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(11) | EP 0 249 531 B1 |
| (12) | FASCICULE DE BREVET EUROPEEN |
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| (54) |
Procédé et dispositif de regulation d'un chauffage central Verfahren und Vorrichtung zur Regelung einer Zentralheizungsanlage Method and apparatus for controlling a central-heating system |
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| Il est rappelé que: Dans un délai de neuf mois à compter de la date de publication de la mention de la délivrance de brevet européen, toute personne peut faire opposition au brevet européen délivré, auprès de l'Office européen des brevets. L'opposition doit être formée par écrit et motivée. Elle n'est réputée formée qu'après paiement de la taxe d'opposition. (Art. 99(1) Convention sur le brevet européen). |
[0001] La présente invention concerne un procécé et un dispositif de régulation d'un chauffage central pour bâtiment d'habitation individuelle ou collective.
[0002] Les procédés employés jusqu'ici entrent dans trois catégories présentant chacune divers inconvénients. Ils sont basés sur les principes suivants :
- Asservissement de la température de départ du fluide de chauffage à la température extérieure, suivant une loi dite "courbe de chauffe". Ce procédé ne permet pas de prendre en compte les apports internes de chaleurs, les apports solaires, le vent, les inerties thermiques, qui ont un effet sur les températures effectivement atteintes dans les habitations ; d'autre part, il nécessite un réglage manuel délicat des paramètres définissant la courbe de chauffe. Enfin, le coût d'installation d'une sonde de température à l'extérieur d'une habitation est relativement important.
- Asservissement de la température de départ du fluide à une température intérieure mesurée ; ce procédé n'a pas les inconvénients précédents, mais peut être perturbé par l'influence de conditions locales et/ou passagères (ouverture de fenêtres, fermeture d'un robinet de radiateur, exposition au soleil, proximité d'une source de chaleur, etc.), de sorte qu'il ne convient pas au chauffage d'immeubles collectifs, et demande certaines précautions en chauffage individuel ; il demande encore une liaison entre la chaufferie, le régulateur et le local où la température est mesurée.
- Modulation de débit par des robinets thermostatiques équipant les émetteurs ; ce procédé, efficace pour des consignes constantes, ne permet pas à lui seul la programmation horaire ; il peut être couplé à une programmation horaire centralisée de la température de départ ; celle-ci doit être suffisante en période normale pour assurer la satisfaction des besoins, et être choisie en période de chauffage réduit, de sorte que, les robinets thermostatiques n'opérant plus, les températures des pièces approchent au mieux la consigne réduite ; ce résultat est difficile à obtenir lorsque la régulation centrale ne connaît que la température extérieure ou une température intérieure.
[0003] On connaît par le brevet français FR-A-2.542.852 un procédé de régulation d'un chauffage central d'un bâtiment dans lequel au moins une fois par jour la consigne de température passe à une valeur réduite, procédé dans lequel on mesure en permanence deux températures du fluide caloporteur (température de départ et température de retour); on asservit la commande de chauffage à une valeur de la température intérieure estimée par approximations successives à partir de la température du fluide caloporteur et des propriétés thermiques du réseau de chauffage.
[0004] La mise en oeuvre de ce procédé conduit à certaines difficultés. Ainsi, les températures intérieures obtenues subissent des fluctuations trop importantes car les propriétés thermiques du réseau évoluent trop avec les actions de réglage manuel des utilisateurs.
[0005] On constate par ailleurs que l'apprentissage n'est pas obtenu avec une précision suffisante quand une différence faible existe entre les deux températures du fluide caloporteur.
[0006] La présente invention a pour but de mettre en oeuvre un procédé permettant d'éviter les inconvénients précédents.
[0007] Elle a également pour but de réduire le nombre et la complexité des interventions de réglage demandées à l'utilisateur du système de chauffage.
[0008] Ces buts sont atteints selon l'invention par le procédé tel que défini par le revendication 1.
[0009] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description suivante de divers modes de mise en oeuvre donnés à titre illustratif, mais nullement limitatif. Dans le dessin annexé :
- La figure 1 montre très schématiquement un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé, intégré à une chaudière de chauffage central.
