3.4 Le système de réglage

3.4.1 Sonde

Les sondes relèvent l'état de la grandeur réglée ou de la grandeur perturbatrice (température, pression, humidité, concentrations de gaz, luminosité, rayonnement de chaleur, niveau de bruit, etc.) et transmettent un signal correspondant au régulateur. Une vue d'ensemble des types de sondes de température est donnée ci-dessous. On peut également consulter les ouvrages spécialisés pour les autres types de sonde.

Sondes de température : types
Les sondes de température mécaniques font partie d'un thermostat ou d'un régulateur progressif (p ex robinet thermostatique). Elles utilisent une des propriétés physiques des variations de température, à savoir la dilatation d'un matériau qui peut être:

- un tube métallique (thermostat à tube invar) 

- un bilame (thermostat à bilame)

- un système rempli de gaz, de liquide ou de "pâte" (robinet thermostatique, thermostat à tube capillaire, vanne d'expansion d'un cycle frigorifique, régulation pneumatique).

L'élément de mesure ferme un contact électronique ou exerce une force pour actionner l'organe de réglage ou l'amplificateur de mesure. Les sondes électriques de température font partie d'un système de réglage électrique.

- Sonde de température à résistance: un fil en nickel ou en platine modifie sa résistance électrique en fonction de la température

- Sondes à thermistance réalisées à partir de matériaux semi-conducteurs: on distingue les résistances a coefficient de température négative (CTN) et positives (CTP).

- Thermocouples: deux fils composés de métaux différents, soudés entre eux produisent une tension électrique dépendante de la température.

Nous décrivons maintenant de façon plus détaillée les sondes électriques de température courantes dans la technique de chauffage.

Sonde de température ambiante
Une sonde d'ambiance relève la température dans un local pilote, représentatif des locaux chauffés de l'immeuble

Sonde extérieure
Une sonde extérieure relève la température de l'air extérieure et partiellement les influences de la température des parois, du vent et de l'ensoleillement. Attention : si l'on couvre le couvercle d'une autre couleur, on modifie la proportion de l'influence du soleil!.  On peut utiliser volontairement cet effet.

Sonde de température de gaine
Il existe des sondes à plongeur, qui se montent dans un tube de protection soudé, appelé aussi "doigt de gant", ainsi que des sondes d'applique qui peuvent être placées sans soudage et qui mesurent la température de la surface du tube.

Bien placer les sondes d'ambiance et extérieure
La sonde d'ambiance est montée à un endroit adéquat à environ 1,5 m au-dessus du sol.

Les endroits suivants ne conviennent pas

- à côté d'un appareil de chauffage 

- près d'une cheminée 

- sur un mur extérieur 

- à côté d'une fenêtre 

- au-dessus de grands meubles 

- recouvert par des meubles ou des rideaux 

- exposé à un ensoleillement direct.

L'emplacement de la ou des sondes extérieures dépend du nombre de circuits de chauffage, de la nature des robinets de radiateurs et du système de chauffage. En général, la ou les sondes doivent être montées à hauteur moyenne pour des bâtiments élevés, à au moins 2,5 ... 3 m au-dessus du sol pour des bâtiments peu élevés. Il faut contrôler périodiquement que les sondes avec une exposition au soleil ou au vent ne soient pas recouvertes ou ombragées par des plantes ou des arbres, auquel cas il faut les déplacer.

3.4.2 Régulateur

Le régulateur reçoit les signaux de la sonde de mesure, les compare à la grandeur de référence et retransmet les signaux pour la grandeur de réglage à l'organe de réglage. L'ensemble du système de réglage - sonde, régulateur et servomoteur - est rassemblé en une unité et est également appelé régulateur dans le langage courant.

Division du système de réglage 

Selon la grandeur de réglage: il y a des régulateurs de température, de pression, de débit, d'humidité et de niveau d'eau.

Selon l'énergie utilisée pour le positionnement:

- les régulateurs sans énergie auxiliaire tirent l'énergie pour actionner l'organe de réglage de l'installation réglée (p.ex. vannes thermostatiques) 

- les systèmes de réglage avec énergie auxiliaire utilisent une source d'énergie extérieure pour actionner l'organe de réglage. 

