CHAUFFAGE
Install Magazine 954 – octobre 2018
Système de chauffage adaptatif selon le principe plug and play
Plus de confort pour moins de consommation
Figure 1: Communication sans fil entre les différents composants d’une installation de chauffage moderne.
Figure 2: Interactions dans une installation de chauffage.
Figure 3 : Principe du couplage de TRNSYS et MATLAB/Simulink
Figure 4: Comparaison entre la méthode traditionnelle (à gauche) et la méthode moderne (à droite) de réglage.
Figure 5: Exemple d’un équilibrage hydraulique dynamique sans optimalisation de la phase de réchauffement, sur plusieurs jours, dans une maison de quatre pièces.
Figure 6 : Exemple d’un équilibrage hydraulique dynamique avec optimalisation de la phase de réchauffement, sur plusieurs jours dans une maison de quatre pièces.
Figure 7 : Exemple de l’évolution de la température ambiante sans (au-dessus) et avec (en-dessous) adaptation de la courbe de chauffe dans une maison de quatre pièces avec l’effet du rayonnement solaire.
Figure 8 : Abaissement de la température de départ sous la courbe de chauffe.
Figure 9 : Diminution et augmentation de la puissance de pompe en fonction des besoins.
Le projet d’étude InnoHeat (FK-03ET1150A) a été soutenu par le ministère allemand de l’économie et de l’énergie (MMWi), et il a favorisé le développement d’un système de chauffage innovant selon le principe plug and play avec des fonctions auto-régulantes. Grâce à la connexion numérique entre les principaux composants (chaudière, pompe, vannes thermostatiques…), l’état de l’installation est analysé en permanence et optimalisé automatiquement. On peut ainsi garantir que tous les circuits de chauffage bénéficient d’une alimentation en chaleur adaptée, en fonction du confort souhaité des utilisateurs.
Le fonctionnement correct n’est pas toujours garanti dans la pratique
En Allemagne, pour les nouvelles constructions et les rénovations profondes, on est obligé de procéder à une optimalisation énergétique de l’installation de chauffage. Un équilibrage hydraulique (statique), une adaptation du circulateur aux besoins réels et un réglage correct de la courbe de chauffe doivent permettre de réduire le plus possible la consommation énergétique. Dans la pratique, il semble toutefois que ces mesures ne soient pas ou insuffisamment mises en œuvre. Des documents de base font souvent défaut, comme le calcul des déperditions thermiques ou les diamètres de conduites. Des adaptations ultérieures aux installations sont souvent tout aussi peu documentées.
Sur base d’un principe de prudence erroné, on sélectionne des chaudières surdimensionnées. Celles-ci fonctionnent la plupart du temps encore sur les réglages d’usine, avec en conséquence des courbes de chauffe beaucoup trop élevées, ce qui entraîne des rendements trop faibles. Quand la puissance est largement supérieure à ce qui est nécessaire, la chaudière va commencer à fonctionner en mode start-stop. Un excès de démarrages de chaudière entraîne une usure plus élevée et une durée de vie plus courte des pièces comme les électrodes d’allumage. Les problèmes deviennent alors inévitables. Par ailleurs, des cycles start-stop répétés génèrent des émissions nocives trop élevées, des pertes à l’arrêt supérieures et des températures locales élevées dans la chaudière. L’échangeur de chaleur et la cheminée sont à chaque fois réchauffés puis refroidis après l’arrêt de la chaudière. La chaleur produite est alors perdue, principalement via la cheminée (tirage naturel). La chaleur supplémentaire due à l’effet de condensation ne peut pas non plus être mise à profit.