- La figure 2 montre un diagramme illustrant les variations de température théorique et pratique, ainsi que la puissance de chauffe au cours d'une journée.
[0010] On voit dans la figure 1, une chaudière 1, avec sa commande de brûleur 2, son circulateur de fluide 3. La référence 4 illustre les tuyauteries de départ du fluide vers les éléments d'échange avec le bâtiment, tandis que la référence 5 illustre les tuyauteries de retour du fluide vers la chaudière. Un régulateur 10 est intégré à la chaudière 1 ; il reçoit en entrée 11 une information d'un organe 8 de mesure de la température du fluide, et dispose d'une sortie 12 de commande du brûleur 2.
[0011] Le régulateur exploite un modèle d'estimation de la température intérieure du bâtiment combinant en fait deux modèles distincts appelés respectivement modèle "réseau" et modèle "bâtiment" :
Le modèle "réseau" caractérise le réseau de distribution de chauffage en tant qu'échangeur entre le fluide caloporteur et le bâtiment à chauffer. Il s'écrit de façon générale :
f (0 i1, 0f, 't1) = 0, avec :
0 i1 = température intérieure moyenne estimée selon le modèle "réseau"
θf = température mesurée du fluide caloporteur par l'organe 8
τ1 = taux de charge, rapport de la puissance à la puissance maximale, connu d'après la commande définie par le régulateur.
[0012] Etant donné l'inertie thermique du réseau, τ1 ne doit pas être traité comme une valeur instantanée, mais comme une valeur moyenne sur un intervalle de temps suffisant, ou mieux comme une valeur moyenne pondérée par les facteurs de réponse inertielle du réseau, soit par exemple :
T'i (t) étant une famille de mémoires exponentielles du taux de charge instantané τ(t), basées sur des temps caractéristiques A ti différents:
du, approché par
n
[0013] Las facteurs de réponse p(i), caractéristiques du réseau, vérifiant
p(i) = 1, ne sont pas connus a priori, mais peuvent être établis assez rapidement par auto-apprentissagei effet, l'estimation de θ i1 d'après la loi f (0 i1, θ f1, τ1) = 0 ne doit varier que lentement étant donné l'inertie thermique du bâtiment, alors que le taux de charge instantané τ(t) est susceptible de varier rapidement.
[0014] bilité. Il convient donc de rechercher les valeurs {P(i)} qui donnent à l'estimation de θ i1 la meilleure stabilité.
[0015] L'auto-apprentissage de p(i) se fait en permanence. Chaque minute le taux de charge τ'i est mémorisé ; si on appelle δpi la correction faible à apporter à pi pour une variation δτ'i correspondant à deux valeurs successives de τ'i:
δ pi = λ A δτ'i où λ est une constante, et A l'erreur sur la variation de température en une minute.
[0016] La formulation la plus simple de la loi f serait :
θ i1 = θf - a. τ1, expression dans laquelle intervient un paramètre à identifier a, caractéristique du réseau.
[0017] Etant donné les variations importantes des coefficients d'échanges et du débit avec les niveaux de température, cette formulation risque d'être insuffisamment précise, de sorte qu'il peut être utile de recourir à un modèle un peu plus complexe, soit par exemple le modèle implicite :
τ1 = p1 ( θ f- θi) + p2 ( θ f- θi)2, dont on peut déduire θi, connaissant θ f et τ1. Dans toute la suite on utilisera cette formulation pour le modèle"réseau".
[0018] Ce modèle fait intervenir deux paramètres p1 et p2. Ceux-ci peuvent également être établis parauto-apprentissage, en mettant à profit la programmation horaire, comme cela va être explicité ci-dessous.
[0019] En effet, le régulateur peut interrompre le chauffage - généralement pour plusieurs heures - lorsque la consigne passe de la valeur normale à la valeur réduite ; τ1 tend vers zéro, de sorte que θ i devient bien connu, car voisin de θ f.
[0020] La valeur obtenue constitue une référence précise, que l'on peut injecter dans le modèle "bâtiment" (voir plus loin), afin d'estimer avec une bonne précision quelle était la valeur de θ i lors du changement de consigne, et d'en déduire une condition sur p1 et p2.
