Installation de production d'eau chaude sanitaire par chaudière à gaz et procédé de régulation de la température d'eau chaude sanitaire dans une telle installation

Abstract

 L'installation de production d'eau chaude sanitaire comprend un dispositif (40) de mesure du débit (Q_ECS) de puisage d'eau chaude sanitaire dans le circuit (11,14) de production d'eau chaude sanitaire, un dispositif (30) de mesure de la température (Ts) de l'eau chaude sanitaire en sortie de l'échangeur de chaleur (13) et un système (100) de commande de la vanne de modulation (20) comprenant lui-même un module (102) de régulation en boucle fermée de la vanne de modulation (20) à partir de la température (Ts) mesurée par ledit dispositif (30) de mesure de température et d'une température de consigne (Tc), un module (103) à action proportionnelle de régulation directe de la vanne de modulation (20) à partir des informations (Q_ECS) foumies par le dispositif (40) de mesure de débit de puisage (Q_ECS), et un module (104) de régulation impulsionnelle de la vanne de modulation (20) à partir des variations de débit détectées par le dispositif (40) de mesure de débit, le module (104) de régulation impulsionnelle engendrant un signal créant un pic du débit d'alimentation en gaz du brûleur (12) par la vanne de modulation (20) à chaque variation brusque significative de débit de puisage d'eau chaude sanitaire (Q_ECS) mesurée.

Description

[0001] La présente invention a pour objet une installation de production d'eau chaude sanitaire pour chaudière à gaz à brûleur atmosphérique, comprenant un foyer de chaudière équipé d'un brûleur alimenté en gaz par l'intermédiaire d'une vanne de modulation commandée électriquement, et au moins un échangeur de chaleur entre ledit foyer et un circuit de production d'eau chaude sanitaire comportant une ligne d'arrivée d'eau froide et une ligne de puisage d'eau chaude sanitaire.

[0002] L'invention conceme également un procédé de régulation de la température d'eau chaude sanitaire dans une installation de production d'eau chaude sanitaire par échange de chaleur avec un foyer de chaudière à gaz comportant un brûleur atmosphérique dont le débit d'alimentation en gaz est modulé à partir d'un système d'asservissement.

[0003] Dans les installations connues de production d'eau chaude sanitaire par chaudière à gaz, il est bien connu que la température de sortie de l'eau chaude sanitaire a tendance à varier en fonction de la quantité d'eau chaude consommée par les utilisateurs. Ainsi, en cas d'augmentation du débit de puisage d'eau chaude par un utilisateur prenant un bain ou une douche, ou du fait de la mise en service d'un autre appareil consommant de l'eau chaude, tel qu'un lave-vaisselle, la température de sortie de l'eau chaude produite a tendance à baisser. Pour remédier à cet inconvénient, on a déjà envisagé de procéder à une régulation du débit de gaz fourni au brûleur de la chaudière, ce débit étant commandé par une vanne de modulation à commande électrique.

[0004] Les divers systèmes d'asservissement connus, mécaniques ou électroniques, ne se sont toutefois pas montrés suffisamment efficaces pour garantir une température constante de l'eau chaude consommée, même en cas de variations brusques de débit, qui sont pourtant fréquentes en pratique, notamment lorsque plusieurs utilisateurs s'approvisionnent en eau chaude à partir d'une même installation de production d'eau chaude.

[0005] L'invention a pour but de remédier aux inconvénients précités et de permettre le maintien à une valeur constante et stable de la température de sortie de l'eau chaude sanitaire foumie par une installation de production d'eau chaude sanitaire par chaudière à gaz, quel que soit le débit d'eau puisée, y compris lorsque les variations de débit sont très brusques du fait de la mise en marche ou de l'arrêt par un utilisateur d'un appareil de consommation d'eau chaude.

[0006] Ces buts sont atteints grâce à une installation de production d'eau chaude sanitaire pour chaudière à gaz à brûleur atmosphérique, comprenant un foyer de chaudière équipé d'un brûleur alimenté en gaz par l'intermédiaire d'une vanne de modulation commandée électriquement, et au moins un échangeur de chaleur entre ledit foyer et un circuit de production d'eau chaude sanitaire comportant une ligne d'arrivée d'eau froide et une ligne de puisage d'eau chaude sanitaire, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre un dispositif de mesure du débit (Q_ECS) de puisage d'eau chaude sanitaire dans le circuit de production d'eau chaude sanitaire, un dispositif de mesure de la température (Ts) de l'eau chaude sanitaire en sortie de l'échangeur de chaleur et un système de commande de la vanne de modulation commandée électriquement, le système de commande de la vanne de modulation comprenant un module de régulation en boucle fermée de la vanne de modulation à partir de la température (Ts) mesurée par ledit dispositif de mesure de température et d'une température de consigne (Tc), un module à action proportionnelle de régulation directe de la vanne de modulation à partir des informations (Q_ECS) foumies par le dispositif de mesure de débit de puisage (Q_ECS), et un module de régulation impulsionnelle de la vanne de modulation à partir des variations de débit détectées par le dispositif de mesure de débit, le module de régulation impulsionnelle engendrant un signal créant un pic du débit d'alimentation en gaz du brûleur par la vanne de modulation à chaque variation brusque significative de débit de puisage d'eau chaude sanitaire (Q_ECS) mesurée par ledit dispositif de mesure, le pic étant positif ou négatif selon que la variation correspond à une augmentation ou une diminution de ce débit, les valeurs initiale et finale du pic étant nulles et l'amplitude d'un pic étant proportionnelle à la variation de débit détectée.

