CENTRE DE FORMATION

Les principes de base de la rgulation des installations de chauffage central

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SOMMAIRE

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Page SOMMAIRE .................................................................................................................................................................................. INTRODUCTION ................................................................................................................................................................... TYPE DE REGULATION A ADAPTER SUR LES CHAUDIERES A HAUTES PERFORMANCES PERMETTANT D'ECONOMISER L'ENERGIE ............................. PRINCIPAUX TYPES DE REGULATION ................................................................................................. 1. Robinets thermostatiques .............................................................................................................................................. 2. Thermostat d'ambiance ................................................................................................................................................... 2.1. Action sur acclrateur ou sur vanne mlangeuse...................................................................... 2.2. Action sur brleur ...................................................................................................................................................... 3. Rgulation sonde extrieure et sonde dpart .......................................................................................... 3.1. Rgulation action sur vanne mlangeuse ....................................................................................... 3.2. Rgulation action sur brleur ..................................................................................................................... 3.3. Rgulation action sur vanne mlangeuse et sur brleur .................................................... PRINCIPE DE BASE D'UNE REGULATION AVEC SONDE EXTERIEURE ET SONDE DEPART ......................................................................................................................................................... 1. Comment agit une rgulation avec sonde extrieure et sonde dpart ................................... 2. Qu'est-ce que la courbe de chauffe ? Qu'est-ce que la pente ?................................................... 3. Comment rgle-t-on la courbe de chauffe de rgime confort ? ..................................................... VOCABULAIRE PROPRE A LA REGULATION ............................................................................... 1. Les constantes de temps ............................................................................................................................................... 2. Les diffrentes boucles de rgulation .................................................................................................................. 3. Les vannes ................................................................................................................................................................................. 3.1. Classification ................................................................................................................................................................. 3.2. Caractristiques hydrauliques........................................................................................................................ 3.3. L'autorit des vannes ............................................................................................................................................ 3.4. Coefficient de vanne (Kv)................................................................................................................................... 4. Les rgulateurs 2 points, 3 points ........................................................................................................................... 4.1. Les rgulateurs 2 points...................................................................................................................................... 4.2. Les rgulateurs 3 points...................................................................................................................................... 5. Les actions proportionnelle, intgrale, drive ............................................................................................ 5.1. Action proportionnelle ........................................................................................................................................... 5.2. Action intgrale ........................................................................................................................................................... 5.3. Action drive .............................................................................................................................................................. 1 3 5 11 12 13 13 14 14 15 15 15 17 19 23 24 31 32 34 37 37 40 43 48 51 51 51 52 52 55 56

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INTRODUCTION

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Les deux premiers objectifs des rgulations de chauffage central eau chaude furent d'assurer automatiquement la conduite de l'installation et le confort des usagers. Depuis quelques annes, un troisime objectif s'est joint aux deux premiers : assurer le maximum d'conomies d'nergie. La norme exprimentale P 52 004 de fvrier 1980 : "Ensemble de rgulation pour installation de chauffage eau chaude Spcifications techniques gnrales" a pour objet : - de dfinir la liste minimale des renseignements techniques dont l'utilisateur et l'installateur doivent disposer pour le choix et l'utilisation d'un ensemble de rgulation pour installation de chauffage eau chaude - de fixer les caractristiques dimensionnelles, physico-chimiques, mcaniques, hydrauliques et lectriques, auxquelles doivent satisfaire ces ensembles de rgulation - d'uniformiser l'expression de ces renseignements techniques et de ces caractristiques - de fixer la technique des essais permettant de dterminer et de vrifier ces renseignements techniques et ces caractristiques - de fixer le marquage et la prsentation et comme domaine d'application : La norme exprimentale s'applique aux chanes de rgulation lectriques ou lectroniques destines aux installations de chauffage de locaux dont le fluide caloporteur est de l'eau additionne ou non d'antigel, circulant une temprature infrieure ou gale 110 C. La prsente norme ne s'applique pas en particulier aux systmes physico-mcaniques (pneumatiques, thermostatiques ou autonomes), aux systmes de rgulation sur brleur, aux systmes lectriques faisant varier le dbit en tout ou rien, aux ensembles de rgulations en boucle ouverte o n'est pas utilise une loi de correspondance instantane et linaire (rgulations fondes sur l'intgration continue des bilans thermiques), aux ensembles de rgulations spcialement conus pour des applications particulires. Nous jugeons important de rappeler l'existence de cette norme car, "dans la profession de la rgulation", il n'est pas rare d'employer des termes diffrents, d'un constructeur l'autre, pour dsigner un mme composant. Nous ne manquerons donc pas de rappeler, chaque fois que cela sera ncessaire, la dsignation de la norme P 52 004.

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TYPE DE REGULATION A ADAPTER SUR LES CHAUDIERES A HAUTES PERFORMANCES PERMETTANT D'ECONOMISER L'ENERGIE

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Afin de dfinir le type de rgulation adapter sur les chaudires hautes performances pour conomiser le maximum d'nergie, nous raisonnerons d'aprs la courbe d'volution du rendement utile d'une chaudire en fonction de son facteur de marche. Le graphique ci-dessous (source ASFUEL) donne l'allure de cette courbe pour une chaudire fioul traditionnelle de bonne conception de ces 10 dernires annes, maintenue temprature constante durant toute la priode de chauffe.% 107 100 90 80 70 Perte par eau non condense Fumes neutres Excs d'air Balayage Rayonnement et convection Rendement utile Rendement utile sur Pci

Facteur de marche 0 50 100 %

Pour un facteur de marche de 100 %, le rendement de combustion est de 87 % et le rendement utile de 83,5 %. En admettant cette chaudire correctement dimensionne, son facteur de marche moyen annuel sera de 30 % et son rendement d'exploitation de 77 %. En comparaison, la courbe ci-dessous montre l'volution du rendement utile d'une chaudire haut rendement (type EUCLIDE) maintenue temprature constante toute l'anne.% 100 90 80 70 Rendement utile Rendement utile sur Pci

Facteur de marche 0 50 100 %

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Pour un facteur de marche de 30 %, le rendement d'exploitation est de l'ordre de 87 %, soit de 10 points suprieur celui de la chaudire traditionnelle, ce qui conduit une conomie de combustible de l'ordre de 11,5 %. Ce gain, dj important, peut encore tre amlior grce aux possibilits de modulation de la temprature du corps de chaudire en fonte. En effet, le fait d'abaisser la temprature de l'eau dans le corps de la chaudire permet d'obtenir d'une part, un gain de rendement utile pour un facteur de marche de 100 % et d'autre part, des courbes de rendement utile en fonction du facteur de marche beaucoup plus plates. On peut donc tracer un faisceau de courbes correspondant l'volution du rendement utile en fonction du facteur de marche, pour une mme chaudire tenue des tempratures diffrentes.

Rendement utile sur Pci % 93 temp. 30 C 92 91 90 89 88 87 86 85 0 50 100 % temp. 40 C temp. 60 C temp. 80 C

Facteur de marche

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En rapprochant de ce diagramme la courbe de la temprature moyenne chaudire d'une installation traditionnelle 80/60, nous pouvons tracer la courbe rsultante du rendement d'exploitation de cette chaudire temprature rglable.Temprature moyenne chaudire

70 60 50 40 30 20 Temprature de non chauffage

C Temprature extrieure Temprature de base

Rendement utile sur Pci % 93 92 91 90 89 88 87 86 85 0 50 100 % temp. moy. 30 C temp. moy. 40 C temp. moy. 50 C temp. moy. 60 C temp. moy. 70 C temp. moy. 80 C

Facteur de marche

Nous constatons que le fait de moduler la temprature moyenne de la chaudire entre 30 C et 70 C permet de prserver un rendement d'exploitation suprieur ou gal 91 % tant que le facteur de marche est suprieur 15 %. Entre 0 et 15 %, on pourra refroidir totalement la chaudire entre 2 demandes de chaleur, ce qui limitera encore la chute du rendement d'exploitation.

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Si nous comparons cette courbe aux courbes de rendement d'une chaudire traditionnelle de bonne conception, tenue temprature constante, mais dont nous faisons varier uniquement le dimensionnement, nous pouvons mesurer les gains que peut apporter une chaudire GT installe en remplacement de chaudire existante : 14 % par rapport la courbe a : chaudire traditionnelle correctement dimensionne 22 % par rapport la courbe b : chaudire traditionnelle surdimensionne d'environ 2 fois.

Rendement utile sur Pci %

100 90 80 70 1 a b 2

Facteur de marche 0 50 100 %

1 - Chaudire DE DIETRICH type GTM 214 temprature module. 2 - Chaudire traditionnelle de bonne conception : a) bien dimensionne b) surdimensionne d'environ 2 fois.

