchement des différents modes s’effectuant à un instant donné t en fonction des températures des ballons tampons mesurées et d’au moins une information représentative d’un besoin futur de production de chaud ou de froid pour les ballons tampons. Figure pour l’abrégé : Fig. 1 Procédé de commande du fonctionnement d’une thermofrigopompe La présente invention concerne le domaine des thermofrigopompes. Elle concerne plus particulièrement un procédé de commande du fonctionnement de telles thermofrigopompes. Dans l’objectif de satisfaire une demande simultanée en chaleur et en froid pour un consommateur, il est connu de recourir à un système de production basé sur une pompe à chaleur de type eau/eau, capable simultanément de chauffer un flux hydraulique à l’une de ses interfaces, c’est-à-dire au passage entre les bornes du condenseur de la pompe et de refroidir un second flux hydraulique sur une deuxième interface, c’est-à-dire au passage entre les bornes de l’évaporateur de la pompe. Lorsque les productions de chaleur et de froid sont valorisées pour satisfaction d’une demande, on se réfère à la pompe à chaleur comme une «thermofrigopompe ». Pour satisfaire les demandes de chaleur et de froid, la thermofrigopompe alterne entre différents modes de production exclusifs les uns des autres, à savoir : (i) production de chaud seul, (ii) production de froid seul, et (iii) production simultanée de chaleur et de froid, ce dernier mode étant appelé « mode thermofrigopompe ». Classiquement, le déclenchement d’un des trois modes ci-dessus s’effectue en comparant la température instantanée mesurée dans les ballons tampons auxquels la pompe est reliée à des seuils prédéfinis pour chaque ballon tampon. Cependant, cette méthode de contrôle basée sur la mesure instantanée de la température des ballons tampon ne donne pas entière satisfaction. Dépendante des charges relatives en chaleur et en froid, celle-ci a tendance à ne privilégier aucun des trois modes, récupérant uniquement des informations des capteurs à un instant donné et agissant en conséquence. Pour des demandes simultanées en chaleur et en froid, il n’est alors pas rare de voir la production alterner entre le premier mode et le deuxième mode. Or, il est souhaitable d’un point de vue énergétique ainsi que pour limiter le nombre de déclenchements de la pompe à chaleur, que le mode thermofrigopompe soit privilégié. US10378805 B2 décrit une méthode de contrôle prédictif par modèles (MPC) pour déterminer une consigne de température optimale pour le fonctionnement d’une pompe à chaleur. La pompe à chaleur est utilisée en combinaison avec un système de chauffage par résistance électrique. Ce document décrit uniquement la production de chaleur. US7905103 décrit le contrôle d’un système de réfrigération utilisant la prédiction de charge future pour notamment optimiser les allumages/extinctions des compresseurs. Ce document se rapporte uniquement à la production de froid. CN 105937823 B décrit le contrôle d’une pompe à chaleur appliqué au chauffage d’une serre, par prédiction de la demande associée à l’utilisation d’un historique récent. Ce document décrit uniquement la production de chaleur. Les solutions proposées dans les documents ci-dessus ne concernent pas la production combinée de chaud et de froid et ne répondent pas au problème de l’optimisation du fonctionnement d’une thermofrigopompe. Il existe par conséquent un besoin pour améliorer le pilotage d’une pompe à chaleur de type thermofrigopompe, afin d’en améliorer les performances, notamment l’efficacité énergétique, tout en s’adaptant au mieux aux besoins des utilisateurs. L’invention répond à ce besoin grâce à un procédé de commande du fonctionnement d’une thermofrigopompe reliée à des ballons tampons de chaud et de froid, capable d’opérer selon au moins un premier mode de production de chaud seul, un second de production de froid seul et un troisième de production combinée de froid et de chaud, le déclenchement des différents modes s’effectuant à un instant donné t en fonction des températures des ballons tampons mesurées et d’au moins une information représentative d’un besoin futur de production de chaud ou de froid pour les ballons tampons. Le pilotage de la thermofrigopompe tient alors compte non seulement de la mesure instantanée de la température dans les ballons tampons, mais aussi du besoin futur de production