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(11) | EP 0 826 934 A1 |
| (12) | DEMANDE DE BREVET EUROPEEN |
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| (54) | Procédé de régulation de la charge et de la décharge d'appareils de chauffage électrique à accumulation |
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[0001] La présente invention a trait aux appareils de chauffage électrique à accumulation, couramment désignés par "accumulateurs", ainsi qu'aux systèmes de chauffage analogues et vise à un meilleur contrôle aussi bien des phases d'accumulation de chaleur ou charge de tels appareils que des phases de restitution de la chaleur emmagasinée.
[0002] Ce type d'appareil est constitué brièvement d'un empilage de briques réfractaires, de résistances électriques blindées logées dans l'empilage, de canaux de circulation d'air traversant l'empilage et d'un système de turbines forçant de l'air prélevé à l'extérieur dans les canaux pour ensuite le rejeter à l'extérieur et de moyens de commande/contrôle, d'une part, des résistances électriques et, d'autre part, des turbines, en fonction de divers paramètres.
[0003] Ces appareils sont bien adaptés aux modes de tarification de l'énergie électrique à périodes tarifaires successives au cours d'un cycle de 24 heures.
[0004] Généralement la charge de l'empilage de briques ou noyau s'effectue de nuit pendant les heures de tarification dites creuses ou à tarif réduit et la chaleur accumulée la nuit est restituée le jour en fonction des besoins calorifiques du local où est installé l'appareil, ces besoins étant affichés par l'utilisateur à partir de divers systèmes tels que thermostat d'ambiance, commutateur de commande, régulateur, etc...
[0005] Un accumulateur se charge généralement en fonction de la température extérieure au local à chauffer.
[0006] Or, il arrive assez fréquemment, notamment en intersaison, qu'une nuit avec une pointe de froid soit suivie d'une journée relativement clémente. Il s'ensuit que le noyau de l'accumulateur va se charger au-delà de ce qui sera nécessaire pour satisfaire les besoins demandés dans la journée, du fait de la température extérieure relativement clémente.
[0007] Les systèmes connus de régulation de la charge/décharge des accumulateurs ne donnent pas satisfaction dans de telles périodes de forte amplitude thermique entre la nuit et le jour.
[0008] La présente invention a précisément pour but de proposer une régulation perfectionnée permettant à la fois un meilleur confort de l'usager et une gestion plus économique de l'énergie consommée.
[0009] A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de régulation de la charge et de la décharge d'appareils de chauffage électrique à accumulation ou analogues et notamment du type comprenant un noyau formé de briques réfractaires, des résistances électriques de chauffage du noyau, et une pluralité de turbines de circulation forcée d'air à réchauffer dans des canaux du noyau, caractérisé en ce qu'il consiste :
A/ en ce qui concerne la décharge ou restitution :
· à déclencher la mise en service d'au moins une turbine lorsque la température mesurée dans le local où se trouve l'appareil descend en dessous d'un premier seuil pré-déterminé par rapport à la température de consigne affichée et en deçà de celle-ci,
· à moduler, à chaque mise en service de la ou des turbines, leur vitesse de rotation suivant les phases successives ci-après :
v1 : vitesse nominale, pendant une durée prédéterminée ;
v2 : vitesse réduite à un premier niveau pendant une durée prédéterminée,
v3 : vitesse amenée à un deuxième niveau supérieur au premier, pendant une durée prédéterminée,
v4 : vitesse amenée à un troisième niveau intermédiaire entre la vitesse nominale et le deuxième niveau, pendant une durée prédéterminée ;
- - le passage de l'un des régimes v2 et v3 au régime suivant n'étant effectué que si
les deux conditions suivantes sont remplies :
1) la température du local est inférieure à celle de consigne ;
2) l'élévation de température dans le local pendant la durée de la phase qui vient de s'achever est inférieure à un seuil prédéterminé ;
- - chaque phase v2, v3, v4 étant, si ladite élévation de température, à la fin de la phase considérée, est supérieure audit seuil, recommencée dans les mêmes conditions, un nombre déterminé de fois ;
- - et l'arrêt des turbines étant commandé à tout moment dès que la température du local atteint ladite valeur de consigne affichée ;
B/ en ce qui concerne la charge du noyau :
1) pendant les heures de tarification réduite :
a) à cumuler sur 24 heures et en dehors desdites heures de tarification réduite, les temps de fonctionnement des turbines en pondérant ces temps en fonction de la vitesse des turbines dans chaque période de fonctionnement ;
b) et, en fonction d'un abaque de pourcentage de charge en fonction du total ainsi cumulé des temps de fonctionnement des turbines, à déterminer un pourcentage de charge du noyau et à limiter la charge du lendemain dudit noyau à ce pourcentage ;
2) pendant les heures de restitution :
a) à effectuer une relance :
- si, à la fin de la succession desdites phases v1 à v4, l'élévation de la température du local pendant le temps cumulé de fonctionnement des turbines est inférieure à un seuil prédéterminé ,
- ou si la température dudit local atteint en descendant un deuxième seuil prédéterminé par rapport à la température de consigne, en deçà dudit premier seuil,
b) et à arrêter la relance dès que la température du local atteint ladite valeur de consigne.
