J-M R. D-BTP

1J-M R. D-BTP

LA REGULATION

2006

2

Généralités

Composants des systèmes de régulation de chauffage et d’ECS

Principes de la régulation de chauffage et d’ECS

Définitions

Courbe de chauffe

3

Terminologie

Définition

Notion de boucle fermée

Analogie avec le convecteur électrique

Application au chauffage central

Notion de boucle ouverte


Notion de boucle ouverte compensée


Généralités

4

Définition

Réguler permet :

- de maintenir automatiquement à une valeur désirée fixe une grandeur physique soumise à des variations,

ou

- de faire varier, en fonction d’une loi déterminée, une grandeur physique soumise à la variation d’une ou plusieurs autres grandeurs.

5

Terminologie

Point de consigne (hauteur)

Grandeur à régler (niveau)

6

Terminologie

Grandeur perturbatrice

Point de consigne


Ecart

7

Terminologie


Point de consigne


Grandeur de réglage

8

Terminologie


Point de consigne



Organe détecteur

Organe

comparateur

Organe

donneur d’ordre

Actionneur de l’organe de réglage

Organe de réglage

9

Notion de boucle fermée


Point de consigne



Organe détecteur

Organe

comparateur

Organe

donneur d’ordre


Organe de réglage

BOUCLE FERMEE

10

Régulation de la température ambiante

W=20°C

W consignegrandeur de référencetempérature ambiante désirée

X grandeur régléetempérature ambiante mesurée

XW=W - X

écart de réglage

Z grandeurs perturbatrices

X

Z

11

convecteur électrique


résistance chauffantephase neutre

thermostat

retour

12


Organe détecteur

Organe comparateur

donneur d’ordre et moteur

*

Organe de réglage

Grandeur à régler


Point de consigne

13


> PC

14


< PC

15


< PC

16


BOUCLE FERMEE

17


Le brûleur est piloté par l’ambiance

La boucle fermée est très longue, l’inertie de l’installation rendra la régulation lente et instable.

18


Le circulateur est piloté par l’ambiance

La boucle fermée est plus courte mais provoquera des trains de chaleur et une instabilité de la régulation.

19


Le débit d’eau de chaque radiateur est piloté par l’ambiance.

La boucle fermée est très courte les émetteurs réagiront aussitôt qu’un écart de température d’ambiance sera détecté.

20



Point de consigne



Organe détecteur

Organe

comparateur

Organe

donneur d’ordre


Organe de réglage

Organe détecteur

21



Point de consigne



Organe détecteur

Organe

comparateur

Organe

donneur d’ordre


Organe de réglage

Organe détecteur

BOUCLE OUVERTE

On observe uniquement la grandeur de réglage et la grandeur perturbatrice.

22


L’installation est équipée d’une vanne trois voies.

On ne contrôle pas la température ambiante, la boucle est ouverte. On notera que dans ce système, la régulation agit par anticipation avant que l’ambiance baisse.

qui règle la température de départ chauffage

en fonction de la température extérieure.

ext

dép

v3v

23



Point de consigne



Organe détecteur

Organe

comparateur

Organe

donneur d’ordre


Organe de réglage

Organe détecteur

Organe détecteur

24



Point de consigne



Organe détecteur

Organe

comparateur

Organe

donneur d’ordre


Organe de réglage

Organe détecteur

BOUCLE OUVERTE COMPENSEE

On observe également la grandeur à régler.

Organe détecteur

25


En plus de la température extérieure,

Ce système permet d’anticiper les déperditions et également de prendre en compte les apports gratuits du local à chauffer.

on prend en compte la température ambiante,

pour peaufiner le réglage de la température de départ au moyen de la vanne trois voies.

ext

dép

v3v

amb

26

Régulateurs

Système de régulation

Sonde extérieure

Sonde d’ambiance

Sonde de température

Composants des systèmes de régulation

Aquastats

27


Le régulateur qui gère l’ensemble du système à partir des instructions qu’on lui a données et des informations qu’il reçoit.

Le système de régulation est composé par :

Les sondes ou détecteurs qui donnent au régulateur des informations sur des états ou des valeurs..

Des actionneurs ou appareils électriques qui sont directement ou indirectement commandés par le régulateur.

M

28


Régulateur de chauffage, d’eau chaude sanitaire, de cascade de chaudières, de climatisation…

Le système de régulation est composé par :

Sonde d’ambiance, sonde extérieure, sonde de départ, sonde de retour, aquastat, thermostat…

Moteur de vanne, pompe, brûleur, résistances électriques, ventilateur…

M

29

Régulateurs

30

Régulateurs

Rôle

Régulation de la température de départ en fonction de la température extérieure.

Commander le fonctionnement d’un organe de réglage ou d’un appareil en fonction d’une consigne et de mesures relevées sur le bâtiment et/ou sur l’installation.

Action des régulateurs

Régulation de la température de départ en fonction de la température ambiante.

Régulation de la température d’un fluide en fonction d’une consigne.

Régulation du fonctionnement des générateurs de chaleur en fonction des besoins et ou de la température extérieure.