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Remarque : Cette courbe de rendement rsultant ne peut tre obtenue que grce aux amliorations apportes sur les chaudires haut rendement du type GT qui : - accroissent les rendements initiaux 100 % de charge - permettent des fonctionnements faible temprature - autorisent le refroidissement total de la chaudire chaque fois que cela est possible. On peut, par une conduite manuelle de la chaudire, approcher de cette courbe de rendement d'exploitation optimal, mais ceci reste du domaine de l'utopie, car beaucoup trop fastidieux. En effet, il faudrait quasiment en permanence rgler la temprature de la chaudire, l'arrter, la remettre en service, faire en fait ce qu'une rgulation programmable, parfaitement adapte, devra accomplir automatiquement chaque instant. La rgulation programmable adapter aux chaudires hautes performances doit tre d'un type qui permet : a) D'assurer les gains escompts par l'tude faite prcdemment. Pour qu'une rgulation assure les gains tels que nous venons de les analyser, il faut qu'elle agisse en permanence sur la temprature de la chaudire en fonction de la temprature extrieure. Ceci doit apparatre maintenant comme une vidence. Il faudra donc que cette rgulation dtermine la temprature de la chaudire en fonction de la temprature extrieure et l'ajuste par action directe sur le brleur. Elle sera ventuellement complte : par une action sur vanne mlangeuse par une sonde de temprature ambiante par des robinets thermostatiques. b) D'apporter des gains complmentaires par rapport cette tude. Pour qu'elle apporte des gains complmentaires, il faut qu'elle soit programmable. Les comparaisons qui ont t faites supposent que les besoins de chaleur sont maintenus la mme valeur 24 h sur 24 h. Il est bien vident que tout abaissement de temprature, tout arrt de chauffage, momentan ou prolong, sont une possibilit d'conomies supplmentaires. Leur programmation systmatique en est le garant. Il y a lieu de noter qu'une commande distance, d'accs ais, permet : - lors d'absences assez longues non programmes, de mettre le chauffage facilement au ralenti apportant ainsi des gains d'conomies - et une correction momentane en cas de conditions climatiques trs exceptionnelles ou de contraintes particulires (besoin d'un coup de chaleur inhabituel, grains imprvisibles, etc.).

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PRINCIPAUX TYPES DE REGULATION

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Nous allons analyser les diffrents types de rgulation offerts actuellement sur le march par rapport aux paramtres suivants : - qualit du produit - installation - utilisation - confort offert - remarques quant au bilan conomique.

1. ROBINETS THERMOSTATIQUES

Produit Robuste et fiable

Installation Simple

Utilisation Simple

Confort Correct

Bilan conomique Aspect ngatif : Maintien temprature constante de la chaudire. Obligation de prvoir une boucle de dcharge (un radiateur toujours ouvert ou clapet de dcharge). N'anticipe pas les variations climatiques externes du btiment. Sa facilit apparente de mise en oeuvre, faite sans prcaution de dimensionnement, conduit souvent des mauvais fonctionnements (sifflement, mauvaise autorit...). Programmation difficilement ralisable. Aspect positif : "Rgulation" pice par pice. Tient compte des apports de chaleur "gratuits" dans la pice. Cot unitaire faible.

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2. THERMOSTAT D'AMBIANCE Il existe une trs grande varit de thermostats d'ambiance, du systme le plus simple, un seul contact lectrique, qui se raccorde avec 2 fils, au systme le plus complexe, avec programmation, qui se raccorde avec 2 5 fils suivant les modles de thermostat.

Produit Fiable

Installation Relativement simple : 1 cble de 2 5 fils. Emplacement dlicat dfinir.

Utilisation Simple, sans programme. Relativement simple avec programme.

Confort Satisfaisant dans la pice o se trouve le thermostat d'ambiance s'il est bien plac, les autres pices tant tributaires de celleci.

Bilan conomique Aspect ngatif : N'anticipe pas les variations climatiques externes au btiment. Pilote toute l'installation d'aprs une seule pice de rfrence. Ne s'adapte pas tous les types d'installation (planchers chauffants). Aspect positif : Tient compte des apports de chaleur "gratuits" dans la pice o il est install.

Le thermostat d'ambiance peut agir sur l'acclrateur chauffage, sur la vanne mlangeuse ou sur le brleur.

2.1. Action sur acclrateur ou sur vanne mlangeuse Dans le cas o l'installation comporte une vanne mlangeuse parce que la chaudire prpare l'eau chaude sanitaire ou parce qu'elle ne supporte pas de fonctionner endessous de la temprature de rose des produits de combustion, l'action du thermostat d'ambiance se fait sur l'acclrateur chauffage si la vanne mlangeuse est manuelle ou sur le moteur de la vanne si elle est motorise. L'action sur vanne mlangeuse est prfrable l'action sur acclrateur chauffage. La rgulation est plus fine, donc plus conome. Le confort est mieux assur (pas de surchauffe dans les metteurs de chaleur, pas de sensation de train de chaleur). Il y a lieu de noter que, dans les deux cas, la chaudire est maintenue en temprature toute l'anne.

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2.2. Action sur brleur L'action du thermostat d'ambiance sur le brleur introduit des squences de fonctionnement plus ou moins long de la chaudire, en-dessous de la temprature de rose des produits de combustion. Il faut donc, avant d'adapter ce type de rgulation une installation, s'assurer que la chaudire peut accepter ce type de fonctionnement sans risque. Ce type de rgulation est dconseiller formellement avec les chaudires dont la conception ou le matriau ne permet pas le fonctionnement basse ou trs basse temprature (chaudires acier de conception traditionnelle par exemple). Les chaudires DE DIETRICH Dietrigaz et GT sont parfaitement adaptes ce type de fonctionnement. L'intrt de celui-ci rside dans le fait que des conomies complmentaires sont obtenues en ne tenant pas, de faon inutile, la chaudire en temprature en dehors des demandes chauffage ou, ventuellement, d'eau chaude sanitaire. Toutefois, ce type de fonctionnement entrane des trains de chaleur prjudiciables au confort et aux conomies. 3. REGULATION A SONDE EXTERIEURE ET SONDE DEPART Ce type de rgulation, de plus en plus rpandu sur les installations de chauffage central individuel, comprend trois grandes familles de produits : - les rgulations action sur vanne mlangeuse - les rgulations action sur brleur - les rgulations action sur vanne mlangeuse et sur brleur. Produit Fiable Installation Simple lorsque le rgulateur est intgr au tableau de commande de la chaudire (ex : GT et Dietrigaz DE DIETRICH). Beaucoup plus complexe si le rgulateur est placer sur le tableau lectrique de la chaufferie. Utilisation Simple Confort Satisfaisant Bilan conomique Aspect positif : Module exactement la temprature dpart chauffage en fonction des conditions climatiques externes. Prend en compte, immdiatement et beaucoup plus rapidement que le thermostat d'ambiance, les apports de chaleur externes au btiment. Complt par une sonde d'ambiance, il tient galement compte des apports gratuits.

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3.1. Rgulation action sur vanne mlangeuse Cette rgulation est parfaitement adapte aux circuits planchers chauffants, ainsi qu'aux circuits de prparation d'eau chaude sanitaire. Elle permet une modulation plus prcise de la temprature d'eau de chauffage (conomie d'nergie). 3.2. Rgulation action sur brleur Cette rgulation est applicable dans tous les cas aux chaudires acceptant le franchissement de la temprature du point de rose (Dietrigaz, GT par exemple). Pour les chaudires qui assurent la production d'eau chaude sanitaire, trois remarques sont faire : - Cette rgulation action sur le brleur ne peut pas tre envisage si la production d'eau chaude sanitaire se fait en thermosiphon (risque de production insuffisante d'eau chaude sanitaire en mi-saison). - Si la production d'eau chaude sanitaire se fait avec pompe de charge, la mise en place d'une telle rgulation suppose que le brleur soit command sparment pour satisfaire les besoins de chauffage et d'eau chaude sanitaire (systme dit de "priorit eau chaude sanitaire" qui assure, dans ce cas prcis, une conomie d'nergie importante). - Une telle rgulation peut provoquer des trains de chaleur dans certains cas d'installation : chaudires dont la contenance en eau est importante par rapport celle de l'installation. L'intrt de ce type de rgulation rside dans les conomies apportes par la modulation permanente de la temprature du corps de la chaudire. 3.3. Rgulation action sur vanne mlangeuse et sur brleur. Applicable toutes les chaudires acceptant le franchissement de la temprature du point de rose, avec ou sans prparation d'eau chaude sanitaire, raccordes sur installations quipes d'une vanne mlangeuse motorisable (radiateurs ou plancher chauffant). Ex : Chaudires GT, Dietrigaz. Cette rgulation est la synthse des deux systmes prcdents. Elle cumule les avantages et les conomies lis chacun d'eux. En intersaison, la prsence de la vanne mlangeuse vite, pour les chaudires prparation d'eau chaude sanitaire, tout train de chaleur dans l'installation chauffage suite une charge sanitaire.

