3.5 Domaines d'application /exemples

3.5.1 Régulation clans la technique de chauffage

Générateur de chaleur avec température de fonctionnement variable

La température de fonctionnement du générateur de chaleur et du circuit de chaudière éventuellement présent (circuit primaire) est modifiée en fonction de la demande du consommateur de chaleur le plus exigeant afin que les pertes de préparation restent les moins élevées possible.

Un fonctionnement entièrement variable est possible pour les chaudières modernes, les chaudières à gaz, pour certaines chaudières au fuel et pour beaucoup d'anciennes chaudières en fonte avec foyer au mazout dans la mesure où les températures d'eau de chauffage ne sont pas trop basses. Le brûleur est enclenché et déclenche par un régulateur tout ou rien en fonction des besoins. La température de référence est la température de départ réglée selon les conditions atmosphériques. Si la chaudière ne permet qu'un fonctionnement partiellement variable avec une limitation de température minimale, le branchement direct du départ et de l'arrivée est impossible.

Pour les pompes à chaleur, il faut un fonctionnement entièrement variable afin que le coefficient de performance puisse être maintenu le plus élevé possible.

Générateur de chaleur avec température de fonctionnement constante

La production de chaleur est réglée par un régulateur de température avec une consigne définie de manière fixe. Son niveau de température reste constant indépendamment de la température demandée par l'utilisateur.

Pour les chaudières avec circuit primaire la température est mesurée de préférence au retour de chaudière. La température de départ de la chaudière ne se règle pas plus que besoin est. La température moyenne est plus basse durant la saison de chauffe dans le circuit de chaudière ce qui conduit à des faibles pertes.

Séquence de chaudière

L'information du régulateur pour l'enclenchement ou l'arrêt de la deuxième (ou troisième) chaudière peut venir de différents endroits :

- d'une sonde de retour ou de départ

- d'une sonde extérieure

La séquence doit être prise hors fonctionnement dans la période transitoire et en été pour un fonctionnement économisant l'énergie. La chaudière non utilisée doit être verrouillée manuellement (vannes étanches nécessaires !).

Circuit prioritaire d'eau chaude dans les petites installations

Afin de charger un accumulateur de ballon d'ECS l'apport de chaleur au départ de chauffage est interrompu et une deuxième boucle de réglage est fermée par un régulateur tout ou rien (thermostat de chauffe-eau) avec la température d'eau chaude comme consigne. La température de chaudière est réglée sur une valeur fixe élevée jusqu'à ce que la consigne de température d'eau chaude soit atteinte

Surveillance antigel

Pour des immeubles inhabités la chaudière peut être enclenchée si l'on descend au-dessous d'une certaine température extérieure, p ex 3°C, ou une température ambiante, p ex 5 - 8°C.

Régulation de la température ambiante

Pour le circuit direct le thermostat d'ambiance enclenche et déclenche comme régulateur tout ou rien le brûleur en fonction de la grandeur de l'écart de réglage

Pour le circuit de mélange avec une température de chaudière maintenue a un niveau élève un régulateur P agit sur la vanne de mélange. Les écarts proportionnels (écarts de réglage permanents) sont compensés par le réglage de la consigne effectué sur le régulateur

Dans le local où la grandeur de réglage est  mesurée, ("local Pilote") aucun robinet peut être monté, sinon les deux boucles de réglage, fonctionneraient l'une contre l'autre

Régulation de température ambiante

a) pour le circuit direct

b) pour le circuit de mélange, température de chaudière constante

Avec une régulation en cascade de la température d'ambiance (sonde d'ambiance et sonde de départ) la régulation du circuit peut être considérablement améliorée.