31

Régulateurs

Différents types de régulateurs

Numérique.Analogique.

32

Sonde extérieure

Sonde extérieure

On utilise la variation de sa résistance électrique en fonction de la température pour déterminer la température extérieure.

Elle mesure la température extérieure du site.

Elles sont en fonction du fabricant de deux types :

Thermistance à coefficient négatif (CTN).

Résistance à fil bobiné (élément de mesure à signal de sortie linéaire sur toute la plage de mesure).Fil nickel (ex: Ni 1000 = 1000 à 0°C)Fil platine (ex: Pt 100 = 100 à 0°C)

33

Sonde extérieure

Emplacement de la sonde extérieure

La placer pour mesurer la moyenne des températures extérieures des façades les plus froides, y compris effet de vent.

Placer sur la façade nord ou nord ouest de préférence.

Proscrire les façades ensoleillées même le matin (est).

Emplacements proscrits.

La placer dans la partie haute de la zone habitée.

34

Sonde d’ambiance

Sonde ambiante

On utilise la variation de leur résistance électrique en fonction de la température pour déterminer la température ambiante.

Elle mesure la température ambiante du bâtiment.

Elles servent :

soit d’élément de base au régulateur,

soit de correction sur un régulateur en fonction de la température extérieure (possibilité de régler le pourcentage d’intégration de la température ambiante dans la détermination du point de consigne).

35

Sonde d’ambiance

Emplacement de la sonde d’ambiance

Dans une pièce sans robinet thermostatique.

A l’opposé du radiateur, à une hauteur de 1.5 mètre.

Sur un mur intérieur de préférence.

Éloignée de 1.5 m de toute source de chaleur.

Sur un mur qui n’est pas exposé au soleil et au courant d’air.

36

Appareils d’ambiance

On peut effectuer les réglages utilisateurs à partir de ces appareils.

Ils possèdent une sonde d’ambiance intégrée.

Ils fournissent les informations à l’utilisateur par affichage numérique :

température ambiante.

température extérieure.

réglages actuels.

37

Thermostat d’ambiance

Thermostat d’ambiance standard

Thermostat d’ambiance affichage digital

38

Sonde de température

Sondes de température

Sonde à applique.

Sonde à plongeur.

Elles permettent de connaître la température d’un fluide.

Sonde de départ.

Sonde de retour.

Sonde de température de stockage d’un fluide.

Applications :

39

Sondes de température d’eau

Position des sondes de température

Positions de montage conseillées.Proscrire toutes les positions ou il y a risque

d’entrée d’eau dans la sonde.

40


Montage des sondes de température

Montage des sondes à plongeur.

Prévoir un manchon suffisamment long pour tenir compte de l’épaisseur du calorifuge.

Monter de préférence dans un coude.

Ne pas monter à contre courant.

41


Montage des sondes de température

Montage des sondes à applique:

-choisir un emplacement situé sur le tuyau de départ après le circulateur.

-décaper le tuyau jusqu’au brillant métallique.

-enduire le tuyau de pâte thermoconductrice et fixer la sonde à l’aide du collier de serrage. Si une difficulté de serrage se présentait, utiliser un collier de serrage adapté à la tuyauterie.

- Elle peut être posée sur une tuyauterie de diamètre 100 mm maximum.

100 mm

42


Préconisation sur l’emplacement des sondes

Jamais après un point de mélange, elles doivent toujours être posées après la pompe pour profiter du brassage de l’eau.

Posées après le by pass fixe d’un plancher chauffant

Elle doivent mesurer la température exacte du fluide et à l’endroit voulu (ex température de retour mini chaudière)

Elles doivent toujours être irriguées pour fournir une information correcte.

43

Aquastats

Aquastat standard applique réglage externe

Aquastat standard applique réglage sous le capot

44

Aquastats

Aquastat à plongeur simple

Aquastat limiteur avec réarmement manuel

45

Brûleur régulé par l’extérieur

V3V régulée par l’extérieur

V3V régulée par l’ambiance

Brûleur régulé par l’ambiance

Régulation ECS par pompe de charge

Régulation ECS par vanne trois voies

Principes de la régulation de chauffage et d’ECS

Régulation de cascade chaudières

46


La consigne de la température de départ (Tv) est régulée en fonction de la température extérieure (TA)

La relation entre la température de départ et la température extérieure est déterminé par la courbe de chauffe dont la pente est réglable

La température de départ est régulée progressivement sans écart permanent par une vanne à siège ou à secteur équipée d’un servomoteur.

Régulation de la température de départ en fonction de la température extérieure agissant sur la vanne 3 voies d’un circuit radiateurs

47


La pente est le rapport entre la variation de la température de départ et la variation de la température extérieure.

Détermination de la loi de correspondance

La pente permet au régulateur de déterminer la température de départ en fonction de la valeur de la température extérieure.