Tous ces types de rgulation peuvent tre complts par un systme de programmation journalier ou hebdomadaire permettant, aux heures choisies, d'arrter ou de ralentir le chauffage. La programmation peut s'appliquer, pour les chaudires production d'eau chaude sanitaire, la prparation d'eau chaude sanitaire.

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En ce qui concerne les rgulations par sonde extrieure, elles peuvent tre compltes : Par une sonde d'ambiance : Avantages : - Prend en compte les apports de chaleur "gratuits" dans la pice o elle est situe. - Corrige les effets d'inertie thermique du btiment : . diminue la dure de remise en rgime de l'installation . acclre la remise en rgime des locaux occupation temporaire. Par des vannes thermostatiques : Ces vannes, places dans des pices o il peut y avoir des apports de chaleur "gratuits" importants (cuisine, salle de sjour, pices exposes au Sud...), fermeront automatiquement le radiateur de la pice concerne, vitant toute intervention manuelle. Cette intervention manuelle se faisant en gnral lorsque la pice a surchauff, un gain d'nergie rsultera de l'installation de vannes thermostatiques.

En conclusion, la rgulation programmable, action sur brleur en fonction de la temprature extrieure, avec la panoplie d'options qu'on peut lui adjoindre, est la solution pour la conduite automatique et conomique des quipements hautement volus que sont les chaudires haut rendement quipes de brleurs performants. Elle offre la certitude d'apporter l'usager confort et conomies.

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PRINCIPE DE BASE D'UNE REGULATION AVEC SONDE EXTERIEURE ET SONDE DEPART

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Ce principe est dcrit dans l'avant-propos de la norme P 52 004 dont nous donnons ci-dessous un extrait : "La majorit des rgulations centrales pour installation de chauffage eau chaude utilise une loi de correspondance sensiblement linaire. En particulier dans les immeubles d'habitation munis d'un chauffage central collectif eau chaude, le maintien de la temprature ambiante peut tre obtenu indirectement par un ensemble de rgulation faisant varier la temprature de l'eau envoye dans les corps de chauffe, suivant une loi de correspondance fonction de la temprature extrieure en agissant sur une vanne motorise mlangeant l'eau de la chaudire avec l'eau de retour de l'installation" (SIC). En effet, quel problme est confronte l'installation de chauffage ? A celui d'assurer une temprature ambiante rglementaire dans les locaux de 19 C. Pour cela, on peut procder de plusieurs faons. Mais rappelons-nous, par exemple, comment le propritaire d'une chaudire GT, raccorde l'installation chauffage sans vanne mlangeuse, rgle le thermostat de celle-ci durant toute la saison de chauffe. - Pour une temprature extrieure de 0 C, il sait par exprience qu'en le plaant sur 50 C, il obtiendra la temprature ambiante souhaite. - Pour une temprature extrieure de - 10 C, c'est en la plaant sur 70 C qu'il obtiendra satisfaction. - Et pour une temprature extrieure de 10 C, en le plaant sur 35 C environ. En fait, que fait l'usager en procdant ainsi : - Il adapte la temprature d'eau dans l'installation chauffage pour que l'mission de chaleur, qui en rsulte au niveau des metteurs (radiateurs), quilibre les dperditions de chaleur du btiment, tout en maintenant une temprature ambiante rgulire et confortable. - La droite de correspondance entre la temprature de dpart chauffage et la temprature extrieure, que nous pouvons tracer pour l'exemple pris ci-avant, est ce qu'on appelle la courbe de chauffe ou loi de correspondance de cette installation de chauffage. Cette loi de correspondance est en gnral une courbe. Pour faciliter la comprhension du principe, nous l'assimilerons une droite.

C 70 60 50 40

Temprature eau dpart

+

Par convention, on reprsente sur l'axe horizontal les besoins de chaleur croissants, c'est-dire la temprature extrieure dcroissante de + 20 C - 20 C.

+

+30 20 +20 Temprature extrieure en C +10 0 -10

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1. COMMENT AGIT UNE REGULATION AVEC SONDE EXTERIEURE ET SONDE DEPART Imaginons prsent que nous souhaitons automatiser le fonctionnement de la chaudire prise comme exemple ci-avant. Pour dfinir les composants ncessaires cette automatisation, partons de l'analyse que fait l'usager pour conduire manuellement sa chaudire. a) Prise de la temprature extrieure Il faudra prvoir un organe capable de mesurer la temprature extrieure. Il s'agira d'un dtecteur de mesure de temprature extrieure, plus communment appel sonde extrieure. Exemple : - Sonde extrieure de rgulation SV-matic. Le fonctionnement de ces sondes est bas sur le fait que la rsistance des mtaux au passage du courant lectrique varie suivant la temprature laquelle se trouve le matriau utilis. Si la rsistance du matriau, qui constitue l'lment sensible de la sonde, varie dans le mme sens que la temprature, on dit qu'il s'agit d'une rsistance PTC (Positive Temperature Coefficient). Exemple : Variation de la rsistance des sondes de temprature SV-matic en fonction de la temprature.

Rsistance R en Ohms 2100 2000 1900 1800 1700 1600 1500 1400 Temprature 1300 -25 -20 -15 -10 -5 0 +5 +10 +15 +20 +25 t C

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Si la rsistance du matriau, qui constitue l'lment sensible de la sonde, varie dans le sens inverse de la temprature, on dit qu'il s'agit d'un lment de mesure NTC (Negative Temperature Coefficient). Les lments de mesure NTC sont en gnral des thermistances. Les thermistances appartiennent la catgorie des corps dits "semi-conducteurs". Elles sont ralises sous forme de petites pastilles d'un diamtre de 5 10 mm, ou de plaques, ou de perles, par un grand nombre de petits grains agglomrs par "frittage" (compression et chauffe).

@@ ;; @@ ;; @@ ;;R

Les grains sont base d'oxydes de fer ou autres mtaux (nickel, manganse, tungstne, etc) permettant d'obtenir diverses valeurs de rsistances.

Exemple : Variation de la rsistance de la sonde de temprature extrieure en fonction de la temprature.

Rsistance R en Ohms 700 690 680 670 660 650 640 630 620 610 600 590 580 570 560 550 -25 -20 -15 -10 -5 0 +5 +10 +15 +20 +25

Temprature t C

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b) Prise en compte de la temprature extrieure pour dterminer, d'aprs la courbe de chauffe, la temprature de dpart souhaite C'est le rle du rgulateur.C 70 60 50 40 30 20 +20 Temprature eau dpart

Temprature extrieure en C +10 0 -10

Exemple : Pour une temprature de - 10 C, le rgulateur mesure la rsistance de la sonde extrieure correspondant cette temprature et impose, d'aprs la courbe de chauffe, une temprature dpart chauffage de 70 C. Si la temprature extrieure lue avait t de 5 C, le rgulateur aurait impos une temprature dpart chauffage de 45 C. Exemples de rgulateurs :

Rgulateur SV-matic

Rgulateur Diematic-Delta

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c) Contrler la temprature eau dpart Cela sera fait par le dtecteur de mesure de la temprature de l'eau plus communment appel sonde dpart. On distingue les : - Dtecteurs d'insertion (sonde chaudire) : L'lment dtecteur de la temprature d'eau est destin tre plac l'intrieur du doigt de gant de la chaudire. - Dtecteurs appliques (sonde aprs vanne) : L'lment dtecteur de la temprature d'eau est destin tre plac en applique sur la tuyauterie de dpart, aprs la vanne. Dans les deux cas, l'lment sensible est influenc par la temprature de l'eau. Exemples de dtecteurs : Sonde aprs vanne Sonde chaudire

La rgulation agit donc en permanence et automatiquement grce au rgulateur et ses organes de dtection pour adapter, en fonction de la temprature extrieure, la bonne temprature de dpart chauffage et ce suivant la courbe de chauffe. Pour les chaudires combustibles liquides ou gazeux, le rgulateur agira soit : - directement sur le brleur - sur le moteur rotatif ou thermique d'une vanne mlangeuse

- sur le moteur rotatif ou thermique d'une vanne mlangeuse et sur le brleur

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2. QU'EST-CE QUE LA COURBE DE CHAUFFE ? QU'EST-CE QUE LA PENTE ? Nous avons dj cern, partir de l'exemple prcdent, ce qu'est la courbe de chauffe d'une installation de chauffage. Cette courbe de chauffe est une droite dont la pente varie suivant les caractristiques de l'installation. Exemple :Temprature eau dpart C

8070 60 50 40 30 20 +20

1

2

+10

0

-10 Temprature extrieure en C

a) La courbe de chauffe d'une installation par radiateur, assurant 19 C de temprature ambiante quelle que soit la temprature extrieure, et calcule 80 C de temprature de dpart chauffage par - 10 C de temprature extrieure, aura l'allure de la courbe n 1. b) La courbe de chauffe d'une installation par plancher chauffant, assurant 19 C de temprature ambiante quelle que soit la temprature extrieure, et calcule 50 C de temprature de dpart chauffage par - 10 C de temprature extrieure, aura l'allure de la courbe n 2. On voit nettement que la pente de la courbe de chauffe du plancher chauffant est plus faible que celle de l'installation avec radiateur. Cette pente est caractrise par le rapport : cart des tempratures d'eau cart des tempratures extrieures Dans le premier cas, installation 80 C par - 10 C, nous avons : temp. eau 80 - 20 60 = = =2 temp. ext. 20 - (- 10) 30 L'installation aura donc une loi de correspondance (temprature extrieure, temprature d'eau) ayant une pente de 2. C'est--dire que, pour 1 C de variation de temprature extrieure, on provoque 2 C de variation de temprature de l'eau.

