La régulation du chauffage à eau chaude

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Comprendre la régulation
L’occupant d’un bâtiment ne perçoit généralement de la régulation d’un système de chauffage qu’un seul équipement : la vanne thermostatique. Elle est accusée de bien des maux et subit
parfois des agressions physiques si elle ne peut délivrer la chaleur attendue !
Et pourtant, seule, elle ne peut agir correctement et doit donc être associée à une régulation plus complète.
Voici quelques schémas qui permettent de comprendre l'utilité et le principe de cette dernière. Ceux-ci sont purement illustratifs et ne doivent pas être considérés comme des situations
universelles, chaque bâtiment pouvant faire l'objet d'une étude particulière.
L es sy m b ol e s g r a p h i q u es
D i me ns i on n em e nt p ou r u ne si tu a ti on e x tr êm e
P r o b l èm e 1 : en mi - sa i so n
P r o b l èm e 2 : l a te mp ér a tu r e v a r i e e n p er m a ne n c e
P r o b l èm e 3 : et s 'i l y a p l u s ie u r s l o c au x à c h au f fe r ?
T y p e s d e r é g u l a teu r : an a l og i q u e e t d i g i ta l
L a " G TC "
Les symboles graphiques
Le fonctionnement des installations de chauffage est représenté par des schémas de principe. Les différents symboles utilisés sont repris ci-contre.
Dimensionnement pour une situation extrême
Partons d’une situation de grand froid hivernal...
La chaudière est dimensionnée pour vaincre les températures les plus froides en hiver, soit généralement - 10°C.
Une eau à 90°C alimente le radiateur qui émet une chaleur maximale pour vaincre les déperditions (les pertes de chaleur du local vers l’extérieur).
Problème 1 : en mi-saison
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En mi-saison, la température extérieure est plus douce; l'apport de chaleur doit être adapté.
Pour alimenter le radiateur avec de l'eau à température "mitigée" (70°), on réalise un mélange entre l'eau chaude qui arrive de la chaudière (90°) et l'eau tiède qui sort du radiateur (50°).
C'est le rôle de la vanne, appelée "vanne trois vannes mélangeuse", placée entre l'aller et le retour de l'installation. Son principe de fonctionnement est basé sur la rotation d'un secteur
entre les 3 voies d'eau :
Problème 2 : la température varie en permanence
Problème : la température extérieure varie en permanence. Comment dès lors adapter la température de l'eau des radiateurs aux besoins ?
Un régulateur va relever la température existante dans le local, va comparer celle-ci à la température de consigne, et en fonction de l'écart existant, ouvrira ou fermera la vanne trois voies
mélangeuse.
Problème 3 : et s'il y a plusieurs locaux à chauffer ?
> So l u ti on 1 : to u s l es l oc a u x on t d e s b e so i ns i d en ti q u e s ( p a r ex e mp l e , l 'e ns em b l e d e s l o c a u x a d m i ni s tr a ti fs d 'u n e l ' éc o l e) .
On choisira un local témoin, fidèle des besoins en température des autres locaux.
Ici, tous les locaux superposés seront régulés en fonction de la température demandée dans le local témoin au rez-de-chaussée.
> So l u ti on 2 : l e s l oc au x p e uv e n t se su b d i v i se r en z on es a y an t d e s b e so i ns si m il a i r e s ( p a r ex e mp l e , l e s l o c a ux si tu é s a u su d et l e s l o c a ux si tu é s
a u no r d ) .
On réalisera deux circuits indépendants, régulés de façon autonome, chacun disposant de son local témoin.
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On constate qu'il a fallu créer une boucle "primaire", alimentée par la chaudière, nourricière des différents départs de circuits, dits "secondaires". Chaque circuit greffé sur la boucle primaire
est indépendant des autres dans son fonctionnement.
> So l u ti on 3 : to u t es t r ac c or d é su r u n s eu l c i r c u i t, l es l o c a u x o n t d es b es oi n s d if f ér e n ts ma i s i l e st tr o p c oû te u x d e c r é er d e s z on e s d i f fé r en te s.
Hydrauliquement, il n'est pas possible de créer des circuits distincts.
Par exemple dans une école : au premier étage, c'est le réfectoire, au deuxième, c'est une classe et au troisième c'est la bibliothèque !
Des horaires et des températures de consigne bien différents ! Impossible de créer un local "témoin".