Des températures locales trop élevées dans la chaudière entraînent des dépôts de calcaire et de la corrosion dans l’échangeur de chaleur. Lorsqu’une chaudière se met en mode start-stop, le débit à travers l’échangeur de chaleur est faible. L’eau de chauffage a donc besoin de plus de temps pour arriver jusqu’aux corps de chauffe. Ce qui accroît à son tour les pertes de charge. Une courbe de chauffe réglée trop haut induit des températures de départ trop élevées, ce qui peut à son tour faire grimper la température ambiante. Cela entraîne la fermeture des vannes thermostatiques, qui ne sont plus affectées à leur propre tâche, à savoir la compensation des gains thermiques externes. Si les vannes restent la plupart du temps fermées, la régulation peut devenir instable. Cet effet est renforcé par des circulateurs mal réglés. Ceux-ci sont également le plus souvent encore sur les réglages d’usine et produisent une pression trop élevée. Il en résulte une consommation de pompe trop élevée ainsi que du bruit dans divers éléments de l’installation. De tout cela, il ressort que lorsque les différents composants (chaudière, pompe, vannes) ne sont pas adaptés les uns aux autres, le rendement total de l’installation en pâtit, sans pour autant engendrer un déficit de confort.
Surtout en rénovation, un équilibrage hydraulique (statique) représente encore un défi. D’après les règles de l’art, on se base ici sur les conditions de conception. Concrètement, on va créer des pertes de charge supplémentaires en préréglant les vannes thermostatiques. Pour calculer les valeurs de consigne, on doit connaître les besoins calorifiques des pièces, la puissance des corps de chauffe, la caractéristique des vannes thermostatiques et les pertes de charge du système de conduites. Même lorsque tout cela est exécuté avec professionnalisme, ce réglage n’est optimal que selon les conditions de conception. Dans la mesure où l’installation fonctionne tout au plus 5% du temps selon les conditions de conception, le réglage sera la plupart du temps sous-optimal. Ces préréglages restent par ailleurs fixes, ce qui fait que la pompe va habituellement consommer plus d’énergie que nécessaire. Cela accroît le risque de bruit et d’encrassement.
La base d’un système de chauffage innovant
Pour éviter les inconvénients des systèmes usuels, on doit absolument visualiser l’installation comme un ensemble. On peut ainsi aboutir à un chauffage adaptatif selon le principe plug & play. En laissant les composants adéquats communiquer avec une unité de régulation centrale, on peut dans le même temps garantir un équilibre hydraulique dynamique, et adapter automatiquement la puissance de la pompe et la courbe de chauffe. Un équilibrage hydraulique statique n’est alors plus nécessaire, et on ne doit plus prérégler les vannes thermostatiques.
La communication entre les composants s’effectuent sans fil, comme le montre la figure 1. C’est le cœur du principe plug and play. C’est pourquoi il convient tant pour les installations existantes que pour les nouvelles installations. Étant donné que l’électronique est de moins en moins chère, on part du principe que le prix ne posera pas de problème. Le montage comporte uniquement le placement des composants électroniques, comme les moteurs de vanne, une unité de régulation centrale et une interface de communication pour la chaudière.
Procédure
Le développement de la méthode de réglage et d’adaptation s’effectue à l’aide d’une simulation ‘software-in-teh-loop’. En comparaison avec une étude basée sur une installation dotée de compteurs, on peut ainsi fortement réduire le temps de développement. Par ailleurs, les résultats d’un environnement simulé sont également reproductibles, de sorte qu’on peut non seulement développer et valider un software, mais aussi réaliser une évaluation des besoins énergétiques, du confort thermique et des interactions dans la stratégie de réglage des composants. Il est possible de simuler le comportement sur de longues périodes, par exemple sur toute une saison de chauffe, selon des paramètres contrôlés, afin de pouvoir comparer différentes stratégies.
La condition de base est un environnement de simulation validé qui tienne compte de manière réaliste de toutes les interactions entre l’installation de chauffage, le bâtiment, l’utilisateur et l’environnement (figure 2). La simulation doit refléter la dynamique du système.