[0007] De façon plus particulière, le module de régulation impulsionnelle comprend des moyens pour engendrer un signal échantillonné créant un pic de débit de gaz (Q_G3) dont la valeur est obtenue en fonction du débit de puisage d'eau chaude sanitaire (Q_ECS) par la formule échantillonnée suivante :

où

k₁ est un coefficient dont la valeur est comprise entre 0 et 1,

k₂ est un paramètre positif réglé en fonction du type de chaudière,

Q_G3(n) et Q_G3(n-1) désignent la valeur de pic du débit de gaz (Q_G3) aux instants n et n-1, et

Q_ECS(n) et Q_ECS(n-1) désignent la valeur du débit de puisage d'eau sanitaire aux instants n et n-1.

[0008] Selon un mode particulier de réalisation, le module de régulation impulsionnelle comprend des moyens pour définir le paramètre positif k₂ réglé en fonction du type de chaudière, à partir des informations suivantes : capacité calorifique (Cp) de l'eau, rendement (η) de l'installation, pouvoir calorifique inférieur (PCI) du gaz, température de consigne (Tc) et température de l'eau froide (Tef) introduite dans le circuit de circulation d'eau chaude sanitaire, selon la formule

[0009] Avantageusement, le module de régulation en boucle fermée comprend un circuit d'asservissement du type PID (Proportionnel-Intégrale-Dérivée) dont la grandeur d'entrée est constituée par l'écart entre la température (Ts) mesurée par ledit dispositif de mesure de température et la température de consigne (Tc).

[0010] Selon un autre mode de réalisation avantageux, le module de régulation en boucle fermée comprend un contrôleur flou recevant en entrée une information d'erreur de température E correspondant à la différence entre la température (Ts) mesurée par ledit dispositif de mesure de la température et la température de consigne (Tc), ainsi qu'une information correspondant à la dérivée par rapport au temps de l'Information d'erreur de température.

[0011] Dans ce cas, de préférence, le module de régulation en boucle fermée comprend en outre un circuit d'asservissement de type PI (Proportionnel-Intégrale) placé en sortie du contrôleur flou et recevant en entrée une information (dQ_G) de variation de débit d'alimentation en gaz du brûleur.

[0012] Ceci permet d'éviter d'éventuelles instabilités ou oscillations du système.

[0013] L'invention conceme également un procédé de régulation de la température d'eau chaude sanitaire dans une installation de production d'eau chaude sanitaire par échange de chaleur avec un foyer de chaudière à gaz comportant un brûleur atmosphérique dont le débit d'alimentation en gaz est modulé à partir d'un système d'asservissement, caractérisé en ce que le débit (Q_G) d'alimentation en gaz dudit brûleur est asservi à partir de la mesure du débit (Q_ECS) de puisage d'eau chaude sanitaire, d'une part, par une régulation directe à action proportionnelle à partir de ladite mesure du débit (Q_ECS) de puisage d'eau chaude sanitaire et, d'autre part, par une régulation impulsionnelle à partir des sauts significatifs (ΔQ_ECS) de la valeur mesurée du débit (Q_ECS) de puisage d'eau chaude sanitaire, la régulation impulsionnelle agissant sur le débit (Q_G) d'alimentation en gaz dudit brûleur de manière à créer un pic selon une fonction "pic" f(t) telle que, si t = 0 est l'instant du saut de débit ΔQ_ECS positif, respectivement négatif, la fonction f(t) est définie par :

. f(0-) = 0

. f(0+) = k₂ ΔQ_ECS, avec k₂ coefficient positif,

. f est décroissante (resp. croissante) sur ]0, + ∝[

. lim f(t) = 0
t → + ∝.

[0014] Dans ce cas, le coefficient positif k₂ peut être réglé en fonction du type de chaudière, à partir des informations suivantes : capacité calorifique (Cp) de l'eau, rendement (η) de l'installation, pouvoir calorifique inférieur (PCI) du gaz, température de consigne (Tc) et température de l'eau froide (Tef) introduite dans le circuit de circulation d'eau chaude sanitaire, selon la formule :

[0015] Avantageusement, le débit (Q_G) d'alimentation en gaz dudit brûleur est en outre asservi à partir de l'écart entre la température réelle (Ts) de l'eau chaude sanitaire produite et une température de consigne (Tc) selon un asservissement en boucle fermée du type PID (Proportionnel-Intégrale-Dérivée).