On va dès lors se fier sur la seule variable que l'on connaît et qui est commune à tous le bâtiment : la température extérieure. Plus il fait froid dehors, plus la température de l'eau dans les
radiateurs doit être chaude. On parle de "régulation en température glissante" en fonction de la température extérieure.
La loi appliquée est appelée "la courbe de chauffe".
Si la température extérieure est de 3°C, on demandera au circuit une alimentation par de l'eau à 70°C.
Le schéma devient :
La température d'alimentation est donc identique pour tous les radiateurs du circuit. Or les besoins de chaque pièce sont différents ... Que faire ? en plaçant des vannes thermostatiques sur
chaque radiateur, on va adapter le débit d'eau chaude cette fois, en fonction des besoins.
En effet, une vanne thermostatique est un régulateur à elle toute seule.
Si elle est réglée sur 3, cela veut dire que l'on demande 20°C dans la pièce (approximativement : 1 = 16°C, 2 = 18°C, 3 = 20°C, 4 = 22°C, 5 = 24°C , mais cette correspondance varie
selon les marques).
S'il fait 19°C dans le local, la vanne sera ouverte, le pointeur intérieur laissant passer un maximum de débit.
S'il fait 21°C, la vanne sera fermée, le pointeur bloquant le débit d'alimentation du radiateur.
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Exemple.
Dans une éc ole, applic ation à la c lasse du 2ème étage :
7h30 : il fait 17° dans la c lasse, le radiateur est alimenté au débit maximum avec l'eau préparée à 55°.
8h15 : il fait 20°, les c ours c ommenc ent.
9h00 : la c haleur dissipée par les 20 élèves représente 2 000 Watts soit l'équivalent d'un gros radiateur. La température atteint 21°, la vanne thermostatique se ferme.
Pendant c e temps au 3ème étage, la bibliothèque reste c hauffée par le radiateur dont la vanne thermostatique reste ouverte. Simplement, vers midi, la température extérieure
étant remontée à 10°, l'eau de c hauffage est réglée à 43° via la c ourbe de c hauffe du régulateur.
On constate deux niveaux de régulation :
le réglage de base réalisé par la vanne trois voies au départ du circuit : réglage de la température de l’eau,
le réglage plus fin, réalisé par la vanne thermostatique dans chaque local : réglage du débit d’eau.
> So l u ti on 4 : l e b â ti me nt d i sp o se d e c i r c u i ts d i f f ér e n ts, ma i s c o mp re n a nt c ha c u n d e s l oc au x a v ec d e s b e so i n s v a r ia b l e s ( p a r e xe mp l e, u n c i r c ui t
N or d et u n c i r c u it S u d , ma i s a v e c d es oc c u p a ti o n s d e lo c a u x t r ès v a r i é es) .
A problème mixte, solution mixte : on associera les possibilités des solutions 2 et 3.
La chaudière prépare de l’eau chaude à haute température. Deux sondes extérieures, l’une au Nord, l'autre au Sud, permettront le réglage des températures au départ des deux circuits :
une température d’eau pour le circuit Nord,
une température d’eau pour le circuit Sud.
Mieux, la sonde au Sud sera complétée par une sonde d'ensoleillement qui "trompera" le régulateur : par exemple, s'il fait + 5° et qu'il y a plein soleil, la sonde dira au régulateur qu'il fait
+ 12° ! "Trompée", la vanne mélangeuse enverra de l'eau moins chaude au circuit Sud.
De plus, des vannes thermostatiques placées dans chaque local corrigeront la température, si nécessaire (si des occupants ou des ordinateurs fournissent de la chaleur, par exemple).
La vanne thermostatique ne constitue donc que le dernier maillon correcteur d’un ensemble d’équipements de régulation cherchant à apporter la chaleur au bon endroit, au bon moment,
avec le bon niveau de température.
Types de régulateur : analogique et digital
Régulateur numérique et régulateur analogique.
Pour appliquer ces différents principes, il existe deux types de régulateurs sur le marché : des régulateurs analogiques (traditionnels) et des régulateurs numériques (encore appelée
régulation digitale ou DDC, Direct Digital Control).
Toutes deux sont basées sur du matériel électronique. Mais la régulation analogique traite un signal électrique alors que la régulation numérique traite des signaux numériques, comme un
ordinateur.
Vous avez dit "a nalogique" ?