En raison de leurs atouts respectifs, deux plateformes ont été combinées. TRNSYS (simulation de bâtiments) et MATLAB/Simulink (simulation d’installation). De cette combinaison, il résulte un instrument efficace. Le programme TRNSYS constitue de ce fait une pierre angulaire dans MATLAB/Simulink, avec MATLAB/Simulink fonctionnant comme maître et TRNSYS comme esclave. La figure 3 donne un exemple de la connexion.
Fonctions d’optimalisation
Un apport de chaleur éco-énergétique en fonction des besoins présuppose un algorithme intelligent, qui analyse en permanence l’état de l’installation et intervient si nécessaire. Le confort thermique doit continuer à être garanti. Le système possède les fonctions d’optimalisation suivantes :
- Équilibrage hydraulique dynamique, avec optimalisation ou non du réchauffement.
- Adaptation de la courbe de chauffe.
- Adaptation de la puissance de pompe.
Équilibrage hydraulique dynamique, avec optimalisation ou non du réchauffement
Un chauffage équilibré nécessite un équilibrage hydraulique de tous les corps de chauffe. On doit pour ce faire éviter des débits trop faibles ou trop importants dans les circuits individuels, afin d’atteindre un réchauffement uniforme dans les différentes pièces. La méthode qui est appliquée, est basée sur une limitation dynamique de la levée de soupape, en tant qu’alternative au relèvement traditionnel (statique) de la résistance. La figure 4 montre la différence entre un équilibrage conventionnel et moderne.
Alors qu’un préréglage traditionnel est basé sur une seule valeur de consigne, une procédure moderne utilise une régulation dynamique, basée sur la levée de soupape. Durant la phase de réchauffement, les moteurs de soupape ne peuvent pas ouvrir la soupape plus que la valeur limite qui est déterminée par la régulation. En fonction du comportement hydraulique du système complet, la valeur limite pour la levée de soupape est à chaque fois à nouveau calculée pour chaque phase de réchauffement de la pièce. On obtient ainsi un réchauffement uniforme, garantissant le confort dans toutes les pièces. La figure 5 montre un exemple de processus d’optimalisation de l’équilibrage hydraulique sur plusieurs jours successifs dans une maison de quatre pièces. Il s’agit d’un processus d’apprentissage au cours duquel l’installation réagit au comportement thermique du bâtiment.
Une optimalisation de la phase de réchauffement peut fournir du confort supplémentaire. La température de confort est de ce fait déjà atteinte dès le début de la phase d’utilisation. Dans l’exemple de la figure 6, cela se passe à 7h00.
Adaptation de la courbe de chauffe
La courbe de chauffe est la relation entre la température de départ réglée et la température extérieure. Elle permet que les pièces reçoivent la bonne quantité de chaleur, lorsqu’il n’y a pas de gains thermiques supplémentaires, comme du rayonnement solaire, des appareils électriques, des personnes… Des paramètres comme l’inclinaison et le niveau de la courbe de chauffe doivent pour ce faire être correctement réglés. Dans la réalité, les gains thermiques sont dans beaucoup de cas si grands que la température de départ est, selon la courbe de chauffe, clairement trop élevée.
La définition d’une température de départ adéquate en fonction de l’état actuel du bâtiment est le but principal de l’adaptation de la courbe de chauffe. Les gains thermiques sont ainsi mis à profit, et des courbes de chauffe réglées trop haut sont automatiquement abaissées en fonction des besoins. Les déperditions thermique deviennent de ce fait à leur tour inférieures dans les conduites de distribution et dans la chaufferie. Il en résulte un accroissement du rendement, et la chaudière doit en conséquence démarrer moins souvent.
