Cours Régulation
Introduction à la « Technologie de Mesure, de Commande et de Régulation »
Classification de la Technique MCT
L’abréviation MCT a été utilisée par les spécialistes de la technologie de commande et de régulation pendant des décennies, bien
avant l’ère de l’ordinateur. MCT a désormais pris une nouvelle signification avec le développement de l’automatisation du bâtiment
à l’aide de la technique de commande et de régulation numérique (DDC). Les systèmes d’automatisation des bâtiments sans DDC
faisaient partie auparavant du domaine de responsabilité du planificateur en électricité, alors que la technologie de mesure et de
régulation appartenait à la technologie de chauffage et de climatisation.
A l’état de développement et au potentiel de marché actuels de la technique de contrôle des bâtiments, un domaine de
planification indépendant et interdisciplinaire pour la technique de mesure, de commande, de régulation et de contrôle s’impose.
De plus en plus de planificateurs en MCT offrent leurs services pour la planification de la commande, la régulation, la gestion, et
l’optimisation de la consommation d’énergie de toutes les installations du bâtiment.
Que signifie mesurer ?
Mesurer signifie relever une quantité physique (telle que la température, l’humidité, la pression, etc.) à l’aide d’un appareil de
mesure approprié et l’indiquer comme une grandeur connue et comparable ou la convertir en un signal standard DC 0…10 V, 0…20
mA. Un tel signal standard peut être enregistré comme une valeur de mesure sur un enregistreur de valeur de mesure, indiqué
sur un indicateur à distance, ou lu dans un système d’enregistrement de données de mesure (fig. 8-1).
Fig. 1 Processus de principe de la mesure
Qu’est-ce que la commande ?
Si dans une pièce, un appareil de chauffage électrique muni par exemple d’un relais à trois étages est commuté sur la position 1, alors une certaine
ambiante en résultera. Si l’appareil de chauffage est commuté sur la position 2 ou 3, alors on obtient une autre température correspondante plus éle
conditions momentanées de l’environnement. Plus la température extérieure est froide, plus le rendement de l’appareil de chauffage doit être élevé,
pièce suffisamment chaude.
Si la pièce est chauffée par un système de chauffage à eau chaude, par ex. chauffée par des radiateurs, la température du radiateur doit être d’auta
la température extérieure est basse. Une commande automatique peut assumer la tâche d’ouvrir ou de fermer la vanne du radiateur selon la tempér
(Fig 8-2).
L’appareil de commande 2 devrait dans ce cas calculer le réglage de la vanne à l’aide de la valeur de mesure 1 de la température extérieure et envo
commande correspondant au servomoteur 3 de la vanne du radiateur.
Fig.8-2 Exemple de commande automatique
1
2
3
4
Sonde de température extérieure
Appareil de commande
Vanne du radiateur
Radiateur
L’unité de commande ne se règle que sur la température extérieure et ne reçoit aucun message de retour de la température ambiante actuelle. Ains
température ambiante, la vanne du radiateur sera réglée exactement de la même façon, indépendamment du fait que le soleil donne dans la pièce o
beaucoup ou peu de personnes séjournent là. Cette commande ne permet donc pas de maintenir la température ambiante à une valeur constante, m
certaine plage.
Qu’est-ce qu’une régulation ?
Les processus de régulation n’apparaissent pas seulement en technologie, mais aussi dans la nature et dans notre vie de tous les
jours. Le point de départ est toujours un certain état souhaité ou cible que l’on compare avec l’état actuel. S’il n’y a pas de
différence entre ces deux valeurs, alors la situation est satisfaisante et il n’y a pas de raison de changer l’état actuel. Si cependant
il y a une différence, alors nous cherchons des moyens de la supprimer.
Exemple :
Une personne se trouvant dans une pièce (Fig. 3) désire une température ambiante de 20°C. A l’aide d’un thermomètre, la
personne constate que la température ambiante actuelle est de 24°C.
Le problème se situe donc dans la différence entre la température actuelle (x = 24°C) et la température souhaitée ou cible (w =
20°C). Dans ce cas, la différence s’élève à
x – w = 24 – 20 = + 4 Kelvin. Afin de pouvoir corriger la température trop élevée à la valeur désirée de 20 °C, la personne a
besoin de savoir réduire l’émission de chaleur du radiateur à l’aide d’une vanne manuelle, et aussi de savoir si la vanne doit être
ouverte ou fermée. Après qu’elle a tourné quelque peu la vanne, elle observe le thermomètre de nouveau. Elle règle la vanne du
radiateur jusqu’à ce que la température souhaitée de 20°C soit atteinte.