Ex: circuit radiateurs dont le régime de distribution est de 75/65 °C, température extérieure de base de -7 °C

La forme de la loi de correspondance dépend du type d’émetteur :

Calcul de la pente: (75-20) / (20- -7) = 2.03

linéaire pour un plancher chauffant

incurvée pour des radiateurs ou convecteurs

Sur la génération de régulateurs actuels le paramétrage s’effectue de 2 façons :

à partir de la pente (installation individuelle ou petit collectif)

à partir de 2 points de la valeur de la loi de correspondance (droite) -5°C et + 15°C (collectif)

48


Sonde extérieure

Sonde de départ

Sonde de retour

Appareil d’ambiance

Régulateur

Commande V3V

Circulateur

Schéma de raccordement

49


La consigne de la température de départ est régulée en fonction de la température extérieure

Le régime de distribution est de 45 °C / 35 °C

Un by pass (BP) permet d’injecter la part de l’eau du retour entrant dans le mélange pour les conditions de base hiver

BPBP

85 °C85 °C 45°C45°C

35 °C35 °C

8585

3535

4545∆T 50 K

1010

5050

4040

5050Le débit du by pass représente les 40/50 du débit du circuit

Température primaire 85 °C

Température départ plancher chauffant 45 °C

Température retour plancher 35 °C

∆T 50 K

Fraction d’eau à 85 °C entrant dans le mélange

Fraction d’eau à 35 °C entrant dans le mélange

Régulation de la température de départ en fonction de la température extérieure agissant sur la vanne 3 voies d’un circuit plancher chauffant.

50


Sonde extérieure

Sonde de départ

Sonde de retour


Régulateur

Commande V3V

Circulateur


51


La consigne de la température de départ est régulée en fonction de la température extérieure.

Régulation de la température de départ en fonction de la température extérieure agissant sur le brûleur

L’enclenchement du brûleur est réalisé en fonction de l’écart entre la consigne de température départ et la température mesurée par la sonde.

La température de chaudière est régulée par l’enclenchement et l’arrêt du brûleur en fonction d’un différentiel de commutation réglable ( en général dans une plage de 1 à 20 K)

Le brûleur a une durée de fonctionnement minimum de 4 ou 5 minutes pour éviter des mises en route intempestives.

52


Schéma constructeur

B9 sonde extérieure

B1 sonde température chaudière

B5 sonde ambiante

A6 appareil d’ambiance

M1 circulateur

N1 régulateur

Brûleur

53


Sonde extérieure

Sonde température chaudière


Circulateur

Régulateur

Brûleur


54

Vanne 3 Voies régulée par l’ambiance

La consigne de la température de départ est régulée en fonction de la température ambiante.

Régulation de la température de départ en fonction de la température ambiante par action sur vanne 3 voies

La consigne de la température de départ est régulée en fonction de l’écart entre la consigne d’ambiance et la température ambiante mesurée.

Généralement l’action sur vanne 3 voies est de type 3 points.

La température de départ est régulée progressivement sans écart permanent par une vanne à siège ou à secteur équipée d’un servomoteur.

55


B1 sonde de départ

B5 sonde ambiante

B7 sonde de retour


M1 circulateur

N1 régulateur

Y1 commande V3V


56


Circulateur

Sonde de départ

Sonde de retour


Régulateur

Commande V3V


57


La consigne de la température chaudière est régulée en fonction de la température ambiante.

Régulation de la température de départ en fonction de la température ambiante action sur brûleur

L’enclenchement du brûleur est réalisé en fonction de l’écart entre la consigne d’ambiance et la température ambiante mesurée

La température de chaudière est régulée par l’enclenchement et l’arrêt du brûleur en fonction d’un différentiel de commutation réglable (en général dans une plage de 1 à 20 K)

Le brûleur a une durée de fonctionnement minimum de 4 ou 5 minutes pour éviter des mises en route intempestives.

58


B1 sonde de chaudière

B5 sonde ambiante


M1 circulateur

N1 régulateur

Brûleur


59


Sonde température chaudière


Circulateur

Régulateur

Brûleur


60


La consigne de la température d’eau chaude sanitaire est régulée en fonction de la température d’eau chaude du ballon.

Régulation de la température d’eau chaude sanitaire agissant sur la pompe de charge

L’enclenchement de la pompe de charge est réalisé par un aquastat en fonction de la température du stockage de l’eau chaude sanitaire.

Un différentiel de commutation fixe permet la mise en route et l’arrêt de la pompe de charge.

Les régulations actuelles comportent un système anti-légionnelle désactivable, il permet d’augmenter ponctuellement la température de stockage de l’eau chaude sanitaire une fois la semaine.

61


M 4 pompe de boucle

B31 sonde ballon 1

M3 pompe de charge

B 32 sonde ballon 2

K6 résistances ballon (option)


62


Commande pompe de charge

Sonde ballon

Régulateur


63


Régulation de la température d’eau chaude sanitaire agissant sur la vanne 3 voies du réchauffeur primaire.

La consigne de la température d’eau chaude sanitaire est régulée en faisant varier le débit d’eau primaire circulant dans le réchauffeur.

Ce débit est fonction de l’écart entre la consigne de l’eau chaude et la température d’eau chaude mesurée.

Généralement l’action sur vanne 3 voies est de type 3 points

Une sonde mesure la température de l’eau chaude sanitaire.

