CA1139864A

CA1139864A - Methode de regulation du chauffage d'une enceinte et dispositif a regulation pour le chauffage d'une enceinte

Info

Publication number: CA1139864A
Application number: CA000339967A
Authority: CA
Inventors: Pierre Godard; Michel Billot
Original assignee: SAFT Societe des Accumulateurs Fixes et de Traction SA
Current assignee: SAFT Societe des Accumulateurs Fixes et de Traction SA
Priority date: 1978-11-16
Filing date: 1979-11-15
Publication date: 1983-01-18
Also published as: GB2037010B; NL7908393A; GB2037013A; FR2441807B1; GB2037010A; BE879904A; IT7969217A0; FR2441807A1; DE2945393A1; US4353410A; IT7969218A0; CA1118306A; ES486043A1; ES486044A1; BE879905A; NL7908394A; US4294309A; GB2037013B; DE2945364A1

Abstract

La présente invention concerne une méthode de régulation du chauffage d'au moins une enceinte de stockage de calories par un fluide caloporteur. Selon cette méthode, on fait circuler le fluide caloporteur dans un circuit à l'intérieur duquel il reçoit d'abord des calories d'une source de chaleur, puis cède ses calories à une enceinte de stockage de calories. La circulation du fluide est commandée en fonction de la température tA du fluide à la sortie de la source de chaleur, d'une température tB au voisinage de l'entrée de l'enceinte et de la température tC du fluide à la sortie de l'enceinte. Cette circulation de fluide est arrêtée au moins dans l'enceinte lorsque la température tA est inférieure à la température tB et lorsque la température tB est inférieure ou égale à la température tC même si la température tA est supérieure aux températures tB et tC. Cette méthode est caractérisée en ce que la température tB est la température du fluide arrivant de la source de chaleur à l'entrée de l'enceinte, extérieurement et en contact thermique avec celle-ci. La présente invention concerne également un dispositif pour mettre en oeuvre la méthode selon l'invention. Application à la production d'eau sanitaire.

Description

~ PBy/NV 1139~
F 11425 bi~
SAFT/~ccu8 3 pl.

~BEVET D'INVENTION

METHODE DE RE~ULATION DU CHAUFFAGE D'UNE ENCEINTE
ET DISPOSITIF A REGULATION POUR LE CHAUFFAGE D'UNE ENCEINTE
Invention de Pierre GOD~RD et Hichel BILLOT

Société Anonyme dite SAFT - SOCIETE DES ACCUPUL~TEUBS FIXES ET DE TR~CTION

La pré~ente invention concerne une méthode de regulation du chauffage d'une enceinte qui conSient un milieu à réchauf~erj par exemple de l'eau, et un dlspositif à régulation pour le chauffage d'une eneeinte. Elle concerne plu9 particulièrement le qtockage de l'énergie ~olalre par le milieu con~enù dans ladite enceinte. On utili~e pour cela un ~luide dit "caloporteur~ qui ~'imprègne~ds la chaleur d'une qour¢e conqtituée par un capteur ~olaire, au moyen d'un échangeur, et la cède au milieu situé dans l'enoeinte au moyen d'un autre échangeur.
L'invention concerne également le di~positif appliquant cette méthode.
Le 3tockage de l'énergie ~olaire, par exemple pour le chauf~age de l'eau dan3 un chauf~e-eau qolaire qui con~titue alorAq "l'enceinte"