Il existe :

a) des systèmes de réglage électriques 

b) des systèmes de réglage pneumatiques avec air comprimé comme énergie auxiliaire. 

c) des systèmes de réglage électro-pneumatiques mesurant électriquement la grandeur réglée, amplifiant électroniquement la valeur de mesure et actionnant pneumatiquement l'organe de réglage des systèmes de réglage électro-hydrauliques utilisant de l'huile hydraulique pour actionner l'organe de réglage, des systèmes de réglage électromagnétiques, électromoteurs ou électro-thermiques.

Selon le comportement de réglage:

- des régulateurs non progressifs, pour lesquels la grandeur de réglage ne peut prendre que certaines valeurs, p.ex. : régulateurs tout ou rien 

- des régulateurs progressifs, pour lesquels la grandeur de réglage y varie constamment en fonction de l'écart de réglage x-y.

Régulateur tout ou rien

Le régulateur tout ou rien ne transmet que deux signaux, p.ex. OUVERT-FERME ou MARCHE-ARRET, à l'organe de réglage ou à un commutateur électrique- Une position intermédiaire n'est pas possible.

Exemple pour l'application de régulateurs tout ou rien:

régulation de température de chaudière ; régulation de température ambiante ; régulation de pression

thermostats ; pressostats.

Régulateur proportionnel (régulateur P)

Le régulateur proportionnel agit de telle façon sur le servomoteur qu'il modifie la position de l'organe de réglage proportionnellement à la grandeur de la différence de réglage. Ainsi, plus l'écart de réglage est grand, plus le mouvement de l'organe de réglage sera grand. Une grandeur de réglage déterminée est attribuée à chaque valeur.

Exemple : Le régulateur d'une régulation de température ambiante est réglé de telle façon que la vanne est entièrement ouverte à 18°C et entièrement fermée à 22 °C. La consigne doit être réglée à 20 °C. Si la température ambiante est de 20 °C, la vanne se trouve alors en position moyenne. Si l'on ouvre une fenêtre, la température ambiante baisse et la vanne s'ouvre en conséquence, ce qui fait remonter la température ambiante Si, p ex;, la puissance de chauffage est suffisante avec une ouverture de vanne de 75%, afin de maintenir une température ambiante de 19°C avec les fenêtres ouvertes, la position de la vanne ne se modifie plus. La température ambiante a un écart de réglage permanent de 1 K (K = Kelvin = unité de la différence de température).

Ceci est l'inconvénient principal d'un système de réglage proportionnel. Il est dépendant de la charge, c'est-à-dire qu'il ne règle exactement la consigne que pour un état de charge bien déterminé. Dans tous les autres états de charge il subsiste un écart de réglage.

L'avantage est une régulation très stable

Exemples: pour l'utilisation de régulateurs proportionnels vannes thermostatiques, vannes à deux voies pour le chargement de ballons d'eau chaude, vannes de mélange, régulateurs de pression différentielle, régulateurs de débit.

Le bon régulateur pour l'installation réglée

Régulateur tout ou rien

- Température de fonctionnement pour chaudière

- Ballon ECS

- Accumulateur de chaleur

- Pompes de chaleur

Régulateurs proportionnels

- Locaux

- Limitation de la température de retour pour les chaudières

- Brûleurs modulants

Régulateurs PI

- Température de départ

- Échangeurs ECS instantané

Exemples d'application de différents régulateurs

Régulation tout ou rien

La régulation de température ambiante est le forme la plus ancienne de la régulation de chauffage. L'émission de chaleur pour tout le bâtiment est réglée sur la base de la température d'une seule pièce. Cette méthode est valable aussi longtemps que la pièce indique un comportement de température identique à la majorité des autres pièces. Cela est par exemple le cas pour les maisons individuelles parce que la température de la salle de séjour peut être prise généralement comme grandeur de référence.