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Dans le deuxime cas, installation 50 C par - 10 C, nous avons : Pente = 50 - 20 30 = =1 20 - (- 10) 30

Le rgulateur doit piloter automatiquement l'installation en respectant la pente de la courbe de chauffe de cette installation. C'est la raison pour laquelle tous les rgulateurs peuvent tre rgls pour s'adapter aux types d'metteurs de chaleur installs. De plus, on devra, dans la plupart des cas, affiner le rglage du rgulateur pour prendre en compte les carts possibles entre les caractristiques thermiques relles du btiment et celles qui ont t pr-retenues au moment du calcul des dperditions du btiment. Hormis les problmes de confort propres chaque individu et les problmes d'inertie thermique des btiments, quel que soit le type d'metteurs de chaleur mis en oeuvre (radiateurs, convecteurs, plancher chauffant...), toutes les courbes de chauffe passeront par le point 20 C temprature dpart chauffage, 20 C temprature extrieure, puisque pour 20 C de temprature extrieure, il n'est plus ncessaire de chauffer les locaux, car la temprature ambiante se stabilisera 20 C. Il est donc possible, partir de 2 points : 1 - temprature de dpart choisie la temprature extrieure de base 2 - temprature de dpart 20 C et temprature extrieure 20 C de dfinir la courbe de chauffe d'une installation et, partant de l, d'adapter le rgulateur cette courbe de chauffe. 3. COMMENT REGLE-T'ON LA COURBE DE CHAUFFE DE REGIME CONFORT ? Partant de l'exemple des rgulations que nous fournissons et qui sont rgles d'usine sur la courbe de chauffe de pente 1,5 passant par l'origine 20/20, nous allons analyser les diffrents cas de figure qui peuvent se poser. a) Nous constatons : Sur SV-matic

C 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20

Temprature chaudire 3,0 2,25 21 1,5 2 2,5 3 0,5 3,5

1,5 1 0,75 0,5

Que cette courbe de chauffe assurera une temprature dpart chauffage de 65 C par - 10 C de temprature extrieure. Elle est donc adapte une installation classique par radiateur.

Temprature extrieure C

+20

+10

0

-10

-20

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b) Nous souhaitons piloter, avec ces rgulations, des installations par plancher chauffant avec 42,5 C au dpart pour une temprature extrieure de base de - 10 C Pour piloter ce type de circuit basse temprature, il faudra utiliser un rgulateur SV-matic avec action sur vanne mlangeuse.

C 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20

Temprature dpart chauffage 2,25 21 1,5 2 2,5 3 0,5 3,5

1,5 1 0,75 0,5 0,25 +20 +10 0 -10 -20

Il faut rgler le rgulateur pour qu'il fonctionne avec son circuit aprs-vanne suivant une courbe de chauffe gale 0,75.

Temprature extrieure C

On le fait en plaant la pointe de la flche repre du potentiomtre 3 sur 0,75.

26

c) Adaptation de la courbe de chauffe aux exigences de confort de l'usager Suite au contrle ou au rglage permettant de faire correspondre la courbe de chauffe aux caractristiques des metteurs de chaleur, deux cas peuvent se prsenter : 1 - Le rglage convient et il n'y a plus lieu d'y retoucher. 2 - Le rglage ne convient pas. Si le rglage ne convient pas, deux problmes peuvent se poser : 1 - Soit la temprature ambiante rsultante est trop basse. 2 - Soit la temprature ambiante rsultante est trop haute. Pour chacun d'eux, il faudra savoir s'il se pose : - quelle que soit la temprature extrieure - par temps doux uniquement - par temps froid uniquement. Partant de l, le rglage pourra tre effectu. Ces remarques permettent de bien souligner qu'une rgulation se rgle sur une saison complte de chauffe. Ceci explique que nous donnions les indications dtailles pour le faire dans la notice d'utilisation fournie avec chaque chaudire. Nous allons prendre comme premier exemple une temprature ambiante rsultante trop basse. 1er cas : Quelle que soit la temprature extrieure Ceci signifie que la temprature dpart chauffage est toujours trop basse, en toute saison. Il faudra donc l'augmenter quelle que soit la temprature extrieure. On effectuera un dcalage dit "parallle" de la courbe de chauffe vers le haut.+20 -20

En tournant le potentiomtre 1 vers la droite.

27

2me cas : Temprature ambiante trop basse uniquement par temps doux Ceci signifie que la temprature dpart chauffage est trop basse, uniquement lorsque la temprature extrieure est douce. Il faudra donc relever la courbe de chauffe dans cette zone de temprature extrieure douce en la modifiant le moins possible dans la zone des tempratures extrieures basses. Pour cela, il faut procder 2 manipulations :

1 - Abaissement de la courbe de chauffe en affichant une pente plus faible.

+20

-20

Tourner le potentiomtre 2 vers la gauche.

Nouvelle courbe de chauffe

1 2

2 - Dcalage parallle de la courbe de chauffe vers le haut. En tournant le potentiomtre 1 vers la droite pour la rgulation SV-matic.

+20

-20 Ancienne courbe de chauffe

On constate bien, en comparant la nouvelle courbe de chauffe l'ancienne, que c'est par temps doux que la temprature dpart chauffage est le plus augmente alors qu'elle est peu modifie par temps froid.

28

3me cas : Temprature ambiante trop basse uniquement par temps froid Il faudra augmenter la temprature de dpart chauffage pour les tempratures extrieures les plus basses.

On rglera la courbe de chauffe suivant une pente de valeur plus grande.

+20

-20

En tournant le potentiomtre 2 vers la droite.

29

Deuxime exemple : La temprature ambiante est trop leve. Les manipulations faire sur le rgulateur seront donc inverses celles que nous venons d'analyser. 1er cas : La temprature ambiante est trop leve quelle que soit la temprature extrieure

Ne pas modifier le rglage de la courbe de chauffe. Diminuer le rglage du potentiomtre "jour".+20 -20

2me cas : La temprature ambiante est trop leve par temps doux

1

Augmenter le rglage de la courbe de chauffe d'une graduation. Diminuer le rglage du potentiomtre "jour".

2

+20

-20

3me cas : La temprature ambiante est trop leve par temps froid

Diminuer le rglage de la courbe de chauffe d'une graduation. Ne pas toucher au potentiomtre de rglage "jour".+20 -20

30

NOTES

31

VOCABULAIRE PROPRE A LA REGULATION

32

1. LES CONSTANTES DE TEMPS Les constantes de temps se rencontrent chaque fois qu'il y a accumulation de matire ou d'nergie. Lorsqu'un systme est en quilibre : - les grandeurs ne varient pas - le principe de la conservation de la matire ou l'nergie est : entres = sorties. Lorsque l'quilibre est rompu : - les grandeurs varient la recherche d'un nouvel quilibre (rgime dynamique) - les sorties ne sont plus gales aux entres : le systme accumule ou restitue de la matire ou de l'nergie. Ces considrations gnrales peuvent tre concrtises par la charge ou la dcharge : - thermique d'un accumulateur : briques d'un accumulateur lectrique, ballon d'eau chaude sanitaire, moteur thermique de vanne, etc. - lectrique d'un condensateur - hydraulique d'un rservoir tampon d'eau. La charge ou la dcharge de ces capacits suit une loi de forme exponentielle. C'est--dire qu'au bout d'un temps , la variation de la charge ou de la dcharge est de 63 % de la variation totale. Ce temps est la constante de temps du systme considr. Donc si l'on connat le temps que met un systme pour arriver 63 % de la variation totale, on connat la constante de temps de celui-ci. On peut retenir : Au bout d'un temps de La variation est de

0 0

1 63 %

2 86 %

3 95 %

4 98 %

5 99,3 %

7 99,9 %

En pratique, pour un systme donn, on estime que la variation est totale, donc gale 100 % aprs 4, 5, 6 voire 7 suivant le systme considr. On admet par exemple que la charge ou la dcharge d'un condensateur lectrique est totale aprs 4 . Concrtisons par des courbes le principe de fonctionnement du moteur thermique d'une vanne mlangeuse. Lors de la demande d'ouverture de la vanne, la rsistance lectrique, enveloppant le liquide dilatable, est mise sous tension. Rchauff par le dgagement de chaleur, le liquide se dilate. En se dilatant, il actionne un soufflet qui entrane la tige d'ouverture de la vanne.