On peut également s’attendre à une régulation plus efficace dans les pièces. En cas de températures de départ trop élevées, les vannes thermostatiques vont à peine s’ouvrir et vont rapidement se refermer. Si on abaisse la courbe de chauffe, les vannes pourront alors bénéficier d’une plage de fonctionnement plus large. La figure 7 montre un exemple de l’effet de l’adaptation de la température de départ sur l’évolution de la température ambiante dans une habitation de quatre pièces. Dans cet exemple, on enregistre des gains solaires sous forme de rayonnement solaire. Avec une courbe de chauffe conventionnelle, les vannes vont fonctionner en mode start-stop (figure 7 au-dessus). Dès que la puissance disponible diminue (en raison d’une température de départ inférieure), le régulation devient stable (figure 7 en-dessous).
La figure 8 montre une partie des résultats d’une simulation à long terme d’une courbe de chauffe adaptative en comparaison avec une courbe de chauffe conventionnelle. Nous remarquons que dans ce cas, la courbe de chauffe conventionnelle a un facteur de compensation pour l’inertie thermique du bâtiment. Il en résulte une variation des températures de consigne pour une température extérieure donnée. De la simulation, il ressort que les températures de consigne adaptées sont dans la plupart des cas inférieures à celles d’une courbe de chauffe conventionnelle. Cela se traduit également automatiquement par un potentiel d’économie.
Adaptation de la puissance de pompe
Sans circulateur, le vecteur de chaleur ne peut pas être transporté dans la conduite de distribution. Un dimensionnement et un réglage corrects de la pompe sont nécessaires pour éviter des pressions différentielles trop élevées, qui à leur tour, entraînent une consommation d’énergie trop élevée. Un mauvais réglage de la pompe cause par ailleurs souvent des bruits dérangeants dans les vannes.
En adaptant la puissance de la pompe, le régime correspond toujours aux besoins. En fonction de la situation hydraulique de l’installation, le régime peut être augmenté ou abaissé, comme le montre la figure. À l’heure où on utilise de plus en plus de pompes à haut rendement, moins énergivores, le potentiel d’économie reste ici plutôt faible. Il est par contre d’une importance plus cruciale que la température ambiante reste plus stable.
Conclusion
L’étude a démontré que la connexion numérique des différents composants, selon les standards techniques actuels, à l’aide d’un algorithme de régulation central, peut générer des économies considérables par rapport à une installation conventionnelle. Le plus grand potentiel d’économie se situe dans la consommation d’énergie pour la production de chaleur et dans la consommation de courant du circulateur. Le confort thermique augmente par ailleurs.
Connecter des composants exige peu d’effort et de frais. La condition préalable principale est de remplacer les vannes de régulation thermostatiques conventionnelles par des versions motorisées. La chaudière doit en outre disposer des interfaces de communication adaptées.
Bibliographie:
[1] H.-T. Le: Verfahren zum Betrieb einer Heizungsanlage, Deutsches Patent DE- 102012018778, 05.02.2015
[2] H.-T. Le; J. Polowczyk: Automatisierter hydraulischer Abgleich. In: EnEV aktuell, Jg.9, Nr.1, p..8-10, 2015
[3] H.-T. Le; J. Polowczyk; R. Kuntsche: Adaptives Heizungssystem. In: Tagungsband Research Day 2015 - Stadt der Zukunft, p. 188-190, Mensch und Buch Verlag, Berlin, 2015
[4] H.-T. Le; J. Polowczyk; R. Kuntsche: Nutzerkomfort durch Aufheizoptimierung. In: Tagungsband Research Day 2016 - Stadt der Zukunft, p. 169, Berliner Wissenschafts-Verlag, Berlin, 2016
[5] H.-T. Le; J. Polowczyk; R. Kuntsche: Intelligenzschub für die Heizung, In: Beuth Presse – Campuszeitschrift, Ausgabe 1 (2016), p. 31
[6] H.-T. Le; J. Anisits ; T. Scheunemann: INNOHEAT: Entwicklung eines innovativen Heizungssystems nach Plug & Play Prinzip mit umfangreichen Adaptionsfunktionen, Abschlussbericht (FK-03ET1150A), 2017
Figure 9 : Diminution et augmentation de la puissance de pompe en fonction des besoins.