de chaud ou de froid. Le procédé selon l’invention permet ainsi de sélectionner le mode de production le plus judicieux sur le plan énergétique ; de plus, l’invention, peut permettre de diminuer le nombre d’heures de fonctionnement et/ou le nombre de démarrages de la thermofrigopompe par rapport à une méthode de contrôle classique, ce qui retarde le vieillissement de ses composants. Le ou les indicateurs sont de préférence générés à partir de l’observation du fonctionnement passé de la thermofrigopompe sur une fenêtre temporelle qui est avantageusement de durée relativement courte, comme détaillé dans la suite. Thermofrigopompe La thermofrigopompe est de préférence une pompe à chaleur de type eau/eau. Par « source thermique », il faut comprendre une source suffisamment stable en température. La source thermique est de préférence un champ géothermique. D’autres sources peuvent être utilisées, par exemple : un lac, un aquifère, ou encore un réseau d’anergie. La pompe à chaleur est de préférence une pompe à chaleur dite à six tubes. Par « pompe à chaleur à six tubes », on entend une pompe à chaleur potentiellement connectée sur les circuits aller et retour à la source thermique, au ballon tampon froid ou au ballon tampon chaud. Une telle pompe à chaleur permet, grâce à un jeu de vannes pilotées d’avoir recours à différentes configurations hydrauliques suivant le besoin, par modification dynamique du schéma de production. Cette modification dynamique peut être effectuée en actionnant des vannes à trois voies présentes entre la pompe à chaleur et les différents ballons tampons ainsi qu’entre la pompe à chaleur et la source thermique. Les différents modes de production de la thermofrigopompe sont mutuellement exclusifs à un instant donné dans le cas de pilotage le plus classique. La thermofrigopompe alterne donc entre les différents modes de production pour parvenir à satisfaire une demande en chaleur et/ou en froid donnée. La demande en chaleur correspond par exemple à une demande en eau chaude sanitaire et/ou à une demande de chauffage. La demande en froid correspond par exemple à une demande de climatisation, de rafraichissement, et/ou à une demande en eau glacée, notamment dans le cadre de processus industriels, par exemple dans des laboratoires, ou encore pour des hôpitaux. Utilisateurs Les utilisateurs du froid et/ou du chaud produits peuvent correspondre à des bâtiments résidentiels ou tertiaires tels que des hôpitaux, des sites industriels, des laboratoires, ou encore des musées. Besoin futur Le besoin futur de production de chaud ou de froid peut être prédit par estimation d’au moins une valeur future de la température dans le ballon tampon correspondant et par comparaison de la ou des valeurs de température estimées avec au moins une température de consigne de production de chaud ou de froid. Dans un mode de réalisation préféré, le besoin futur de production de chaud ou de froid est estimé à partir de l’observation passée de la température dans le ballon tampon correspondant. Dans ce mode de réalisation, le besoin futur de chaud ou de froid peut être estimé par : - détermination d’une fonction temporelle représentative de l’évolution dans le temps de la température dans le ballon tampon correspondant, sur la base l’observation passée de la température dans ledit ballon, - estimation d’au moins une valeur future de la température dans le ballon tampon correspondant sur un horizon temporel futur, à partir de la fonction temporelle, et par - comparaison de la ou les valeurs de température ainsi estimées avec au moins une température de consigne de production de chaud ou de froid. La ou les valeurs de température estimées correspondent avantageusement à la ou aux valeurs prises par la fonction temporelle sur l’horizon temporel futur. La fonction temporelle est avantageusement choisie pour approcher au mieux l’évolution de la température observée sur un horizon temporel passé. La fonction temporelle peut être une fonction polynomiale de degré supérieur ou égal à 1, de préférence de degré égal à 1. L’utilisation de la fonction polynomiale de degré 1 permet une implémentation légère et facilitée sur un contrôleur physique. La fonction temporelle peut être déterminée par une méthode de régression sur l’observation passée. La régression est de préférence linéaire et est de préférence effectuée par ajustement