33

Le liquide dilatable est un accumulateur thermique.Tension

Tension lectrique sur la rsistance

1 0 0 Ouverture 100 % 63 % 0 0 1 2 3 Temps 4 Temps

Echauffement du liquide ou course de la tige d'ouverture de la vanne

1 ou constante de temps de la vanne = 12 mn. On estime que l'ouverture de la vanne est totale aprs 5 . Dans une chane de rgulation, tout composant, accumulant de l'nergie calorifique ou lectrique, prsente une constante de temps. L'ensemble des constantes de temps sera prendre en compte dans le temps de raction de la chane de rgulation. Exemple : sonde extrieure sonde dpart chauffage circuit lectrique et lectronique du rgulateur moteur thermique de vanne. Les corps de chauffe possdent galement des constantes de temps. On peut se rappeler les ordres de grandeur suivants : - Echangeurs - Batteries, convecteurs - Radiateur eau - Panneaux de sol = 10 100 secondes = 1 minute 10 minutes = 10 minutes 1 heure = 1 heure 5 heures.

Le btiment rgul possde lui-mme une constante de temps. Un des paramtres importants, qui influence la grandeur de la constante de temps d'un composant, est sa masse. On peut calculer de la faon suivante :

=

m.c. K.s.

m c s K

: constante de temps

: masse du corps : chaleur spcifique du corps : surface d'change : coefficient d'change thermique

L'tude de chacun des termes de cette galit, applique aux diffrents composants d'une maisonnette rgule par exemple, permet de saisir toute l'importance que revt la notion des constantes de temps dans un systme rgul.

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2. LES DIFFERENTES BOUCLES DE REGULATION Nous avons vu prcdemment que, pour automatiser le fonctionnement d'une chaudire, il fallait : - un organe de dtection pour mesurer la valeur relle de la grandeur rgler - un rgulateur pour comparer la valeur relle de la grandeur rgler avec le point de consigne (valeur dsire) et transmettre un signal de correction l'organe de rglage - un organe de rglage pour ajuster la grandeur de rglage la valeur ncessaire (brleur ou moteur de la vanne mlangeuse). Une boucle de rgulation est dite ferme ou ouverte. Cette notion de boucle ferme ou de boucle ouverte ncessite de prciser clairement, chaque fois, ce qu'est la grandeur rgler. Ce pourra tre une temprature d'eau ou une temprature ambiante. Boucle ferme Une boucle de rgulation est dite ferme lorsque l'organe de dtection subit directement les effets produits par les variations provoques par l'organe de rglage. 1er cas type : Rgulation de temprature ambiante d'un local par thermostat d'ambiance action sur brleur ou sur vanne.Grandeurs perturbatrices : - Apports - Dperditions

Temprature local (grandeur rgler) Consigne (fixe) Rgulateur (comparaison dtection/consigne) Dtection (variable) Radiateur Effets produits par les variations de l'organe de rglage 80 C Chaudire Ordre de commande

Grandeur de rglage (correctrice)

Brleur (organe de rglage)

Ce systme lmentaire ne comporte qu'une boucle et ne tient pas compte de l'inertie thermique (constantes de temps). Boucle longue : Du fait de l'inertie thermique (principalement celle des corps de chauffe et du fluide caloporteur), rien n'est instantan, et les ordres circulent dans la boucle une vitesse relativement lente (enclenchement du thermostat d'ambiance dmarrage brleur chauffement de l'eau, ventuellement jusqu' la consigne du thermostat de chaudire mission des corps de chauffe dtection temprature ambiante correcte coupure brleur dpassement de temprature ambiante...). La boucle est dite longue car, dans un rglage de chauffage central, on observe souvent un retard global suprieur une heure.

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Boucle courte : Pour conserver une bonne prcision au systme tout en obtenant la stabilit, on ajoute des boucles secondaires plus courtes permettant de prvoir la rponse et de devancer son action. Par exemple, on prend comme grandeur auxiliaire la temprature d'eau au dpart et on l'applique au rgulateur. La boucle courte ainsi ralise reprsente alors un temps de transfert trs faible, ce qui va beaucoup faciliter la stabilisation. En rsum, une boucle courte apporte un effet stabilisateur, mais introduit parfois une erreur permanente que l'on s'efforce de limiter une valeur acceptable.

Radiateur

Boucle ferme courte (secondaire) Boucle ferme longue

80 C Chaudire

Brleur (organe de rglage)

Boucle ouverte Cas d'un seul lment perturbateur. Un cas particulirement intressant en chauffage central est celui o le systme rgler a des ractions suffisamment bien connues par rapport la temprature extrieure - grandeur perturbatrice principale - pour qu'on puisse tablir entre elle et la temprature d'eau chaude une loi physique simple. On peut supprimer la mesure de la temprature intrieure et couper la boucle ferme longue en se limitant la boucle ferme courte. "C'est le principe de la rgulation en fonction de la temprature extrieure".

Dtecteur de la temprature extrieure Boucle ouverte Radiateur

Boucle ferme courte Chaudire

Brleur (organe de rglage)

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On peut dire qu'une boucle de rgulation est dite ouverte lorsqu'aucun organe de dtection ne subit directement les effets produits par les variations provoques par l'organe de rglage. Cette simplification du rglage n'est valable que dans la mesure o la temprature intrieure grandeur rgler - ne dpend que de la loi reliant la temprature extrieure et la temprature de dpart eau chaude. En fait, ce mode de rglage est utilis quand les autres facteurs perturbateurs n'ont pas une influence prpondrante. Il cesse d'tre valable lui seul ds que l'un d'eux, isolation, apports internes, devient prpondrant. Ce mode de rgulation, complt par des vannes thermostatiques sur radiateurs dans les pices subissant des facteurs perturbateurs, est parfaitement adapt. Il prsente le gros avantage de ne pas piloter toute l'installation de chauffage d'aprs une seule pice tmoin. Ce dernier cas correspond nos diffrents types de rgulation SV-matic sans sonde de correction d'ambiance, en prcisant toutefois que la sonde extrieure n'est pas uniquement sensible la temprature, mais aussi aux effets de vent. Ce qui nous permet de dire que, lorsqu'une de ces rgulations est quipe d'une sonde de temprature ambiante, elle peut tre dfinie comme comportant : - une boucle ferme longue - une boucle ferme courte (2 pour SV-matic 331) - une boucle ouverte.

Boucle ouverte Radiateur Boucle ferme longue Boucle ferme courte Chaudire

Brleur (organe de rglage)

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3. LES VANNES Nous nous intresserons essentiellement aux vannes 3 voies, sachant que : - les vannes 2 voies sont peu, voire pas utilises dans nos cas d'application - les vannes 4 voies ne sont utilises qu'en petite, voire moyenne puissance, uniquement sur les chaudires acier, afin de les protger contre la corrosion par rchauffage des eaux retour chauffage. 3.1. Classification Nous utiliserons, pour la classification et la dsignation de ces organes, les pages 8 et 9 de la norme P 52 004. Dans le domaine d'application de la prsente norme, les types d'ensembles rgleurs considrs sont les suivants : Servo-moteurs : Ils sont commande lectrique : - moteur lectrique rotatif - moteur lectrothermique - moteur lectromagntique - moteur lectrohydraulique. Vannes (*) : Les vannes sont classes en 3 familles : a) Vannes obturateur tournant Dans cette famille de vannes, la partie mobile se dplace autour d'un axe de rotation qui lui est perpendiculaire. Vannes disque (figure 1) Ces vannes ont un sige plat contre lequel se dplace un disque tournant. Elles sont : - une entre, une sortie (2 voies) - une entre, deux sorties (rpartition) - (3 voies) - deux entres, une sortie (mlange) - (3 voies).

Figure 1(*) Le mot "vanne" sera toujours employ pour le mot "robinet de rglage".

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Vannes secteur (figure 2) Ces vannes ont un sige cylindrique ou tronconique contre lequel se dplace un obturateur : secteur, distributeur, tournant. Elles sont : - une entre, deux sorties (rpartition) - (3 voies) - deux entres, une sortie (mlange) - (3 voies) - deux entres, deux sorties (4 voies).

Figure 2 - Vanne secteur

b) Vannes obturateur pivotant Les vannes obturateur pivotant sont dites vannes papillon. Le papillon rotatif modifie la section de passage en fonction de sa position angulaire. Elles sont une entre, une sortie (2 voies) (figure 3). Des montages 3 ou 4 voies peuvent tre obtenus par accouplement de 2 vannes 2 voies : - une entre, deux sorties (rpartition) - deux entres, une sortie (mlange) - deux entres, deux sorties.

