Régulation algorithmique et performance des installations de chauffage

Par Dr. Christoph KUMMERER - Société ThermoZYKLUS - Mars 2020

LA PROBLEMATIQUE

L’optimisation du CEP (consommations en énergie primaire) introduit par la RT2012 est un outil majeur pour maximiser la performance énergétique des installations de chauffage. Or, le mode de calcul du CEP intègre la notion de variation temporelle des dispositifs de régulation de chauffage. Ainsi, plus la variation temporelle d’un système de chauffage est faible et plus son potentiel d’économies sera significatif.

La précision de régulation fait toute la différence

Tel que l’explique Michel Laurent dans un récent article paru dans Filière Pro, « la variation temporelle exprimée en °C ou K caractérise la précision de la régulation d’un émetteur. Plus cette valeur est faible, plus la valeur de la température ambiante s’approche de celle de la consigne. » Ainsi, si une régulation parvient à contrôler les variations de température inévitables d’un système de chauffage pour les réduire en micro-variations, elle peut réduire l’écart entre la température de consigne et la température réelle de façon durable jusqu’à +/- 0,15°C, une variation temporelle des plus faibles, pour une performance énergétique maximale.

regulation intelligente

Avec l’oscillation d’un thermostat classique, une énergie gaspillée est facilement de l’ordre de 15%. La courbe en jaune autour de 20° montre au contraire une régulation à +/- 0.15°C. Le seul levier de la précision engendre environ 15 % d’économies immédiates. Une telle précision nécessite une intelligence artificielle, un algorithme de régulation qui lui confère anticipation, auto-apprentissage et réactivité, par exemple en déterminant à l’avance quand ouvrir ou fermer les vannes du chauffage, alors celle-ci s’adapte en temps réel à son environnement et permet d’obtenir un maximum de confort et d’économies d’énergie.

L’intelligence artificielle au service de la régulation

Telle une voiture autonome qui prend au bon moment les bonnes décisions pour anticiper sa trajectoire, une régulation algorithmique thermocyclique bénéficie d’une intelligence artificielle embarquée qui lui permet de contrôler les émetteurs de chauffage de façon dynamique et prédictive, pour une gestion du chauffage la plus fine possible.

algorythme prédictif.jpg

Une régulation algorithmique thermocyclique présente de nombreux autres avantages, comme la prise en compte d’apports gratuits (ensoleillement, chaleur humaine, fonctionnement de machines…), l’équilibrage hydraulique automatique, la protection contre la moisissure, la détection automatique d’ouverture de fenêtre sans pose de contacteurs… ce qui permet d’assurer de façon pérenne un confort thermique optimal et d’optimiser les consommations énergétiques.

Un atout crucial de la régulation thermocyclique réside dans la réalisation automatique de l’équilibrage hydraulique des installations, un problème récurrent auquel sont confrontés les professionnels, souvent sans pouvoir y apporter une solution satisfaisante. En effet, d’après les estimations, 10 % de toutes les installations seulement fonctionnent dans des conditions hydrauliques optimales. La mise sous pression irrégulière des radiateurs entraîne à la fois le dépassement des températures ambiantes et le gaspillage d'énergie. Si l’industrie de la robinetterie propose certes une large gamme de régulateurs de pression différentielle et de débit ainsi que des logiciels adaptés pour le calcul du réseau de distribution, l'absence d'équilibrage hydraulique reste le problème principal aussi bien dans le neuf que dans l'existant – ce qui, d’après les experts, entraîne une perte de rendement de 10 à 20 % sur l’ensemble de l’installation.

L'ANALYSE ET LE SAVOIR FAIRE DE L'INDUSTRIEL

1°) Principe d’une régulation algorithmique thermocyclique

Le procédé algorithmique thermocyclique représente une innovation fondamentale en matière de régulation de température. La régulation THZ fonctionne selon un nouveau principe que les thermostats ou régulateurs à actions proportionnelles intégrales ne proposent pas.

Le système est adapté aux installations de chauffage tout comme aux installations de rafraîchissement. Le principe de fonctionnement est expliqué ci-dessous à l’aide d’un exemple de système de chauffage. Ces explications sont à adapter en cas de système de rafraîchissement.

Le fonctionnement du système de régulation le plus simple qui soit actuellement est présenté par le graphique 1.a : un thermostat ouvre un radiateur quand il fait froid et le ferme quand il fait chaud. Un tel système change d ́état en permanence, donc il produit des variations de température comme le montre le graphique 1.b.

regulation intelligente

De telles variations sont le plus souvent importantes donc inconfortables. Pour y remédier, on essaie de réduire puis d'équilibrer ces variations de température. C'est là que le procédé thermocyclique se différencie. Ce procédé n'a pas pour but d’éliminer ces variations. Au contraire, il stimule ces variations tout en les maintenant sous contrôle. C'est parce qu'elles sont sous contrôle qu'il est possible de les réduire au minimum; elles ne doivent en aucun cas être supprimées.

Le principe fondamental est d'utiliser les informations contenues dans ces variations de température. L'amplitude et la fréquence des variations de température (graphique 1b) dépendent entièrement du fonctionnement du système de chauffage et des conditions environnantes soient des temps morts, de la température des radiateurs et de la température ambiante; ce sont précisément les informations issues des variations qu’il s'agit de rassembler et d'utiliser pour la régulation. C'est pourquoi l'objectif ne doit être en aucun cas d'éliminer ces variations mais plutôt de les stimuler pour pouvoir mieux les contrôler, puis les modifier pour la régulation. Si l'on éliminait ces variations, il deviendrait alors impossible d'extraire les informations nécessaires à une régulation optimale.

regulation radiateur

De ceci découlent les premières phases du système (Graphique 2 ici amplifié). Un radiateur est alimenté pendant un certain temps. Puis, le système répond quelques instants plus tard en ayant déterminé une température minimale et une température maximale.

