FR3068440B1 - METHOD OF ESTIMATING THE HEAT ENERGY ACCUMULATED IN A WATER TANK OF A WATER HEATER ON A TIME INTERVAL - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un procédé d'estimation de l'énergie thermique accumulée dans un réservoir d'eau (10) sur un intervalle de temps, caractérisé en ce qu'il comprend la mise en uvre par des moyens de traitement de données (30) d'étapes de : - Détermination d'une durée de fonctionnement d'un dispositif de chauffage (11) de l'eau du réservoir (10) sur ledit intervalle de temps ; - Estimation de pertes thermiques du réservoir (10) sur ledit intervalle de temps en fonction d'une température de consigne associée audit intervalle de temps appliquée par un module de contrôle (12) du dispositif de chauffage (11) ; - Calcul de l'énergie thermique accumulée dans le réservoir (10) sur ledit intervalle de temps en fonction de la durée de fonctionnement déterminée, des pertes thermiques estimées, et d'une puissance nominale du dispositif de chauffage (11). L'invention concerne également un procédé de régulation de la température de l'eau du réservoir (10).The invention relates to a method for estimating the thermal energy accumulated in a water reservoir (10) over a time interval, characterized in that it comprises the implementation by data processing means ( 30) of steps of: - Determination of a duration of operation of a heating device (11) of the water in the tank (10) over said time interval; - Estimation of heat losses from the reservoir (10) over said time interval as a function of a setpoint temperature associated with said time interval applied by a control module (12) of the heating device (11); - Calculation of the thermal energy accumulated in the reservoir (10) over said time interval as a function of the determined operating time, the estimated thermal losses, and a nominal power of the heating device (11). The invention also relates to a method for regulating the temperature of the water in the reservoir (10).
Description
PROCEDE D’ESTIMATION DE L’ENERGIE THERMIQUE ACCUMULEE DANS UN RESERVOIR D’EAU D’UN CHAUFFE-EAU SUR UN INTERVALLE DE TEMPSMETHOD OF ESTIMATING THE HEAT ENERGY ACCUMULATED IN A WATER TANK OF A WATER HEATER ON A TIME INTERVAL
DOMAINE TECHNIQUE GENERALGENERAL TECHNICAL FIELD
La présente invention concerne un procédé d’estimation d’une grandeur thermique dans un système de type chauffe-eau, et un procédé de régulation de la température du réservoir d’eau associé.The present invention relates to a method for estimating a thermal quantity in a water heater type system, and a method for regulating the temperature of the associated water tank.
ETAT DE L’ARTSTATE OF THE ART
Avec près de 12 millions d’unités installées en France dont plus de 80% sont asservies au signal tarifaire Heures Pleines/Heures creuses (HP/HC), le parc de Chauffe-Eau Joule (CEJ) à accumulation résidentiel est un équipement contribuant sensiblement à la consommation électrique journalière.With nearly 12 million units installed in France, more than 80% of which are subscribed to the Peak / Off-Peak (HP / HC) tariff, the Joule water heater (CEJ) residential storage facility is an equipment that contributes significantly to daily electricity consumption.
Un chauffe-eau électrique est un préparateur d’eau chaude doté d’un ballon de stockage et d’un élément de chauffage, habituellement une résistance électrique à effet Joule (d’où l’appellation « Joule »). L’eau froide arrive par le bas du ballon et est chauffée par effet Joule jusqu’à une température de consigne. L’eau chaude stockée, appelée Eau Chaude Sanitaire (ECS), est soutirée du ballon par la partie haute et utilisée aux robinets de l’habitation.An electric water heater is a hot water tank with a storage tank and a heating element, usually a Joule electric heater (hence the name "Joule"). Cold water arrives from the bottom of the flask and is heated by the Joule effect to a set temperature. Hot stored water, called Hot Water Sanitary (DHW), is withdrawn from the balloon by the upper part and used at the taps of the house.
Aujourd’hui, le choix du volume du ballon lors de l’installation d’un chauffe-eau est basé sur les besoins maximaux de l’habitation, d’où une capacité moyenne relativement élevée au regard des besoins réels. Ce surdimensionnement provoque une baisse de rendement car les pertes statiques du ballon dépendent du volume d’eau chaude stockée dans le ballon et de son isolation.Today, the choice of the volume of the balloon during the installation of a water heater is based on the maximum needs of the house, resulting in a relatively high average capacity compared to the real needs. This over-sizing causes a drop in efficiency because the static losses of the balloon depend on the volume of hot water stored in the balloon and its insulation.
Pour limiter les pertes, on peut limiter quand c’est possible la quantité d’énergie thermique stockée dans le ballon, via le contrôle de la température de consigne (puisque le volume est fixe). L’idée est en effet de stocker dans le ballon seulement la quantité d’énergie nécessaire pour satisfaire les besoins journaliers de l’utilisateur, car toute l’énergie thermique en excès (stockée « pour rien ») se dissipe peu à peu via les pertes thermiques.To limit the losses, it is possible to limit when possible the quantity of thermal energy stored in the tank, via the control of the set temperature (since the volume is fixed). The idea is to store in the balloon only the amount of energy needed to satisfy the daily needs of the user, because all the excess thermal energy (stored "for nothing") is gradually dissipated via the thermal losses.