Fig. 8-3 Exemple de régulation manuelle
W Température souhaitée
x Température ambiante
Z Rayonnement solaire
Ce processus de régulation exécuté par une personne représente un circuit fermé : la personne lit la température ambiante x sur
le thermomètre, la compare avec la valeur souhaitée w stockée dans sa tête, détermine la différence et pense à la façon de la
corriger. Elle effectue ensuite la correction sur la position de la vanne, la température ambiante change et peut être lue de
nouveau.
Dans le cas d’une régulation automatique (fig. 8-4), les tâches de mesure, comparaison et correction sont effectuées par un
appareil de commande. Une sonde 1 mesure la température ambiante x et transmet l’information à l’appareil de commande 2. Cet
appareil de commande compare la valeur de mesure avec la valeur de consigne w et envoit le signal de commande correspondant
à la vanne du radiateur. Le nouveau réglage de la vanne provoque un changement de la température ambiante, qui est de
nouveau détecté par la sonde et le processus se répète. Le circuit est ainsi fermé.
Fig. 8-4 Exemple de commande automatique
1 Sonde de température ambiante
2 Appareil de commande
3 Vanne du radiateur
Z Rayonnement solaire
Dans le circuit de commande, chaque variation de réglage est détectée par la sonde de la température ambiante. Si la
température ambiante augmente à cause de « grandeurs perturbatrices » (Z) comme le rayonnement solaire, les appareils
électroménagers ou des personnes supplémentaires, la vanne de chaud est fermée jusqu’à ce que la température de la valeur de
consigne souhaitée soit de nouveau atteinte.
Comparaison commande et régulation
La différence principale entre la commande et la régulation peut être illustrée à l’aide d’un exemple de mélange d’air extérieur /
air repris. La Fig. 8-5 montre la commande de l’air extérieur à l’aide de la température de l’air extérieur. Chaque température de
l’air extérieur mesurée par la sonde 1 correspond à une certaine position du clapet commandée par l’appareil de commande 2. La
température de l’air de mélange se règle proportionnellement, mais n’est pas re-communiquée à l’appareil de commande. C’est un
circuit ouvert.
Fig.8-5 Commande de la température d’air de mélange
1 Sonde de température extérieure
2 Appareil de commande
La Fig 8-6 montre la même configuration air extérieur / air repris qu’en Fig 8-5, mais en tant que circuit de régulation. La valeur
de consigne w de la température d’air de mélange est réglée sur le régulateur 4. La valeur de mesure de la sonde 3 est comparée
avec la valeur de consigne à l’entrée du régulateur. S’il y a une différence, le réglage du clapet est modifié par le régulateur
jusqu’à ce que la température de l’air de mélange corresponde à la valeur de consigne réglée. C’est un circuit fermé.
fig. 8-6 Régulation de la température d’air de mélange
3 Sonde de température de mélange
4 Régulateur
w Valeur de consigne de température de mélange
Exemple : Commande et Régulation d’une installation de chauffage
L’installation de régulation du chauffage la plus utilisée dans la construction de logements est la régulation de la température de
départ selon la température extérieure. Il s’agit d’une combinaison de commande et de régulation. La fig. 8-7 montre le schéma
de cette combinaison.
Commande
Dans la fig. 8-7, la sonde de température extérieure 1 envoi son signal de mesure à l’appareil de commande 2. A l’aide d’une
courbe de chauffage programmée, il calcule la température de départ de l’eau chaude requise pour atteindre une température
ambiante minimale de par exemple 20°C pour la température extérieure momentanée donnée. Il envoi ensuite la valeur de
consigne correspondante au régulateur 3 de la température de départ. Une température ambiante d’au moins 20°C est ensuite
réglée qui n’est plus mesurée par aucune sonde et qui n’est plus corrigée par aucun régulateur. La température ambiante peut
donc changer à partir de la valeur calculée par l’appareil de commande, elle peut par exemple augmenter à cause du rayonnement
solaire, des appareils électriques ou de personnes supplémentaires présentes dans la pièce ou diminuer quand une fenêtre est
ouverte. C’est une commande de la température ambiante en circuit ouvert.