[0016] Selon un autre mode de réalisation avantageux, le débit (Q_G) d'alimentation en gaz dudit brûleur est en outre asservi, par une commande floue, à partir d'une information d'erreur de température E correspondant à la différence entre la température réelle (Ts) de l'eau chaude sanitaire produite et une température de consigne (Tc), et à partir d'une information correspondant à la dérivée par rapport au temps de l'information E d'erreur de température.

[0017] Dans ce cas, de préférence, le débit (Q_G) d'alimentation en gaz dudit brûleur est en outre asservi à partir de l'information de sortie de la commande floue selon un asservissement de type PI (Proportionnel-Intégrale).

[0018] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description suivante de modes particuliers de réalisation, donnés à titre d'exemples, en référence aux dessins annexés, sur lesquels :

• la Figure 1 est un schéma-bloc d'ensemble d'une installation de production d'eau chaude sanitaire selon l'invention ;
• la Figure 2 est un diagramme montrant un exemple d'évolution brusque, en fonction du temps du débit Q_ECS d'eau chaude sanitaire puisée dans une installation telle que celle de la Figure 1 ;
• la Figure 3 est un diagramme montrant de façon comparative l'évolution de la température de sortie d'eau chaude sanitaire produite dans une installation classique et dans l'installation de la Figure 1, lorsque le débit d'eau chaude puisée évolue selon le diagramme de la Figure 2 ;
• la Figure 4 est un diagramme montrant l'évolution en fonction du temps de la quantité de gaz foumie au brûleur de l'installation de la Figure 1, lorsque le débit d'eau chaude puisée évolue selon le diagramme de la Figure 2;
• la Figure 5 est un schéma-bloc d'une variante de réalisation de l'installation de production d'eau chaude sanitaire selon l'invention qui met en oeuvre un contrôleur flou ;
• la Figure 6 montre un exemple de table d'inférence pouvant être associée au contrôleur flou de l'installation de la Figure 5 ;
• la Figure 7 montre un exemple de fonctions d'appartenance d'une variable d'entrée (écart de température E) du contrôleur flou de l'installation de la Figure 5 ;
• la Figure 8 montre un exemple de fonctions d'appartenance d'une autre variable d'entrée (dérivée par rapport au temps de l'écart de température E) du contrôleur flou de l'installation de la Figure 5 ; et
• la Figure 9 montre un exemple de fonctions d'appartenance de la variable de sortie (écart de débit d'alimentation en gaz dQ_G) du contrôleur flou de l'installation de la Figure 5.

[0019] La Figure 1 représente de façon schématique une installation de production d'eau chaude sanitaire comprenant un foyer de chaudière à gaz 10 équipé d'un brûleur atmosphérique 12 alimenté par un débit Q_G de gaz à partir d'une vanne de modulation 20 à commande électrique. Le circuit de production d'eau chaude sanitaire comprend une entrée 11 d'alimentation en eau froide à une température Tef, un échangeur de chaleur 13 entre l'eau froide et la chaleur dégagée dans le foyer 10 par la flamme issue du brûleur 12 et une sortie 14 de foumiture d'eau chaude sanitaire à une température de sortie Ts et avec un débit Q_ECS.

[0020] Dans une installation domestique, le débit Q_ECS de l'eau chaude sanitaire puisée par les utilisateurs varie de façon brusque et non prévisible en fonction du nombre d'appareils de consommation d'eau chaude mis en ou hors service (douche, lavabo, baignoire, lave-vaisselle,...). Si la quantité de chaleur produite dans le foyer de la chaudière 10 reste constante, les variations du débit Q_ECS conduiront automatiquement à des variations du même ordre pour la température Ts de l'eau chaude sanitaire produite, ce qui s'avère désagréable pour les utilisateurs. C'est pourquoi l'installation selon l'invention est équipée d'un système 100 de commande de la vanne de régulation 20 de manière à pouvoir ajuster en temps réel le débit de gaz Q_G foumi au brûleur 12 et ainsi assurer un maintien constant ou quasi constant de la température Ts de sortie de l'eau chaude sanitaire.

[0021] Pour cela, l'installation comprend un débitmètre 40 placé sur le circuit de production d'eau chaude sanitaire afin de mesurer en permanence le débit réel d'eau chaude puisée. La température Ts de sortie de l'eau chaude sanitaire est, de la même façon, mesurée par une sonde de température 30 fournissent, par des lignes 41, respectivement 32, des informations sur les valeurs du débit Q_ECS et de la température Ts au système 100 de commande de la vanne de régulation 20, qui peut comprendre un micro-contrôleur associé à des convertisseurs analogiques-numériques (pour les informations d'entrée) et un convertisseur numérique-analogique (pour la commande de la vanne 20).