Prenons un exemple : il existe un écart entre la demande d’une consigne (20°) et la mesure de la sonde de température (19°). Les deux valeurs sont introduites dans un comparateur
électronique et l’écart en ressort sous forme d’un signal électrique. Il sera amplifié, limité par une valeur haute ou basse, puis envoyé vers le moteur de la vanne trois voies pour augmenter
son degré d’ouverture. Un schéma de câblage bien précis correspondra à ce dispositif de régulation.
Vous avez dit "n umérique" (ou "digitale") ?
Le même problème, version numérique, entraînerait l’existence d’un bus de communication où toutes les sondes (input) seraient raccordées mais aussi la commande du moteur de la vanne
trois voies (output). Toutes les 30 secondes les informations des inputs sont relevées et envoyées vers le régulateur. Le microprocesseur de celui-ci renferme un programme de calcul qui
établit le mode de réponse en fonction d’une loi mathématique donnée et renvoie vers le bus un message d’ouverture adressé à la vanne trois voies. Dans cette vision "communicante" de la
régulation, régulateur de chaudière et régulateur de vannes trois voies se parlent et synchronisent leurs actions.
Quelles différen ces ?
Le prix, diraient les mauvaises langues, fatigués de devoir toujours installer un matériel plus sophistiqué, plus performant bien sûr mais plus cher à l’achat et à l’exploitation, toute
réparation devant se faire à l’extérieur. La situation est similaire à celle de l’informatique, toujours plus performante également : pourrait-on refuser cette évolution ?
Il est certain qu’avec une installation digitale, une modification de programmation est toujours possible sans modifier le câblage : ajouter une sonde de présence pour réguler l’installation
en fonction de la présence effective des occupants, c’est simplement insérer sur le bus un nouvel input et modifier la programmation pour en tenir compte. Tout est possible puisqu’il s’agit
de modifier la logique du programme. Il suffit de voir tous les paramètres accessibles sur un régulateur digital pour se rendre compte de ses possibilités (jusqu'à la limitation de la vitesse de
remonte lors de la relance pour éviter les bruits de dilatation des tuyauteries, ou commutation automatique de l’heure d’été à l’heure d’hiver !) en régulation analogique, le circuit est figé
une fois pour toutes par le câblage et le mode de programmation est unique pour le régulateur sélectionné.
Exemple.
en numérique, par exemple, des régulateurs c omplémentaires peuvent être installés pour améliorer la gestion d’une zone (disposant de son propre c irc uit). Par exemple, dans une
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éc ole, un nouveau régulateur, c ommuniquant avec les autres, peut se plac er dans l’aile des primaires. La direc tric e pourra modifier la c onsigne de +/- 4°, sélec tionner le type de
fonc tionnement (automatique, c ontinu jour, c ontinu arrêt), relanc er le c hauffage pour 2 ou 4 heures, le temps d’organiser la réunion de parents du soir.
Exemple : régulation analogique
On rec onnaît :
Un régulateur de c asc ade de c haudière (6), agissant sur les c haudières et sur leur c irc ulateurs propres, en sync hronisme avec les régulateurs de départ des c irc uits
sec ondaires. C’est d’ailleurs c eux-c i qui définissent la température de sortie de c haudière, en fonc tion de leurs besoins !
Un régulateur optimiseur pour les c lasses de la faç ade Nord (2).
Un thermostat d’ambianc e pour la bibliothèque (12), disposant de sa propre programmation, puisqu’il dispose de son propre c irc uit.
Un régulateur optimiseur pour les c lasses de la faç ade Sud (11), qui dispose de sa sonde solaire en c omplément de la température extérieure c ommuniquée par le
régulateur au Nord. Un c ontac t est utilisé pour la c oupure de deux ventilateurs d’extrac tion situés dans la salle de sports située au Sud également.
Une vanne de zone deux voies (15D), c ommandée par un thermostat d’ambianc e et par une horloge pour le réfec toire (usage limité).
Une vanne de zone deux voies (15E) pour les loc aux administratifs, c ommandée par une simple horloge, étant entendu que la température de départ est régulée dès la
sortie de c haudière. Des vannes thermostatiques sont présentes dans les loc aux pour une régulation c omplémentaire. A noter qu’une soupape différentielle stabilise la
pression des réseaux D et E et que le c irc ulateur est c oupé si les deux vannes de zone sont fermées.