Cette énergie stockée peut s’estimer directement sous forme de capacité calorifique de l’eau (4185J. kg-1. K-1) à partir de la température moyenne de l’eau et du volume du réservoir.This stored energy can be estimated directly as the heat capacity of the water (4185J kg-1 K-1) from the average temperature of the water and the volume of the reservoir.
Toutefois, la température de l’eau n’est en pratique pas uniforme, et en l’absence d’une connaissance précise du profil de température sur la hauteur du ballon, l’estimation de l’énergie thermique stockée n’est que peu précise. La température moyenne est ainsi un paramètre très difficile à connaître.However, the water temperature is in practice not uniform, and in the absence of a precise knowledge of the temperature profile on the height of the balloon, the estimate of the stored thermal energy is only slightly precise. The average temperature is thus a very difficult parameter to know.
Il a ainsi été proposé pour corriger ce problème des méthodes permettant d’estimer la quantité d’énergie thermique stockée/stockable dans un réservoir d’un chauffe-eau, en utilisant un certain nombre de capteurs de grandeurs physiques : o Débitmètre ou compteur d’eau à la sortie du réservoir ; o Une ou plusieurs sondes de température sur le réservoir pour estimer le niveau d’eau froide à l’intérieur ; o Sonde de température au niveau de la résistance électrique.It has thus been proposed to correct this problem methods for estimating the amount of stored thermal energy / storable in a tank of a water heater, using a number of sensors of physical magnitudes: o Flowmeter or counter d water at the outlet of the tank; o One or more temperature probes on the tank to estimate the level of cold water inside; o Temperature sensor at the electrical resistance.
Ainsi, la demande W02012164102 propose un ballon divisé en plusieurs « couches » chacune équipée d’un capteur de température.Thus, the application W02012164102 proposes a ball divided into several "layers" each equipped with a temperature sensor.
Un tel système s’avère efficient mais il est « intrusif ». Cela signifie qu’il nécessite une modification physique du ballon (introduction d’une pluralité de capteurs à des emplacements prédéterminés) et n’est applicable en pratique qu’à des nouveaux chauffe-eau. De plus le surcoût des dispositifs de mesure de l’ECS consommée est bien trop élevé par rapport à l’économie énergétique réalisée.Such a system is efficient but it is "intrusive". This means that it requires a physical modification of the balloon (introduction of a plurality of sensors at predetermined locations) and is applicable in practice only to new water heaters. In addition, the extra cost of measuring the ECS consumed is far too high compared to the energy savings achieved.
Pour utiliser au mieux les équipements existants sans modification sensible, il a été proposé dans les demandes FR1554896, FR1554897 et FR1554898 des procédés d’estimation d’une grandeur thermique du réservoir et notamment d’une quantité d’énergie stockée/stockable dans le réservoir n’ayant besoin que d’un débitmètre. Un modèle innovant du réservoir permet ainsi de reconstruire de façon très astucieuse est très fiable un profil de température sur toute la hauteur du réservoir.In order to make the best use of existing equipment without any significant modification, applications FR1554896, FR1554897 and FR1554898 have been proposed with methods for estimating a thermal quantity of the tank and in particular a quantity of energy stored / storable in the tank. only needing a flow meter. An innovative model of the tank allows to rebuild in a very clever way is very reliable a temperature profile over the entire height of the tank.
Ces procédés apportent entière satisfaction, mais nécessitent toujours l’installation d’un débitmètre.These methods are entirely satisfactory, but still require the installation of a flow meter.
Il serait par conséquent souhaitable de disposer d’un nouveau procédé de surveillance de l’énergie d’un réservoir d’eau qui soit fiable et efficace et ce sans nécessiter l’installation d’équipements coûteux, intrusifs et consommateurs d’énergie.It would therefore be desirable to have a new method of monitoring the energy of a water tank that is reliable and efficient without requiring the installation of expensive, intrusive and energy consuming equipment.
PRESENTATION DE L’INVENTION L’invention propose de pallier ces inconvénients en proposant selon un premier aspect un procédé d’estimation de l’énergie thermique accumulée dans un réservoir d’eau sur un intervalle de temps, caractérisé en ce qu’il comprend la mise en oeuvre par des moyens de traitement de données d’étapes de : - Détermination d’une durée de fonctionnement d’un dispositif de chauffage de l’eau du réservoir sur ledit intervalle de temps ; - Estimation de pertes thermiques du réservoir sur ledit intervalle de temps en fonction d’une température de consigne associée audit intervalle de temps appliquée par un module de contrôle du dispositif de chauffage ; - Calcul de l’énergie thermique accumulée dans le réservoir sur ledit intervalle de temps en fonction de la durée de fonctionnement déterminée, des pertes thermiques estimées, et d’une puissance nominale du dispositif de chauffage.PRESENTATION OF THE INVENTION The invention proposes to overcome these disadvantages by proposing according to a first aspect a method of estimating the thermal energy accumulated in a water reservoir over a time interval, characterized in that it comprises the implemented by data processing means of steps of: - Determining an operating time of a device for heating the water of the reservoir over said time interval; Estimation of thermal losses of the reservoir over said time interval as a function of a set temperature associated with said time interval applied by a control module of the heating device; Calculation of the thermal energy accumulated in the reservoir over said time interval as a function of the determined operating time, the estimated heat losses, and a nominal power of the heating device.