[0010] Suivant une variante de mise en oeuvre de l'invention, la relance éventuelle de la charge du noyau pendant la période de restitution est effectuée de préférence au tiers ou aux deux tiers de la puissance de l'appareil.
[0011] Suivant une autre variante de mise en oeuvre de l'invention, pour un fonctionnement en régime réduit, on envoie à un micro-contrôleur de l'appareil un signal interdisant la mise en service des turbines de restitution, sauf si la température du local descend en dessous d'un troisième seuil par rapport à la température de consigne, inférieur au deuxième seuil, les modalités de charge du noyau demeurant inchangées.
[0012] Avantageusement, cette autre variante est mise en oeuvre à l'aide d'un commutateur multi-positions : ARRET-HORS-GEL-REDUIT-CONFORT, de type connu, à fil pilote unique relié au micro-contrôleur de l'appareil, la position REDUIT ayant pour effet d'abaisser les valeurs de consigne et donc d'introduire ledit troisième seuil en dessous duquel la restitution du noyau sera commandée.
[0013] Dans la présente description, on désigne par "appareil" un seul accumulateur ou plusieurs alimentés en parallèle, ceux-ci pouvant être eux-mêmes utilisés concurremment ou en relais avec des appareils de chauffage d'autres types, par exemple convecteurs, panneaux radiants, etc...
[0014] D'autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description qui va suivre d'un mode de mise en oeuvre du procédé de l'invention, description donnée à titre d'exemple uniquement et en regard des dessins annexés sur lesquels :
- Figure 1 représente un diagramme de fonctionnement de la restitution de la chaleur stockée dans un accumulateur, conformément au procédé de l'invention ;
- Figure 2 représente un diagramme des vitesses des turbines selon le procédé de l'invention ;
- Figure 3 représente un abaque du pourcentage de charge du noyau de l'accumulateur en fonction des temps cumulés de fonctionnement des turbines, conformément au procédé de l'invention, et
- Figure 4 est un schéma d'une installation comportant plusieurs types d'appareils de chauffage électrique dont un accumulateur, pilotés à partir d'un commutateur à fil pilote unique.
[0015] Les figures 1 et 2 illustrent le principe de restitution de la chaleur emmagasinée dans le noyau d'un accumulateur, conformément au procédé de l'invention.
[0016] La charge du noyau s'opère la nuit durant la période de tarification réduite et la restitution de la chaleur emmagasinée s'opère le jour suivant durant la période de tarification normale dite heure pleines suivant immédiatement ladite période de tarification réduite, le cycle charge/restitution s'étalant sur 24 heures. Toutefois, exceptionnellement des cycles de restitution peuvent être nécessaires au maintien de la température ambiante pendant la nuit.
[0017] Conformément à l'invention, on va définir un premier seuil de température T1, en deçà de la température de consigne Tc affichée par l'utilisateur du local où l'accumulateur est installé, par exemple sur un thermostat d'ambiance incorporé dans l'accumulateur ou fixé à distance (sonde murale). Le seuil T1 est fixé par rapport à la consigne Tc, qui est par exemple 20°C. Dans l'exemple illustré par la figure 1, le seuil T1 est 0,5°C en dessous de Tac.
[0018] Selon le procédé de l'invention, on va contraindre, en dehors de la période dite heures creuses, la température ambiante du local à demeurer à l'intérieur de la plage 19°,5 C - 20°C par une régulation particulière de la restitution dynamique, c'est-à-dire le contrôle des turbines de l'accumulateur.
[0019] En Ta sur la figure 1, on a représenté la courbe d'évolution de ladite température ambiante qui est en train de descendre. En atteignant (point A) le seuil T1, elle va déclencher un processus de mise en fonctionnement des turbines, pendant une période de temps t, jusqu'à ce que la température d'ambiance Ta1 ait atteint la température de consigne Tc (point B).