[0022] Une valeur de température de consigne Tc, à laquelle doit être maintenue la température de sortie Ts de l'eau chaude sanitaire, peut être définie une fois pour toutes dans le système de commande 100 ou être foumie à partir d'une information externe appliquée par une ligne 31 à travers une interface de communication entre le système de commande 100 et les utilisateurs.

[0023] Conformément à l'invention, le système de commande 100 comprend un module de régulation 104 qui reçoit en entrée, par la ligne 41, une information fournie par le débitmètre 40 concemant le débit Q_ECS d'eau chaude sanitaire puisée. Le module 104 détecte les variations brusques significatives du débit Q_ECS qui constituent des sauts de débit d'une valeur ΔQ_ECS, et génère en sortie, sur une ligne 141, un signal de commande tendant à provoquer instantanément un pic du débit de gaz Q_G3 devant être foumi par la vanne de modulation 20 au brûleur 12, dès l'apparition d'un tel saut de débit ΔQ_ECS.

[0024] Les propriétés du module 104 générant les pics de débit de gaz Q_G3 au moment des variations brusques de débit ΔQ_ECS sont les suivantes :

• les pics de débit de gaz Q_G3 sont provoqués uniquement par détection de variations du débit de gaz mesuré par le débitmètre 40,
• les valeurs initiale et finale du pic sont nulles,
• l'amplitude des pics est proportionnelle à la variation ΔQ_ECS du débit de puisage de l'eau chaude sanitaire,
• le pic a lieu dans le même sens que la variation ΔQ_ECS du débit de puisage, c'est-à-dire que le pic est positif lorsque le débit Q_ECS d'eau chaude augmente et le pic est négatif lorsque le débit Q_ECS d'eau chaude diminue.

[0025] D'une manière générale, la fonction "pic" f(t) donnant la configuration du pic en fonction du temps lors d'un saut de débit ΔQ_ECS positif (resp. négatif) peut s'exprimer de la façon suivante :
soit t = 0 l'instant du saut de débit ΔQ_ECS positif (resp. négatif), alors la fonction f(t) se définit par :

. f(0-) = 0

. f(0+) = k₂ ΔQ_ECS, avec k₂ > 0,

. f est décroissante (resp. croissante) sur ]0, + ∝[

. lim f = 0
t → + ∝.

[0026] Le coefficient k₂ positif est une constante dont la valeur est déterminée en fonction du type de chaudière et de la nature du gaz combustible utilisé.

[0027] A titre d'exemple, le coefficient k₂ peut être défini à partir des informations suivantes :

capacité calorifique de l'eau Cp

rendement de l'installation η

pouvoir calorifique inférieur du gaz PCI

température de consigne Tc et

température Tef de l'eau froide introduite dans le circuit de foumiture d'eau chaude.

[0028] Dans ce cas, la formule donnant k₂ peut s'écrire :

[0029] A titre d'exemple, la température de l'eau froide Tef peut être comprise entre 5°C et 15°C avec une valeur moyenne de 10°C ; la température de consigne peut être de 50°C, la valeur de la capacité calorifique de l'eau Cp peut être prise égale à 4180 J/kg; le pouvoir calorifique inférieur du gaz PCI pour du gaz naturel peut être de l'ordre de 10000 et le rendement η de la chaudière et des échangeurs de chaleur (c'est-à-dire l'écart entre la puissance foumie par la chaudière et la puissance récupérée par l'eau) peut être compris entre 0,7 et 0,95.

[0030] Dans des conditions de fonctionnement typiques, le coefficient k₂ peut ainsi présenter une valeur de l'ordre de 20.

[0031] Avec un tel exemple, en cas de saut de débit positif (resp. négatif) ΔQ_ECS de 6 litres par minute, soit 0,1 kg/s, la valeur du débit supplémentaire de gaz Q_G3 foumi par le brûleur 12 devra être au niveau de la pointe du pic de l'ordre de 2 m³/h.

[0032] En pratique, le système de commande 100 équipé d'un micro-contrôleur agit par pas de temps et la fonction f(t) mentionnée plus haut, qui doit définir un pic avec une croissance brusque puis une décroissance plus lente, est exprimée sous une forme échantillonnée.

[0033] Ainsi, la fonction "pic" assurée par le module de régulation 104 et donnant la valeur du débit de gaz supplémentaire Q_G3 à foumir au brûleur 12 peut être liée au débit instantané d'eau chaude sanitaire Q_ECS par la formule échantillonnée suivante :

où

0 < k₁ < 1

(k₁ étant lié à la période d'échantillonnage des mesures et à l'inertie de l'installation),

k₂

est un coefficient positif réglé en fonction de la chaudière, par exemple de la façon indiquée plus haut,

Q_G3(n) et Q_G3(n-1)

désignent la valeur du pic de débit de gaz aux instants n et n-1

Q_ECS(n) et Q_ECS(n-1)

désignent la valeur du débit d'eau chaude sanitaire mesurée par le débitmètre 40 et échantillonné aux instants n et n-1.