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précédemment mentionnée, nécessite un systeme de regulation pour assurer le transfert de calories entre le capteur et l'eau a chauffer quand la température du capteur est plus élevée que celle de l'eau et l'arret de ce transfert dans le cas contraire. ~a technique courante utilise actuelle-ment un thermostat différentiel à deu~ bulbes dont l'un mesure la température du capteur solaire, l'autre la tempé-rature de sortle du fluide caloporteur après son passage dans le chauffe-eau, c'est-a-dire au bas de l'échangeur disposé dans ce chauffe-eau, car le fluide caloporteur - circule dans cet echangeur de preférence en descendant de manière à céder d'abord sa chaleur a l'eau la plus chaude.
Quand la temperature du capteur est superieure a la tempe-rature de sortie de chauffe-eau, la circulation est etablie, et elle est arxêtée dans le cas contraire. Ce type de thermostat présente une inertie de fonctionnement de plu-sieurs degrés centigrades. D'autre part, il a un inconvé-nient majeur; en cas de soutirage d'une quantité d'eau chaude, meme faible, la partie basse du chauffe-eau voit de l'eau chaude remplacée par de l'eau froide et la ci~cu-lation est établie même si la température moyenne de l'eau est plus élevée que la température du capteur solaire, parce que la temperature du fluide a la sortie est abaissee par l'eau froide du bas du chauffe-eau. Il peut s'ensuivre un refroidissement de l'eau~en haut de l'échangeur au lieu d'un réchauffement, si la temperature du capteur se situe entre la température moyenne de l'enceinte et la température de sortie du fluide caloporteur.
C'est pourquoi il a été proposé, de mesurer la temperature en trois points, a savoir 1~à la sortie du capteur solaire, .... . .. .. .

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2~au haut de l'enceinte de stockage au voisinage de l'en-tree du fluide caloporteur dans cette encein-te,

3 a la sortie du fluide caloporteur hors de cette enceinte.
Les resultats de ces mesures sont utilises pour commander la circulation du fluide caloporteur de la manière sui-vante : la circuIation de ce fluide est coupee lorsque la première temperature est inferieure ou egale à la seconde et lorsque la première temperature est inférieure à la troisieme.
Un tel système connu presente l'inconvenient de -ne pas tenir compte notamment du fait que dans certaines conditions les pertes thermiques entre le capteur solaire et l'enceinte de stockage peuvent abaisser un peu la tem-perature du fluide caloporteur avant son entree dans cette enceinte, et l'amener legèrement au-dessous de celle du . liquide situe dans cette enceinte, alors qu'à la sortie du capteur solaire elle etait legèrement au-dessus.
La presente invention a pour objet de remedier ~-à ces inconvenients.
Elle a notamment pour objet une methode de regu- ' lation du chauffage d'au moins une enceinte de stockage de calories par un fluide caloporteur, selon laquelle on fait circuler le fluide caloporteur dans un circuit à l'interieur duquel il reçoit d'abord des calories d'une 25 .... source de chaleur, puis cède ses calories à une enceinte de stockage de calories. La circulation du fluide est : commandee en fonction de la temperature tA du:fluide à
la sortie de Ia source de chaleur, d'une temperature tB' au voisinagé de l'entrée de l'enceinte et de la temperature tC du fluide à la sortie de l'enceinte, la circulation du fluide est arretee au moins dans l'enceinte lorsque la temperature tA est inferieure à la temperature tB et lorsque la temperature tB est inferieure ou egale à la temperature tC meme si la temperature tA est superieure aux temperatures tB et tc. Cette methode est caracterisee en ce que la tempe-rature tB est la temperature du'fluide arrivant.de la source ~3 .