64


M 4 pompe de boucle

B31 sonde ballon 1

Y 3 commande V3V

B 32 sonde ballon 2

K6 résistances ballon (option)


65


Commande vanne 3 voies.

Sonde ballon.

Régulateur.


66


Régulation de cascades chaudières

Régulation de la température de la boucle primaire:

Commande de brûleurs 1 ou 2 allures

à température constante

Commande du fonctionnement des vannes d’isolement ou des pompes de charges de chaque chaudière

en fonction de la température extérieure

67


Schéma hydraulique et fonctionnement

Les 2 chaudières sont montées sur une boucle de Tichelman

Le fonctionnement du circulateur de la 2ème chaudière est asservi au brûleur avec une temporisation au démarrage et à l’arrêt

Le circulateur de la chaudière prioritaire doit fonctionner en permanence, il permet de faire circuler l’eau dans la boucle primaire et de fournir à la sonde l’information de température.

Un clapet anti-retour est placé sur le départ de chaque chaudière il évite la circulation d’eau quand elle est à l’arrêt

Une sonde de température retour mini permet de protéger les chaudières contre la corrosion (point de la corrosion (point de rosée) en réalisant une « relance contrôlée »..rosée) en réalisant une « relance contrôlée »..

68


69

Régulation flottante

Régulation tout ou rien

Actions complémentaires

Système proportionnel

Action complémentaire dérivée

Action complémentaire intégrale

Tableau récapitulatif

Constante de temps

Définitions

Paramétrage des régulateurs P, PI, PID.

Régulation proportionnelle intégrale

Régulation proportionnelle intégrale dérivée

70


Principe :

L’organe de réglage ou de commande ne peut occuper que deux positions extrêmes à l’exclusion de toute position intermédiaire.

Exemple : marche/arrêt, ouvert/fermé

Dans la variante « tout ou peu » l’une des position permet un fonctionnement intermédiaire.

Le passage d'une position à l'autre, appelé "commutation" doit s'effectuer lorsque la grandeur à régler franchit le point de consigne.

En fait, à cause du différentiel, la commutation s'effectue en retard.

Le régulateur est dit à action discontinue à deux échelons.

71


Exemples d'organes actionnés en "tout ou rien" :

- relais de brûleur,

- vanne électromagnétique,

- pompe ou ventilateur,

- moteur tout ou rien.

Pour lesquels l'ordre de commande est délivré par :

- thermostat "tout ou rien" dans les régulations électromagnétiques, - un relais "tout ou rien" dans les régulations électroniques.

72


Analyse du fonctionnement :

Par exemple, prenons la régulation de la température d'un ballon d'eau chaude sanitaire à accumulation. L'alimentation du ballon est assurée par une vanne "tout ou rien". Un thermostat du type "aquastat" commande la vanne.

Eau chaude sanitaire

Eau froide sanitaire

Point de consigne = 55°C

73





> 55°CSecteur 220 V

Vanne électromagnétique

Thermostat

74


1er cas :

On suppose nul le différentiel du thermostat, pas de retard.

Au temps 0, au démarrage, la température du ballon est en dessous du point de consigne :

- la vanne d'eau chaude chaudière est grande ouverte,

- la température du ballon est en train de croître.

75


Temps

Temps

56

54

55

Organe de réglage

Ouvert

Fermé

Point de consigne

Grandeur réglée

t 1 t 2 t 3 t 4 t 5

T

76


Après t1, la température atteint le point de consigne, puis le dépasse.

- La vanne se ferme, mais la température continue à croître durant un certain temps du fait de la capacité du serpentin chauffant.

- La température de l'eau du ballon passe par une valeur maximale au temps t2, puis décroît.

A t3, la température descend au-dessous du point de consigne.

- La vanne s'ouvre, mais la température du ballon continue à décroîte un certain temps correspondant au réchauffage du serpentin, jusqu'à un mini au temps t4, avant de croître à nouveau ; puis le cycle

recommence à t5 comme de t1 à t5.

Le cycle est caractérisé :

- par une période : temps T de t1 à t5.

- par une amplitude : variation de la température autour du point de consigne.

77


2ème cas :

en réalité, le régulateur possède un différentiel.

Dans ce cas on remarquera :

- l'amplitude du cycle est augmentée de la valeur du différentiel propre au régulateur. Le résultat s'appelle différentiel résultant ou différentiel total.

- la période du cycle est augmenté de deux fois le temps T que met la variable pour franchir le différentiel; Elle devient T'.

On voit donc que le différentiel :

- augmente l'amplitude : l'écart sur la grandeur réglée est plus grand.

- augmente la période : les organes de régulation fonctionnent moins souvent ce qui prolonge leur durée de vie.

78


Temps

55

53

54

Dif

fére

ntie

l tot

al

Grandeur réglée

Temps

Organe de réglage

Ouvert

Fermé

t 1 t 3 t 5

T'

57

56

t t

79


3ème cas : le thermostat régulateur est du type à "anticipation".

Le thermostat possède une résistance R qui est mise sous tension à chaque demande de chaud (contact froid). Cette résistance chauffe l'élément détecteur qui est ainsi "trompé" et la commutation s'effectue avec "anticipation".