Le procédé selon le premier aspect de l’invention est avantageusement complété par les caractéristiques suivantes, prises seules ou en une quelconque de leur combinaison techniquement possible : • ledit intervalle de temps est une journée ; • lesdites pertes thermiques du réservoir sont obtenues par une fonction affine de la température de consigne, ladite fonction affine étant obtenue par simulation numérique ; • ladite durée de fonctionnement du dispositif de chauffage sur ledit intervalle de temps est déterminée en fonction de données fournies par le module de contrôle ; • l’énergie thermique accumulée dans le réservoir est égale à ladite durée de fonctionnement déterminée multipliée par une puissance nominale du dispositif de chauffage, moins les pertes thermiques estimées.The method according to the first aspect of the invention is advantageously completed by the following characteristics, taken alone or in any of their technically possible combination: • said time interval is a day; Said thermal losses of the reservoir are obtained by an affine function of the target temperature, said affine function being obtained by numerical simulation; Said operating time of the heating device over said time interval is determined according to data provided by the control module; • the thermal energy accumulated in the tank is equal to said determined operating time multiplied by a nominal power of the heating device, minus the estimated heat losses.
Selon un deuxième aspect est proposé un procédé de régulation de la température du réservoir d’eau comprenant des étapes de : (a) Estimation conformément au procédé selon le premier aspect de l’énergie thermique accumulée dans le réservoir d’eau sur un premier intervalle de temps ; (b) Calcul par les moyens de traitement de données d’une température de consigne optimale telle que l’énergie nécessaire pour élever la température de toute l’eau contenue dans ledit réservoir depuis une température initiale donnée jusqu’à ladite température soit égale à ladite énergie thermique accumulée calculée à une réserve d’énergie près ; (c) Régulation sur un deuxième intervalle de temps de même durée que le premier intervalle de temps par ledit module de contrôle du dispositif de chauffage de l’eau du réservoir, de la température du réservoir d’eau autour de ladite température de consigne optimale.According to a second aspect, there is provided a method for regulating the temperature of the water tank comprising steps of: (a) Estimation in accordance with the method according to the first aspect of the thermal energy accumulated in the water reservoir on a first interval time; (b) calculation by the data processing means of an optimum setpoint temperature such that the energy required to raise the temperature of all the water contained in said tank from a given initial temperature to said temperature is equal to said accumulated thermal energy calculated at an energy reserve near; (c) Control over a second time interval of the same duration as the first time interval by said control module of the water heater of the reservoir, the temperature of the water reservoir around said optimum setpoint temperature .
Le procédé selon le deuxième aspect de l’invention est avantageusement complété par les caractéristiques suivantes, prises seules ou en une quelconque de leur combinaison techniquement possible : • ladite température de consignée optimale Tc est obtenue par la formuleThe process according to the second aspect of the invention is advantageously supplemented by the following characteristics, taken alone or in any of their technically possible combination: said optimum storage temperature Tc is obtained by the formula
où Tef est la température initiale donnée, Eecs l’énergie thermique accumulée estimée, Δ la réserve d’énergie, m la masse d’eau dans le réservoir (10), et c la capacité calorifique massique de l’eau ; • ladite réserve d’énergie est une fraction de l’énergie thermique accumulée dans le réservoir d’eau, choisie entre 3 et 20% ; • ledit deuxième intervalle de temps est décalé d’une semaine par rapport au premier intervalle de temps ; • le procédé est répété de sorte que le deuxième intervalle d’une première itération du procédé soit le premier intervalle d’une deuxième itération du procédé.where Tef is the initial temperature given, Eecs the estimated accumulated thermal energy, Δ the energy reserve, m the mass of water in the tank (10), and c the mass heat capacity of the water; Said energy reserve is a fraction of the thermal energy accumulated in the water reservoir, chosen between 3 and 20%; Said second time interval is shifted one week relative to the first time interval; The method is repeated so that the second interval of a first iteration of the method is the first interval of a second iteration of the method.
Selon un troisième aspect, l’invention concerne un ensemble d’estimation de l’énergie thermique accumulée dans un réservoir d’eau sur un intervalle de temps, l’ensemble étant caractérisé en ce qu’il comprend des moyens de traitement de données, configurés pour mettre en œuvre : o un module de détermination d’une durée de fonctionnement d’un dispositif de chauffage de l’eau du réservoir sur ledit intervalle de temps ; o un module d’estimation de pertes thermiques du réservoir sur ledit intervalle de temps en fonction d’une température de consigne associée audit intervalle de temps appliquée par un module de contrôle du dispositif de chauffage ; o un module de calcul de l’énergie thermique accumulée dans le réservoir sur ledit intervalle de temps en fonction de la durée de fonctionnement déterminée, des pertesAccording to a third aspect, the invention relates to a set of estimation of the thermal energy accumulated in a water tank over a time interval, the assembly being characterized in that it comprises data processing means, configured to implement: a module for determining an operating time of a device for heating the water of the reservoir over said time interval; a module for estimating thermal losses of the reservoir over said time interval as a function of a reference temperature associated with said time interval applied by a control module of the heating device; a module for calculating the thermal energy accumulated in the reservoir over said time interval as a function of the determined operating time, losses
thermiques estimées, et d’une puissance nominale du dispositif de chauffage.estimated heat, and rated power of the heater.