Figure 3 - Vanne obturateur pivotant

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c) Vannes soupape (appeles glissantes ou leve) Ces vannes sont les vannes dites aussi " sige", "soupape" ou "clapet". Elles sont simple (figure 4) ou double sige (figure 5). Leur clapet se dplace suivant l'axe du sige. Elles sont : - une entre, une sortie (2 voies) - une entre, deux sorties (rpartition) -(3 voies) - deux entres, une sortie (mlange) - (3 voies). Vannes soupape

Figure 4 - Simple sige Elles peuvent comporter trois types de clapets (figure 6) :

Figure 5 - Double sige

- Les clapets jupe ou cage : le clapet comporte des ouvertures qui sont plus ou moins dvoiles suivant la position du clapet. - Les clapets profils ou clapets contours : le clapet est plein, et c'est son profil extrieur qui permet une variation du dbit en fonction de sa position. - Les clapets plats : le clapet est plat et c'est la variation de sa position par rapport au sige qui permet une variation du dbit.

Figure 6 - Vanne soupape

1 1 2

2Clapet jupe Clapet cage Clapet contour Clapet plat

40

Nous pouvons donc classer les vannes 3 voies en 2 grandes familles : - les vannes soupapes - les vannes secteur. 3.2. Caractristiques hydrauliques Dans le cas de chaudires quipes de vannes 3 voies, pour la majorit des installations nous intressant, celles-ci sont montes en mlange, c'est--dire que le dbit variable est le dbit traversant la chaudire, le dbit constant est le dbit ct installation. C'est donc la variation de dbit en chaudire que devra essentiellement matriser la vanne 3 voies.

Dbit constant = Dn Dbit variable de 0 Dn Radiateur Chaudire Temprature variable de 20 90 C

Temprature constante = 90 C

Le principe de base de fonctionnement d'un circuit tel que celui-ci consiste tenir la chaudire une temprature constante, 90 C par exemple, et faire varier la position de la vanne pour obtenir un dbit d'eau de chaudire (q) variable, afin de moduler la temprature du radiateur, donc sa puissance mise (p). p

1

La courbe reprsentative de cette fonction p = f(q) est trace sur la figure ci-contre pour une installation classique de chauffage central avec : temprature dpart chaudire = 90 C temprature retour chaudire = 70 C temprature ambiante du local chauff = 20 C. La courbe serait d'autant plus dforme vers les "p" positifs que la temprature dpart serait plus grande, pour un mme cart temprature dpart temprature retour.

0,78

0 0,5 1 q

Cette courbe a sensiblement la mme allure pour tous les changeurs rencontrs en chauffage et conditionnement d'air.

41

Comme on souhaite obtenir une puissance mise au radiateur qui suit sensiblement une droite, on travaillera la forme du clapet de la vanne pour que la section de passage du fluide suive la loi dsire quand le clapet se dplace. q

1

Pour que les fonctions p(q) et q(L) se compensent, il faut et il suffit que la courbe reprsentative de la fonction q(L) soit la symtrique de celle de p = f(q) par rapport la premire bissectrice.

p

(L

)

0 1 L

Pour rpondre aux diffrentes caractristiques d'mission de chaleur en fonction des critres des installations de chauffage (mlange, dcharge...), les constructeurs de vannes ont conu des vannes diffrentes caractristiques de dbit. Les courbes caractristiques de dbit des vannes sont donnes pression diffrentielle constante de 1 bar en fonction de la position ou leve (L) du clapet . Courbes caractristiques de dbit des vannes On distingue les vannes caractristique linaire, quadratique ou parabolique, logarithmique ou gal pourcentage. Vannes soupapes : A caractristique linaireKv Kvs 100 % Kvs 100 %

q

(L

)

L

Dbit Q %

50 % Le dbit est proportionnel la leve L du clapet. 0 Kvo

50 %

0 0 0 0,5 50 %

Leve L 1 100 %

42

caractristique quadratique ou parabolique

L 100 %

Dbit Q %

50 % Le dbit est proportionnel au carr de la leve L du clapet. 0 0 0,5

Leve L 1

caractristique logarithmique ou gal pourcentage

L 100 % y' + 4 % de y'

Dbit Q %

y'50 % Le dplacement du clapet, un quelconque point de sa course, produit une variation de dbit proportionnelle au dbit total prcdant le changement de position du clapet. y+4% de y y 0 0 1% 0,5 1%

Leve L 1

Courbe gal pourcentage 4 %

Il y a lieu de noter que les vannes soupape, telles que, par exemple, celles que nous proposons sur nos chaudires, permettent : - d'obtenir une tanchit la fermeture trs satisfaisante - d'offrir une scurit positive par fermeture en cas d'absence de courant - d'obtenir des allures de courbes caractristiques trs prcises.

43

Vannes secteur : Les vannes secteur prsentent le handicap, face aux vannes soupapes : - d'offrir une mauvaise tanchit la fermeture - de prsenter des difficults pour obtenir des allures de courbes caractristiques correctes.

Q %

100

50

Tend vers gal %

0 0 50

Angle 100 %

On peut aussi utiliser d'autres critres pour caractriser les vannes, par exemple les vannes puissance calorifique linaire : la puissance calorifique conscutive la variation de dbit, dans des conditions bien prcises, est proportionnelle la leve. 3.3. L'autorit des vannes Une vanne de rglage est installe pour assurer la progressivit d'un dbit. Pour raliser un contrle suffisamment prcis sur toute la course d'une vanne, le dbit ne doit pas subir de variation trop brusque : il doit tre progressivement variable de l'ouverture la fermeture de la vanne. Il est vident qu'une vanne, qui offre une trop forte section de passage en ouverture totale, n'aura qu'une faible influence sur le dbit. Son action ne sera sensible que pour les positions proches de la fermeture. Cette progressivit peut tre quantifie par un paramtre appel "autorit". Une vanne est autoritaire si le dbit qu'elle doit rgler dpend principalement de cette vanne, et non des autres lments du rseau. La progressivit est d'autant mieux ralise que la perte de charge relative de la vanne (rapport entre la perte de charge dans la vanne et la perte de charge totale du rseau) est plus leve. La perte de charge relative d'une vanne est minimale lorsqu'elle est en ouverture totale. C'est pour cette position qu'est dfinie l'autorit d'une vanne. Ce paramtre, sans dimension, symbolis "a", exprime donc la qualit que possde une vanne de raliser un contrle progressif sur toute sa course. L'autorit "a" de la vanne, c'est la perte de charge de la vanne grande ouverte, rapporte la perte de charge du tronon considr, au dbit nominal.

44

Exemple pour une vanne 2 voies :

pv : perte de charge de la vannepv po pc

pc : perte de charge circuit po : perte de charge du rseau

a=

pv pv = po pv + pc

L'autorit peut varier entre 0 et 1 sans jamais atteindre ces limites : la perte de charge dans la vanne ouverte n'est jamais nulle, elle ne peut pas non plus tre infinie. pv Si pv = 0 : = 0 impossible po Si pv = pc : Si pv infini : pv 1 = = 0,5 pv + pc 1+1 pv = pv + pc 1 1 =1 conseill impossible

Dans le cas des chaudires quipes de vannes 3 voies montes en mlange, le dbit variable est le dbit traversant la chaudire. C'est donc la variation de dbit en chaudire que devra matriser la vanne 3 voies. Son autorit sera donc dfinir par rapport la perte de charge hydraulique du circuit ct chaudire.pv

pc

Voie ferme Chaudire q=0

pv : perte de charge de la vanne grande ouverteRadiateur

pc : perte de charge circuit chaudire au dbit nominal po : perte de charge du rseau gal pv + pc

45

La caractristique de puissance souhaite est sensiblement linaire. Examinons comment volue la courbe caractristique de dbit (q) des vannes en fonction de la leve (L) pour diffrentes autorits. Vanne caractristique linaire q a=0 1 1 Vanne caractristique quadratique q a=0

=

0, 5

2

a = 0,4 a = 0,5 a=1

= a0 1 L

a

=

1

0,

a

0 1 L

Vanne caractristique logarithmique

Vanne puissance calorifique linaire Dans ce type de vanne, le constructeur a taill le clapet de faon obtenir une puissance calorifique "p" proportionnelle la leve du clapet et pour une autorit a = 0,5. q

q a=0 1

a=0 1

a = 0,4 a = 0,5 a=1

a = 0,5 a=1

0 1 L

0 1 L

De l'tude de ces diffrentes courbes, il ressort que l'autorit des vannes montes en mlange devra toujours tre suprieure 0,3. Par ailleurs, ces courbes indiquent clairement qu'une vanne, dont l'autorit est trs faible (a # 0), transforme le systme progressif en systme tout ou rien.