Le cycle de régulation prend l'allure suivante :

R

Thermostat

T < 55°C

T > 55°C

Secteur 220V

Vanne

électromagnétique

80


Temps

Temps

55

53

54

Organe de réglage

Ouvert

Fermé

Dif

fére

ntie

l tot

al

Grandeur réglée

t 1 t 3 t 5

T'

57

56

81


Remarques :

On voit que dans ce cas l’amplitude a diminué (ce qui est bien).

Par contre, la période T’ est légèrement plus courte (les organes fonctionnent plus souvent, ce qui peut abréger leur durée de vie).

De plus, la valeur moyenne de réglage PC1 est légèrement abaissée par rapport à la valeur fixée PC0. Cette diminution est d’autant plus importante que la puissance de la résistance anticipatrice est élevée.

82


Condition d’utilisation de la régulation "tout ou rien"

Une bonne régulation "tout ou rien" doit présenter une courbe d'enregistrement de température avec la plus faible amplitude et la plus longue période

Période

Am

plit

ude

Temps

83


a) l'inertie thermique du système réglant doit être faible par rapport à celle du système réglé. Pour le ballon, c'est l'inertie de l'ensemble vanne serpentin, soit une capacité de l'ordre de quelques litres.

b) l'inertie thermique du système réglé doit être grande par rapport à celle du système réglant. Pour le ballon c'est l'inertie de la masse de 1000 litres ou plus d'eau.

c) la boucle de régulation doit réagir sans retard. Cette condition suppose une action instantanée du régulateur et l'utilisation d'organes de commande rapides.

d) le différentiel doit être faible (toutefois, il est parfois nécessaire d'augmenter, grâce au différentiel une période trop courte, mais en contrepartie, l’amplitude augmente ce qui est gênant).

e) l'emploi du thermostat à anticipation contribue à diminuer l'amplitude des oscillations.

Ce résultat est obtenu avec les conditions suivantes :

84


L'application au ballon à accumulation répond parfaitement aux conditions posées, à savoir :




On admet des soutirages faibles devant la capacité du ballon et une température homogène par brassage, agitation, convection.

- Capacité de l'élément chauffant faible, donc inertie faible.

- Capacité de l'élément chauffé grande, donc inertie grande.

85


Application à la régulation d'une installation de chauffage par radiateurs- Action sur vanne Le système REGLANT (vanne radiateur) doit avoir une inertie TRES FAIBLE par rapport au système réglé. Le système REGLE (local) doit avoir une inertie TRES GRANDE par rapport au système réglant. Le thermostat doit avoir une faible constante de temps, et sera de préférence "à anticipation". Le moteur de vanne devrait être rapide.Dans ces conditions, la régulation "tout ou rien" est possible.

Moteur "tout ou rien"

R

220V

86


-Action sur brûleur

Le brûleur est commandé par le thermostat d'ambiance. Le thermostat de la chaudière joue le rôle de thermostat limiteur.

Le système REGLANT comporte cette fois le brûleur + la chaudière + les tuyauteries + les radiateurs.

Dans une installation, avec radiateurs en fonte, la quantité d'énergie calorifique disponible au moment de l'arrêt du brûleur est importante.

220 V

R

Fr. Ch.

Ch.

Ph

N

N

R

87


-La quantité de chaleur accumulée dans le corps de la chaudière continue à chauffer l'eau.

-L'énergie calorifique disponible dans l'eau de la chaudière se dissipera lentement dans les radiateurs.

Si les pertes calorifiques sont faibles (bâtiment avec murs épais et petites ouvertures, bien isolé), la température ambiante peut monter de 1 à 2°C après que le thermostat aura arrêté le brûleur.

A la remise en route du brûleur, la quantité de chaleur à apporter pour réchauffer la chaudière, l'eau, la tuyauterie, les radiateurs et les murs est importante, et la température ambiante continuera à descendre de 1 à 2°C après que le thermostat aura remis en route le brûleur.

Il y a donc risque d'avoir à la fois une amplitude importante et des cycles longs.

On utilisera, en conséquence, un thermostat à anticipation.

88


Exemple :

Si l'on considère une installation dont les cycles sans anticipation sont de ½ heure de marche pour une ½ heure d'arrêt, avec un brûleur de 60 kW, l'installation reçoit 30 kW dans l'heure

Avec un thermostat anticipé, la même installation à des cycles composés : ¼ d'heure de marche, ¼ d'heure d'arrêt, ¼ d'heure de marche, ¼ d'heure d'arrêt.

L'installation reçoit la même quantité d'énergie mais le réglage est beaucoup plus sensible et l'inertie apparente est diminuée.

89


20

19

18

Sans anticipation

Avec anticipation

90


Inconvénients :

Les temps de fonctionnement du brûleur sont fonction de la saison :

-En hiver, les temps de marche seront longs et les temps d'arrêt courts. La température de l'eau de chaudière sera élevée 70 à 90°C.

-En demi saison, les temps de marche se réduiront et les temps d'arrêt s'allongeront. La température de l'eau de chaudière sera moyenne 40 à 60°C.