Selon d’autres caractéristiques avantageuses et non limitatives : • les moyens de traitement de données (30) sont en outre configurés pour : - Calculer une température de consigne optimale telle que l’énergie nécessaire pour élever la température de toute l’eau contenue dans ledit réservoir depuis une température initiale donnée jusqu’à ladite température de consigne optimale soit égale à ladite énergie thermique accumulée estimée sur un premier intervalle de temps à une réserve d’énergie près ; - Ordonner audit module de contrôle du dispositif de chauffage de l’eau du réservoir de réguler sur un deuxième intervalle de temps de même durée que le premier intervalle de temps la température du réservoir d’eau autour de ladite température de consigne optimale.According to other advantageous and non-limiting characteristics: the data processing means (30) are furthermore configured to: - calculate an optimal target temperature such as the energy required to raise the temperature of all the water contained in said reservoir from a given initial temperature to said optimum setpoint temperature is equal to said estimated accumulated thermal energy over a first time interval to a near energy reserve; - Ordering said control module of the tank water heating device to regulate on a second time interval of the same duration as the first time interval the temperature of the water tank around said optimum setpoint temperature.
Selon un quatrième aspect, l’invention concerne un système de chauffe-eau comprenant un réservoir d’eau, un dispositif comprenant un moyen de chauffage alimenté par un réseau électrique, un module de contrôle dudit dispositif, et un ensemble selon le troisième aspect de l’invention d’estimation de l’énergie thermique accumulée dans le réservoir d’eau sur un intervalle de temps.According to a fourth aspect, the invention relates to a water heater system comprising a water tank, a device comprising a heating means powered by an electrical network, a control module of said device, and an assembly according to the third aspect of the invention for estimating the thermal energy accumulated in the water reservoir over a period of time.
Selon un cinquième et un sixième aspect, l’invention concerne un produit programme d’ordinateur comprenant des instructions de code pour l’exécution d’un procédé selon le premier aspect de l’invention d’estimation de l’énergie thermique accumulée dans un réservoir d’eau sur un intervalle de temps, ou d’un procédé selon le deuxième aspect de l’invention de régulation de la température d’un réservoir d’eau, lorsque ledit programme est exécuté sur un ordinateur ; et un moyen de stockage lisible par un équipement informatique sur lequel un produit programme d’ordinateur comprend des instructions de code pour l’exécution d’un procédé selon le premier aspect de l’invention d’estimation d’une grandeur thermique d’un réservoir d’eau.According to a fifth and a sixth aspect, the invention relates to a computer program product comprising code instructions for the execution of a method according to the first aspect of the invention for estimating the thermal energy accumulated in a water tank over a period of time, or a method according to the second aspect of the invention for regulating the temperature of a water tank, when said program is run on a computer; and computer-readable storage means on which a computer program product comprises code instructions for executing a method according to the first aspect of the invention for estimating a thermal quantity of a water reservoir.
PRESENTATION DES FIGURES D’autres caractéristiques, buts et avantages de l’invention ressortiront de la description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels : - les figures 1a-1e sont des schémas de cinq modes de réalisation préférés d’un système pour la mise en œuvre des procédés selon l’invention ; - la figure 2 est un schéma représentant d’un exemple de fonction affine modélisant les pertes thermiques utilisée dans le premier procédé selon l’invention ; - la figure 3 est un schéma représentant un exemple d’évolution de la température de consigne constatée lors de la mise en œuvre récursive du deuxième procédé selon l’invention.PRESENTATION OF THE FIGURES Other characteristics, objects and advantages of the invention will emerge from the description which follows, which is purely illustrative and nonlimiting, and which should be read with reference to the appended drawings in which: FIGS. 1a-1e are diagrams of five preferred embodiments of a system for carrying out the methods according to the invention; FIG. 2 is a representative diagram of an exemplary affine function modeling heat losses used in the first method according to the invention; FIG. 3 is a diagram showing an example of evolution of the set temperature observed during the recursive implementation of the second method according to the invention.
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Architecture généraleGeneral Architecture
La figure 1a représente l’architecture générale d’une possibilité de mode de réalisation d’un système 1 pour la mise en œuvre du procédé selon l’invention. Ce système est comme expliqué typiquement un chauffe-eau, en particulier Chauffe-Eau Joule (CEJ), bien que l’invention ne soit pas limitée à ces derniers. Alternativement, le système 1 peut être un chauffe-eau thermodynamique.FIG. 1a represents the general architecture of an embodiment possibility of a system 1 for implementing the method according to the invention. This system is as typically explained a water heater, in particular Joule Water Heater (CEJ), although the invention is not limited to these. Alternatively, the system 1 may be a thermodynamic water heater.