Le procédé de régulation thermocyclique établit dès lors une relation entre le moment de la mise en marche du radiateur et des variations de température qui en résultent. Les valeurs calculées sont un point de départ pour l'ouverture des radiateurs, l'évolution de la température lors de l'ouverture des radiateurs et la durée de leur ouverture. Ensuite, des paramètres sont établis en fonction de la différence mesurée entre la température de consigne et la température réelle, puis transmis au système qui procède aux adaptations nécessaires.

Grâce à ces calculs, on obtient des variations de température de très faible amplitude (généralement de 0.3 C°) comme le montre le graphique 3 (ici amplifié).

regulation intelligente

L'évolution de la température est analysée de façon continue. A partir des données du cycle précédent, des paramètres sont établis. Les points de départ pour l'ouverture des radiateurs (E) et la durée de l'ouverture (D) sont de nouveau calculés pour le cycle courant pour confirmer les valeurs pré-établies.

Un cycle est alors lancé. La différence entre la température réelle et la température de consigne est enregistrée.

Cette différence permet d'établir de nouveaux paramètres pour le prochain cycle. Selon cette méthode, des informations concernant le système et son environnement sont enregistrées. Tout changement de condition est pris en compte dans les nouveaux paramètres pour que la régulation soit adaptée en fonction.

La régulation thermocyclique offre notamment les avantages suivants :

  • Sans programmation préalable, elle détermine la régulation optimale pour chaque système. Aucune caractéristique technique concernant le système ni aucune courbe de chauffage ne doivent être établies par avance.
  • La régulation n'a besoin que d’une sonde de température et d'un commutateur. Aucune sonde extérieure n'est nécessaire à la régulation de la température de départ. Si la température de départ doit être réglée, la température minimale nécessaire est alors déterminée à partir des informations reçues.
  • Ces données permettent de calculer un équilibrage hydraulique automatique. Avec les moteurs de vannes proportionnels SF ou SK, l’installation toute entière peut être équilibrée automatiquement sans intervention extérieure.
  • Les paramètres de sécurité sont facilement établis et les problèmes faciles à diagnostiquer.

Enfin, la variation temporelle de la régulation thermocyclique retenue pour le calcul du CEP est très faible.

2°) Un équilibrage hydraulique automatique

L'équilibrage hydraulique électronique de Thermozyklus est rapide, précis et rentable. Il prend le ratio ouverture/fermeture comme référence pour le besoin calorifique.
Rappel : Thermozyklus s'appuie sur un algorithme de régulation breveté. La vanne n'est pas mise dans les positions traditionnelles d'un régulateur P, I ou PID. Grâce à la mesure permanente de la température ambiante, la régulation THZ détecte les micros variations de température et les analyse afin de réguler la température ambiante à ± 0,15 Kelvin près. Les informations obtenues pendant la régulation servent à déterminer le débit du fluide qui est nécessaire pour chaque pièce afin d'obtenir l'apport énergétique défini.

comparatif équilibrage

On obtient ainsi une durée de pulsation pendant laquelle on chauffe (vanne ouverte) et une où le chauffage est inutile (vanne fermée). Le ratio entre les durées d'ouverture et de fermeture permet de calculer le besoin énergétique réel pour une pièce et par là même la valeur caractéristique par pièce. En comparant toutes les données d'un circuit de chauffage, on détermine le débit de chacun des radiateurs ainsi que les variations entre ces derniers. Ces données servent alors à réduire les radiateurs en fonction de leur valeur caractéristique respective.

L'équilibrage hydraulique est simplifié grâce à la régulation thermocyclique THZ. De plus, ce procédé enregistre les conditions hydrauliques réelles le rendant plus précis que le calcul d'après le réseau de distribution.
Tout calcul complexe du réseau de distribution s'avère inutile. En fonction des conditions hydrauliques d'une installation, on parvient à économiser entre 10 et 20 % d'énergie. C'est en particulier le cas pour les chauffages dont les chaudières n'ont presque pas été condensées et pour les installations dont le COP de la pompe à chaleur est mauvais.

La régulation Thermozyklus agit de façon dynamique pour assurer une courbe de température à +/- 0,15°C autour de la température de consigne.

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L'unité centrale ZE5 avec ses moteurs
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  • Prise en compte et anticipation des surchauffes, des apports gratuits, de l’inertie des émetteurs, …
  • Régulation précise à +/- 0,15°C sur tous émetteurs : les courbes de température le prouvent !
  • Unité centrale ZE labellisée Energy Efficiency AA avec ses moteurs de vanne SF & SK
  • Variation temporelle très faible
  • Système certifié eu.bac pour planchers chauffants avec un Ca=0,5 (selon EN 15232) - Ca = Control Accuracy
  • Système certifié eu.bac pour radiateurs avec un Ca=0,2
  • Système certifié eu.bac pour panneaux rayonnants avec un Ca = 0,4 en chaud et Ca = 0,4 en froid
  • Fiabilité et expérience : près de 5 000 installations régulées sur plus de 10 ans

Aperçu de la solution de régulation ThermoZYKLUS

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