affine ou encore par une méthode des moindres carrés. En variante, la régression linéaire est effectuée par une autre méthode que celle des moindres carrés, telle que la méthode du maximum de vraisemblance ou la méthode d'inférence bayésienne. La fonction temporelle peut encore être obtenue par une méthode de régression non linéaire, telle que les réseaux de neurones, l’interpolation par splines, ou encore une méthode à noyaux. Les valeurs des horizons temporels passé et futur sont avantageusement liées au dimensionnement hydraulique de l’ensemble, notamment l’inertie des ballons tampons et la dynamique de température associée. A titre d’exemple, l’horizon temporel futur est compris entre 5 min et 3 h, mieux entre 5 min et 1 h, encore mieux entre 10 min et 30 min, notamment de 15 min environ. L’horizon temporel passé est par exemple compris entre 5 min et 3 h, mieux entre 5 min et 1 h, encore mieux entre 10 min et 30 min, notamment de 15 min environ. Cet horizon temporel passé inclut de préférence ledit instant donné t. De préférence, les horizons passé et futur présentent des largeurs sensiblement identiques. Températures de consigne Les températures de consigne de production de chaud et de froid, désignées respectivement par T sp,hot et T sp , cold , peuvent être déterminées par des lois conventionnelles, appelées « lois d’eau ». Par « loi d'eau », on entend une fonction de régulation qui établit une relation entre la température de la thermofrigopompe et la température extérieure. La loi d’eau permet d’obtenir la température de consigne de froid ou de chaud T sp,hot et T sp , cold pour la thermofrigopompe connaissant la température extérieure. Les valeurs des températures de consigne de chaud et de froid dépendent du besoin des consommateurs. A titre d’exemple non limitatif, la température de consigne de production de chaud T sp , hot peut être supérieure à 30°C, notamment supérieure à 50°C. Par exemple, la température de consigne de production de froid T sp , cold est inférieure à 20°C, de préférence inférieure à 10°C, d’autres valeurs étant bien entendu possibles en fonction du besoin. De préférence, le ballon tampon chaud fonctionne dans une plage de température incluant, notamment centrée sur, la température de consigne de production de chaud T sp , hot , et comprise par exemple entre T sp , hot – dT et T sp , hot +dT. Le paramètre dT correspond à un paramètre d’hystérésis de température dans le ballon tampon chaud et peut être compris entre 0,1 °C et 10 °C, par exemple 2 °C environ. En variante, les valeurs d’hystérésis de part et d’autre de T sp , hot sont différentes. De manière similaire, le ballon tampon fonctionne de préférence dans une plage de température incluant, notamment centrée sur, la température de consigne de production de froid T sp , cold , et comprise par exemple entre T sp , cold -dT’ et T sp , cold +dT’. Le paramètre dT’ correspond à un paramètre d’hystérésis de température dans le ballon tampon froid et peut être compris entre 0,1 °C et 10 °C, par exemple 2 °C environ. En variante, les valeurs d’hystérésis de part et d’autre de T sp , cold sont différentes. De préférence, la comparaison d’une valeur donnée avec la température de consigne de production de froid ou de chaud est effectuée en tenant compte de l’hystérésis de température dans le ballon tampon correspondant, comme cela apparaitra plus loin. Indicateurs La mise en œuvre du procédé selon l’invention peut faire intervenir le calcul d’au moins deux indicateurs booléens : Un premier indicateur, dit « hotprod », dont au moins un état dépend au moins de l’information représentative d’un besoin futur de production de chaud et un deuxième indicateur, dit « coldprod », dont au moins un état dépend au moins de l’information représentative d’un besoin futur de production de froid. L‘avantage d’utiliser des indicateurs booléens est de simplifier la mise en œuvre de l’invention, en facilitant son implantation sur un contrôleur pilotant le fonctionnement de la thermofrigopompe. De préférence, le premier indicateur h ot p rod prend un premier état booléen à l’instant t indiquant un besoin de produire du chaud lorsque : la température mesurée à l’instant t dans le ballon tampon chaud est inférieure à la température de consigne de production de chaud T sp , hot à l’hystérésis de température dans ledit ballon près, notamment inférieure à T