Le système 1 comprend ainsi : - un réservoir d’eau 10 (communément appelé «ballon» d’eau chaude), d’un volume total constant V, typiquement quelques dizaines de litres, en particulier 50 à 2000L suivant la taille de l’habitation, on prendra l’exemple d’un réservoir 10 de 300L dans la suite de la description. L’eau stockée dans le réservoir 10a une masse notée m, typiquement 300kg pour un réservoir de 300L (on supposera la densité volumique de l’eau constante et égale à 1 kg/L) ; - un dispositif de chauffage 11 de l’eau du réservoir 10, le dispositif 11 comprenant un moyen de chauffage alimenté par un réseau électrique 2 ; - généralement une sonde de température 20 configurée pour émettre un signal représentatif de la température de l’eau du réservoir 10 ; - un module de contrôle 12 dudit dispositif de chauffage 11 ; - une entrée d’eau (souvent en bas du réservoir 10) et une sortie d’eau (souvent en haut du réservoir). L’eau froide entre par l’entrée d’eau à une température initiale T EF donnée (environ une dizaine de degrés) pour remplacer l’eau chaude soutirée de sorte que le volume d’eau reste constant ;The system 1 thus comprises: a water reservoir 10 (commonly called a hot water "balloon") of a constant total volume V, typically a few tens of liters, in particular 50 to 2000 liters depending on the size of the dwelling, we will take the example of a tank 10 of 300L in the following description. The water stored in the tank 10a a mass noted m, typically 300kg for a 300L tank (it will be assumed the density of water constant and equal to 1 kg / L); - A heater 11 of the water tank 10, the device 11 comprising a heating means powered by an electrical network 2; - Generally a temperature sensor 20 configured to emit a signal representative of the water temperature of the tank 10; a control module 12 of said heating device 11; - a water inlet (often at the bottom of tank 10) and a water outlet (often at the top of the tank). The cold water enters through the water inlet at a given initial temperature T EF (about ten degrees) to replace the hot water withdrawn so that the volume of water remains constant;
Le moyen de chauffage électrique du dispositif de chauffage 11 est généralement une résistance, d’où le chauffage de l’eau par effet joule. Alternativement, il peut s’agir par exemple d’une pompe à chaleur complète dont la source chaude est en échange thermique avec l’eau du réservoir 10 (et la source froide en échange thermique par exemple avec l’air extérieur), de sorte à permettre un chauffage de l’eau avec une efficacité supérieure à 100%. C’est ce que l’on appelle un chauffe-eau thermodynamique.The electric heating means of the heating device 11 is generally a resistance, hence the heating of the water by joule effect. Alternatively, it may be for example a complete heat pump whose hot source is in heat exchange with the water of the tank 10 (and the cold source in heat exchange for example with the outside air), so to allow heating of the water with an efficiency higher than 100%. This is called a thermodynamic water heater.
De façon préférée, le dispositif 11 est intégralement électrique (il ne comprend ainsi que des moyens de chauffage alimentés par le réseau 2, et pas de brûleurs à gaz par exemple). L’énergie de chauffage fournie à l’eau est alors entièrement d’origine électrique. Le système n’est toutefois pas limité à cette configuration et le dispositif 11 peut alternativement comprendre en outre un moyen de chauffage alternatif (non-électrique) tel qu’un bruleur, un échangeur avec un collecteur solaire, etc., à condition qu’on puisse connaître la quantité d’énergie qu’il apporte à l’eau. Dans la suite de la présente description on prendra l’exemple préféré d’un dispositif 11 intégralement électrique, de type tout ou rien, c’est-à-dire qu’il ne présente pas de puissance variable, et que la puissance thermique qu’il produit et égale soit à zéro (quand il est arrêté) soit à une puissance nominale (par exemple 2500W pour un chauffe-eau classique) quand il est en marche.Preferably, the device 11 is entirely electric (it thus includes only heating means powered by the network 2, and no gas burners for example). The heating energy supplied to the water is then entirely of electrical origin. The system is however not limited to this configuration and the device 11 may alternatively furthermore comprise an alternative (non-electric) heating means such as a burner, an exchanger with a solar collector, etc., provided that we can know how much energy it brings to the water. In the remainder of the present description, we will take the preferred example of an entirely electric device 11, all or nothing type, that is to say that it has no variable power, and that the thermal power that It produces and equals either zero (when it is off) or a nominal power (for example 2500W for a conventional water heater) when it is running.
Le réseau 2 est un réseau à grande échelle qui relie une pluralité de sources électriques. Il peut s’agir d’énergie d’origine non-renouvelable (nucléaire et/ou fossile) et/ou d’origine renouvelable (solaire, éolien, etc.).The network 2 is a large-scale network that connects a plurality of electrical sources. It can be energy of non-renewable origin (nuclear and / or fossil) and / or of renewable origin (solar, wind, etc.).
Le système 1 est régulé en température. Pour cela il comprend généralement comme expliqué une ou plusieurs sondes de température 20 et un module de contrôle 12 du dispositif de chauffage 11. La ou les sondes 20 envoient en permanence ou par intermittence un signal représentatif de la température de l’eau du réservoir 10.System 1 is temperature regulated. For this purpose it generally comprises, as explained, one or more temperature probes 20 and a control module 12 of the heating device 11. The probe or sensors 20 continuously or intermittently send a signal representative of the temperature of the water of the tank 10 .
Le module de contrôle 12 est typiquement une carte électronique qui déclenche ou non le chauffage en fonction de la température de l’eau et de nombreux autres paramètres éventuels (programmation, saison, plages horaires, tarif électricité heures creuses/heures pleines, usages habituels de l’utilisateur, etc.).The control module 12 is typically an electronic card that triggers or not the heating depending on the temperature of the water and many other possible parameters (programming, season, time slots, electricity tariff off-peak / full hours, usual uses of the user, etc.).