[0034] A titre d'exemple, si la période d'échantillonnage des mesures est de 0,5 seconde, k₁ pourra être choisi égal à 0,8 et la valeur du pic sera ramenée à une valeur proche de zéro au bout de 5 secondes.

[0035] Les diagrammes des Figures 2 à 4 permettent de mieux visualiser le rôle du module de régulation 104.

[0036] La Figure 2 montre une courbe 210 donnant l'évolution du débit d'eau chaude sanitaire Q_ECS en fonction du temps, avec un premier tronçon 211 correspondant à un débit Q_ECS1 relativement régulier correspondant par exemple à la consommation d'eau chaude par un utilisateur prenant une douche ou un bain. Un deuxième tronçon 212 correspond à un débit d'eau chaude puisée Q_ECS2 accru entre les instants t₁ et t₂ du fait du prélèvement d'eau chaude par un autre utilisateur ou appareil tel qu'un lave-vaisselle. Un troisième tronçon 213 après l'instant t₂ correspond à un retour aux conditions antérieures à l'instant t₁, c'est-à-dire l'arrêt de prélèvement supplémentaire d'eau chaude. Comme on peut le voir sur la Figure 2, le prélèvement d'un débit supplémentaire d'eau chaude provoque un saut brusque de débit à l'instant t₁, dans le sens d'une augmentation et un saut aussi brusque de débit, mais dans le sens d'une diminution, à l'instant t₂.

[0037] La Figure 3 montre une courbe 220 donnant la température de sortie Ts de l'eau chaude sanitaire produite par l'installation conforme à l'invention. On voit que cette température de sortie Ts reste en permanence égale à la température de consigne Tc ou très proche de celle-ci.

[0038] La température Ts reste égale à la température de consigne Tc aussi bien sur un tronçon 221, antérieur à l'instant t₁, que pendant la majeure partie du tronçon 223 compris entre les instants t₁ et t₂ ou sur le tronçon 225 postérieur à l'instant t₂. Une très légère pointe négative résiduelle 222 ou une très légère pointe positive résiduelle 224 peuvent être présentes au voisinage des instants t₁ et t₂ compte tenu du temps de réaction du brûleur 12, mais ces fluctuations sont bien moindres que dans le cas d'un système de modulation ne comportant pas le module de régulation impulsionnel 104 créateur de pointes de débit de gaz sélectives positives ou négatives.

[0039] On a ainsi représenté en pointillés sur la Figure 3 l'évolution de la température de sortie Ts de l'eau chaude sanitaire dans le cas où le module de régulation impulsionnelle 104 serait absent, mais où le système de commande 100 ne comporterait qu'un module de régulation 103 plus classique à action proportionnelle. Un tel module de régulation 103 (Figure 1) reçoit une information de la part du débitmètre 40 et foumit, à la vanne de commutation 20, un signal commandant l'évolution du débit de gaz Q_G2 foumi au brûleur 12, selon une loi de proportionnalité. Dans le cas où un tel module de régulation directe 103 est utilisé seul, en cas de variation brusque du débit d'eau chaude Q_ECS, comme aux instants t₁ et t₂, la température Ts s'écarte beaucoup plus fortement de la valeur de consigne Tc et met plus longtemps à revenir à cette valeur (tronçons 226 et 227 en pointillés sur la Figure 3).

[0040] Dans le système de commande 100 selon l'invention, les deux modules de régulation 103 et 104 coexistent et délivrent, par des lignes 142,141, à un circuit sommateur 105 des signaux commandant une évolution du débit de gaz Q_G selon, d'une part, une évolution proportionnelle Q_G2 et, d'autre part, une évolution impulsionnelle Q_G3. La vanne 20 est commandée par les signaux issus du circuit sommateur 105.

[0041] La Figure 4 montre une courbe 230 donnant l'évolution, en fonction du temps, du débit de gaz Q_G appliqué au brûleur 12 par la vanne de modulation 20 lorsque celle-ci reçoit des signaux de commande du circuit sommateur 105 dont les entrées sont reliées, par les lignes 142 et 141, aux modules de régulation 103 et 104.