Fonctions supplémentaires importantes de régulateurs de chauffage

Afin d'assurer un fonctionnement économique du chauffage, les fonctions supplémentaires suivantes peuvent être souhaitables selon l'installation :

- Programme journalier et hebdomadaire pour des abaissements de température ou des arrêts

- Températures de départ, de retour ou de chaudière s'adaptant aux conditions atmosphériques

- Déclenchement de l'installation de chauffage jour et nuit en fonction des températures extérieures choisies séparément pour le jour et la nuit (commutation automatique été-hiver)

- Utilisation de la chaleur résiduelle du réseau par un arrêt retardé des pompes de circulation après l'arrêt de la chaudière

- Réchauffage rapide après la période d'arrêt - Surveillance de la température des gaz brûlés

- Fonctionnement périodique de la pompe en été afin d'empêcher leur grippage

- Régulation antigel (résidences secondaires)

Optimiseur

Des appareils de réglage dotés d'une technique de microprocesseur permettent d'optimiser certaines fonctions de réglage et de commutation.

Optimisation de la courbe de chauffe.

L'appareil adapte la courbe de chauffe aux particularités du bâtiment et de l'installation. Condition doit trouver un local représentatif pour le bâtiment, dont la température sert à l'appareil de base de calcul.

Optimisation des heures d'enclenchement et de déclenchement du chauffage

L'appareil calcule de façon autonome l'heure d'enclenchement pour le réchauffage ainsi que celle de déclenchement en fonction de la température extérieure et d'autres paramètres de façon à ce que ces fonctions s'exécutent au moment voulu. Conditions pour une utilisation adéquate :

- Grands immeubles non destinés à l'habitation avec des périodes d'utilisation régulières : bureaux, écoles, gymnases, églises, centres commerciaux, usines, etc.

- Présence d'un local représentatif (local pilote) dont la température sert de base à l'appareil pour l'optimisation.

- Arrêt au lieu d'un simple abaissement de la température de départ ; réchauffage accéléré

Les températures de parois sont, selon l'appareil, mesurées ou bien compensées par une surchauffe momentanée et contrôlée des locaux.

Systèmes de régulation terminale

Dans les bureaux, écoles et autres constructions où une exploitation correcte des vannes thermostatiques est difficile à réaliser, un système de régulation terminale commandé et influence centralement peut aider à économiser l'énergie.

Dans chaque pièce, la température ambiante est mesurée séparément et signalée à l'appareil de régulation. Les vannes de radiateur de chaque pièce, sont réglées individuellement selon les écarts de réglage. Le réchauffage et la baisse ou l'arrêt pour chaque pièce peuvent être préprogrammés à un niveau central. La production thermique est enclenchée ou déclenchée selon la demande.

Dans les immeubles d'habitation un système de régulation terminale commande non pas centralement mais individuellement et doté d'une entrée de consigne locale peut être combiné avec un décompte des coûts de chauffage.

Vannes thermostatiques

Dans la vanne thermostatique la sonde de température ambiante, le régulateur et l'organe de réglage sont réunis en un seul élément.

Au besoin, ces vannes peuvent étire utilisées avec des sondes à distance ou avec des sondes à distance et un potentiomètre à distance.

Sur le plan technique, ces vannes sont un régulateur proportionnel. La bande proportionnelle est de 1...3 K et n'est pas réglable. Elle varie cependant avec les conditions de fonctionnement.

fonctionnement de la vanne thermostatique

Avec une température ambiante croissante la sonde de température (1) se dilate. Elle se compose d'un soufflet de ressort rempli de gaz, de liquide ou de cire. L'axe (2) pousse le clapet de la vanne (3) contre le siège de la vanne (4) et ferme ainsi la vanne. Si la température baisse dans la pièce, le corps dilate se rétracte et ouvre la vanne. La consigne est réglée manuellement sur le corps du robinet.

3.5.2 Commande et régulation dans la technique de ventilation

Commandes de la ventilation - Exemples

- Sécurité antigel pour les récupérateurs de chaleur air-eau. Si l'on descend en dessous de la température minimale, donc s'il y a risque de gel, la vanne de chauffage est automatiquement ouverte, puis le ventilateur déclenché et enfin le registre fermé. La température de l'air est mesurée par une sonde capillaire sur le récupérateur de chaleur.

- Commande de la pompe interne pour les batteries chaudes : la pompe interne est enclenchée et déclenchée par un thermostat dans la gaine d'aspiration d'air extérieur. Une commande effectuée en fonction du besoin conviendrait toutefois mieux.