De façon générale un chauffe-eau Joule comprend le plus souvent deux températures de seuil, en pratique souvent la conséquence d’un phénomène d’hystérésis autour d’une valeur médiane « cible » appelée température de consigne, qui définit ces deux seuils. L’écart induit est alors d’environ 5°C.In general, a Joule water heater most often comprises two threshold temperatures, in practice often the consequence of a hysteresis phenomenon around a median "target" value called the set temperature, which defines these two thresholds. The induced gap is then about 5 ° C.
La température de consigne est la température moyenne souhaitée de l’eau, réglée par l’utilisateur (l’intervalle 50-65°C est courant). Comme on verra dans le présent procédé, une température de consigne optimale peut être déterminée automatiquement.The set temperature is the desired average water temperature set by the user (the range of 50-65 ° C is common). As will be seen in the present method, an optimal target temperature can be automatically determined.
La première température de seuil est la température « minimale » et la deuxième température de seuil est la température « maximale » (le premier seuil est inférieur au deuxième seuil).The first threshold temperature is the "minimum" temperature and the second threshold temperature is the "maximum" temperature (the first threshold is below the second threshold).
Le module de contrôle 12 est ainsi configuré pour activer le dispositif de chauffage 11 lorsque la température (mesurée ou estimée) est inférieure au premier seuil prédéfini, et/ou configuré pour désactiver le dispositif de chauffage 11 lorsque cette température supérieure au deuxième seuil prédéfini.The control module 12 is thus configured to activate the heating device 11 when the temperature (measured or estimated) is lower than the first predefined threshold, and / or configured to deactivate the heating device 11 when this temperature exceeds the second predefined threshold.
Ainsi, tant que le dispositif de chauffage 11 est arrêté et que l’on est entre les deux seuils rien ne se passe. Si la température baisse (avec le temps ou parce que l’utilisateur tire de l’eau chaude) et passe en-dessous du premier seuil, le dispositif de chauffage 11 est activé, et ce jusqu’à atteindre le deuxième seuil (température maximale, supérieure au premier seuil). La température se remet ensuite à baisser, etc. En d’autres termes, il y a une alternance de phases de « refroidissement » pendant lesquelles la température descend du deuxième seuil au premier seuil (voir au-delà si l’utilisateur continue d’utiliser de l’eau chaude), et de phases de « chauffe » pendant lesquelles la température monte sous l’effet du dispositif 11 allumé d’une température inférieure ou égale au premier seuil jusqu’au deuxième seuil.Thus, as the heater 11 is stopped and that is between the two thresholds nothing happens. If the temperature drops (over time or because the user draws hot water) and goes below the first threshold, the heater 11 is activated, until the second threshold (maximum temperature is reached). , higher than the first threshold). The temperature then goes down again, and so on. In other words, there is an alternation of "cooling" phases during which the temperature drops from the second threshold to the first threshold (see above if the user continues to use hot water), and "Heating" phases during which the temperature rises under the effect of the device 11 lit from a temperature less than or equal to the first threshold to the second threshold.
Comme expliqué avant, cette configuration peut dépendre d’autres paramètres, et il peut y avoir plus de deux seuils, éventuellement mobiles, par exemple de façon à optimiser la consommation d’énergie pendant les heures creuses (les chauffe-eaux sont souvent prévus pour remonter l’eau en température préférentiellement au petit matin, de sorte à maximiser l’utilisation des heures creuses et avoir de l’eau chaude en quantité au moment de se doucher).As explained before, this configuration may depend on other parameters, and there may be more than two thresholds, possibly mobile, for example to optimize energy consumption during off-peak hours (water heaters are often provided for to raise the temperature of the water preferentially in the early morning, so as to maximize the use of the off-peak hours and to have hot water in quantity at the moment of showering).
Procédé d’estimation d’une énergie thermique du réservoirMethod for estimating a thermal energy of the reservoir
Selon un premier aspect, le présent procédé propose l’estimation de l’énergie thermique accumulée dans un réservoir d’eau 10 (notée Eecs) sur un intervalle de temps.In a first aspect, the present method provides for estimating the thermal energy accumulated in a water reservoir 10 (denoted Eecs) over a time interval.
Par énergie thermique accumulée, on entend l’énergie thermique stockée à un moment ou un autre sur l’intervalle de temps considérée, plutôt qu’en fonction du temps. En pratique, il s’agit de l’énergie thermique « utile » qui a été fournie à l’eau du réservoir dans ledit intervalle de temps.Accumulated thermal energy is understood to mean the thermal energy stored at one time or another over the time interval considered, rather than as a function of time. In practice, this is the "useful" thermal energy that has been supplied to the reservoir water in said time interval.
Mathématiquement c’est la somme de l’énergie thermique soutirée (i.e. contenue par le volume d’eau chaude que l’utilisateur a consommé) et de l’énergie thermique encore stockée à la fin de l’intervalle, moins celle qui était initialement stockée au début de l’intervalle. Il s’agit d’une grandeur thermique connue qui est déjà utilisée par l’homme du métier pour optimiser le fonctionnement des chauffe-eaux pour limiter la production excédentaire d’eau chaude (i.e. l’écart entre l’énergie thermique stockée à la fin de l’intervalle et celle stockée au début).Mathematically it is the sum of the thermal energy withdrawn (ie contained by the volume of hot water that the user has consumed) and the thermal energy still stored at the end of the interval, less than the one that was initially stored at the beginning of the interval. This is a known thermal quantity which is already used by the skilled person to optimize the operation of the water heaters to limit the excess production of hot water (ie the difference between the thermal energy stored at the end of the interval and the one stored at the beginning).