46

Nous percevons maintenant la dmarche effectuer pour dfinir la vanne mlangeuse devant quiper une chaudire : Connaissance des caractristiques d'mission des changeurs en fonction de la rgulation adopte (mlange ou dcharge). Choix de la caractristique de dbit de la vanne devant quiper la rgulation (linaire, quadratique, logarithmique...). Choix de l'autorit de la vanne (suprieure 0,3). La bonne adquation de ces diffrents paramtres permet de matriser, ds que la vanne entre en action, l'volution qui en rsultera sur la grandeur rgle. Le cas type nous concernant, o l'accouplement vanne-metteurs de chaleur devrait tre le plus soign, serait une rgulation d'ambiance avec une seule boucle ouverte. Ceci conduirait des formes de clapets complexes et des cots de vannes rdhibitoires. L'utilisation, telle que sur nos rgulateurs, de boucle de rgulation courte, ferme, secondaire, avec prise de temprature immdiatement aprs la vanne, permet de rsoudre au moindre prix l'adquation vanne-metteurs de chaleur. D'autre part, dans de nombreux cas d'applications, la temprature de la chaudire sera module une dizaine de degrs au-dessus de la temprature souhaite aprs vanne mlangeuse, ce qui dplace les points de fonctionnement de la vanne mlangeuse par rapport l'tude faite, chaudire maintenue temprature constante 90 C. En outre, le fait que les rgulateurs, tels que ceux que nous proposons par exemple, disposent d'action proportionnelle et intgrale, conduit des exigences moindres quant aux caractristiques de dbit des vannes. Nous retiendrons cependant qu'une bonne adquation vanne-metteurs de chaleur ne peut que favoriser une rgulation avec boucle de rgulation secondaire, courte, ferme, et viter les phnomnes de pompage. Exemple de choix d'une vanne caractristique linaire : De quel diamtre de vanne X3id doit-on quiper une chaudire GTM 115 devant fonctionner sa puissance nominale de 33 kW ? - Ecart de temprature nominale dpart-retour chauffage : 15 K. - Autorit obtenir : proche de 1.pv

pc

Voie ferme Chaudire q=0

Radiateur

Vanne en mlange

47

1) Recherche du dbit nominal traversant la chaudire : Dn = Pn tn Dn : dbit nominal en l/h Pn : puissance nominale en kcal/h tn : cart de temprature nominale entre dpart et retour chaudire en Kelvin = 33 x 1 000 x 0,86 = 28 380 kcal/h = 1,9m3/h

Pn en kcal/h Dn =

28 380 = 1 892 l/h 15

2) D'aprs les donnes du constructeur de chaudire : pc : perte de charge de la chaudire t 15 K = 40 daPa ou mm H2O auxquels on ajoute la perte de charge des tubulures de raccordement de la vanne la chaudire 80 mm H2O, soit pc = 120 mm H2O. 3) D'aprs les donnes du constructeur de vanne :

pv : perte de charge vanne 3/4" Dn 1,9 m3/h = 1,6 m CE ou 1 600 mm H20. 4) Vrifier que l'autorit "a" de la vanne est proche de 1 : pv 1 600 1 600 a= = = = 0,93 pv + pc 1 600 + 120 1 720

48

5) Vrifier que l'on conserve un dbit sensiblement constant ct installation avec comme valeurs respecter : pc < 0,25 Ho et pc + pv < 0,5 Ho

avec Ho : hauteur manomtrique de l'acclrateur au dbit nominal. En admettant une perte de charge ct radiateur pr de 2 m CE, soit 2 000 mm H2O : Ho = = d'o pc 120 pc Ho + + = pr 2 000 120 3 720 + + = pv 1 600 0,03 = 3 720 mmH20 < 0,25

pc + pv 120 + 1600 = Ho 3 720

=

0,46

< 0,5

3.4. Coefficient de vanne On dit qu'une vanne possde un Kv de x si elle prsente une perte de charge de 1 bar lorsqu'elle est traverse par un dbit d'eau de x m3/h. Les constructeurs de vannes doivent fournir la valeur de Kv pour l'ouverture totale de leurs vannes. Le symbole devient alors Kvs. Le symbole Kvo est en gnral utilis pour exprimer le dbit de fuite travers la vanne ferme, toujours pour une perte de charge de 1 bar. Cette notion de Kv a t introduite en 1944 aux Etats-unis avec l'utilisation du symbole Cv. Le Kv est normalis en Allemagne : K(Koef.) v(ventil.). En France, la norme P 52 004, dont extrait ci-dessous, le dnomme QN1. "Coefficient QN1 : Le coefficient Q N1 d'une vanne, pour une course H donne de l'obturateur, est le dbit en m3/h traversant cette vanne entre la voie d'entre et la voie de sortie considres, pour une perte de pression (*) de 1 bar."

(*) Cette perte de pression de 1 bar ne prjuge pas de la perte de pression effective en service.

49

Units m3/h m3/h l/min

Noms QN1 (1) Kv (1) Kv (1)

QN1 1 1 0,06 1,03 0,86

Kv m3/h 1 1 0,06 1,03 0,86

Cv Kv l/min Cv anglais amricain 16,67 16,67 1 17,2 19,27 0,96 0,96 0,06 1 0,84 1,16 1,16 0,052 1,19 1

Gal (UK)/min Cv anglais (2) Gal (US)/min Cv amricain (2)

Tableau de conversion des diffrents coefficients rencontrs : 1) sous une perte de charge de 1 bar 2) sous une perte de charge de 1 psi (*)(*) 1 psi 0,069 bar.

Exemple : une vanne dont le Cv amricain est 1 Gal (US)/min a un coefficient QN1 de 0,86 m3/h La loi exprimant le dbit en fonction du Kv et de la diffrence de pression est du 2me degr. Q = Kv p ou Q = QN1 p Q p Kv QN1 : dbit en m3/h : perte de pression en bar : en m3/h : en m3/h

Cette formule permet de dterminer : - soit le dbit permis par une vanne pour une diffrence de pression donne - soit la perte de charge dans une vanne pour un dbit donn. En effet, les courbes caractristiques de dbit des vannes, que nous avons tudies, sont traces pour une diffrence de pression constante de 1 bar quelle que soit la position du clapet. Sur installation, la vanne peut tre utilise sous des pressions diffrentielles autres. Ce qui compte essentiellement alors, c'est la relation entre la diffrence de pression et le dbit pour une vanne grande ouverte d'un diamtre dtermin. Exemple : Une vanne mlangeuse 3 voies X3id 3/4" quipant une chaudire GT 113 rgle 17,5 kW, un Kvs de 5 m3/h. Quelle est sa perte de charge au dbit nominal de la chaudire (Dn t 15 K) ? Nous savons que : Q = Kvs p donc Q Kvs = p

2 ( Q ) = p Kvs

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Cherchons le dbit nominal de la chaudire sachant que : Puissance chaudire 17,5 kW x 0,86 d'o Q = dbit eau x cart de temprature dpart/retour = = Q Pu. ch. t x 15 K = 15 = 1 m3/h 15

Nous disposons maintenant de tous les lments permettant de trouver la perte de charge de la vanne au dbit nominal de la chaudire. p =2 2 ( Q ) = (1) = 0,04 bar Kvs 5

Les constructeurs de vannes fournissent des abaques, tel que celui indiqu ci-dessous pour la gamme des vannes quipant en option nos chaudires. Ces graphiques permettent de lire directement la perte de charge de la vanne en position ouverture totale pour le dbit dsir.

Nous retrouvons bien, sur ce graphique, pour l'exemple trait ci-avant, une perte de charge de 40 mbar, c'est--dire 0,04 bar pour une vanne 3/4" traverse par un dbit de 1 m3/h.

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4. REGULATEURS 2 POINTS, 3 POINTS Ces termes caractrisent l'action du rgulateur sur l'organe de rglage. Nous nous plaons dans les cas o l'organe de rglage est : - soit un brleur ou une vanne mlangeuse moteur thermique - soit une vanne mlangeuse moteur rotatif. 4.1. Rgulateurs 2 points L'organe de rglage est un brleur ou une vanne mlangeuse moteur thermique : l'action du rgulateur est alors une action tout ou rien, dite aussi 2 points, c'est--dire que le contact lectrique de commande de l'organe de rglage est ouvert ou ferm. Dans ce cas de figure, on ne parle pas d'action proportionnelle, intgrale ou drive. Seul compte le diffrentiel du contact lectrique de commande de l'organe de rglage.

Diffrentiel 1 Position du contact 0 Temprature Coupure Enclenchement

Exemple de rgulateur 2 points : SV-matic 321 et 331 (en ce qui concerne la sortie brleur, action sur brleur). L'action 2 points sur brleur de ces rgulateurs se fait avec un diffrentiel moyen de plus ou moins 5 K par rapport au point de consigne. Ce diffrentiel varie lgrement en fonction de la pente de la courbe de chauffe : - pente 0,5 : diffrentiel = 4 K - pente 1,5 : diffrentiel = 6 K - pente 3 : diffrentiel = 7 K. Le diffrentiel n'est pas rglable. 4.2. Rgulateurs 3 points L'organe de rglage est une vanne mlangeuse secteur, moteur rotatif, disposant d'un bobinage marche avant, d'un bobinage marche arrire et d'une position d'arrt. L'action du rgulateur est alors une action 3 points : 1. Marche avant -ouverture vanne- envoi d'une tension sur le bobinage marche avant du moteur de vanne 2. Arrt -vanne arrte une quelconque position- aucun envoi de tension sur les bobinages du moteur de vanne. 3. Marche arrire -fermeture vanne- envoi d'une tension sur le bobinage arrire du moteur de vanne.