sp , hot – dT, ou la ou les valeurs de température futures estimées dans le ballon tampon chaud sont inférieures à la température de consigne de production de chaud à l’hystérésis de température dans ledit ballon près, notamment inférieures à T sp , hot – dT. Autrement, c’est-à-dire lorsqu’aucune des conditions a) et b) n’est vérifiée, le premier indicateur hotprod prend un deuxième état booléen indiquant l’absence de besoin de production de chaud. On parle d’un besoin actuel de production de chaud lorsque la condition a) est vérifiée. On parle d’un besoin futur de production de chaud lorsque la condition b) est vérifiée. De préférence, le deuxième indicateur c old p rod prend un premier état booléen à l’instant t indiquant un besoin de produire du froid quand : c) la température mesurée à l’instant t dans le ballon tampon froid est supérieure à la température de consigne de production de froid T sp , cold à l’hystérésis de température dans ledit ballon près, notamment supérieure à T sp , cold + dT’, ou d) la ou les valeurs de températures futures estimées dans le ballon tampon froid sont supérieures à la température de consigne de production de froid T sp , cold à l’hystérésis de température dans ledit ballon près, notamment supérieures à T sp , cold + dT’. Autrement, c’est-à-dire lorsqu’aucune des conditions c) et d) n’est vérifiée, le deuxième indicateur coldprod prend un deuxième état booléen indiquant l’absence de besoin de production de froid. De manière similaire au premier indicateur hotprod , on peut parler d’un besoin actuel de production de froid lorsque la condition c) est vérifiée. De même, on peut parler d’un besoin futur de production de froid lorsque la condition d) est vérifiée. De tels indicateurs permettent d’estimer si, tout en restant dans les gammes de fonctionnement, c’est-à-dire en respectant les bornes limites de fonctionnement en température, il est préférable sur le plan énergétique de déclencher un mode de production particulier alors qu’une décision basée sur une méthode de contrôle classique aurait pu ne pas le faire. Déclenchement des modes Lorsque la thermofrigopompe est préalablement à l’arrêt, le déclenchement à l’instant t de l’un des trois modes de fonctionnement précités peut être commandé comme suit : Le premier mode est de préférence déclenché lorsque la température mesurée à l’instant t dans le ballon tampon chaud est inférieure à la température de consigne de production de chaud à l’hystérésis de température dans ledit ballon près, notamment inférieure à T sp , hot - dT, et que le deuxième indicateur coldprod indique l’absence de besoin, notamment actuel et/ou futur, de production de froid. Le deuxième mode est de préférence déclenché lorsque la température mesurée à l’instant t dans le ballon tampon froid est supérieure à la température de consigne de production de froid à l’hystérésis de température dans ledit ballon près, notamment T sp , cold +dT’, et que le premier indicateur hotprod indique l’absence de besoin, notamment actuel et/ou futur, de production de chaud. Le troisième mode est de préférence déclenché lorsque les indicateurs hotprod et c oldprod indiquent en même temps un besoin, notamment actuel et/ou futur, de production de chaud et froid, respectivement. Lorsque la thermofrigopompe fonctionne selon l’un des trois modes de production précités, le fonctionnement de celle-ci peut s’arrêter à un instant t’ lorsque: la thermofrigopompe fonctionne en premier mode de production de chaud seul et la température mesurée à cet instant t’ dans le ballon tampon chaud est supérieure à T sp ,hot + dT, la thermofrigopompe fonctionne en mode de production de froid seul et la température mesurée à cet instant t’ dans le ballon tampon froid est inférieure à T sp ,cold - dT’, ou la thermofrigopompe est en mode de production simultanée de chaud et de froid et la température mesurée à l’instant t’ dans le ballon tampon chaud est supérieure à T sp , ,hot + dT ou la température mesurée dans le ballon tampon froid est inférieure à T sp ,cold - dT’. La mesure des températures dans les ballons tampons chaud et froid est de préférence effectuée à l’aide de capteurs respectifs installés sur ces ballons tampons. Les capteurs sont de préférence à thermocouple. Le procédé selon l’invention peut être implémenté sur un contrôleur physique, notamment un contrôleur physique d’un système