La sortie tout ou rien d'un régulateur agit soit directement sur le brûleur soit sur un mélangeur avec un moteur thermique très lent. La qualité de régulation à obtenir est plutôt modeste dans les deux cas. La température ambiante est soumise à d'assez grandes variations et l'écart de réglage permanent est relativement grand

Régulation proportionnelle

Régulateur progressif de température ambiante agissant directement sur le mélangeur : il s'agit le plus souvent d'un régulateur proportionnel. Une régulation progressive de mélange permet de réduire les variations de température ambiante et la bande proportionnelle peut être sélectionnée de manière à ce que l'écart de réglage permanent ne soit pas trop grand. Cependant, de fortes variations de la température d'eau de la chaudière, survenant rapidement, ce qu'on appelle des perturbations d'approvisionnement, ne peuvent pratiquement pas être régulées: la perturbation disparaît effectivement avant que la sonde de température ambiante ait eu le temps de la détecter et la correction du mélangeur est beaucoup trop importante ce qui entraîne après quelque temps un nouvel écart de la température ambiante - cette fois dans l'autre sens .

De telles perturbations de distribution apparaissent lors de variations subites des charges, quand p ex. le ballon d'ECS est chargé.

La bande proportionnelle d'un régulateur proportionnel.

Exemple: régulation de température ambiante

La bande proportionnelle Xp, est l'écart de réglage, à l'intérieur duquel la grandeur de réglage parcourt toute la plage de réglage. Elle est réglable pour certains régulateurs. Ci- dessous  Xp1 = 4K et Xp2 = 8K.

Le régulateur P travaille d'autant plus précisément (c'est-à-dire que l'écart de réglage est d'autant plus faible, voir texte ci-contre) que la bande proportionnelle est choisie étroite.

Mais si la bande proportionnelle est trop étroite, la régulation devient instable - elle oscille ! On peut se le représenter ainsi : lors d'une faible diminution de la température, la vanne s'ouvre tout de suite en grand, et la puissance calorifique agrandie conduit à un "dépassement" de la température ambiante. Là dessus la vanne se referme entièrement, la température ambiante baisse - et ainsi de suite. Il en résulte une oscillation permanente autour de la consigne.

Une régulation oscillante gaspille de l'énergie, conduit à une usure prématurée de l'organe de réglage et a des répercussions négatives sur le confort thermique !

Sur les robinets thermostatiques, la bande proportionnelle est réglée de façon fixe entre 3 et 6 K. La consigne peut être modifiée par la tête du robinet.

Régulation intégrale

A la différence du régulateur proportionnel, le régulateur intégral ne modifie pas la grandeur de réglage, mais la vitesse de positionnement proportionnellement à l'écart de réglage.

Plus l'écart par rapport à la grandeur de référence est élevé, plus l'organe de réglage se positionne rapidement dans le sens de la correction nécessaire. De grands écarts par rapport à la grandeur de référence peuvent être corriges rapidement, mais les petits par contre très lentement, Il ne subsiste à la fin aucune différence de réglage comme pour la régulation proportionnelle, tout est réglé, mais lentement.

Le régulateur intégral a une importance secondaire dans la technique de bâtiment. Il fait partie du régulateur proportionnel intégral, dont nous allons maintenant parler.

Régulation proportionnelle intégrale

Ce type de régulateur associe l'avantage du régulateur proportionnel (stabilité) à celui du régulateur intégral (précision).

La partie proportionnelle provoque une modification immédiate de la grandeur de réglage. La partie intégrale se charge de la régulation de l'écart de réglage qui subsiste.

Les régulateurs proportionnels intégraux sont  utilisés lorsque les exigences en régulation sont élevées ( p ex, pour les installations de climatisation ).

Régulation proportionnelle intégrale (exemple chauffage)

La régulation de la température de départ effectuée en fonction des conditions atmosphériques est de nos jours la forme de régulation la plus répandue. Elle doit cette "suprématie" au fait qu'il n'est pas nécessaire de monter une sonde de température ambiante. C'est la grandeur perturbatrice générale, la température extérieure, qui est mesurée. La sonde utilisée à cet effet est généralement appelée sonde extérieure ; outre la température extérieure, elle permet de tenir compte aussi, dans une plus faible mesure, du soleil et du vent.