[0020] Pendant la période de temps t, on va piloter les turbines de l'accumulateur suivant le diagramme de la figure 2 illustrant le régime des vitesses des ventilateurs durant la période de temps t.
[0021] Au démarrage, durant par exemple les 5 premières secondes (td) de la période t, les turbines sont lancées à leur vitesse nominale v1 alimentant le moteur électrique d'entraînement sous la tension nominale de 230 volts. L'intérêt de procéder ainsi est d'assurer un démarrage correct, lequel pourrait être, s'il était réalisé à vitesse réduite, entravé par exemple par un empoussiérage des paliers.
[0022] Au bout des 5 secondes, les turbines sont commutées automatiquement sur une vitesse v2 correspondant à un fonctionnement silencieux, la tension d'alimentation des moteurs des turbines étant de 170 volts.
[0023] Ce régime de vitesse est maintenu par exemple pendant 5 minutes (t1) et durant ce temps, la température ambiante, illustrée par le segment S1 sur la figure 2, augmente et passe du niveau a au niveau b.
[0024] Si au cours de la période t1, la température ambiante s'est élevée d'un niveau inférieur à un seuil pré-déterminé, fixé dans le cas illustré à 0,15°C, les turbines sont commutées sur une vitesse supérieure v3 correspondant à une tension d'alimentation de 190 volts et maintenues à cette vitesse pendant la période de temps t2, fixée également à 5 minutes.
[0025] La température ambiante S2 passe du niveau b au niveau c. A ce moment, on mesure l'élévation de température depuis le niveau a et si cette élévation, ramenée à la somme t1 et t2, est inférieure audit seuil ci-dessus, c'est à dire si l'élévation de température est inférieure à 0,3°C ramené à 10 minutes, les turbines sont commutées sur la vitesse v4, intermédiaire entre v1 et v3 et correspondant à une tension d'alimentation de 210 volts et, ce, pour une période de temps t3 de 5 minutes.
[0027] Si le niveau b est tel que l'élévation de température ramenée au temps t1 est supérieure audit seuil (0,15°C/5mn), la phase de vitesse v3 n'est pas enclenchée, mais la phase de vitesse v2 est poursuivie pendant une nouvelle période t1. A la fin de cette seconde période t1, on détermine à nouveau si l'élévation de température cumulée sur ces deux périodes t1 et ramenée à 10 minutes est inférieure ou supérieure audit seuil. Si elle est inférieure, on passe alors au régime de vitesse v3. Si elle est supérieure, on poursuit une troisième et dernière fois le même régime de vitesse v2, pendant encore une même période t1. A la fin de la troisième période t1, on passe automatiquement à la phase de vitesse v3.
[0028] Un même processus s'opère éventuellement au niveau c à la fin de la période t2, qui peut être répétée deux fois, dans les mêmes conditions qu'expliqué ci-dessus à propos de la période t1.
[0029] Si le niveau de température d à la fin de t3 est celui de la température de consigne Tc, le fonctionnement des turbines n'est pas poursuivi.
[0030] Par contre, si le niveau d est inférieur à Tc, la période t3 sera reconduite une fois ou même deux, dans les mêmes conditions que pour t1 et t2, jusqu'à ce que la température ambiante ait atteint Tc.
[0031] L'installation bien entendu sera conçue et réglée de façon que normalement la période t3 n'ait pas à être renouvelée, sauf dans des circonstances exceptionnelles telles que par exemple l'ouverture prolongée d'une fenêtre du local.
[0032] Bien entendu, à tout moment à l'intérieur de la période t, que les périodes partielles t1, t2, t3 soient uniques ou répétées, si la température ambiante atteint Tc, les turbines sont immédiatement arrêtées.
[0033] L'incrémentation des tensions d'alimentation des moteurs des turbines est un moyen simple de régulation des vitesses de ces dernières.
[0034] Plusieurs techniques connues sont utilisables pour ce faire, telles que des résistances chutrices, ou la prévision de plusieurs bobinages sur les moteurs, ou encore l'envoi de salves d'ondes d'alimentation avec des périodes suffisamment courtes pour éviter les à-coups.
[0035] Toutes les turbines ou simplement une partie de celles-ci peuvent être mises en fonctionnement au cours de la période t. On peut aussi ne mettre en service qu'une partie des turbines avec une rotation pour mieux répartir dans le noyau le prélèvement de calories.