[0021] De même, la valeur de θ i bien connue en fin de période d'arrêt du chauffage, combinée avec le modèle "bâtiment", donne une estimation précise de θ i lorsque le chauffage a redémarré depuis peu de temps, par exemple depuis une heure, alors que τ 1 et θ f ont déjà atteint des valeurs élevées, ce qui donne une nouvelle condition sur p1 et p2. On voit donc que chaque transition de la consigne donne une information sur p1 et p2, de sorte que ceux-ci peuvent être évalués assez rapidement.
[0022] La loi f ( θi1, θ f, τ1) : 0 peut être perturbée par des actions locales, telles par exemple les actions limitantes de robinets thermostatiques. Dans ce cas, la température du fluide 0 f est plus élevée à taux de charge donné. L'application de la loi f conduit à une surestimation de θ i, et donc à une réduction du chauffage. Cette réduction est utile, car l'action des robinets thermostatiques signifie que la demande de chauffage est inférieure à l'offre. On peut donc considérer que le régulateur assure principalement une régulation de la température intérieure moyenne du bâtiment, avec toutefois une adaptation partielle à la demande exprimée par les actions de réglage locales.
[0023] Le modèle "bâtiment" est le deuxième moyen dont dispose le régulateur pour estimer la température intérieure. Il caractérise le bâtiment en tant qu'espace, dont la température est sensible aux apports de chauffage, ainsi qu'à d'autres sollicitations plus ou moins connues (climat, occupation). Il peut s'écrire par exemple :
avec :
. θi2 (t) = température intérieure moyenne au temps t, selon le modèle "batiment"
. θi1 (to) : température intérieure moyenne selon le modèle "réseau", mémorisée depuis l'heure to de fin de la dernière période d'arrêt prolongé du chauffage
. i2 (t), τ2 (to) = mémoire exponentielle du taux de charge instantané τ(t), de temps caractéristique Δto égal à 3 heures environ.
. T2 est calculé par :
. p3 = paramètre définissant la sensibilité de la température du bâtiment vis-à-vis du chauffage.
. g (t), g (to) = fonction de correction horaire de la température intérieure, pour tenir compte de la part prévisible des fluctuations horaires des conditions climatiques et d'occupation ; g (t) est minimal vers 8h, et maximal vers 15h.
. p4 : paramètre définissant l'amplitude des corrections horaires de température à effectuer, pour le bâtiment considéré.
[0024] La formulation du modèle "batiment" est justifiée par les considérations suivantes : - θ i1 (to) constitue une evaluation précise de la température intérieure au temps to, même lorsque les paramètres {P (i)} P1, P2 sont mal connus
[0025] L'appel à un mémoire exponentielle du taux de charge, de temps caractéristique égal à 3 heures, permet de tenir compte approximativement de l'effet combiné des inerties thermiques du réseau et du bâtiment.
[0026] L'expérience montre que cette formulation donne généralement d'assez bons résultats. L'effet à long terme (plus de 24h) des inerties thermiques n'est pas à prendre en compte, car on dispose au moins une fois par jour d'une nouvelle estimation précise θ i1 (to).
[0027] La fonction g(t) intervient dans un terme correctif dont l'amplitude est de l'ordre de 1 à 2°C. Elle traduit le fait que la température extérieure, les apports solaires, les apports internes, sont statistiquement plus élevés le jour que la nuit. S'agissant d'un terme correctif, on admet sur g(t) un certain degré d'approximation, permettant le recours à une fonction préprogrammée.
[0028] Il est possible de définir le paramètre de sensibilité p3 par auto-apprentissage ; en effet, la température intérieure est bien connue grâce au modèle "réseau" quelque temps (deux heures environ) après l'arrêt du chauffage occasionné par chaque baisse de consigne. Il suffit alors de comparer cette température à la valeur donnée par le modèle "bâtiment", et de corriger p3 en conséquence.