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Exemple de rgulateur 3 points : SV-matic 331 (en ce qui concerne la sortie vanne mlangeuse).

L'action 3 points de ce rgulateur s'effectue par alimentation en 230 volts alternatif des bobinages du moteur lectrique de la vanne 3 voies. La tension 230 volts est dlivre directement par le rgulateur. La dure de la rotation du moteur de vanne doit tre comprise, pour un angle de 90 degrs, entre 4 minutes minimum et 8 minutes maximum. Remarque : On peut cependant avec ce rgulateur commander un moteur thermique 220 volts alternatif de vanne mlangeuse en cblant uniquement le cble ouverture vanne + neutre sur la rsistance du moteur thermique, le cble fermeture vanne tant isol. 5. ACTIONS PROPORTIONNELLE, INTEGRALE, DERIVEE Ces termes dfinissent le principe d'action du rgulateur sur une vanne mlangeuse secteur, moteur rotatif, pour les cas d'application que nous nous sommes fixs. 5.1. Action proportionnelle Communment dsigne P. L'action proportionnelle est caractrise par le fait que l'organe de rglage prend une position proportionnelle entre la valeur de la grandeur rgle et la valeur de la consigne. 1er exemple : Il s'agit de la rgulation par thermostat d'ambiance d'une installation de chauffage central. Le thermostat d'ambiance comporte un rgulateur action proportionnelle agissant sur le moteur d'une vanne mlangeuse.

Moteur Vanne Temprature constante

Organe de rglage Local temprature rgler Dtecteur

Corps de chauffe (radiateur) Ordre de commande Rgulateur proportionnel

Cette installation a pour but de maintenir constante la temprature ambiante du local.

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Toute variation de la temprature ambiante, mesure par le dtecteur, entrane, par l'intermdiaire du rgulateur proportionnel, une modification de l'ouverture de la vanne. Il en rsulte une variation correspondante de l'mission calorifique du corps de chauffe. Ceci peut se traduire par le diagramme ci-dessous :

Charge (1) -10 -2,5 0 +5 +12,5 +20

% d'ouverture de vanne ou course y

maxi VO 100 % B 3/4 2/3 1/2 1/4 c 75 % 66 % 50 % 25 % 0% 16 17,23 19 17 18 t 20

B'C

nulle VF

A

x Temprature ambiante

Temprature extrieure (1)

Ecart maximal = Bp

Dans cet exemple, la valeur de consigne de la temprature ambiante a t fixe 20 C, correspondant, pour une charge nulle soit 20 C extrieur, la fermeture totale de la vanne, c'est--dire une ouverture 0 % (V.F.). Toute diminution de la temprature ambiante, constate par le dtecteur, entrane la vanne vers l'ouverture. L'ouverture totale, soit 100 % (V.O.), correspond dans notre exemple une diminution de 4 C de la temprature ambiante. Cet cart de 4 C reprsente la valeur de la bande proportionnelle. Inversement, l'augmentation de la temprature ambiante de 16 C vers 20 C se traduira par la fermeture correspondante de la vanne de 100 % vers 0 %. Ecart permanent de rglage : Les rgulateurs proportionnels prsentent l'inconvnient d'un cart permanent de rglage, appel encore cart statique qui, s'il n'est pas corrig, fait que la temprature effectivement rgle est diffrente de la valeur dsire affiche en point de consigne. Dans notre exemple, on voit bien que : - A charge nulle, la vanne est ferme, l'cart est nul. - A charge maxi (suppose pour - 10 C extrieur), la vanne doit tre grande ouverte 100 % et, pour obtenir cela, la temprature ambiante doit descendre 16 C, soit un cart maxi de 4 C gal la largeur de la bande proportionnelle choisie. - A charge donne (par exemple 2/3, aux environs de 0 C extrieur), la vanne doit tre ouverte aux 2/3, ce qui suppose une temprature ambiante de 17,33 C, soit un cart de 4 C x 2/3 = 2,66 C, avec la valeur de consigne. Cet cart est permanent, ds que la stabilisation est acquise aprs une modification de la charge. Il est spcifique ce genre de rgulation et, en consquence, en limite d'emploi.

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2me exemple : Il s'agit de la rgulation d'une installation de chauffage central par sonde extrieure et action sur une vanne mlangeuse. Dans ce cas de figure, la variation de l'mission calorifique des corps de chauffe est obtenue par modification du point de consigne suivant la courbe de chauffe. Pour un point de consigne donn, la vanne mlangeuse doit pouvoir voluer entre 0 % et 100 % d'ouverture pour la bande proportionnelle considre. Ceci peut se traduire par le graphique ci-dessous :

% d'ouverture de vanne ou course 100 %

50 % Temprature d'eau

0% t C - 2 C

Temprature de consigne t C

Bande proportionnelle = 2 K. Il apparat clairement, l'analyse de ce graphique, que le systme ne sera pas stable et que la vanne oscillera en permanence d'ouverture fermeture et inverse. Des actions complmentaires permettent de le stabiliser.

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5.2. Action intgrale Communment dsigne I. Dans le systme proportionnel, l'organe de rglage prend une position proportionnelle "l'cart" de la grandeur rgler. Dans le systme intgral, c'est la vitesse de l'organe de rglage qui est proportionnelle l'cart de la grandeur rgler. Analogie : Ainsi donc, dans la fonction intgrale, la vitesse de l'organe de rglage varie en fonction directe de l'cart mesur. A grand cart correspond grande vitesse ; petit cart, petite vitesse. Au fur et mesure que l'cart se comble, la vitesse se rduit. L'image de cette action correspond celle de l'automobiliste lanc apercevant au loin un feu rouge. Deux solutions s'offrent lui : - soit continuer la mme vitesse jusqu'au feu et freiner avec le risque de dpasser celui-ci - soit rduire progressivement sa vitesse, afin que le vhicule s'immobilise de lui-mme en arrivant au feu. La fonction intgrale ralise la seconde option. La fonction intgrale n'est jamais utilise seule. On a en gnral recours l'action proportionnelle et intgrale couramment dsigne PI. Exemple de rgulateur PI : SV-matic 331 (en ce qui concerne la sortie vanne mlangeuse). Action proportionnelle : gale ouverture ou fermeture continue de la vanne tant que la temprature dpart aprs vanne diffre de 4 K de la temprature de consigne (courbe de chauffe vanne). Action intgrale : gale ouverture ou fermeture vanne par coup, les signaux de commande tant d'amplitude de plus en plus faible et tant de plus en plus espacs au fur et mesure que l'on se rapproche de la temprature de consigne. Graphique reprsentatif des actions PI pour une temprature infrieure de plus de - 4 C la temprature de consigne :

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5.3. Action drive Communment dsigne D. Dans la fonction drive, l'action du rgulateur est proportionnelle la vitesse de variation de l'cart de rglage et non plus la valeur de l'cart comme dans le proportionnel. Si la vitesse de l'cart de rglage varie brusquement, l'action du rgulateur est importante et ce d'autant plus que la variation de l'cart a t brusque. Il en dcoule que, si la vitesse de variation de l'cart est constante ou nulle, l'action drive est par consquent nulle. Cette action drive ne se manifestera donc qu'au moment des changements de vitesse. Elle disparatra ds que la vitesse de l'cart redeviendra constante. On conoit donc que cette action ne peut pas tre utilise seule, car elle ne peut pas corriger les carts constants et permanents de rglage, elle agit seulement au moment de leur variation. Fonction PID : Chacune des trois actions numres aura son effet dans le temps.

Au moment de la variation brusque de l'cart, l'action drive fournira immdiatement le principal de la correction. Cette dernire sera beaucoup plus importante que celle apporte par l'action proportionnelle, mais sera brve et s'annulera rapidement. A partir de ce moment, l'action proportionnelle se substitue l'action drive et il en rsultera un cart de rglage permanent. Enfin, l'action intgrale poursuivra l'action P jusqu' l'annulation totale de l'cart de rglage. L'action drive convient surtout lorsque l'inertie du systme rglant est nettement suprieure celle du systme rgler (par exemple, panneaux de sol en dalle pleine quipant un btiment lger). Dans ce cas, l'organe de dtection mesure la vitesse de variation de la temprature extrieure. Un deuxime cas de ncessit de l'action drive existe lorsque les variations de charge sont importantes et rapides et que le systme prsente un temps mort important.

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NOTES

B.P. 30 - 57, rue de la Gare - 67580 MERTZWILLER - Tl. 03 88 80 27 00 - Fax 03 88 80 27 99 CENTRE DE FORMATION INTERNATIONAL 1, route de Strasbourg - 67110 REICHSHOFFEN - Tl. 03 88 80 28 50 - Fax 03 88 80 27 38

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