Cette régulation paraît très adéquate aux besoins et très éc onomique puisque deux vannes mélangeuses ont pu être évitées.
Deux améliorations possibles : un thermostat dans les loc aux administratifs pour surveiller tout risque de gel (entre Noël et Nouvel An !), ainsi que le c hoix de c irc ulateurs à vitesse
variable sur les départs des c irc uits sec ondaires équipés de vannes thermostatiques.
Exemple : régulation numérique
Voic i un deuxième exemple qui montre l’évolution de la régulation allant vers la mise en plac e d’un bus de c ommunic ation où c irc ulent les informations :
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AI : Analogic Input, les entrées qui varient de faç on c ontinue (la sortie d’un c apteur de température, par exemple).
AO : les sorties qui varient de faç on c ontinue (le signal pour attaquer le moteur d’une vanne trois voies, par exemple).
DI : Digital Input, les entrées qui ne prennent que les valeurs 1 ou 0 (l’état on/off du thermique d’un c irc ulateur, par exemple).
DO : Digital Output, les sorties qui ne prennent que les valeurs 1 ou 0 (la c ommande marc he/arrêt du premier étage de la c haudière, par exemple)
La régulation ne peut être c omprise que par la desc ription de la programmation du régulateur faite par le c onstruc teur (reprise c i-dessous). Cette programmation peut être
adaptée à la c arte suivant les attentes du c lient.
Régulation Cascade chaudières
La produc tion d'eau c haude est assurée par mise en c asc ade de 3 c haudières à deux allures. Cette mise en et hors servic e des allures de c hauffe se réalise en séquenc e
temporisable et en fonc tion des températures de départ/retour c ollec teur primaire et température extérieure et demande réelle des c onsommateurs sec ondaires(ECS, radiateurs,
groupes de pulsion, ... ).
Chaque c haudière est équipée d'origine de ses organes de séc urités et de c ommandes.
Un c ontrôleur de débit plac é dans le départ de c haque c haudière empêc hera son fonc tionnement si l'irrigation n'est pas suffisante. Un pressostat manque d'eau vérifiera la présenc e
suffisante d'eau dans l'installation et sera plac é sur le c ollec teur primaire général. Ces points seront c ontrôlés par la régulation DDC , de même qu'un défaut de fonc tionnement
brûleur par c haudière. La pompe primaire est une pompe jumelée qui sera c ommandée par la régulation DDC qui en assurera également la permutation automatique.
Régulation Circuit ECS
La produc tion d'eau c haude sanitaire est produite par c harge de ballons d'eau c haude au moyen d'eau c haude venant du c ollec teur primaire et au travers d'un éc hangeur à plaques
piloté par une vanne à 3 voies et d'un c irc ulateur.
La température de l'eau c haude au sec ondaire de l'éc hangeur est mesurée par une sonde à plongeur avec doigt de gant en inox. En fonc tion de c elle-c i, la régulation DDC agit sur le
fonc tionnement de la vanne à 3 voies motorisée primaire et du c irc ulateur assoc ié.
La demande d'eau c haude sanitaire est prioritaire sur le fonc tionnement de la c asc ade des c haudières et est régie par un programme horaire au sein du régulateur DDC.
Régulation Circuits Radiateurs 1 à 6 :
Les radiateurs sont alimentés en eau c haude à partir de 6 c irc uits depuis le c ollec teur primaire. Chaque c irc uit est équipé dune vanne à 3 voies motorisée et d'un c irc ulateur
c ommandés par le régulateur DDC. Ce dernier reç oit les informations dune sonde extérieure et d'une sonde à plongeur plac ée sur le départ du c irc uit.
Les radiateurs sont équipés de vannes thermostatiques et ne c omportent donc pas de régulation sec ondaire liée au régulateur DDC.
Les sondes de température extérieure seront au nombre de 4 afin de c ouvrir l'orientation des zones desservies. Cependant, c haque c irc uit sera réglé de manière indépendante
(régime horaire, c ourbe de c hauffe).
Régulation Circuit Aérothermes - salles de sports et réfectoire :
Les aérothermes des salles de sports et réfec toire (ARl/AR2/AR3) sont alimentés en eau c haude en direc t à partir du c ollec teur primaire. Une pompe plac ée sur le départ du c irc uit
permet d'ac heminer l'eau c haude vers les aérothermes.