- Les installations d'extraction de locaux utilisés temporairement tels que les salles de bains, les WC, les vestiaires, etc. sont enclenchées p.ex, par l'interrupteur de lumière et déclenchées par un relais temporisé.

- Pour les installations de ventilation dans des locaux avec des pointes de courte durée, p.ex. dans les restaurants, un servomoteur à deux étages peut être utilisé. Le premier étage est commandé par une horloge de commutation, le deuxième étage pour les périodes de pointe par un bouton-poussoir avec un relais temporise pour le redéclenchement.

- Les ventilations terminales commandées selon les besoins, p-ex. pour les salles de conférence, sont réalisées à l'aide de sondes de présence, lesquelles réagissent au rayonnement de chaleur dégagé par le corps humain.

Régulation du débit

Le schéma représenté ci-dessous montre comment le débit est régulé :


régulation dans la technique de ventilation: exemples

- Régulation de la température de soufflage: la température de soufflage est maintenue constante dans la gaine de soufflage à l'aide d'une sonde de température. La température d'air ambiant peut changer sous l'influence des grandeurs perturbatrices.

- Régulation de température ambiante : la température est maintenue sur la valeur requise en modifiant la température de soufflage. La sonde de température est placée dans la pièce ou dans la gaine d'air rejeté. Une sonde de température de soufflage supplémentaire empêche par le régulateur une température de soufflage trop faible.

- Régulation de l'offre et de la demande pour les systèmes d'air repris : l'air extérieur et l'air repris sont mélangés dans une proportion telle que le moins possible d'énergie supplémentaire sera nécessaire. La régulation est possible en fonction de la température ou de l'enthalpie.

- Régulation du besoin en air extérieur pour des gaz explosifs ou toxiques : le débit d'air extérieur est adapté à l'aide d'une sonde de concentration des gaz en réglant le registre d'air extérieur ou en modifiant la vitesse du ventilateur.

3.5.3 Chauffage et refroidissement

Régulation de température de départ en fonction de l'extérieur, de l'installation de chauffage associée à la régulation de température ambiante de l'installation de ventilation avec séquence vanne de chauffage - registres - vanne de refroidissement

- Plus le besoin en chaleur est élevé, plus la vanne de chauffage s'ouvre. Le taux d'air extérieur admis par les registres est alors réglé sur une valeur minimale.

- Dès que la vanne de chauffage est entièrement fermée, le taux d'air extérieur augmente et la température ambiante est ainsi refroidie par du "froid gratuit". Dès que la température extérieure dépasse la température ambiante, le taux d'air extérieur se règle à une valeur minimale.

- Le point de fermeture de la vanne de chauffage et le point d'ouverture de la vanne de refroidissement sont séparés par ce que l'on appelle la zone neutre. On évite ainsi qu'une énergie coûteuse de refroidissement soit gaspillée. Dès que cette zone neutre est dépassée, la vanne de refroidissement est ouverte selon la puissance frigorifique nécessaire

Il est important que d'une part, la séquence de l'installation de ventilation soit réglée de façon optimale et que d'autre part, il n'y ait pas de chevauchements avec l'installation de chauffage. On ne doit ainsi jamais arriver à la situation où d'un côté l'installation de chauffage chaufferait et d'un autre côté l'installation de ventilation refroidirait avec de l'air extérieur ou même avec la vanne de refroidissement.

Si l'installation de chauffage n'est employée que comme chauffage de base, le risque décrit ci-dessus est faible parce qu'il existe forcément un écart suffisamment grand entre la consigne de l'installation de chauffage et la consigne effective de température ambiante de l'installation de ventilation.