[0036] Les valeurs données ci-dessus aux températures Tc, T1 ainsi que le gradient de température par rapport au temps (0,15°C/5 mn) peuvent bien entendu varier.
[0037] En revenant à la figure 1, on observera qu'après le point B, si la température ambiante Ta2 redescend jusqu'au seuil T1 (point C), on va entamer une nouvelle période t' durant laquelle va s'opérer un pilotage des turbines identique à celui réalisé durant la période t jusqu'à ce que la température ambiante Ta3 remonte à Tc (point D).
[0038] A tous moments, d'autres périodes (t") de restitution dynamique pourront s'établir, tant que l'on se trouve toujours dans la période dite d'heures pleines.
[0039] Si, au cours de cette période, la température ambiante Ta4 venait, pour une raison ou pour une autre et en dépit de la mise en route du régime de restitution dynamique conforme à l'invention, à descendre à un seuil T2 prédéterminé par rapport à la température de consigne Tc et en deçà à la fois de cette dernière et du seuil T1, la relance du noyau serait effectuée. Ce seuil T2 est par exemple fixé à 2°C en dessous de Tc.
[0040] Lorsque la température d'ambiance Ta4 atteint ce seuil T2 (point E), la relance du noyau va s'effectuer en fonction de la tarification, c'est à dire au tiers ou aux deux tiers de la puissance en tarification pleine et à pleine puissance en tarification réduite.
[0041] Ceci permettra conjointement à la mise en route des turbines conformément à l'invention, la remontée de la température ambiante Ta5 jusqu'à la valeur de consigne Tc.
[0042] Sur la figure 1, on a également représenté un troisième seuil T3 de température, déterminé par rapport à la consigne Tc et en deçà à la fois de cette dernière et la température (T2) de relance du noyau.
[0043] Ce seuil T3, dénommé consigne de nuit, est par exemple fixé à 3°C en dessous de Tc. Il n'est utilisé qu'en période de tarification réduite, pour mettre en service les turbines de restitution si la température ambiante venait à descendre au seuil T3.
[0044] Plus précisément, ceci revient à abaisser de 3°C les seuils Tc, T1 en sorte que si la température ambiante baisse de plus de 0,5°C par rapport au nouveau seuil (17°C), on va déclencher le processus de restitution selon les modalités expliquées plus haut, c'est à dire le pilotage des vitesses des turbines en sorte de maintenir ladite température dans la plage 16°5C-17°C.
[0045] On va maintenant expliquer le mode de charge du noyau conforme à l'invention en se référant à la figure 3.
[0046] Sur cette figure, on a représenté le diagramme du taux (en pourcentage de charge nominale) de charge du noyau en fonction des temps cumulés sur 24 heures de fonctionnement des turbines en dehors des périodes de tarification réduite.
[0047] Conformément à l'invention, on pondère le temps de fonctionnement des turbines en fonction de leur vitesse de rotation en affectant un coefficient à chaque vitesse (ou tension d'alimentation du moteur).
[0048] Au cours de la période de tarification pleine, on totalise les durées partielles, ainsi pondérées (td, t1, t2, t3) de toutes les périodes (t, t', t"), de fonctionnement des turbines et on détermine un abaque (figure 3) faisant correspondre à un nombre donné d'heures de fonctionnement des turbines un taux de charge du noyau. Le taux est maximal, par exemple 100%, pour une durée cumulée de marche des turbines maximal (par exemple 11 heures).
[0049] Ainsi, si les turbines, un jour donné, ont peu fonctionné, ce qui signifie que la demande de chaleur a été réduite, par exemple parce que la température extérieure était clémente, alors, la charge pendant la nuit suivant ce jour n'aura pas besoin d'être importante. Son taux sera alors adapté aux besoins présumés, basés sur ceux réellement constatés la veille, à partir de l'abaque de la figure 3.
[0050] Il est à noter que les valeurs indiquées sur cet abaque peuvent être bien entendu modifiées en fonction de la puissance du ou des appareils sous contrôle et en fonction de la puissance nécessaire au chauffage du local (puissance installée par rapport aux déperditions).
[0051] Par ailleurs, il est également à signaler qu'avantageusement et afin d'obtenir une précision optimale du niveau de charge du noyau accumulateur, la température de ce noyau sera mesurée à l'aide d'un thermocouple au contact du noyau de l'accumulateur et non comme cela se fait habituellement dans les appareils existants, à l'aide d'un organe de mesure placé contre ou dans l'isolant thermique qui entoure le noyau et qui ne contrôle qu'une température "image" approximative.