Une sonde de température ambiante par zone permet, via la régulation DDC, la mise en et hors servic e des ventilateurs des aérothermes et c e de manière individuelle.
La "GTC"
GTC ? ... pour Gestion Technique Centralisée.
On parle aussi de "télégestion".
La régulation de l'installation de chaque installation de chauffage repose sur les régulateurs locaux qui travaillent en autonomie et possèdent toute l'intelligence nécessaire à la conduite de
l'installation. Par exemple, ce sont bien les régulateurs qui modifient la température de l'eau de chauffage en fonction de la température extérieure, qui commandent l'arrêt des circulateurs
à partir d'une certaine température extérieure ou encore qui gèrent le ralenti nocturne par optimisation, ....
Les régulateurs doivent être des régulateurs "digitaux" (DDC). Tout au long de leur fonctionnement, ils stockent des informations provenant des différents équipements (températures
ambiantes, températures extérieures, ...). Si leur mémoire est insuffisante (régulateurs moins récents), elle sera transférée vers un ordinateur qui capitalisera ainsi les différentes données.
Notons que les régulateurs DDC peuvent aussi être interconnectés entre eux par bus, communiquer directement et s'échanger des données utiles à leur fonctionnement. Ils sont
paramétrables indépendamment de la GTC, au moyen de leur boitier de dialogue propre (qui diffère d'une marque à l'autre). Leur réglage peut évidemment aussi être modifié via la gestion
centrale, mais une panne de cette dernière ne doit pas perturber le bon fonctionnement des équipements.
Un superviseur exploite les données des différentes mémoires (via modem, bus de communication ou ligne téléphonique fixe) et communique de façon conviviale avec l'utilisateur. Celui-ci
peut ainsi visualiser à distance les différents paramètres de fonctionnement de l'installation, les modifier, relevé des alarmes, ... . Il est également possible d'établir des historiques de
fonctionnement (courbe de température d'eau, de température ambiante, ...), ce qui permet de repérer très rapidement un dysfonctionnement de l'installation (par exemple un mauvais
fonctionnement d'un optimiseur, la détérioration d'une sonde, une mise en dérogation oubliée, ...).
Exemple d'éc rans de dialogue d'une GT C.
Menu d'accueil : vue en plan du site.
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Fonctionnement des chaudières.
Fonctionnement des circuits secondaires.
Suivi des consommations.
En résumé, il existe deux types de systèmes de GTC :
1. Les systèmes dits "propriétaires" où tous les équipements (sondes, régulateurs, bus de communication) et protocole de communication doivent être de la même marque pour
pouvoir communiquer entre eux. Chaque extension doit être de la marque choisie au départ et demande le plus souvent l'intervention de cette dernière pour reparamétrer le
système.
2. Les systèmes plus ouverts qui se basent sur ce qui devient petit à petit des "standards" de communication. Ces systèmes permettent l'intégration d'un nombre plus important de
points de contrôle autres que du chauffage ou de la climatisation (éclairage, contrôle d'accès, relevé de compteurs électriques, gestion de la pointe 1/4 horaire, ...). Ils s'adaptent
ainsi plus facilement à des bâtiments importants dont on veut faire une gestion globale. Ils permettent aussi de changer de marque de régulateur avec un minimum de
reprogrammation, pour peu que le nouveau matériel respecte les mêmes standards.
Exemple de c onfiguration d'une GTC utilisant des "standards" de c ommunic ation.
Il est possible de rac c order ensemble :
Des équipements c ommunic ant suivant le standard LON ou le standard KONNEX (ex EIB, Batibus et EHS). Par exemple, la c ommande de l'éc lairage, des stores, ...
Des équipements gérés par un système propriétaire c lairement liés à une marque de matériel. Par exemple, l'ensemble des équipements de c hauffage.
Des régulateurs de c hauffage c ompatibles ON ou KONNEX peuvent aussi être direc tement rac c ordés au réseau de c ommunic ation.
Cela demande l'utilisation d'interfac e de c ommunic ation et une programmation au niveau d'un système de supervision pour rendre l'ensemble c ompatible. Il y a enc ore peu de
temps, c ela semblait enc ore relativement ardu à mettre en oeuvre, mais une standardisation semble petit à petit se développer via les standards "BACnet" ou "OPC".
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Schéma d'intégration de différents protocoles de communication au sein d'un système de gestion complet du bâtiment.
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