Comme l’on va voir le présent procédé se distingue en ce qu’il se base uniquement sur un bilan global et ne cherche pas à connaître un profil de température ni même l’énergie thermique stockée dans le réservoir au cours du temps ou l’énergie thermique soutirée, bien que ce soit des composantes de l’énergie accumulée.As we will see the present process is distinguished in that it is based only on a global balance sheet and does not seek to know a temperature profile or even the thermal energy stored in the reservoir over time or the thermal energy withdrawn, although it is a component of accumulated energy.
Plus précisément, au lieu d’utiliser un modèle complexe de propagation de la chaleur dans le réservoir en fonction des entrées et sorties d’eau, on raisonne sur la quantité totale d’énergie fournie par le moyen de chauffage électrique 11. L’idée est de constater que l’énergie accumulée est également égale à l’énergie thermique fournie par le dispositif de chauffage 11 moins les pertes thermiques (i.e. l’énergie perdue qui n’est ni soutirée ni stockée à la fin). A partir de là, on calcule aisément et de manière très fiable l’énergie thermique accumulée, sans pourtant connaître (ou mesurer directement) à aucun instant l’énergie thermique effectivement stockée/stockable dans le réservoir 10.More precisely, instead of using a complex model of propagation of heat in the tank according to the inflow and outflow of water, it is reasoned on the total amount of energy supplied by the electric heating means 11. The idea It is to be noted that the accumulated energy is also equal to the heat energy supplied by the heating device 11 minus the thermal losses (ie the lost energy which is neither withdrawn nor stored at the end). From there, the accumulated thermal energy is easily and very reliably calculated, without however knowing (or measuring directly) at any moment the thermal energy actually stored / stored in the tank 10.
Ce procédé ne nécessite ainsi aucun débitmètre ou sonde de température supplémentaire, et de façon générale tout autre capteur complexe. Ainsi, le présent procédé s’adapte parfaitement à un chauffe-eau existant sans modifications intrusives.This method thus requires no additional flowmeter or temperature probe, and generally any other complex sensor. Thus, the present method adapts perfectly to an existing water heater without intrusive modifications.
Cette énergie thermique accumulée peut être exprimée directement en Joules, ou sous la forme d’une autre grandeur porteuse de sens pour l’homme du métier.This accumulated thermal energy can be expressed directly in Joules, or in the form of another magnitude meaningful to the skilled person.
Par exemple, la grandeur peut être l’équivalent volume d’eau chaude à 40°C (ou une autre température donnée) disponible pour le consommateur, i.e. volume correspondant au mélange de l’eau au-dessus de 40°C dans le ballon mélangé avec de l’eau froide pour obtenir une eau à 40°C (alternativement, l’énergie contenue dans l’eau chaude du ballon de température supérieure à 40°C comparée à de l’eau froide du réseau).For example, the quantity may be the volume equivalent of hot water at 40 ° C (or another given temperature) available to the consumer, ie volume corresponding to the mixing of the water above 40 ° C in the flask mixed with cold water to obtain water at 40 ° C (alternatively, the energy contained in the hot water of the flask above 40 ° C compared to cold water network).
L’énergie thermique en joules et l’équivalent volume d’eau à 40°C (K40) sont liés par la formuleThe thermal energy in joules and the equivalent volume of water at 40 ° C (K40) are linked by the formula
où c est la capacité calorifique massique de l’eau.where is the mass heat capacity of water.
Ledit « intervalle de temps » sur lequel on va travailler est préférentiellement une journée. En effet, c’est la périodicité normale des habitudes des utilisateurs du chauffe-eau (avec une douche par jour). On peut tout à fait prendre des pas plus grands comme une semaine.The said "time interval" on which we will work is preferably a day. Indeed, it is the normal periodicity of the habits of the users of the water heater (with a shower per day). We can quite take bigger steps like a week.
Le procédé commence par déterminer une durée de fonctionnement du dispositif de chauffage 11 de l’eau du réservoir 10 sur ledit intervalle de temps. Par exemple, sur un intervalle de temps d’une journée, on peut déterminer que le dispositif de chauffage a fonctionné pendant 6h pour fournir toute l’énergie thermique accumulée.The method begins by determining an operating time of the heater 11 of the water of the tank 10 over said time interval. For example, over a one-day time interval, it can be determined that the heater has been running for 6 hours to provide all accumulated thermal energy.
Plutôt que le dispositif 11 qui est en pratique peu accessible, c’est plus simplement le système 1 dont on détermine avantageusement la durée de fonctionnement.Rather than the device 11 which is practically inaccessible, it is more simply the system 1 which is advantageously determined the operating time.
On note qu’on a généralement une seule période de chauffe (la nuit) si le système 1 utilise les heures creuses ou plusieurs périodes s’il est en fonctionnement continu.It is noted that there is usually only one heating period (at night) if the system 1 uses off-peak hours or several periods if it is in continuous operation.