[0052] La figure 4 est un schéma d'une installation de chauffage électrique comprenant un accumulateur 10, un panneau radiant 11, un convecteur 12, tous reliés par un fil pilote unique 13 à un commutateur 14 multipositions, par exemple du type dénommé commercialement "Portier SESAME".
[0053] Le bouton de commande 15 du commutateur permet un positionnement sur quatre positions à savoir C (Confort) ; R (Réduit) ; H-G (Hors-gel) et A (Arrêt). Les signaux de commande véhiculés par le conducteur unique 13 et adressés aux micro-contrôleurs de commande intégrés dans les divers appareils 10, 11 et 12, sont constitués, à la manière connue, par : absence de signal (position C) ; signal alternatif pleine alternance (position R) ; signal demi-alternance inférieure (position H-G) et signal demi-alternance supérieure (position A).
[0054] Ce dispositif permet à l'utilisateur en particulier de mettre en service la consigne de nuit (seuil T3, figure 1) en plaçant le bouton 15 sur la position R, ce qui abaisse les valeurs de consignes de l'accumulateur 10, son fonctionnement demeurant, comme expliqué plus haut, le même.
[0055] Suivant une variante, le commutateur 14 peut être remplacé par un programmateur générateur d'ordres véhiculés par le fil pilote 13, en sorte que, notamment la consigne de nuit soit mise en service automatiquement suivant le programme affiché.
[0056] Il est à noter que le fil pilote 13 pourrait être supprimé en utilisant les fils d'alimentation des moteurs des turbines de l'accumulateur 10 suivant le système des courants porteurs, pour véhiculer les signaux correspondant aux positions C, R, H-G, A, par des messages formatés de façon appropriée.
A/ en ce qui concerne la décharge ou restitution :
· à déclencher la mise en service d'au moins une turbine lorsque la température mesurée dans le local où se trouve l'appareil descend en dessous d'un premier seuil (T1) pré-déterminé par rapport à la température de consigne (Tc) affichée et en deçà de celle-ci,
· à moduler, à chaque mise en service de la ou des turbines, leur vitesse de rotation suivant les phases successives ci-après :
v1 : vitesse nominale, pendant une durée prédéterminée ;
v2 : vitesse réduite à un premier niveau pendant une durée prédéterminée,
v3 : vitesse amenée à un deuxième niveau supérieur au premier, pendant une durée prédéterminée,
v4 : vitesse amenée à un troisième niveau intermédiaire entre la vitesse nominale et le deuxième niveau, pendant une durée prédéterminée ;
• - le passage de l'un des régimes v2 et v3 au régime suivant n'étant effectué que si les deux conditions suivantes sont remplies :
1) la température du local est inférieure à celle de consigne (Tc) ;
2) l'élévation de température dans le local pendant la durée de la phase qui vient de s'achever est inférieure à un seul prédéterminé ;
• - chaque phase v2, v3, v4 étant, si ladite élévation de température, à la fin de la phase considérée, est supérieure audit seuil, recommencée dans les mêmes conditions, un nombre déterminé de fois ;
• - et l'arrêt des turbines étant commandé à tout moment dès que la température du local atteint ladite valeur de consigne affichée (Tc) ;
B/ en ce qui concerne la charge du noyau :
1) pendant les heures de tarification réduite :
a) à cumuler sur 24 heures et en dehors desdites heures de tarification réduite, les temps de fonctionnement des turbines en pondérant ces temps en fonction de la vitesse des turbines dans chaque période de fonctionnement ;
b) et, en fonction d'un abaque de pourcentage de charge en fonction du total ainsi cumulé des temps de fonctionnement des turbines, à déterminer un pourcentage de charge du noyau et à limiter la charge du lendemain dudit noyau à ce pourcentage ;
2) pendant les heures de restitution :
a) à effectuer une relance :
- si, à la fin de la succession desdites phases v1 à v4, l'élévation de la température du local pendant le temps cumulé de fonctionnement des turbines est inférieure à un seuil prédéterminé ,
- ou si la température dudit local atteint en descendant un deuxième seuil (T2) prédéterminé par rapport à la température de consigne (Tc), en deçà dudit premier seuil (T1),
b) et à arrêter la relance dès que la température du local atteint ladite valeur de consigne (Tc).