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de chaleur à l'entrée de l'enceinte, exterieurement et en contact thermique avec celle-ci.
La presente invention a egalement pour objet un dispositiE de régulation pour le chauffage d'au moins une enceinte de stockage de calories. Ce dispositif comporte:
- une source de chaleur;
- un échangeur de chaleur amont en contact ther-mique avec la source de chaleur;
- un échangeur de chaleur aval en contact ther-`10 mique avec-l'enceinte à chauffer;
- un circuit de fluide caloporteur commandable assurant la circulation d'un fluide caloporteur dans et entre ces deux échangeurs;
- une sonde de température amont disposée à la sortie de l'échangeur amont;
- une sonde de température intermédiaire montée à l'entrée de l'échangeur aval;
- une sonde de température aval disposée à la sortie de l'échangeur aval; et - un organe de commande commandant le circuit de fluide caloporteur.
Le dispositif est caractérisé par le fait que l'organe de commande comporte des mo~ens pour couper et rétablir la circulation du fluide lorsque la température tA mesurée par la sonde amont devient respectivement in-férieure et supérieure à une température tB + Dt, Dt étant un écart de température d'autant plus grand que la dif-férence tB ~ tC est plus petite, tB et tc étant les tempé-ratures du fluide mesurées par les sondes intermédiaire et aval respectivement.
L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui va sui~Ire de deux exemples de réalisation de la méthode selon l'invention, en regaxd des dessins annexés dans lesquels:
- la figure 1 représente schématiquement un exemple de réalisation de la méthode selon l'invention aussi ~ien que d'une autre méthode, 1 5 '. 7~
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, ~ ~39~364 - la figure 2 est un schéma electrique d'un circuit de regulation electrique utile dans certains cas et n'appli-quant pas la méthod,e selon l'invention, - la figure 3 représente le schéma électrique d' un circuit de régulation appliquant la méthode selon l'in-vention.
. La figure 1 represente un chauffe eau utilisant l'energie solaire.
. Sur la figure 1 on a représente un capteur solaire CS qui contient l'echangeur El à la sortie duquel se trouve une sonde de temperature A qui releve une ~em-pérature tA~ Le fluide sortant de l'échangeur suit la con-duite 9 jusqu'à l'echangeur E2 qui est place à l'interieur d'une enceinte thermiquement isolee 10. A l'entree de lle-changeur E2 se trouve une sonde de température B qui releveune température tB et à la sortie une sonde de, temperature C qui relève une temperature tc. Le fluide est ramene par les conduites 11 e~ 12 vers l'entree de l'echangeur El dans , le capteur CS. La pompe 3 assure la circulation qui est reglee par une valve 4, et un clapet 2 empêche la circula-tion du fluide dans le mauvais sens. La pompe 3 est comman-dee, : . , ~ :, ~ :
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par le thermostat dif~érentiel 8 qui reçoit les indications des troi3 qondes A, B et C. Le circuit de circulation du fluide caloporteur est naturellement pourvu d'un purgeur automatique 5, d'un vase d'expan-sion à membrane 6 et d'une soupape de sécurité 7 avec manomètre, ainsi que d'une vanne de remplissage 13 et d'un roblnet de vidange 14.Dans l'exemple représenté, le ~luide caloporteur est de l'eau additionnée d'un liqulde antigel et d'un produit anti-corro~
L'eau à chauffer arrive ~roide dans l'enceinte 10 par un robinet 15 et elle en ~ort chaude par la conduite 16. La sonde B
est placé-à l'entrée du ~luide caloporteur dans le chauffe-eau, de sorte qu'il mesure la température de l'eau au point le plus chaud.
On peut alor~ effectuer les commande~ comme suit, sans appliquer la présente invention :
Si la température tA est supérieure ou égale à la tempé-rature tB et si la température tB est supérieure à la température tcle Pluide caloporteur peut circuler. Par contre la circulation e~t arrêtée dès que tA est inférieure à tB pour éviter de refroidir l'enceinte ou tB est inférieure ou égale à tc, car il e~t inutile de consommer de 1'énergie pour faire circuler le ~luide caloporteur quand il n'y a plus de tran~fert de calories.
Ainsl quand la température tA de la ~ource de chaleur repré-sentée par le capteur solaire CS es~ élevée (tant que le soleil chau~e le capteur), lor~que l'eau du chauf~e-eau 10 est froide, on a tA supérieure à tB supérieure à tc. La pompe 3 fonctionne et ~alt circuler le fluide caloporteur. tB et tc remontent et si aucune eau chaude n'eqt qoutirée il arrive un moment où les températures tB et tc sont égales. La pompe s'arrête, aucun tran~fert de calories ne se fai~ant plus dans l'échangeur E2.