fig. 8-7 Régulation de la température de départ selon la température extérieure
1
2
3
4
5
Sonde de température extérieure
Appareil de commande avec courbe de chauffage
Régulateur
Vanne mélangeuse
Sonde de température de départ
La situation est différente pour la régulation. Comme nous l’avons déjà expliqué, l’appareil de commande 2 calcule la valeur de
consigne w pour le régulateur de la température de départ 3. Le régulateur compare la valeur actuelle mesurée x de la sonde de
température de départ 5 avec la valeur de consigne w. Il calcule ensuite le signal de réglage y sur base de la différence (x-w). Le
servomoteur 4 règle la vanne mélangeuse de manière à ce que la température de départ corresponde à la valeur de consigne.
Comme la température de départ est mesurée en permanence et que la valeur de mesure est renvoyée au régulateur, il s’agit
d’un circuit fermé et donc d’une régulation de la température de départ.
Régulation
La régulation est un procédé au cours duquel une grandeur physique déterminée, la grandeur de réglage x, est relevée en
permanence et, par comparaison avec une autre grandeur, la consigne xw est réglée pour se rapprocher de cette grandeur. Le
processus nécessaire s'effectue en boucle fermée, la boucle de réglage.
L'installation réglée est la partie de la boucle de réglage dans laquelle la grandeur réglée est influencée. Elle commence à l'endroit
de réglage où l'organe de réglage intervient et se termine à l'endroit de mesure où la grandeur réglée est mesurée.
Le système de réglage se compose de la sonde, du régulateur et de l'organe de réglage. Il est la partie de la boucle de réglage qui
agit sur l'installation.
Les grandeurs perturbatrices z sont des grandeurs de l'extérieur agissant sur la boucle de réglage, dans la mesure où elles
modifient la régulation prévue.
La grandeur de référence W est une grandeur apportée de l'extérieur à la boucle de réglage. Elle détermine dans le système de
réglage la consigne à respecter de la grandeur réglée et peut être constante ou bien avoir une valeur dépendante du temps ou
d'autres grandeurs (consigne de jour/nuit). La grandeur de référence et la grandeur perturbatrice agissent ainsi de l'extérieur sur
la boucle de réglage
La grandeur de réglage X est la grandeur dans l'installation réglée qui est relevée pour le réglage et est amenée à l'installation
réglée. Elle est aussi la grandeur de sortie de la boucle de réglage
La consigne Xs est la valeur que doit avoir une grandeur dans une période considérée dans des conditions déterminées.
La valeur réele Xi est la valeur qu'une grandeur a effectivement dans une période considérée
La différence de réglage Xw est la différence entre la consigne Xs et la valeur réelle Xi.
La grandeur de réglage Y est la grandeur de sortie du système de réglage et aussi la grandeur d'entrée de l'installation réglée.
La plage de réglage Yh est la plage à l'intérieur de laquelle la grandeur de réglage est réglable
Le schéma de principe suivant d'une "simple" installation d'air soufflé éclaircit la signification de ces termes:
L'air extérieur froid de température Z est aspiré par le ventilateur dans la gaine, il traverse la batterie d'eau chaude commandée
par la vanne, se réchauffe de la différence de température Dt et parvient dans le local avec la température Xi. La valeur réelle Xi
relevée par la sonde de gaine et la consigne Xs réglée au potentiomètre donnent les informations d'entrée pour le régulateur. Le
signal de sortie Y du régulateur détermine alors la position de la vanne
Les grandeurs réglées:
Grandeur de référence
W
Grandeur perturbatrice
Z
Grandeur réglée
X
Consigne
Xs
Valeur réelle
Xi
Écart de réglage
Xw
Grandeur de réglage
Y
Plage de réglage
Yh
Différence de
température
∆t
Technique de gestion des bâtiments
La Gestion du Bâtiment est la gestion, la surveillance et l’optimisation de la technique du bâtiment à l’aide d’un système
d’automatisation du bâtiment supporté par un ordinateur. De tels systèmes d’automatisation du bâtiment sont installés dans de
grands bâtiments de bureaux, des centres commerciaux, des hôpitaux, des halls de gare, des aéroports, etc. Dans ces systèmes,
les installations de technique du bâtiment s’influencent l’une l’autre et offrent donc des possibilités pour l’optimisation du
fonctionnement et de l’énergie.