-En fin de saison de chauffe, les temps de marche seront courts et les temps d'arrêt longs. La température de l'eau de chaudière s'abaissera à 30, 25 et même 20°C.

En conséquence, et pendant une bonne partie de l'année :

-Les températures de retour à la chaudière seront suffisamment basses pour favoriser la corrosion.

-Les utilisateurs ne peuvent disposer d'E.C.S. (si l'installation comporte un ballon) qu'en période froide

91


Conclusion sur la régulation "tout ou rien"

Avantages :

C'est un système simple, peu coûteux, facile à installer et à remplacer. Il donne satisfaction à condition d'être employé dans des conditions spécifiques.

Il se prête aux fonctions de limitation et de sécurité.

Il permet d'obtenir différents régimes (jour – nuit) avec des appareillages adaptés et un dispositif de commutation par horloge.

Inconvénients

La grandeur réglée n'est pas constante, il y a une oscillation permanente de cette grandeur autour de la valeur de consigne.

Le rayonnement des corps de chauffe n'est pas constante. Les usagers sont sensibles à cet inconfort.

Les bruits dus aux dilatations de tuyauteries provoquées par les variations rapides de la température de l'eau incommodent les usagers.

92


Inconvénients (suite)

Le système ne s'applique pas à régulation :

-Des installations à panneaux de sol ( le système réglant ayant trop d'inertie).

-Des ballons de production E.C.S. de trop faible capacité (le système réglé a peu d'inertie).

-Des préparateurs instantanés.

Le système de régulation par action sur brûleur présente des inconvénients qui lui sont propres et qui ont été indiqués.

93


Dans ce mode de régulation, l’organe de réglage peut prendre toute position intermédiaire entre les deux positions extrêmes et y rester.

Pour assurer cette fonction, le dispositif inverseur possède des différentiels (XD) et une zone neutre (Zn).

Grandeur régléeConsigne

Demande

100 % Fermeture

100 % Ouverture

EquilibreXD

XD

Zn

94


Régulateur

Ouverture Fermeture

L

Y1 N Y2

Le régulateur possède un dispositif inverseur à trois positions

L’inverseur de commande est réalisé par :

• des relais à balance électromécaniques (régulateurs ancienne génération)

• des bascules électroniques par transistors (régulateurs nouvelle génération)

Le moteur de la vanne doit être de type électromécanique 3 points.

95


Dans ce mode, il existe une relation continue, linéaire, entre la valeur de l'écart et la position de l'organe de réglage à l'intérieur d'une plage appelée bande proportionnelle. Autrement dit, en état d'équilibre, à chaque valeur de la grandeur réglée correspond une position déterminée de l'organe de réglage.

Chauffage

Temp INT19°

O%

100%

Puissance

17° 18°

50%

xp

Attention !En mode proportionnel pur, il subsistera toujours un écart entre la consigne et la température obtenue puisque l’organe ne s’ouvrira que s’il existe un écart !

96


• Régulation mécanique du niveau d’eau:

• Flotteur: sonde

• Bras de levier (a+b): Xp

• Volume d ’arrivée ( V1): Grandeur de réglage Y

• Volume de sortie ( V2 ): Charge de l ’installation

• W (niveau souhaité) : consigne

• X (niveau mesuré) :grandeur mesurée

• Remarque:

• Conclusion:

• Inconvénient:

Plus la fuite est importante, plus l’écart consigne-mesure augmente.

L’écart consigne-mesure dépend donc de la charge.

Il subsiste un écart permanent sitôt qu’il y a une charge.

97


Application au chauffage régulé par une boucle fermée sur l’ambiance :

Toute variation de la température ambiante, mesurée par le détecteur, entraîne, par l'intermédiaire du régulateur proportionnel, une modification de l'ouverture de la vanne proportionnelle à l’écart.

Il en résulte une variation correspondante de l'émission calorifique du corps de chauffe.

98


Régulateur proportionnel

Détecteur

Moteur

VanneOrgane de réglage

Rad

iate

ur

Ordre de

commande

Local

Température à régler

Écart (consigne – mesure) = 100 % de XP ouverture vanne 100 %

99



Détecteur

Moteur


Rad

iate

ur

Ordre de

commande

Local


Écart (consigne – mesure) = 50 % de XP ouverture vanne 50 %

100



Détecteur

Moteur


Rad

iate

ur

Ordre de

commande

Local


Écart consigne – mesure = 0 % de XP ouverture vanne 0 %

101


Dans le cas d'une régulation proportionnelle du chauffage d'ambiance. La position de la vanne est bien modifiée proportionnellement à l'écart.

Le régulateur proportionnel ne répond qu'à la grandeur de l'écart, il est insensible à la vitesse de variation ou à la durée de cet écart.

Puisqu'il faut une modification de l'écart pour provoquer une modification de la position de la vanne, il existe un écart résiduel.

Perturbation de la charge thermique

temps

Bande proportionnelle

XP

Consigne

Grandeur réglée :

température

Grandeur de réglage.