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~ ~39~6~a Si l'on soutire de l'eau chaude, l'eau froide arrive dans le chauffe- -eau, tc devlent lnférieur à tB et la pompe est remise en route.
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Si le soleil dispara~t la température tA diminue et, lorsqu'elle devient lnférieure à tB~ la pompe g'arrête pour ne pas refroidir l'eau du chauffe-eau par le ~luide caloporteur même si tB est encore supérieur à tc. La oirculation ne reprendra que lorsque tA sera rede~enu supérleur à tB et tB 9upérieur à tc.
Le schéma éle¢trique du thermostat 8 est repré~enté sur la figure 2.
10Le 3ecteur S est appliqué au primaire d'un transformateur ~R
entre des points 21 et 22. Aux extrémités 23 et 26 du secondaire ~ont conneotée~ respectivement le~ anode~ de deux diodes D4 et D5 dont les cathodes sont conneotées entre elles tandis que le point milieu 27 de ce secondaire est mis à la ma~se de manière à con~tituer un redre~seur double phase cla3sique. Leq cathodes de D4 et D5 sont connectées d'une part à l'anode d'une diode D6 et d'autre part à la masse à travers un div1seur constitué par deux rési~tances R4 et R5 en sérle. La cathode de la diode D6 est connectée à un régulateur RG qui fournit un potentiel constant po~itif à un point P co~stituant la borne d'allmentation positive du circuit. Un conden~ateur C2 riltre le courant redres~é
fourni au régulateur qui est par ailleurs mis à la maq~e.
Le point commun des rési3tances R4 et R5 est oonneoté à
une première entrée d'un amplifioatsur A3. La 3econde entrée de cet ampll~icateur est conneotée au point commun de deux résistances R7 et R6 en série entre la mas~e et le point P. L'amplificateur A3 est alimenté entre le point P et la masse, et un condensateur C3 est c~nnecté entre ~a ~econde entrée et ~a sortie.

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i4 7.

On a représenté en A, B et C les trois sondes de température de la figure l, qui sont con~tituées dan~ l'exemple représenté par troi~ série3 de diodes au silicium. Ces trois sondes sont alimentées entre la masse d'un côté et le point P de l'autre à travers un poten-tiomètre P1 pour A, une résistance R8 pour B et un potentiomètre P2pour C.
Les potentiomètre~ P1 et P2 permettent d'équilibrer l'alimen-tation des sondes pour mesurer avec précision leq différences de température.

Le point commun au potentiomètre P1 et à la sonde A est connecté à une premibre entrée, positive9 d'ur, ampli~icateur A1.
LP point commun à la résistance R8 et à la sonde B est connecté à
travers une rési3tance R9 à la seconde entrée, négative, de l'ampli-ficateur A1. Un conden3ateur C4 entre la qeconde entrée et la sortie, ainsi que les alimentation~ entre la mas e et le point P, complètent les circuits de l'amplificateur A1.
Le polnt commun à la ré~istance R8 et à la sonde B est connecté
également à une première entrée, positive, d'un ampli~icateur A2.

Le point commun au potentiomètre P2 et à la sonde C est conneoté

à traYers une resistance R10 à la seconde entrée de l'ampli~icateur A2.

Un condensateur C5 entre la se¢onde entrée et la ~ortie~ ain~i que le3 ~limentations entre la masse et le point P, complètent le3 oircuits de l'amplifi~ateur A2.

Le~ sorties des ampli~icateurs A1 et A2 sont connectée à traver3 les diode~ D8 et D9 re~pectivement, à une borne d'une ré~is-tance ~12. L'autre borne de la ré~i3tance R12 e~t connectée à unepremière entrée d'un amplificateur A4. Le point commun entre la ré~ls-tance R12 et la première entrée de l'amplificateur A4 eqt connecté

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` ~3~4 au point commun de deux resistances R13 et R14 en serie entre le point P et la masse. Il est egalement connecte à
la masse à travers un condensateur C6. La seconde entree de l'amplificateur A4 est connectee à travers une dlode D7 et une resistance Rll à la sortie de l'amplificateur A3.
Elle est egalement connectee au point commun de deux re-sistances R15 et R16 en serie entre le point P et la masse.Entre la première entree de l'amplificateur A4 et sa sortie est connecte un circuit compose d'une resistance R17 et d~une diode D10. L'amplificateur A4 est en outre alimente entre le point ~ et la masse~ Sa sortie est connectee à la base d'un transistor npn T3 dont le collecteur est connecte au point P et dont l'emetteur est relie, à travers une resistance R18, à l'anode d'une diode electroluminescente Dll dont la cathode est connectee à la terre. Cette diode Dll fait partie d'un photo-coupleur comprenant en outre un phototransistor npn Tl et un transistor npn T2 montes en Darlington. L'emetteur du transistor T2 est connecté à
une première électrode principale d'un triac 29, le collec-teur de T2 est connecte à l'anode d'une diode D3 dont lacathode est connectee à la gâchette du triac 29. Une resis-tance R3 est connectee entre la gachette et la première electrode du triac 29.
Sur deux points 25 et 24 du primaire du trans-formateur TR, de part et d'autre du point 21, est prelevee une tension alternative qui est redressee par les diodes Dl et D2 correspondant respectivement aux points 25 et 24.
Les cathodes des diodes Dl et D2 sont connectees ensemble et, à travers deux resistances Rl et R2 en serie, à l'anode de la diode D3. Ceci constitue le circuit d'alimentation de la gâchette du triac 29. Un condensateur Cl est connecte entre le point commun des resistance Rl et R2 et le point commun à llemetteur du transistor T2 et à la première elec-trode du triac 29. La première electrode du triac 29 est également reliee au secteur S, et sa seconde electrode à
une borne du moteur 30 de la pompe 3 (figure 1). L'autre ,, ~