Des systèmes modernes de gestion interviennent dans la technologie de mesure, de commande et de régulation de ces
installations, où sont effectuées des fonctions complexes de commande et de régulation à l’aide d’une technologie numérique que
l’on peut programmer librement (DDC = Direct Digital Control).
Le matériel d’un système d’automatisation des bâtiments est structuré hiérarchiquement (Fig 8-8) sur trois niveaux minimum:
gestion, automatisation, terrain :
Le niveau de gestion
Le niveau de gestion comprend un ordinateur central et les appareils d’entrée et de sortie requis pour le fonctionnement et la
surveillance, tels que les terminaux à écran couleur pour les images actualisées de l’installation et les imprimantes de rapport et
imprimantes graphiques. Ce niveau commande, surveille et coordonne les niveaux hiérarchiques inférieurs et assume ainsi des
fonctions comme :
— la commutation de groupes d’installations selon le programme horaire
— la production des messages de service, de dysfonctionnement et d’alarme
— l’optimisation de la consommation d’énergie
— l’analyse et la visualisation des données de mesure et de fonctionnement.
Ce traitement des données donne par exemple des données de consommation d’énergie, des statistiques de dysfonctionnements
ou des informations requises pour la gestion de la maintenance.
fig. 8-8 Structure hiérarchique d’un système d’automatisation du bâtiment
Le niveau d’automatisation
Le deuxième niveau, le niveau d’automatisation, commande, régule et surveille des installations techniques du bâtiment ou de la
maison. Ces dernières fonctionnent de façon autonome dans une large mesure de manière à ce qu’en cas de dysfonctionnement
du niveau de gestion, les installations puissent continuer à fonctionner sans perturbations.
Les fonctions d’optimisation du système ne sont plus efficaces dans un tel cas. Le matériel du niveau d’automatisation est
généralement situé dans une armoire de commande de l’installation concernée et dispose d’éléments de commande manuelle plus
ou moins confortables. Les appareils modulaires d’entrée/sortie (modules I/O) forment l’interface de communication entre les
ordinateurs du processus du niveau d’automatisation et les appareils de mesure, de réglage et de signalisation des installations.
Les signaux d’entrée/sortie (I/O) sont traités par les ordinateurs et sont seulement transmis au niveau de gestion en cas de
besoin. Les signaux binaires (ex. : entrée/sortie, 1/0, haut/bas) peuvent être directement traités, les signaux analogiques (ex. :
résistance électrique, tension, courant ou pression) doivent d’abord être convertis en signaux numériques à l’aide de
convertisseurs analogique-numérique (A/D).
Le niveau du terrain
Le troisième niveau, le niveau du terrain, comprend les appareils de mesure, de réglage, de commutation et de signalisation dans
les installations techniques du bâtiment comme dans les circuits de régulation d’une pièce individuelle ou d’une zone. Dans les
installations techniques du bâtiment, les états actuels de fonctionnement sont relevés par des sondes et sont modifiés par des
servomoteurs. Concrètement, cela implique :
— l’enregistrement de valeurs de mesure comme la température, la pression, les flux volumiques, l’humidité ou les impulsions de
comptage (sondes)
— la commutation des moteurs et des registres de chauffage électriques (servomoteurs)
— le message de retour des réglages de commutation des appareils de surveillance (sondes)
— le réglage des vannes et des servomoteurs rotatifs (servomoteurs).
Le niveau du terrain comprend aussi les installations techniques de la maison dans les pièces où les températures des pièces
individuelles ou des zones sont réglées par un accès de réglage direct des régulateurs aux vannes des radiateurs, aux vannes
d’eau chaude ou froide dans les ventilo-convecteurs ou les éjecto-convecteurs, les régulateurs de flux volumique dans les
systèmes VVS ou les registres de mélange dans des boîtes de mélange à deux canalisations. Le système de gestion du bâtiment
peut régler à distance les valeurs de consigne de centaines de circuits de régulation ou interroger des grandeurs de réglage et à
partir de cela – afin de conduire la charge du générateur de chaud et de froid – transmettre l’état général de la charge des
installations HVAC.
