LA REGULATION - VFT47AFPALA REGULATION 2006 . 2 Généralités ... Analogie avec le convecteur...
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1 J-M R. D-BTP LA REGULATION 2006
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1 J-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
Application au chauffage central
Notion de boucle ouverte compensée
Application au chauffage central
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
Grandeur à régler (niveau)
Ecart
7
Terminologie
Grandeur à régler (niveau)
Point de consigne
Grandeur perturbatrice
Grandeur de réglage
8
Terminologie
Grandeur à régler (niveau)
Point de consigne
Grandeur perturbatrice
Grandeur de réglage
Organe
détecteur
Organe
comparateur
Organe
donneur
d’ordre
Actionneur
de l’organe
de réglage
Organe de
réglage
9
Notion de boucle fermée
Grandeur à régler (niveau)
Point de consigne
Grandeur perturbatrice
Grandeur de réglage
Organe
détecteur
Organe
comparateur
Organe
donneur
d’ordre
Actionneur
de l’organe
de réglage
Organe de
réglage BOUCLE FERMEE
10
Régulation de la température ambiante
W=20°C
W consigne
grandeur de référence
température ambiante désirée
X grandeur réglée
température ambiante mesurée
XW=W - X
écart de réglage
Z grandeurs perturbatrices
X
Z
11
convecteur
électrique
Analogie avec le convecteur électrique
résistance chauffante phase neutre
thermostat
retour
12
Analogie avec le convecteur électrique
Organe
détecteur
Organe
comparateur
donneur d’ordre
et moteur
*
Organe de
réglage
Grandeur à
régler
Grandeur de
réglage
Point de
consigne
13
Analogie avec le convecteur électrique
q > PC
14
Analogie avec le convecteur électrique
q < PC
15
Analogie avec le convecteur électrique
q < PC
16
Analogie avec le convecteur électrique
BOUCLE FERMEE
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Application au chauffage central
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
Application au chauffage central
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
Application au chauffage central
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
Notion de boucle ouverte
Grandeur à régler (niveau)
Point de consigne
Grandeur perturbatrice
Grandeur de réglage
Organe
détecteur
Organe
comparateur
Organe
donneur
d’ordre
Actionneur
de l’organe
de réglage
Organe de
réglage
Organe
détecteur
21
Notion de boucle ouverte
Grandeur à régler (niveau)
Point de consigne
Grandeur perturbatrice
Grandeur de réglage
Organe
détecteur
Organe
comparateur
Organe
donneur
d’ordre
Actionneur
de l’organe
de réglage
Organe de
réglage
Organe
détecteur
BOUCLE OUVERTE
On observe uniquement la grandeur de réglage et la grandeur perturbatrice.
22
Application au chauffage central
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.
q ext
q dép
v3v
23
Notion de boucle ouverte compensée
Grandeur à régler (niveau)
Point de consigne
Grandeur perturbatrice
Grandeur de réglage
Organe
détecteur
Organe
comparateur
Organe
donneur
d’ordre
Actionneur
de l’organe
de réglage
Organe de
réglage
Organe
détecteur
Organe
détecteur
24
Notion de boucle ouverte compensée
Grandeur à régler (niveau)
Point de consigne
Grandeur perturbatrice
Grandeur de réglage
Organe
détecteur
Organe
comparateur
Organe
donneur
d’ordre
Actionneur
de l’organe
de réglage
Organe de
réglage
Organe
détecteur
BOUCLE OUVERTE
COMPENSEE
On observe également la grandeur à régler.
Organe
détecteur
25
Application au chauffage central
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.
q ext
q dép
v3v
q amb
26
Régulateurs
Système de régulation
Sonde extérieure
Sonde d’ambiance
Sonde de température
Composants des systèmes de régulation
Aquastats
27
Système de régulation
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
Système de régulation
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.
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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).
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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.
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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
Sondes de température d’eau
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
Sondes de température d’eau
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
Sondes de température d’eau
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
V3V régulée par l’extérieur
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
V3V régulée par l’extérieur
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
V3V régulée par l’extérieur
Sonde extérieure
Sonde de départ
Sonde de retour
Appareil d’ambiance
Régulateur
Commande V3V
Circulateur
Schéma de
raccordement
49
V3V régulée par l’extérieur
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
BP
85 °C 45°C
35 °C
85
35
45 ∆T 50 K
10
50
40
50 Le 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
V3V régulée par l’extérieur
Sonde extérieure
Sonde de départ
Sonde de retour
Appareil d’ambiance
Régulateur
Commande V3V
Circulateur
Schéma de
raccordement
51
Brûleur régulé par l’extérieur
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
Brûleur régulé par l’extérieur
Schéma constructeur
B9 sonde extérieure
B1 sonde température chaudière
B5 sonde ambiante
A6 appareil d’ambiance
M1 circulateur
N1 régulateur
Brûleur
53
Brûleur régulé par l’extérieur
Sonde extérieure
Sonde température chaudière
Appareil d’ambiance
Circulateur
Régulateur
Brûleur
Schéma de raccordement
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
V3V régulée par l’ambiance
B1 sonde de départ
B5 sonde ambiante
B7 sonde de retour
A6 appareil d’ambiance
M1 circulateur
N1 régulateur
Y1 commande V3V
Schéma constructeur
56
V3V régulée par l’ambiance
Circulateur
Sonde de départ
Sonde de retour
Appareil d’ambiance
Régulateur
Commande V3V
Schéma de
raccordement
57
Brûleur régulé par l’ambiance
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
Brûleur régulé par l’ambiance
B1 sonde de chaudière
B5 sonde ambiante
A6 appareil d’ambiance
M1 circulateur
N1 régulateur
Brûleur
Schéma constructeur
59
Brûleur régulé par l’ambiance
Sonde température chaudière
Appareil d’ambiance
Circulateur
Régulateur
Brûleur
Schéma de raccordement
60
Régulation ECS par pompe de charge
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
Régulation ECS par pompe de charge
M 4 pompe de boucle
B31 sonde ballon 1
M3 pompe de charge
B 32 sonde ballon 2
K6 résistances ballon (option)
Schéma constructeur
62
Régulation ECS par pompe de charge
Commande pompe de charge
Sonde ballon
Régulateur
Schéma de raccordement
63
Régulation ECS par vanne trois voies
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.