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borne du moteur est reliee au secteur S et entre les bornes du moteur 30 est branchee une lampe au neon 28 qui s'allume lorsque le moteur est en fonctionnement.
Le fonctionnement de ce dispositif est le suivant:
L'amplificateur Al compare les tensions aux bornes .des sondes A et B et l'amplificateur A2 compare les tensions aux bornes des sondes B et C.
L'amplificateur ~3 gen~re des creneaux au double de la frequence du secteur alternatif.
L'amplificateur A4 regroupe les informations en provenance des amplificateurs Al et A2 et-peut être modulé
~par l'ampliicateur A3. Il attaque le photocoupleur Dll-Tl-T2 qui permet de bloquer ou d'amorcer le triac 29, avec un amorçage synchronise au zéro des alternancesj evitant toute perturbation radioelectrique, quand les amplificateurs Al et A2 donnent l'autorisation de la mise en marche du mo-teur 30.
- L'amplificateur A~ est reboucle par le circuit R17-D10, c'est-à-dire qu'il reçoit une reaction qui le fait basculer complètement quand sa sortie est négative, le triac etant amorce, ce qui evite de desamorcer et reamorcer le triac 29 à chaque demi-alternance.
Si l'un des amplificateurs Al ou A2 (ou les deux) ne donne plus l'autorisation, l'amplificateur 4 bascule, sa -sortie devient positive et la diode Dll du photocoupleur.
s'éclaire. La combinaison photo-transistor-transistor Tl~T2 correspondante devient passante e~ derive le courant d'alimen-tation de la gâchette du triac.29 qui se bloque quand le r~nt ~ r~7~r.c~;~i t n~iq~ ~ ZQrQ~

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~39~6~
10.

L'alimentation des ~qondes de température A, B et C est ~solée du secteur par le traa~formateur TR, d'une part et le photo-coupleur D11-T1-T2, d'autre part. La maqse est reliée au "point commun~ deq ~onde~
qui 90nt alimentéeq chacune par deux Pils de mêmes section et longueur pour les troi~q sondes afin de garder le maximum de précislon dan~
les valeurs di~férentielle~ de fonctionnement et d'arrêt.
L'organe de commande qui vient dlêtre décr~t est utilisable correctement quand la circulation a été établie et qu'il ~ub3iqte des dif~érence~ de température entre le_ diverq pointe du circuit.
Cependant il présente l'inconvénient d'interdire le démarrage de la circulation du Pluide caloporteur lorsque le~ températures tB et tc 90nt égale3. Cet inconvenient pourrait être levé par un circuit annexe qui permettrait d'inhiber manuellement l'interd~ction de circulation tant que la circulation ne s'est pas établie, et n'a pas oréé les dif~érences de température neceqsair2s à sa continuation, ou par un circuit éleotronique de tempori~ation automatique. Malheureusement, dans certains ca~ la constante de temps d'un tel oircuit ne peut être au Benté autant que le~ constan~e~ de temps thermiques de l'in~talla~ion l'exigeraient, ~auf à réali~er de~ circuits électroniques complexe~, donc coûteux. C'est pourquoi, selon l'invention, on utili~e le signal de 30rtie de l'amplificateur A2, c'eQ~-à-dire le signaI représentatif de la di~érence tB-tC non pour commander directement le ronctionnement du moteur 30, ~ai~ pour con~tituer un ~ignal de correotion qui ~e retranche du ~ignal de qortie de la qonde A appliquëe à l'entrée positive de l'ampli~icàteur A1.
Pour cela on utilise le circuit de la figure 3 qui comporte, par rapport à celui de la ~igure 2, le~ modi~ications ~uivantes :