Position de la vanne

100%

50 %

0 %

Position de la vanne proportionnelle à l’écart

102


Par diminution de la BP ou XP .Pour réduire cet écart, il faut réduire la largeur de la bande proportionnelle, mais il existe une BP ou XP minimale au-dessous de laquelle le régulateur aura un fonctionnement cyclique assimilable à un fonctionnement tout ou rien ; c'est le pompage.

Remèdes pour corriger l'écart de réglage.

XP trop étroite : la régulation pompe

XP

XP bien réglée : l’écart de réglage est réduit

XP

Grandeur réglée

Consigne

XP trop large : l’écart de réglage est large

XP

103


Réglage de la bande proportionnelle.

Selon les régulateurs, la bande proportionnelle peut être fixe ou réglable.

La bande proportionnelle est exprimée :

- soit dans l’unité de la grandeur réglée, par exemple 2 K pour une régulation d’ambiance ;

- soit en pour cent de la plage de réglage.

104

Actions complémentaires

Nécessité des actions complémentaires

Le réglage proportionnel présente deux inconvénients :

- Un risque de pompage si la bande proportionnelle est réglée trop petite

- Une augmentation de l’écart permanent résiduel si la bande proportionnelle est réglée trop grande.

Ainsi l’action P seule ne peut effectuer un réglage correct si la grandeur de réglage est soumise à de fortes variations.

105


Dans le système proportionnel, l’organe de réglage prend une position proportionnelle à l’écart de la grandeur à régler.

Dans le système intégral, c’est la vitesse de l’organe de réglage qui est proportionnelle à l’écart de la grandeur à régler. Plus l’écart est grand plus grande sera la vitesse de l’organe de réglage.

Il est très important de remarquer qu'aussi longtemps qu'il existe un écart, il existe une correction de la position de la vanne. Le mot intégral signifie qu'il est fait une intégration des valeurs passées de l'écart. La position de l'organe de réglage dépend donc de ces valeurs et de leur durée.

Ce mode de réglage procure une correction jusqu'à ce que l'écart soit nul, ce que ne peut réaliser le mode proportionnel.

106


Analogie :

L’image de cette action correspond à celle d’un automobiliste apercevant au loin un feu rouge.

Il va réduire progressivement sa vitesse afin que le véhicule s’immobilise en arrivant au feu.

d

d/2

50 Km/h 25 Km/h50 km/h 25 km/h

107

Régulateur proportionnel intégral

L’addition de l’action intégrale au mode proportionnelle permet d’annuler automatiquement l’écart du régulateur P.

Le régulateur possède deux paramètres de réglage : - La bande proportionnelle (XP) - La constante de temps d’intégration (ti) qui est le dosage de l’action intégrale.

temps


0 1 2 mn

Écart consigne mesure

E

E

EAction P

Action I

Écart résiduel

Choix de la constante de temps d’intégration

1 2

EAction P + IÉcart nul

108

Action complémentaire dérivée

Dans la fonction dérivée, l’action du régulateur est proportionnelle à la vitesse de variation de l’écart de réglage et non plus à la valeur de l’écart.

Plus la vitesse de variation de l’écart est brusque, plus l’action du régulateur est importante.

Si la vitesse de variation de l’écart est constante ou nulle, l’action dérivée est annulée.

109

Régulateur proportionnel intégral dérivé (PID)

L’action P corrige la position de la vanne proportionnellement à l’écart

temps


0 1 2 mn

L’action I corrige la position de la vanne à une vitesse proportionnelle à l’écart.L’écart résiduel est éliminé.

L’action D corrige la position de la vanne proportionnellement à la vitesse de variation de l’écart pour amener le plus rapidement possible la grandeur réglée à sa valeur de consigne,après une variation brutale.

Écart consigne mesure E

EAction P

EAction I

EAction D

Action P + I + D E

110

Tableau récapitulatif des actions discontinues des régulateurs

Régulation de température départ

en fonction de l’extérieur

Régulation de vanne 3 voies

motorisées

Système non adapté à la régulation

d’ambiance

Dispositif peu

coûteux

Bonne précision

Flottant

Commande de :

•Brûleurs 2 allures

•VMC

•Volets d’air

Régulation à

plusieurs

étagesIdemIdem

Tout

Ou

Peu

Systèmes à grande inertie

Commande d’organes électriques

(VEM, moteurs…)

Régulation à

point de

consigne fixe

Fluctuation de la

grandeur réglée

Régulation simple

Fiable

Économique

Tout

Ou

Rien

ApplicationsFonctionsInconvénientsAvantagesMode

111

Tableau récapitulatif des actions continues des régulateurs

Systèmes de régulation avec des tolérances faibles.

Processus industriels.

Processus élaboré avec

des paramètres à contrôler très

précis

Réglage à entretenir

Configuration coûteuse

Stabilisation très rapide

Écart permanent nul

PID

Régulation de température départ

en fonction de l’extérieur.

Régulation d’air pulsé.

Régulation des systèmes à variation de charge lente

Action relativement lente

Ne corrige pas les variations brutales

Affinement de l’écart du P

Bonne stabilité

Compense les irrégularités

lentes

PI

Régulation de température ambiante.