L’échange de données au sein du système de gestion s’effectue par un bus de données spécifique au système. Selon la taille du
système, la vitesse de transmission requise, l’extensibilité, ou la sécurité de fonctionnement, différentes structures peuvent être
sélectionnées, comme la structure en ligne, en étoile, en anneau ou en arbre. Les principes suivants s’appliquent à l’échange de
données :
– L’échange de données peut s’effectuer horizontalement (au sein du niveau) ou verticalement (entre les niveaux).
– Chaque niveau traite les données qui lui sont attribuées.
– Les données qui doivent être transmises à des niveaux supérieurs devraient d’abord être réduites ou comprimées à l’essentiel.
Le respect permanent de ces principes garantit qu’aucun niveau ne soit surchargé avec des données d’un autre niveau.
Une telle surcharge entraînerait inévitablement des temps de traitement et de réaction
Le système de réglage
Le système de réglage est composé de sondes, régulateurs et organes de réglage
Sondes
Les sondes relèvent l'état de la grandeur réglée ou de la grandeur perturbatrice (température, pression, humidité, concentrations
de gaz, luminosité, rayonnement de chaleur, niveau de bruit, etc.) et transmettent un signal correspondant au régulateur. Une
vue d'ensemble des types de sondes de température est donnée ci-dessous. On peut également consulter les ouvrages spécialisés
pour les autres types de sonde.
Sondes de température : types
Les sondes de température mécaniques font partie d'un thermostat ou d'un régulateur progressif (p ex robinet thermostatique).
Elles utilisent une des propriétés physiques des variations de température, à savoir la dilatation d'un matériau qui peut être:
- un tube métallique (thermostat à tube invar)
- un bilame (thermostat à bilame)
- un système rempli de gaz, de liquide ou de "pâte" (robinet thermostatique, thermostat à tube capillaire, vanne d'expansion d'un
cycle frigorifique, régulation pneumatique).
L'élément de mesure ferme un contact électronique ou exerce une force pour actionner l'organe de réglage ou l'amplificateur de
mesure. Les sondes électriques de température font partie d'un système de réglage électrique.
- Sonde de température à résistance: un fil en nickel ou en platine modifie sa résistance électrique en fonction de la température
- Sondes à thermistance réalisées à partir de matériaux semi-conducteurs: on distingue les résistances a coefficient de
température négative (CTN) et positives (CTP).
- Thermocouples: deux fils composés de métaux différents, soudés entre eux produisent une tension électrique dépendante de la
température.
Nous décrivons maintenant de façon plus détaillée les sondes électriques de température courantes dans la technique de
chauffage.
Sonde de température ambiante
Une sonde d'ambiance relève la température dans un local pilote, représentatif des locaux chauffés de l'immeuble
Sonde extérieure
Une sonde extérieure relève la température de l'air extérieure et partiellement les influences de la température des parois, du
vent et de l'ensoleillement. Attention : si l'on couvre le couvercle d'une autre couleur, on modifie la proportion de l'influence du
soleil!. On peut utiliser volontairement cet effet.
Sonde de température de gaine
Il existe des sondes à plongeur, qui se montent dans un tube de protection soudé, appelé aussi "doigt de gant", ainsi que des
sondes d'applique qui peuvent être placées sans soudage et qui mesurent la température de la surface du tube.
Bien placer les sondes d'ambiance et extérieure
La sonde d'ambiance est montée à un endroit adéquat à environ 1,5 m au-dessus du sol.
Les endroits suivants ne conviennent pas
- à côté d'un appareil de chauffage
- près d'une cheminée
- sur un mur extérieur
- à côté d'une fenêtre
- au-dessus de grands meubles
- recouvert par des meubles ou des rideaux
- exposé à un ensoleillement direct.
L'emplacement de la ou des sondes extérieures dépend du nombre de circuits de chauffage, de la nature des robinets de
radiateurs et du système de chauffage. En général, la ou les sondes doivent être montées à hauteur moyenne pour des bâtiments
élevés, à au moins 2,5 ... 3 m au-dessus du sol pour des bâtiments peu élevés. Il faut contrôler périodiquement que les sondes
avec une exposition au soleil ou au vent ne soient pas recouvertes ou ombragées par des plantes ou des arbres, auquel cas il faut
les déplacer.
Régulateurs
Le régulateur reçoit les signaux de la sonde de mesure, les compare à la grandeur de référence et retransmet les signaux pour la
grandeur de réglage à l'organe de réglage. L'ensemble du système de réglage - sonde, régulateur et servomoteur - est rassemblé
en une unité et est également appelé régulateur dans le langage courant.