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Régulation ECS par vanne trois voies
M 4 pompe de boucle
B31 sonde ballon 1
Y 3 commande V3V
B 32 sonde ballon 2
K6 résistances ballon (option)
Schéma constructeur
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Régulation ECS par vanne trois voies
Commande vanne 3 voies.
Sonde ballon.
Régulateur.
Schéma de raccordement
66
Régulation de cascade chaudières
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
Régulation de cascade chaudières
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
rosée) en réalisant une « relance contrôlée »..
68
Régulation de cascade chaudières
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
Régulation tout ou rien
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
Régulation tout ou rien
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
Régulation tout ou rien
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
Régulation tout ou rien
Eau chaude sanitaire
Eau froide sanitaire
Point de consigne = 55°C
q > 55°C Secteur 220 V
Vanne
électromagnétique Thermostat
74
Régulation tout ou rien
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
Régulation tout ou rien
Temps
Temps
56
54
55
q
Organe de réglage
Ouvert
Fermé
Point de
consigne
Grandeur
réglée t 1 t 2 t 3 t 4 t 5
T
76
Régulation tout ou rien
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
Régulation tout ou rien
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
Régulation tout ou rien
Temps
55
53
54
q
Dif
fére
nti
el t
ota
l
Grandeur
réglée
Temps
Organe de réglage
Ouvert
Fermé
t 1 t 3 t 5
T'
57
56
t t
79
Régulation tout ou rien
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
Régulation tout ou rien
Temps
Temps
55
53
54
q
Organe de réglage
Ouvert
Fermé
Dif
fére
nti
el t
ota
l
Grandeur
réglée
t 1 t 3 t 5
T'
57
56
81
Régulation tout ou rien
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
Régulation tout ou rien
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
pli
tude
Temps
83
Régulation tout ou rien
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
Régulation tout ou rien
L'application au ballon à accumulation répond parfaitement aux conditions
posées, à savoir :
Eau chaude
sanitaire
Eau froide sanitaire
Point de consigne =
55°C
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
Régulation tout ou rien
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
Régulation tout ou rien
-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
Régulation tout ou rien
-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
Régulation tout ou rien
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
Régulation tout ou rien
20
19
18
Sans anticipation
Avec anticipation
90
Régulation tout ou rien
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
Régulation tout ou rien
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
Régulation tout ou rien
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
Régulation flottante
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 réglée Consigne
Demande
100 % Fermeture
100 % Ouverture
Equilibre
XD
XD
Zn
94
Régulation flottante
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
Système proportionnel
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 INT
19°
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
Système proportionnel
• 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
Système proportionnel
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
Système proportionnel
Régulateur
proportionnel
Détecteur
Moteur
Vanne Organe de réglage
Rad
iate
ur
Ordre de
commande
Local
Température à régler
Écart (consigne – mesure) = 100 % de XP ouverture vanne 100 %
99
Système proportionnel
Régulateur
proportionnel
Détecteur
Moteur
Vanne Organe de réglage
Rad
iate
ur
Ordre de
commande
Local
Température à régler
Écart (consigne – mesure) = 50 % de XP ouverture vanne 50 %
100
Système proportionnel
Régulateur
proportionnel
Détecteur
Moteur
Vanne Organe de réglage
Rad
iate
ur
Ordre de
commande
Local
Température à régler
Écart consigne – mesure = 0 % de XP ouverture vanne 0 %
101
Système proportionnel
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
Système proportionnel
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
Système proportionnel
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
Action complémentaire intégrale
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
Action complémentaire intégrale
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
Grandeur de
réglage
0 1 2 mn
Écart consigne
mesure E
E
E Action P
Action I
Écart résiduel
Choix de la constante de
temps d’intégration 1 2
E Action P + I Écart 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
Grandeur de
réglage
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
E Action P
E Action I
E Action 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
étages
Idem
Idem
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
Applications Fonctions Inconvénients Avantages Mode
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 sensibilité
P
Applications Fonctions Inconvénients Avantages Mode
112
Constante de temps
Température de la
Sonde Ts
Température de l’eau Te
R Te
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
Réglage de la courbe de chauffe
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
Réglage de la courbe de chauffe
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
Calage de la courbe de chauffe
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
Calage de la courbe de chauffe
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.
Dt départ
Dt extérieure
Pente =
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