Boucle de régulation

longue

Écart par rapport à la consigne

Ne supporte pas les irrégularités

Bonne sensibilitéP

ApplicationsFonctionsInconvénientsAvantagesMode

112

Constante de temps

Température de la

Sonde Ts

Température de l’eau Te

RTe

Ts

C

Résistance thermique entre l’eau et la sonde

Capacité calorifique de la sonde

Une sonde de température soumise à une variation brutale de température présente une réponse exponentielle qui dépend du produit de sa résistance par sa capacité calorifique.

Ce produit RC est appelé constante

de temps .

113

Constante de temps

En thermique les réactions ne sont jamais instantanées il s’écoule toujours un certain temps entre une variation de la grandeur à régler et la compensation de cet écart.

Tous les composants d’une boucle de régulation ont des temps de réponse dus aux capacités calorifiques des corps considérés, c’est la constante de temps

Temps 5

Ordre de commande

Variation en échelon

Température

63,2%

Cette constante de temps peut être connue en traçant la droite qui correspond à la pente maximale à l’origine de l’échelon.

Il faut attendre 5 pour obtenir 99 % de la variation totale.

114

Temps de retard

Dans les installations, il existe des retards dus au déplacement de l’eau dans les tubes ou de l’air dans les gaines.

M T T

1m

10 m

90 °C

20 °C

v = 1 m/s

Exemple :

Si l’on pose une sonde à 10 m de la pompe au lieu de 1m, on introduit par rapport au premier un temps de retard supplémentaire de 9 secondes.

Pour faciliter la régulation, il faut essayer de diminuer le plus possible les temps de retard ou temps morts.

115

Temps de retard et constante de temps

Temps

Ordre de commande

Variation

en échelon

Température

63,2%

5 t0

t0

Tr

Dans une boucle de régulation, les temps de retard s’ajoutent aux constantes de temps et de ce fait, augmentent le degré de difficulté de régulation.

116

Paramétrage des régulateurs P, PI, PID

Certains régulateurs conçus pour des applications spécifiques sont paramétrés par le constructeur.

Méthode empirique de réglage

1 – Rechercher la bande proportionnelle ultime

- éliminer les effets de l’action intégrale et de l’action dérivée,

- régler la bande proportionnelle Xp à sa valeur maximale

- diminuer progressivement Xp et déceler la bande proportionnelle qui déclenche le pompage sans s’amortir.

Noter sa valeur Xpu et relever la durée d’une période de pompage tpu

117

Paramétrage des régulateurs P, PI, PID

2 – Paramétrer le régulateur en fonction de X pu et de t pu

- Pour P seul : Xp = 2 X pu

- Pour PI : Xp = 2,3 X pu

ti = t pu

- Pour PID : Xp = 1,7 X pu

ti = 0,75 t pu

td = 0,125 t pu

118

Calage de la courbe de chauffe

Réglage de la courbe de chauffe

Correction de la courbe de chauffe

Pente de la courbe de chauffe

Courbe de chauffe

119


Le réglage initial de la courbe de chauffe se fait en fonction :

• De la température ambiante désirée.

• De la température extérieure de base utilisée pour le calcul des déperditions du bâtiment.

• De la température de départ fixée lors du choix des corps de chauffe.

120


Pour obtenir une température de 20° C dans le local, une température de 20°C sur le départ par 20° extérieur doit logiquement être affichée sur le régulateur. Aucun échange n ’aura lieu, car il y a équilibre des températures.

Ces valeurs correspondent à la puissance maxi de l ’installation. Elles sont à adapter selon la situation géographique du bâtiment et du mode de chauffage retenu.

121


Suite au réglage initial, un enregistrement des températures ambiantes et extérieures doit être effectué.

Cet enregistrement sert à affiner les réglages de la courbe, les données issues du calcul de l'installation étant en général très optimistes. Beaucoup de paramètres ne sont pas tout à fait respectés par rapport à l'étude initiale ( débit des pompes, dimensionnement des corps de chauffe, mise en oeuvre des isolants...etc.).

Dans l'exemple suivant une baisse de la température ambiante est mise en évidence lors d'une chute de la température extérieure (l'installation ne comporte pas de réduit de nuit).

122


Enregistrement de la température ambiante

Enregistrement de la température extérieure

123

Pente de la courbe de chauffe

Une relation existe entre la pente et l'écart en ambiance.

Pour effectuer ce calcul il est nécessaire de connaître la "valeur" de la pente.

Calcul de la pente :

Ceci revient à dire que lorsque nous avons affaire à une pente de 2, il s'agit d'une augmentation de 2 degrés sur le départ lors d'une diminution de 1 degré à l'extérieur.

t départ

t extérieurePente =

124

Correction de la courbe de chauffe

Calcul de la variation du départ pour un écart donné dans l'ambiance :

Un écart de 1 K ambiant correspond à un écart de température départ de la valeur de la pente + 1

Si nous voulons augmenter la température ambiante de 2 °C, il faudra augmenter le départ de :

∆t départ = (Pente+1) * 2

Si la pente est égale à 1,5 le décalage du départ sera alors de :

5 ° C = ( 1,5 + 1 ) * 2

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