Division du système de réglage
Selon la grandeur de réglage: il y a des régulateurs de température, de pression, de débit, d'humidité et de niveau d'eau.
Selon l'énergie utilisée pour le positionnement:
- les régulateurs sans énergie auxiliaire tirent l'énergie pour actionner l'organe de réglage de l'installation réglée (p.ex. vannes
thermostatiques)
- les systèmes de réglage avec énergie auxiliaire utilisent une source d'énergie extérieure pour actionner l'organe de réglage.
Il existe :
a) des systèmes de réglage électriques
b) des systèmes de réglage pneumatiques avec air comprimé comme énergie auxiliaire.
c) des systèmes de réglage électro-pneumatiques mesurant électriquement la grandeur réglée, amplifiant électroniquement la
valeur de mesure et actionnant pneumatiquement l'organe de réglage des systèmes de réglage électro-hydrauliques utilisant de
l'huile hydraulique pour actionner l'organe de réglage, des systèmes de réglage électromagnétiques, électromoteurs ou électrothermiques.
Selon le comportement de réglage:
- des régulateurs non progressifs, pour lesquels la grandeur de réglage ne peut prendre que certaines valeurs, p.ex. : régulateurs
tout ou rien
- des régulateurs progressifs, pour lesquels la grandeur de réglage y varie constamment en fonction de l'écart de réglage x-y.
Régulateur tout ou rien
Le régulateur tout ou rien ne transmet que deux signaux, p.ex. OUVERT-FERME ou MARCHE-ARRET, à l'organe de réglage ou à un
commutateur électrique- Une position intermédiaire n'est pas possible.
Exemple pour l'application de régulateurs tout ou rien:
régulation de température de chaudière ; régulation de température ambiante ; régulation de pression
thermostats ; pressostats.
Régulateur proportionnel (régulateur P)
Le régulateur proportionnel agit de telle façon sur le servomoteur qu'il modifie la position de l'organe de réglage
proportionnellement à la grandeur de la différence de réglage. Ainsi, plus l'écart de réglage est grand, plus le mouvement de
l'organe de réglage sera grand. Une grandeur de réglage déterminée est attribuée à chaque valeur.
Exemple : Le régulateur d'une régulation de température ambiante est réglé de telle façon que la vanne est entièrement ouverte à
18°C et entièrement fermée à 22 °C. La consigne doit être réglée à 20 °C. Si la température ambiante est de 20 °C, la vanne se
trouve alors en position moyenne. Si l'on ouvre une fenêtre, la température ambiante baisse et la vanne s'ouvre en conséquence,
ce qui fait remonter la température ambiante Si, p ex;, la puissance de chauffage est suffisante avec une ouverture de vanne de
75%, afin de maintenir une température ambiante de 19°C avec les fenêtres ouvertes, la position de la vanne ne se modifie plus.
La température ambiante a un écart de réglage permanent de 1 K (K = Kelvin = unité de la différence de température).
Ceci est l'inconvénient principal d'un système de réglage proportionnel. Il est dépendant de la charge, c'est-à-dire qu'il ne règle
exactement la consigne que pour un état de charge bien déterminé. Dans tous les autres états de charge il subsiste un écart de
réglage.
L'avantage est une régulation très stable
Exemples: pour l'utilisation de régulateurs proportionnels vannes thermostatiques, vannes à deux voies pour le chargement de
ballons d'eau chaude, vannes de mélange, régulateurs de pression différentielle, régulateurs de débit.
Le bon régulateur pour l'installation réglée
Régulateur tout ou rien
- Température de fonctionnement pour chaudière
- Ballon ECS
- Accumulateur de chaleur
- Pompes de chaleur
Régulateurs proportionnels
- Locaux
- Limitation de la température de retour pour les chaudières
- Brûleurs modulants
Régulateurs PI
- Température de départ
- Échangeurs ECS instantané
Exemples d'application de différents régulateurs
Régulation tout ou rien
La régulation de température ambiante est le forme la plus ancienne de la régulation de chauffage. L'émission de chaleur pour
tout le bâtiment est réglée sur la base de la température d'une seule pièce. Cette méthode est valable aussi longtemps que la
pièce indique un comportement de température identique à la majorité des autres pièces. Cela est par exemple le cas pour les
maisons individuelles parce que la température de la salle de séjour peut être prise généralement comme grandeur de référence.