[0029] L'auto-apprentissage du paramètre p4 est également possible mais relativement lent :
p4 peut être ajusté pour que la différence θ i1 (15h) - 0 i2 (15h) des températures données par les deux modèles à 15 heures soit statistiquement de moyenne nulle.
[0030] Le régulateur peut utiliser à tout instant une combinaison des modèles "bâtiment" et "réseau" pour accéder à la meilleure estimation possible de la température intérieure θ i3, et agir en conséquence sur la commande de chauffage. Cette combinaison doit accorder un poids plus important au modèle qu'on sait être le plus précis dans les conditions de fonctionnement considérées:
Le modèle "réseau" est particulièrement précis durant les périodes d'arrêt ou de réduction du chauffage ; il l'est moins lorsque la température du fluide est élevée, et dans les régimes transitoires.
[0031] Le modèle "bâtiment" reste précis lorsque la température du fluide est élevée, pourvu que la référence 0 i1 (to) soit suffisamment récente. On peut alors limiter le rôle du modèle "réseau" à la détection des excursions de température intérieure liées aux modifications imprévisibles des conditions climatiques et d'occupation.
[0032] Le modèle "bâtiment" permet également de mettre en oeuvre une fonction d'anticipation de chauffage, lorsque la consigne est réduite, en prévision du futur passage à une consigne normale : il convient d'estimer l'évolution de température dans l'hypothèse d'un fonctionnement à pleine charge, et de déclencher ledit fonctionnement lorsque la température estimée pour l'heure de la transition coïncide avec la consigne normale.
[0033] Il est possible d'obtenir à la mise en service des conditions de fonctionnement acceptables, quoique non optimales, en donnant aux paramètres intervenant dans les modèles les valeurs initiales les plus plausibles. L'adaptation aux particularités du bâtiment et de son système de chauffage ne demande que quelques jours.
[0034] Il est toutefois souhaitable que le régulateur continue à faire régulièrement appel aux fonctions d'auto-apprentissage, afin de s'adapter aux modifications éventuelles de définition du contexte.
[0035] En particulier, le paramètre p4 peut subir des variations saisonnières significatives (valeurs plus élevées en mi-saison qu'en hiver), et la condamnation provisoire de certains convecteurs peut modifier les paramètres
{p (i)} , p1, p2 du modèle "réseau".
[0036] La figu 2 représente un résultat d'essai d'un régulateur suivant l'invention, appliqué au chauffage d'un logement habité, immédiatement après la mise en service.
[0037] En abscisse on a une échelle de temps t (Heures) ; l'origine est fixée à 16 heures 30 le 58ieme jour de l'année et la mesure se termine à 4 heures le 60ième jour de l'année.
[0038] On a représenté la consigne de température intérieure (courbe T), la température intérieure estimée par le régulateur (courbe 0 i3), la température du fluide (courbe θf) ; à titre indicatif, on a donné également la température intérieure effective 0 i et l'ensoleillement (W/m2 - courbe S), qui ne sont pas mesurés par le régulateur.
[0039] Cette figure montre que l'on obtient rapidement après la mise en service des performances satisfaisantes.
[0040] La température de consigne T est égale à 20° C sauf entre 23 heures et 6 heures du matin, où elle est égale à 17°C.
[0041] A la mise en service le 58ieme jour de l'année à 16 heures 30, on arrête le chauffage. Cette période d'arrêt est nécessaire pour obtenir une première estimation de la température intérieure 0 i3.
[0042] A 18 heures θ i3 étant inférieure à la température de consigne, le chauffage est mis en marche à plein régime, θ f croit et le régulateur fonctionne sur la base du modèle "bâtiment" qui est alors le plus précis.
[0043] A 23 heures θ i3 est supérieure à la valeur T (17°C) et le régulateur arrête le chauffage. La température θ baisse relativement lentement à cause de l'inertie thermique du réseau. Si on se réfère à la formule du modèle "bâtiment" pour to = 1 heure du matin, θ i1 (to) = θ i2 (to), le modèle "bâtiment" coïncide avec le modèle "réseau".
[0045] Vers 1 heure 30 environ, le régulateur met en oeuvre le modèle "batiment" et commande le chauffage à pleine charge pour que la température θ i3 de 20 degrés soit atteinte à 6 heures.