[0042] Dans la période antérieure à l'instant t₁ (maçon 231), le débit Q_G de gaz est égal au débit Q_G2 de gaz fixé par le module de régulation proportionnelle 103 en fonction du débit d'eau chaude régulier du tronçon 211 de la Figure 2. A l'instant t₁ où un saut de débit d'eau chaude ΔQ_ECS est détecté par le module de régulation impulsionnelle 104, celui-ci entre immédiatement en action et foumit une pointe de débit de gaz Q_G3 (référence 232) qui permet d'atténuer fortement, voire supprimer, la chute de température Ts après l'instant t₁. La pointe de débit de gaz Q_G3 revient progressivement à zéro, mais le module de régulation proportionnelle 103 est entre temps entré en action pour réajuster le débit de gaz Q_G2 à une valeur supérieure à la valeur du débit de gaz Q_G2 antérieure à l'instant t₁, pour tenir compte de l'augmentation du débit d'eau chaude prélevée Q_ECS. La pointe 232 est ainsi suivie par un tronçon 233 en forme de plateau jusqu'à l'instant t₂. A l'instant t₂, le processus de régulation est identique à celui de l'instant t₁, mais en sens inverse. Le module de régulation impulsionnelle 104 détecte un saut de débit d'eau chaude ΔQ_ECS négatif et provoque une pointe négative du débit de gaz Q_G3 qui se retranche du débit de gaz Q_G2 précédent, puis cette pointe de débit de gaz Q_G3 (référence 234) revient à zéro mais, compte tenu du réajustement à la baisse du débit de gaz Q_G2 défini par le module de régulation proportionnelle 103, la valeur globale Q_G du débit de gaz foumi au brûleur 12 revient à une valeur sensiblement égale à celle précédant l'instant t₁ (tronçon 235).

[0043] La régulation de type impulsionnel à travers le module de régulation 104 et la régulation de type direct ou proportionnel à travers le module de régulation 103 se superposent et exploitent toutes deux les informations de débit foumies par le débitmètre 40.

[0044] Avantageusement, un troisième type de régulation peut être superposé aux deux modes de régulation précédents. Ainsi, on voit sur la Figure 1 un circuit de régulation en boucle fermée 102 qui engendre, sur une ligne de sortie 143, un signal de commande du débit de gaz en boucle fermée qui est appliqué au circuit sommateur 105 pour permettre, par l'intermédiaire de la vanne de modulation 20, de foumir au brûleur 12 un débit de gaz Q_G1 ajusté en fonction de la valeur de la température d'eau Ts mesurée par la sonde de température 30. Un comparateur 101 permet de comparer la valeur Ts de la température de l'eau chaude sanitaire mesurée, appliquée par une ligne 32, à la température de consigne Tc fournie par une ligne 31. L'écart de température E constitue l'entrée du module de régulation en boucle fermée 102.

[0045] Le module de régulation en boucle fermée 102 peut comprendre un asservissement du type PID (Proportionnel-Intégrale-Dérivée).

[0046] Toutefois, selon une variante de réalisation avantageuse, qui est illustrée par la Figure 5, le module de régulation en boucle fermée 102 comprend un contrôleur flou 122 et constitue un système à commande floue possédant des règles de commande floues, des fonctions d'appartenance et une table d'inférence.

[0047] Le contrôleur flou 122 reçoit en entrée une information d'erreur de température E qui correspond à la différence effectuée par le comparateur 101 entre la température Ts mesurée par la sonde de température 30 et la température de consigne Tc.

[0048] Le contrôleur flou 122 reçoit sur une deuxième entrée, par l'intermédiaire d'un circuit dérivateur 121, relié au comparateur 101, une information correspondant à la dérivée dE/dt de l'information d'erreur de température. Le contrôleur flou 122 foumit en sortie une information concernant la variation du débit de gaz dQ_G1 qui doit être appliquée au brûleur de l'ensemble 10, 20 de chauffage de l'eau sanitaire.

[0049] On a représenté sur la Figure 6 un exemple de table d'inférence pouvant convenir pour le contrôleur flou 122. Les abréviations ZE, NG, PG représentent respectivement les termes zéro, négatif grand, positif grand qui caractérisent l'écart E ou la dérivée de l'écart dE/dt précédemment définis comme variables d'entrée du contrôleur flou 122, ainsi que la variable de sortie dQ_G1.

[0050] A titre d'exemple, selon une des règles, si l'écart E est positif grand, et la dérivée de l'écart dE/dt est également positive et grande, alors la variable de sortie dQ_G1 devra être négative et grande, c'est-à-dire qu'il conviendra de diminuer de façon sensible le débit de gaz Q_G1 appliqué au brûleur du fait de la commande du module de régulation 102.

[0051] Si, selon un autre cas possible, l'écart E est négatif grand et la dérivée de l'écart dE/dt est positive et grande, la variable de sortie dQ_G1 sera nulle, c'est-à-dire qu'il n'y aura pas de correction à apporter par la boucle de régulation 102.

[0052] Pour les divers cas de cet exemple particulier, il convient de se reporter à la table d'inférence de la Figure 6 qui constitue un tableau matriciel à double entrée.

[0053] Naturellement, à chacune des variables d'entrée E, dE/dt et de sortie dQ_G1 ont été au préalable associées les caractéristiques floues NG, ZE et PG précédemment mentionnées.

[0054] Ainsi, à titre d'exemple, on peut considérer que l'écart de température E fourni par le comparateur 101 est négatif grand s'il est compris entre -20° et +10° et positif grand s'il est compris entre +10° et +20° ou au-delà.

[0055] De même, à titre d'exemple, la variable d'entrée dE/dt foumie par le différentiateur 121 peut être considérée comme négative grande si elle est comprise entre -2°/s et -1°/s ou en deçà, zéro si elle est comprise entre-1°/s et +1°/s et positive grande si elle est comprise entre +1°/s et +2°/s ou au-delà.