La sortie tout ou rien d'un régulateur agit soit directement sur le brûleur soit sur un mélangeur avec un moteur thermique très
lent. La qualité de régulation à obtenir est plutôt modeste dans les deux cas. La température ambiante est soumise à d'assez
grandes variations et l'écart de réglage permanent est relativement grand
Régulation proportionnelle
Régulateur progressif de température ambiante agissant directement sur le mélangeur : il s'agit le plus souvent d'un régulateur
proportionnel. Une régulation progressive de mélange permet de réduire les variations de température ambiante et la bande
proportionnelle peut être sélectionnée de manière à ce que l'écart de réglage permanent ne soit pas trop grand. Cependant, de
fortes variations de la température d'eau de la chaudière, survenant rapidement, ce qu'on appelle des perturbations
d'approvisionnement, ne peuvent pratiquement pas être régulées: la perturbation disparaît effectivement avant que la sonde de
température ambiante ait eu le temps de la détecter et la correction du mélangeur est beaucoup trop importante ce qui entraîne
après quelque temps un nouvel écart de la température ambiante - cette fois dans l'autre sens .
De telles perturbations de distribution apparaissent lors de variations subites des charges, quand p ex. le ballon d'ECS est chargé.
La bande proportionnelle d'un régulateur proportionnel.
Exemple: régulation de température ambiante
La bande proportionnelle Xp, est l'écart de réglage, à l'intérieur duquel la grandeur de réglage parcourt toute la plage de réglage.
Elle est réglable pour certains régulateurs. Ci- dessous Xp1 = 4K et Xp2 = 8K.
Le régulateur P travaille d'autant plus précisément (c'est-à-dire que l'écart de réglage est d'autant plus faible, voir texte ci-contre)
que la bande proportionnelle est choisie étroite.
Mais si la bande proportionnelle est trop étroite, la régulation devient instable - elle oscille ! On peut se le représenter ainsi : lors
d'une faible diminution de la température, la vanne s'ouvre tout de suite en grand, et la puissance calorifique agrandie conduit à
un "dépassement" de la température ambiante. Là dessus la vanne se referme entièrement, la température ambiante baisse - et
ainsi de suite. Il en résulte une oscillation permanente autour de la consigne.
Une régulation oscillante gaspille de l'énergie, conduit à une usure prématurée de l'organe de réglage et a des répercussions
négatives sur le confort thermique !
Sur les robinets thermostatiques, la bande proportionnelle est réglée de façon fixe entre 3 et 6 K. La consigne peut être modifiée
par la tête du robinet.
Régulation intégrale
A la différence du régulateur proportionnel, le régulateur intégral ne modifie pas la grandeur de réglage, mais la vitesse de
positionnement proportionnellement à l'écart de réglage.
Plus l'écart par rapport à la grandeur de référence est élevé, plus l'organe de réglage se positionne rapidement dans le sens de la
correction nécessaire. De grands écarts par rapport à la grandeur de référence peuvent être corriges rapidement, mais les petits
par contre très lentement, Il ne subsiste à la fin aucune différence de réglage comme pour la régulation proportionnelle, tout est
réglé, mais lentement.
Le régulateur intégral a une importance secondaire dans la technique de bâtiment. Il fait partie du régulateur proportionnel
intégral, dont nous allons maintenant parler.
Régulation proportionnelle intégrale
Ce type de régulateur associe l'avantage du régulateur proportionnel (stabilité) à celui du régulateur intégral (précision).
La partie proportionnelle provoque une modification immédiate de la grandeur de réglage. La partie intégrale se charge de la
régulation de l'écart de réglage qui subsiste.
Les régulateurs proportionnels intégraux sont utilisés lorsque les exigences en régulation sont élevées ( p ex, pour les installations
de climatisation ).
Régulation proportionnelle intégrale (exemple chauffage)
La régulation de la température de départ effectuée en fonction des conditions atmosphériques est de nos jours la forme de
régulation la plus répandue. Elle doit cette "suprématie" au fait qu'il n'est pas nécessaire de monter une sonde de température
ambiante. C'est la grandeur perturbatrice générale, la température extérieure, qui est mesurée. La sonde utilisée à cet effet est
généralement appelée sonde extérieure ; outre la température extérieure, elle permet de tenir compte aussi, dans une plus faible
mesure, du soleil et du vent.