Il faut cependant être prudent lorsque l'installation de chauffage produit une pleine puissance calorifique pour le chauffage des locaux. Les consignes peuvent être effectivement si proches que des chevauchements non admis sont possibles Ce risque est particulièrement élevé parce que la "consigne" de l'installation de chauffage n'est pas du tout comparée à la valeur réelle de la température ambiante la régulation de la température de départ effectuée en fonction des conditions atmosphériques est effectivement une commande en ce qui concerne la température ambiante ! Une courbe de chauffe réglée de façon quelque peu erronée peut conduire à d'importants gaspillages énergétiques, ce qui est grave, c'est que l'erreur ne pourra être que difficilement détectée étant donné que le trop plein de chaleur produite est automatiquement supprimé par la ventilation et que la température ambiante souhaitée est maintenue au niveau optimal !

Tableau   Combinaisons de différents types de régulation pour le chauffage et la ventilation

3.5.4 Récupération de chaleur

La récupération de chaleur a pour objectif d'économiser l'énergie et par conséquent les coûts de fonctionnement. L'utilisation d'un tel système contribue à long terme à la réduction des frais d'investissement pour la production de chaleur et de froid.

Système d'air repris

Il ne s'agit pas à vrai dire d'un système de récupération de chaleur mais plutôt d'un type d'installation, utilisé couramment dans le passé. Sa grande efficacité devrait permettre de toujours l'employer si cela est justifié du point de vue de la sécurité et de la qualité de l'air

Dans de nombreux cas la charge frigorifique est déterminante en été pour fixer le débit d'air soufflé. De l'air repris est mélangé à l'air extérieur afin d'économiser l'énergie utilisée pour le refroidissement ou le chauffage de l'air extérieur. Le taux d'air extérieur varie, selon l'état de l'air extérieur, entre le taux minimal nécessaire à l'utilisateur et le taux maximal en demi-saison lorsque le refroidissement s'effectue avec l'air extérieur.

Système à eau glycolée

Un récupérateur de chaleur installé dans la gaine d'air extrait enlève à l'air la chaleur à l'aide d'un mélange d'eau glycolée, qui, dans un circuit fermé, transfère par un deuxième échangeur la chaleur à l'air extérieur froid.

Avantages:

- bonne possibilité d'intégration dans les installations existantes puisqu'il n'y a pas d'obligation de placer l'installation d'air soufflé et celle d'air rejeté côte à côte.

- aucune transmission de particules et de germes

- bien réglable

Inconvénients:

- fluide caloporteur et pompe nécessaires

- Coefficient de récupération de chaleur relativement faible

- pratiquement aucune récupération de chaleur en dehors de l'hiver

Ce type de récupération ne devrait être appliqué que si pour des raisons de construction un échange de chaleur direct air-air n'est pas réalisable ou n'est pas rentable.

Récupérateur de chaleur à plaques ou à tuyau

L'air extrait et l'air extérieur sont amenés l'un à l'autre par des plaques ou des tuyaux fixes en métal ou en verre. C'est là que s'effectue l'échange de chaleur.

Avantages:

- pas de parties mobiles, donc avantageux - aucune transmission de particules et de germes - non corrosif pour les surfaces de récupérateurs de chaleur en verre

Inconvénients:

- les installations d'air soufflée et d'air extrait doivent être placées côte à côte

- faible récupération en été

- encombrement assez important

Récupérateur à régénération

Une roue alvéolée de l'accumulateur en rotation lente est traversée dans un sens par de l'air extrait et dans l'autre sens par de l'air extérieur En fonction du type d'accumulateur, seule la chaleur ou aussi l'humidité est récupérée. Une zone de nettoyage sert à éviter un mélange direct d'air.

Systèmes de récupération et rendements

Récupération de chaleur avec surfaces d'échange

ou ce qu'on appelle les récupérateurs de chaleur transmettent principalement de la chaleur sensible, également de la chaleur latente lors de condensation. Les systèmes et les rendements pour le dimensionnement lors d'états d'air définis

- Récupérateur à plaques
Récupérateur à tuyaux jusqu'à 60 %

- Système à eau glycolée jusqu'à 45 %
- Récupérateur à régénération jusqu'à 70 %

Récupération de chaleur avec accumulateur

ou ce qu'on appelle les récupérateurs de chaleur a régénération transmettent la chaleur sensible et latente, cette dernière avant tout lorsque l'humidité est aussi récupérée. Le rendement s'élève jusqu'à 75%.