de production comportant la thermofrigopompe et les ballons tampons. Un tel contrôleur comporte par exemple un microcontrôleur, ou tout autre composant capable de réaliser les fonctions recherchées. L’invention a encore pour objet un système de production de chaud et de froid, notamment pour la mise en œuvre du procédé selon l’invention, comportant : une thermofrigopompe capable d’opérer selon au moins un premier mode de production de chaud seul, un second de production de froid seul et un troisième de production combinée de froid et de chaud, au moins deux ballons tampons froid et chaud reliés à la thermofrigopompe, et un contrôleur configuré pour commander le déclenchement des modes de fonctionnement de la thermofrigopompe à un instant donné t en fonction des températures des ballons tampons mesurées et d’au moins une information représentative d’un besoin futur de production de chaud ou de froid pour les ballons tampons. De préférence, les ballons tampons comportent chacun au moins un capteur de température. De préférence, le système comporte une pluralité de vannes, notamment à trois voies, disposées entre la pompe à chaleur et les ballons tampons ainsi qu’entre la pompe à chaleur et une source thermique. La présence de ces vannes permet d’avoir différentes configurations hydrauliques suivant le besoin, en fonction du mode de production, par modification dynamique du schéma de production du système. Le contrôleur peut comporter un ou plusieurs processeurs et une mémoire dans laquelle est mémorisé un ensemble d’instructions à exécuter par le ou les processeurs. Le contrôleur peut être équipé d’interfaces appropriées pour commander les éléments du système de production de froid et de chaud, notamment les vannes du système, et recevoir des données de température de divers capteurs. L'invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre, d’un exemple non limitatif de mise en œuvre de celle-ci, et à l'examen du dessin annexé sur lequel : représente schématiquement et partiellement un exemple de système de production mettant en œuvre une pompe à chaleur de type « thermofrigopompe », , et illustrent le fonctionnement de la thermofrigopompe en mode de production de chaleur seul, de froid seul et en mode de production simultanée, respectivement, illustre la durée de fonctionnement cumulée selon les différents modes de production (en heures) de la thermofrigopompe avec un pilotage classique sur une année, et est une vue analogue à la avec un procédé de commande selon l’invention. Procédé de commande du fonctionnement d’une thermofrigopompe (10) reliée à des ballons tampons de chaud (22) et de froid (24), capable d’opérer selon au moins un premier mode de production de chaud seul, un second de production de froid seul et un troisième de production combinée de froid et de chaud, le déclenchement des différents modes s’effectuant à un instant donné t en fonction des températures des ballons tampons mesurées et d’au moins une information représentative d’un besoin futur de production de chaud ou de froid pour les ballons tampons. Procédé de commande selon la revendication 1, le besoin futur de production de chaud ou de froid étant prédit par estimation d’au moins une valeur future de la température dans le ballon tampon correspondant (22 ; 24) et par comparaison de la ou des valeurs estimées avec au moins une température de consigne de production de chaud ou de froid. Procédé de commande selon la revendication 1 ou 2, le besoin futur de production de chaud ou de froid étant estimé à partir de l’observation passée de la température dans le ballon tampon correspondant. Procédé de commande selon la revendication précédente, le besoin futur de chaud ou de froid étant estimé par : détermination d’une fonction temporelle représentative de l’évolution dans le temps de la température dans le ballon tampon correspondant sur la base l’observation passée de la température dans ledit ballon, estimation d’au moins une valeur future de la température dans le ballon tampon correspondant sur un horizon temporel futur à partir de la fonction temporelle, et comparaison de la ou les valeurs de température ainsi estimées avec au moins une température de consigne de production de chaud ou de froid. Procédé de commande selon la revendication 4, la fonction temporelle étant déterminée par une méthode de régression sur l’observation