Le rapport entre la température extérieure (ou les conditions atmosphériques) et la température ambiante est obtenu par la
température de départ : plus la température extérieure est basse, plus la température de départ doit être élevée afin d'assurer la
température ambiante désirée. Une deuxième sonde est encore nécessaire : la sonde de température de départ
La courbe de chauffe définit la température par rapport à la température extérieure. La régulation de départ effectuée en fonction
des conditions atmosphériques est effectivement une régulation en ce qui concerne la température de départ, mais elle est une
commande pour ce qui est de la température ambiante.
Régulation proportionnelle / proportionnelle intégrale:
ou régulateur en cascade : on obtient une amélioration considérable du rapport de réglage avec un régulateur en cascade. Celui-ci
permet de diviser une régulation en deux systèmes réglés : un système réglé lent de température ambiante et un système réglé
rapide de température de départ. Le régulateur principal (de caractéristique proportionnelle) est adapté au système réglé de
température ambiante et le régulateur auxiliaire plus rapide (de caractéristique proportionnelle intégrale) au système réglé de
température de départ. Les deux boucles de réglage sont superposées ainsi :
- Le régulateur proportionnel (régulateur principal) relève l'écart de réglage de la température ambiante et fournit la grandeur de
référence pour la boucle de réglage auxiliaire.
- Le régulateur PI (régulateur auxiliaire) règle la température de départ a la valeur souhaitée par la
boucle de réglage et action sur la vanne 3 voies.
Organes de réglage
Types
Il existe trois types d'organes de réglage hydrauliques pour la régulation d'installations techniques du bâtiment :
Vannes papillons
Les clapets ne conviennent pas à une régulation progressive. Ils sont surtout utilisés pour les fonctions OUVERT/FERME. La perte
de charge en position ouverte est très faible, ce qui est bien sûr souhaité pour les utilisations OUVERT/FERME afin d'éviter des
résistances supplémentaires inutiles.
Les fuites dépendent de la construction
- elles sont relativement élevées pour la vanne papillon dont l'étanchéité est assurée par un joint métallique
- elles sont minimales ou même nulles pour les clapets à joints en Téflon ou en caoutchouc.
Seules ces dernières sont utilisées pour les cascades de chaudière avec une grande pression différentielle sur le clapet.
La construction simple des clapets explique leur prix peu élevé.
Vannes à secteur
Celles-ci sont employées principalement comme vannes à trois voies pour la régulation de mélange d'installations de chauffage.
Leurs faibles pertes de charge autorisent également leur emploi comme organes d'inversion dans les installations d'énergie
alternative. Il faut cependant considérer le fait que les vannes à trois voies présentent des fuites assez importantes et qu'elles ne
conviennent pas par conséquent à de nombreuses utilisations. Les vannes à trois voies sont bien moins chères que les vannes à
siège
Vannes à siège
Ces vannes conviennent tout à fait à la régulation progressive et aux fonctions de commutation et OUVERT/FERME réclamant une
parfaite étanchéité. En ce qui concerne les problèmes d'encrassement, les vannes sont plus pratiques que les vannes papillons et
à secteur. Ces avantages se répercutent sur le prix, plus élevé, des vannes à siège.
Les vannes a deux voies ont une entrée et une sortie. En règle générale, il faut suivre une direction prescrite d'écoulement. Les
domaines d'application sont la régulation du débit dans les circuits à débit variable ainsi que les fonctions OUVERT/FERME avec
des exigences élevées en matière d'étanchéité
Les vannes à trois voies ont soit deux entrées et une sortie (= vannes mélangeuses) ou une entrée et deux sorties (= vanne
diviseuse). La désignation des raccordements se fait par lettres, chiffres romains ou signes de sens d'écoulement, Ces sens
d'écoulement doivent être suivis,
Les circuits hydrauliques de base
Le circuit à débit variable est utilisé pour la commande de déchargement de l'accumulateur ou dans les postes de raccordement de
réseaux de chauffage à distance.
Les circuits de mélange sont des circuits habituels pour les petites ou les grandes installations
Le circuit de répartition n'a que quelques applications. On peut citer comme exemple la régulation de batterie chaude d'air repris.
Le circuit à injection est un circuit couramment utilisé dans les grandes installations dotées de dispositifs aérauliques.
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