[0056] La variable de sortie dQ_G1 peut elle-même, à titre d'exemple, être considérée comme égale à une valeur de -2 m³/h si elle doit être négative grande, nulle si elle doit être égale à zéro, ou égale à une valeur de + 2m³/h si elle doit être positive grande.

[0057] Les Figures 7, 8 et 9 montrent des exemples de fonctions d'appartenance relatives aux caractéristiques floues applicables respectivement à l'écart de température E, à la dérivée de l'écart de température dE/dt par rapport au temps et à la variation dQ_G1 du débit de gaz.

[0058] On se reportera aux Figures 7 à 9 pour voir la forme de ces fonctions d'appartenance qui correspondent pour chaque variable donnée à un terme ou une caractérisation floue (NG, ZE, PG). On retrouve des fonctions d'appartenance de forme triangulaire (pour ZE appliquée aux variables E et dE/dt) pour NG et PG (appliquées aux variables E et dE/dt), ou ponctuelle (singletons pour NG, ZE et PG appliquées à la variable de sortie dQ_G1). Ces fonctions d'appartenance présentent des zones de recouvrement et sont comprises entre zéro et un pour les variables E et dE/dt.

[0059] Naturellement, il est possible de choisir un nombre de caractéristiques floues supérieur à trois pour chacune des variables d'entrées, selon la précision souhaitée, sans toutefois choisir un nombre trop grand qui produirait une saturation du système.

[0060] Le contrôleur flou 122 comprend un étage d'entrée de fuzzification permettant de foumir des variables d'entrée floues à partir des variables E et dE/dt en tenant compte des fonctions d'appartenance de ces variables d'entrée. Une sortie floue est ensuite déterminée, dans un étage d'inférence floue, à partir des règles de commande prédéfinies et des entrées floues issues de l'étage de fuzzification.

[0061] Enfin, dans un étage de défuzzification du contrôleur flou 122, il est produit un signal de commande de la variation du débit de gaz dQ_G1 devant être appliquée au brûleur par la vanne 20. Le signal de commande peut être obtenu à partir d'une valeur de sortie floue par une méthode telle que celle consistant à déterminer le centre de gravité de l'ensemble des règles prédéfinies dont la synthèse a servi à constituer la table d'inférence associée.

[0062] En sortie du contrôleur flou 122, il est possible de disposer un bloc de régulation de type PI (Proportionnel-lntégrale) qui permet de stabiliser des oscillations éventuelles du système. Les signaux de commande issus du module de commande floue 102 sont appliqués au circuit sommateur 105 qui reçoit de la même manière qu'indiqué précédemment en référence à la Figure 1, des signaux du module de régulation proportionnelle 103 et du module de régulation impulsionnelle 104.

Revendications

1. Installation de production d'eau chaude sanitaire par chaudière à gaz à brûleur atmosphérique, comprenant un foyer de chaudière (10) équipé d'un brûleur (12) alimenté en gaz par l'intermédiaire d'une vanne de modulation (20) commandée électriquement, et au moins un échangeur de chaleur (13) entre ledit foyer (10) et un circuit (11, 14) de production d'eau chaude sanitaire comportant une ligne (11) d'arrivée d'eau froide et une ligne (14) de puisage d'eau chaude sanitaire,
   caractérisée en ce qu'elle comprend en outre un dispositif (40) de mesure du débit (Q_ECS) de puisage d'eau chaude sanitaire dans le circuit (11, 14) de production d'eau chaude sanitaire, un dispositif (30) de mesure de la température (Ts) de l'eau chaude sanitaire en sortie de l'échangeur de chaleur (13) et un système (100) de commande de la vanne de modulation (20) commandée électriquement, le système (100) de commande de la vanne de modulation (20) comprenant un module (102) de régulation en boucle fermée de la vanne de modulation (20) à partir de la température (Ts) mesurée par ledit dispositif (30) de mesure de température et d'une température de consigne (Tc), un module (103) à action proportionnelle de régulation directe de la vanne de modulation (20) à partir des informations (Q_ECS) foumies par le dispositif (40) de mesure de débit de puisage (Q_ECS), et un module (104) de régulation impulsionnelle de la vanne de modulation (20) à partir des variations de débit détectées par le dispositif (40) de mesure de débit, le module (104) de régulation impulsionnelle engendrant un signal créant un pic du débit d'alimentation en gaz du brûleur (12) par la vanne de modulation (20) à chaque variation brusque significative de débit de puisage d'eau chaude sanitaire (Q_ECS) mesurée par ledit dispositif de mesure (40), le pic étant positif ou négatif selon que la variation correspond à une augmentation ou une diminution de ce débit, les valeurs initiale et finale du pic étant nulles et l'amplitude d'un pic étant proportionnelle à la variation de débit détectée.

2. Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que le module (104) de régulation impulsionnelle comprend des moyens pour engendrer un signal échantillonné créant un pic de débit de gaz (Q_G3) dont la valeur est obtenue en fonction du débit de puisage d'eau chaude sanitaire (Q_ECS) par la formule échantillonnée suivante :

où

k₁ est un coefficient dont la valeur est comprise entre 0 et 1,

k₂ est un paramètre positif réglé en fonction du type de chaudière.

Q_G3(n) et Q_G3(n-1) désignent la valeur de pic du débit de gaz (Q_G3) aux instants n et n-1, et

Q_ECS(n) et Q_ECS(n-1) désignent la valeur du débit de puisage d'eau sanitaire aux instants n et n-1.

3. Installation selon la revendication 2, caractérisée en ce que le module (104) de régulation impulsionnelle comprend des moyens pour définir le paramètre positif k₂ réglé en fonction du type de chaudière, à partir des informations suivantes: capacité calorifique (Cp) de l'eau, rendement (η) de l'installation, pouvoir calorifique inférieur (PCI) du gaz, température de consigne (Tc) et température de l'eau froide (Tef) introduite dans le circuit de circulation d'eau chaude sanitaire, selon la formule

4. Installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que le module (102) de régulation en boucle fermée comprend un circuit d'asservissement du type PID (Proportionnel-Intégrale-Dérivée) dont la grandeur d'entrée est constituée par l'écart entre la température (Ts) mesurée par ledit dispositif (30) de mesure de la température (Ts) et la température de consigne (Tc).

5. Installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que le module (102) de régulation en boucle fermée comprend un contrôleur flou (122) recevant en entrée une information d'erreur de température E correspondant à la différence entre la température (Ts) mesurée par ledit dispositif (30) de mesure de la température et la température de consigne (Tc), ainsi qu'une information (dE/dt) correspondant à la dérivée par rapport au temps de l'information d'erreur de température.

6. Installation selon la revendication 5, caractérisée en ce que le module (102) de régulation en boucle fermée comprend en outre un circuit d'asservissement (123) de type PI (Proportionnel-Intégrale) placé en sortie du contrôleur flou (122) et recevant en entrée une information (dQ_G) de variation de débit d'alimentation en gaz du brûleur.

7. Procédé de régulation de la température d'eau chaude sanitaire dans une installation de production d'eau chaude sanitaire par échange de chaleur avec un foyer de chaudière à gaz comportant un brûleur atmosphérique dont le débit d'alimentation en gaz est modulé à partir d'un système d'asservissement,
   caractérisé en ce que le débit (Q_G) d'alimentation en gaz dudit brûleur est asservi à partir de la mesure du débit (Q_ECS) de puisage d'eau chaude sanitaire, d'une part, par une régulation directe à action proportionnelle à partir de ladite mesure du débit (Q_ECS) de puisage d'eau chaude sanitaire et, d'autre part, par une régulation impulsionnelle à partir des sauts significatifs (ΔQ_ECS) de la valeur mesurée du débit (Q_ESC) de puisage d'eau chaude sanitaire, la régulation impulsionnelle agissant sur le débit (Q_G) d'alimentation en gaz dudit brûleur de manière à créer un pic selon une fonction "pic" f(t) telle que, si t = 0 est l'instant du saut de débit ΔQ_ECS positif, respectivement négatif, la fonction f(t) est définie par :

. f(0-) = 0

. f(0+) = k₂ ΔQ_ECS, avec k₂ coefficient positif,

. f est décroissante (resp. croissante) sur ]0, + ∝[

. lim f(t) = 0
t → + ∝.

8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que le coefficient positif k₂ est réglé en fonction du type de chaudière, à partir des informations suivantes : capacité calorifique (Cp) de l'eau, rendement (η) de l'installation, pouvoir calorifique inférieur (PCI) du gaz, température de consigne (Tc) et température de l'eau froide (Tef) introduite dans le circuit de circulation d'eau chaude sanitaire, selon la formule :

9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 et 8, caractérisé en ce que le débit (Q_G) d'alimentation en gaz dudit brûleur est en outre asservi à partir de l'écart entre la température réelle (Ts) de l'eau chaude sanitaire produite et une température de consigne (Tc) selon un asservissement en boucle fermée du type PID (Proportionnel-Intégrale-Dérivée).

10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 et 8, caractérisé en ce que le débit (Q_G) d'alimentation en gaz dudit brûleur est en outre asservi, par une commande floue, à partir d'une information d'erreur de température E correspondant à la différence entre la température réelle (Ts) de l'eau chaude sanitaire produite et une température de consigne (Tc), et à partir d'une information correspondant à la dérivée par rapport au temps de l'information E d'erreur de température.

11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que le débit (Q_G) d'alimentation en gaz dudit brûleur est en outre asservi à partir de l'information de sortie de la commande floue selon un asservissement de type PI (Proportionnel-Intégrale).

Dessins