Le rapport entre la température extérieure (ou les conditions atmosphériques) et la température ambiante est obtenu par la température de départ : plus la température extérieure est basse, plus la température de départ doit être élevée afin d'assurer la température ambiante désirée. Une deuxième sonde est encore nécessaire : la sonde de température de départ

La courbe de chauffe définit la température par rapport à la température extérieure. La régulation de départ effectuée en fonction des conditions atmosphériques est effectivement une régulation en ce qui concerne la température de départ, mais elle est une commande pour ce qui est de la température ambiante.

Régulation proportionnelle / proportionnelle intégrale:

ou régulateur en cascade : on obtient une amélioration considérable du rapport de réglage avec un régulateur en cascade. Celui-ci permet de diviser une régulation en deux systèmes réglés : un système réglé lent de température ambiante et un système réglé rapide de température de départ. Le régulateur principal (de caractéristique proportionnelle) est adapté au système réglé de température ambiante et le régulateur auxiliaire plus rapide (de caractéristique proportionnelle intégrale) au système réglé de température de départ. Les deux boucles de réglage sont superposées ainsi :

- Le régulateur proportionnel (régulateur principal) relève l'écart de réglage de la température ambiante et fournit la grandeur de référence pour la boucle de réglage auxiliaire.

- Le régulateur PI (régulateur auxiliaire) règle la température de départ a la valeur souhaitée par la
boucle de réglage et action sur la vanne 3 voies.

3.4.3 Organes de réglage

Types

Il existe trois types d'organes de réglage hydrauliques pour la régulation d'installations techniques du bâtiment :

Vannes papillons

Les clapets ne conviennent pas à une régulation progressive. Ils sont surtout utilisés pour les fonctions OUVERT/FERME. La perte de charge en position ouverte est très faible, ce qui est bien sûr souhaité pour les utilisations OUVERT/FERME afin d'éviter des résistances supplémentaires inutiles.

Les fuites dépendent de la construction

- elles sont relativement élevées pour la vanne papillon dont l'étanchéité est assurée par un joint métallique

- elles sont minimales ou même nulles pour les clapets à joints en Téflon ou en caoutchouc.

Seules ces dernières sont utilisées pour les cascades de chaudière avec une grande pression différentielle sur le clapet.

La construction simple des clapets explique leur prix peu élevé.

Vannes à secteur

Celles-ci sont employées principalement comme vannes à trois voies pour la régulation de mélange d'installations de chauffage. Leurs faibles pertes de charge autorisent également leur emploi comme organes d'inversion dans les installations d'énergie alternative. Il faut cependant considérer le fait que les vannes à trois voies présentent des fuites assez importantes et qu'elles ne conviennent pas par conséquent à de nombreuses utilisations. Les vannes à trois voies sont bien moins chères que les vannes à siège

Vannes à siège

Ces vannes conviennent tout à fait à la régulation progressive et aux fonctions de commutation et OUVERT/FERME réclamant une parfaite étanchéité. En ce qui concerne les problèmes d'encrassement, les vannes sont plus pratiques que les vannes papillons et à secteur. Ces avantages se répercutent sur le prix, plus élevé, des vannes à siège.

Les vannes a deux voies ont une entrée et une sortie. En règle générale, il faut suivre une direction prescrite d'écoulement. Les domaines d'application sont la régulation du débit dans les circuits à débit variable ainsi que les fonctions OUVERT/FERME avec des exigences élevées en matière d'étanchéité

Les vannes à trois voies ont soit deux entrées et une sortie (= vannes mélangeuses) ou une entrée et deux sorties (= vanne diviseuse). La désignation des raccordements se fait par lettres, chiffres romains ou signes de sens d'écoulement, Ces sens d'écoulement doivent être suivis,

Les circuits hydrauliques de base

Le circuit à débit variable est utilisé pour la commande de déchargement de l'accumulateur ou dans les postes de raccordement de réseaux de chauffage à distance.

Les circuits de mélange sont des circuits habituels pour les petites ou les grandes installations

Le circuit de répartition n'a que quelques applications. On peut citer comme exemple la régulation de batterie chaude d'air repris.

Le circuit à injection est un circuit couramment utilisé dans les grandes installations dotées de dispositifs aérauliques.