' ' ~139864 11.

la liaiqon entre la ~ortie de l'ampli~icateur A2 et la ré~ljtarce R12, à traver~ la diode D9, est supprimée. Le condensateur C5 aux borneq de ltampliPicateur A2 e~it ~upprimé et remplacé par une résistance R23 qui coopère avec la ré~qistance R10 pour définir le gain de cet ampli-fi¢ateur. Le signal de sortie de ¢e dernier est appliqué à l'entréepositive de l'ampliPicateur Al à travers une résistance R22, le signal ~ourni par la sonde A étant appliqué à cette même entrée à traver~
une résistance R21. Il en résulte que la circulation du fluide dans l'enceinte est coupée et rétablie lorsque la température tA devient re~ipectivement in~érieure et ~upérieure à une température t8 ~ Dt, D~ étant un écart de tempéra~ure d'autant plus grand que la diffé-ren¢e tB - tC est plu9 petite.
- L'écart Dt peut valoir 10C lorsque tB n'est pas ~iupérieur à tc, et décro~tre de manière ~en~iblement linéaire ~u~qu'a 1 ou 2C
lorsque la dif~érence tB ~ tC atteint 20C.
- Le système à triac décrit ci-dessus a l'avantage de pouvoir fonotionner plu~ieur~ ~ois par minute et utili3e le maximum d'énergie - --solaire di~ponible à la sortie du capteur.

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Claims

Les réalisations de l'invention au sujet desquel-les un droit exclusif de propriété ou de privilège est re-vendiqué sont définies comme il suit:

1. Méthode de régulation du chauffage d'au moins une enceinte de stockage de calories par un fluide calopor-teur, selon laquelle on fait circuler le fluide caloporteur dans un circuit à l'intérieur duquel il reçoit d'abord des calories d'une source de chaleur, puis cède ses calories à
une enceinte de stockage de calories, la circulation du fluide étant commandée en fonction de la température tA du fluide à la sortie de la source de chaleur, d'une tempéra-ture tB au voisinage de l'entrée de l'enceinte et de la température tC du fluide à la sortie de l'enceinte, la circulation du fluide étant arrêtée au moins dans ladite enceinte lorsque la température tA est inférieure à la température tB et lorsque la température tB est inférieure ou égale à la température tC même si la température tA est supérieure aux températures tB et tC, caractérisée en ce que la température tB est la température du fluide arrivant de la source de chaleur à l'entrée de l'enceinte, extérieu-rement et en contact thermique avec ladite enceinte.

2. Dispositif à régulation pour le chauffage d'au moins une enceinte de stockage de calories comportant :
- une source de chaleur;
- un échangeur de chaleur amont en contact thermique avec la source de chaleur;
- un échangeur de chaleur aval en contact thermique avec l'enceinte à chauffer;
- un circuit de fluide caloporteur commandable assurant la circulation d'un fluide caloporteur dans et entre ces deux échangeurs;
- une sonde de température amont disposée à
la sortie de l'échangeur amont;
- une sonde de température intermédiaire montée à l'entrée de l'échangeur aval;
- une sonde de température aval disposée à
la sortie de l'échangeur aval; et - un organe de commande commandant ledit circuit de fluide caloporteur caractérisé par le fait que ledit organe de commande comporte des moyens pour couper et rétablir la circulation du fluide lorsque la température tA mesurée par la sonde amont devient respectivement in-férieure et supérieure à une température tB + Dt, Dt étant un écart de température d'autant plus grand que la diffé-rence tB - tC est plus petite, tB et tC étant les tempéra-tures du fluide mesurées par les sondes intermédiaire et aval respectivement.

3. Dispositif selon la revendication 2, caracté-risé par le fait que l'écart Dt varie selon une loi sensi-blement linéaire en fonction de la différence tB - tC.