[0046] A partir de 5 heures le régulateur met en oeuvre une combinaison des deux modèles "bâtiment" et "réseau" jusqu'à 23 heures.
ledit modèle "réseau" étant représenté par la loi :
f (θi1, θf, τ1) = 0 avec :
- 0 i1 = température intérieure moyenne dudit bâtiment selon le modèle "réseau"
- θf = température dudit fluide caloporteur
- τ1 = taux de charge ou rapport de la puissance de chauffage à la puissance maximale, ledit modèle "bâtiment" étant représenté par la loi :
- θi2(t) = θi1 (to) + P3 [τ2(t) - τ2(to)] + p4 [g(t) - g(to)] avec :
- θi2(t) = température intérieure moyenne au temps t selon le modèle "bâtiment",
- θi1(to) = température intérieure moyenne selon le modèle "réseau", mémorisée depuis une heure to de fin de la dernière période d'arrêt prolongé de chauffage,
- T2 (t), T2 (to) = mémoire exponentielle du taux de charge instantané τ(t) de temps caractéristique A to
- p3 = paramètre définissant la sensibilité de la température du bâtiment vis-à-vis du chauffage,
- g(t), g(to) = fonction de correction horaire de la température intérieure, pour tenir compte de la part prévisible des fluctuations horaires des conditions climatiques et d'occupation,
- p4 = paramètre définissant l'amplitude des corrections horaires de température à effectuer, pour le bâtiment considéré.
τ1 = p1 (θf- θi1) + P2 (θf- θi1)2
f(θi1, θf, τ1) = 0 where:
- θi1 = the mean inside temperature of the building according to the " network " model;
- θf = the temperature of said heat conveying fluid; and
- τ1 = the load factor, i.e. the ratio of the heating power to maximum power; said "building" model being represented by the relationship:
- θi2(t) = θi1(to) + p3[τ2(t) - τ2(to)] + p4[g(t) - g(to)] where
- θi2(t) = the mean inside temperature at time t according to the "building" model;
- θi1 (to) = the mean inside temperature according to the "network" model as stored from time to at the end of the previous prolonged period during which heating was stopped;
- τ2(t), r2(to) = an exponential memory of the instantaneous load factor τ(t) having a characteristic time Δ to;
- p3 = a parameter defining the sensitivity of the building temperature to heating;
- g(t), g(to) = a time correction function of the inside temperature to take account of the foreseeable portion of hourly fluctuations in climate and conditions of use; and
- p4 = a parameter defining the amplitude of the time temperature corrections to be performed for the building under consideration.
τ1 = p1(θf - θi1) + P2(θf - θi1)2
- θi1 = mittlere Innentemperatur des Gebäudes gemäß dem "Netzmodell",
- 8f = Temperatur des Wärmeträgerfluids,
- τ1 = Belastungsgrad bzw. Leistungsverhältnis der Heizleistung bei maximaler Leistung, und wobei das "Gebäudemodell" durch die Beziehung
- 0i2(t) = θi1(to) + p3[τ2(t) - τ2(to)] + p4[g(t) - g(to)] dargestellt wird, mit:
- 0i2(t) = mittlere Innentemperatur zur Zeit t gemäß dem "Gebäudemodell",
- θi1(to) = mittlere Innentemperatur gemäß dem "Netzmodell", die seit einer Stunde to ab Ende der letzten längeren Heizungsstillstandsperiode gespeichert wurde,
- t2(t), τ2(to) = Exponentialspeichergröße des momentanen Belastungsgrads τ(t) des charakteristischen Zeitzuwachses Ato,
- p3 = Parameter, der die Empfindlichkeit der Temperaturdes Gebäudes in Bezug auf die Heizung definiert,
- g(t), g(to) = Stundenkorrekturfunktion der Innentemperatur, um dem vorhersehbaren Anteil der Stundenfluktuationen der klimatischen Bedingungen und der Bewohner Rechnung zu tragen,
- p4 = Parameter, der die Amplitude der zu bewirkenden Stundenkorrekturen für das betrachtete Gebäude definiert.