passée, la fonction temporelle étant de préférence une fonction polynomiale de degré supérieur ou égal à 1, de préférence de degré égal à 1. Procédé de commande selon l’une des revendications 4 et 5, l’horizon temporel futur étant compris entre de 5 min et 3 h, mieux entre mieux entre 5 min et 1 h, encore mieux entre 10 min et 30 min. Procédé selon l’une des revendications 3 à 6, l’observation passée étant effectuée sur un horizon temporel passé compris entre 5 min et 3 h, mieux entre mieux entre 5 min et 1 h, encore mieux entre 10 min et 30 min, l’horizon passé comportant de préférence ledit instant donné t. Procédé de commande selon l’une quelconque des revendications 2 à 7, comportant le calcul d’un premier indicateur booléen, dit « hotprod », dont au moins un état dépend au moins de l’information représentative d’un besoin futur de produire du chaud et d’un deuxième indicateur booléen, dit « coldprod », dont au moins un état dépend au moins de l’information représentative d’un besoin futur de produire du froid. Procédé de commande selon la revendication précédente, le premier indicateur hotprod prenant à l’instant t un premier état booléen indiquant un besoin de produire du chaud lorsque : la température mesurée à l’instant t dans le ballon tampon chaud est inférieure à la température de consigne de production de chaud à une hystérésis de température dans le ballon tampon chaud près, ou la ou les valeurs de température futures estimées dans le ballon tampon chaud sont inférieures à la température de consigne de production chaud à ladite hystérésis près, le premier indicateur prenant autrement, c’est-à-dire lorsqu’aucune des conditions a) et b) n’est vérifiée, un deuxième état booléen indiquant l’absence de besoin de production de chaud. Procédé de commande selon la revendication 8 ou 9, le deuxième indicateur coldprod prenant à l’instant t un premier état booléen indiquant un besoin de produire du froid lorsque : c) la température mesurée à l’instant t dans le ballon froid est supérieure à la température de consigne de production de froid à une hystérésis de température dans ledit ballon tampon près, d) la ou les valeurs de températures estimées dans le ballon tampon froid sont supérieures à la température de consigne de production de froid à ladite hystérésis près, le deuxième indicateur prenant autrement, c’est-à-dire lorsqu’aucune des conditions c) et d) n’est vérifiée, un deuxième état booléen indiquant l’absence de besoin de production de froid. Procédé de commande selon l’une quelconque des revendications 8 à 10, la thermofrigopompe étant préalablement à l’arrêt ; le premier mode étant déclenché lorsque la température mesurée à l’instant t dans le ballon tampon chaud (22) est inférieure à la température de consigne de production de chaud à l’hystérésis de température dans ledit ballon près et que le deuxième indicateur coldprod indique l’absence de besoin de production de froid. Procédé selon l’une des revendications 8 à 11, la thermofrigopompe étant préalablement à l’arrêt, le deuxième mode étant déclenché lorsque la température mesurée à l’instant t dans le ballon tampon froid (24) est supérieure à la température de consigne de production de froid à l’hystérésis de température dans ledit ballon près et que le premier indicateur hotprod indique l’absence de besoin de production de chaud. Procédé selon l’une quelconque des revendications 8 à 12, la thermofrigopompe étant préalablement à l’arrêt, le troisième mode étant déclenché lorsque les indicateurs hotprod et coldprod indiquent en même temps un besoin de production de chaud et de froid, respectivement. Système de production de chaud et de froid, notamment pour la mise en œuvre du procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, comportant : Une thermofrigopompe (10) capable d’opérer selon au moins un premier mode de production de chaud seul, un second de production de froid seul et un troisième de production combinée de froid et de chaud, Au moins deux ballons tampons froid et chaud (22 ; 24) reliés à la thermofrigopompe (10), et un contrôleur (70) configuré pour commander le déclenchement des modes de fonctionnement de la thermofrigopompe à un instant donné t en fonction des températures des ballons tampons mesurées et d’au moins une information représentative d’un besoin futur de production de chaud ou de froid pour les ballons tampons.