La notion de système/dispositif « en fonctionnement » doit être interprétée largement et correspond à une situation dans laquelle il est plus que simplement allumé, c’est-à-dire dans laquelle il remplit sa fonction (en l’espèce chauffer l’eau) et n’est pas seulement en veille par exemple.The concept of "in operation" system / device must be interpreted broadly and corresponds to a situation in which it is more than simply lit, ie in which it performs its function (in this case heating the water ) and is not just idle for example.
En effet un système 1 de type CEJ est dans les faits allumé 24h/24, sans que pour autant le dispositif 11 ne chauffe la plupart du temps (si un seuil de température est atteint). Seul son module de contrôle 12 sera alimenté en permanence, pour une consommation de l’ordre de 1% de sa puissance nominale (de façon générale, on comprendra que la consommation de veille d’un équipement est très inférieure à 20% de sa puissance nominale). On considérera alors, dans de telles conditions, qu’il n’est pas en fonctionnement (on entend ici par « en fonctionnement » que l’équipement est « en chauffe » ou « en production d’eau chaude »).In fact, a system 1 of the CEJ type is in fact turned on 24/24, but the device 11 does not heat most of the time (if a temperature threshold is reached). Only its control module 12 will be permanently powered, for a consumption of the order of 1% of its nominal power (generally, it will be understood that the standby power consumption of a device is much less than 20% of its power nominal). It will then be considered, under such conditions, that it is not in operation (here "operation" means that the equipment is "heated" or "in hot water production").
Ainsi, si c’est le système 1 qu’on surveille de façon générale, on le considérera comme en fonctionnement si sa consommation est supérieure à un seuil prédéfini.Thus, if it is the system 1 that is generally monitored, it will be considered as operating if its consumption is greater than a predefined threshold.
De nombreuses techniques sont connues de l’homme du métier pour connaître cette durée, et on verra plusieurs modes de réalisation dans la partie suivante de la description.Many techniques are known to those skilled in the art to know this duration, and we will see several embodiments in the following part of the description.
Ensuite, sont estimées des pertes thermiques du réservoir 10 sur ledit intervalle de temps en fonction de la température de consigne associée audit intervalle de temps.Then, thermal losses of the reservoir 10 over said time interval are estimated as a function of the reference temperature associated with said time interval.
Les pertes thermiques sont évaluées à l’aide des paramètres du constructeur (dimensions du ballon, type et épaisseur de l’isolation, etc.).Thermal losses are evaluated using the manufacturer's parameters (balloon size, type and thickness of insulation, etc.).
En pratique, on constate que les pertes sont une fonction linéaire de la température de consigne (plus l’eau stockée est chaude, plus les pertes sont élevées), les coefficients dépendant desdits paramètres du constructeur, et pouvant être évalués numériquement. Un profil de soutirage peut avantageusement avoir également un impact.In practice, it is found that the losses are a linear function of the set temperature (the more the stored water is hot, the greater the losses are high), the coefficients depending on said parameters of the manufacturer, and can be evaluated numerically. A withdrawal profile can advantageously also have an impact.
La figure 2 représente la perte thermique journalière pour un réservoir de 300L pour un exemple de type de soutirage (dit « M ») en fonction de la température de l’eau chaude stockée, qu’on approxime avec la température de consigne. Les pertes sont donc globalement entre 1kWh et 2,5kWh sur la journée. A noter que si la température de consigne n’est pas constante sur la journée (si par exemple l’utilisateur l’a changée manuellement), on peut pondérer la formule (puisqu’elle est affine) en fonction des durées respectives de chaque consigne différente sur ladite durée de fonctionnement.FIG. 2 represents the daily heat loss for a 300L tank for an example of the type of withdrawal (called "M") as a function of the temperature of the stored hot water, which is approximated with the set temperature. The losses are therefore globally between 1kWh and 2.5kWh on the day. Note that if the set temperature is not constant on the day (if for example the user has changed manually), we can weight the formula (since it is affine) according to the respective durations of each instruction different on said running time.
Enfin, l’énergie thermique accumulée dans le réservoir 10 sur ledit intervalle de temps peut être calculée en fonction de la durée de fonctionnement déterminée, des pertes thermiques estimées, et d’une puissance nominale du dispositif de chauffage 11.Finally, the thermal energy accumulated in the tank 10 over said time interval can be calculated as a function of the determined operating time, the estimated heat losses, and a nominal power of the heating device 11.
Plus précisément, l’énergie thermique accumulée dans le réservoir 10 est égale à ladite durée de fonctionnement déterminée multipliée par une puissance nominale du dispositif de chauffage 11, moins les pertes thermiques estimées.More specifically, the thermal energy accumulated in the tank 10 is equal to said determined operating time multiplied by a nominal power of the heating device 11, minus the estimated heat losses.
En effet, le bilan donne :In fact, the balance sheet gives:
, où P est la puissance nominale du dispositif 11., where P is the nominal power of the device 11.
Moyens de traitementMeans of treatment
Le présent procédé est mis en œuvre par des moyens de traitement de données 30 qui peuvent prendre des formes diverses. Il importe seulement que ces moyens 30 soient adaptés pour recevoir des données représentatives d’une consommation électrique du dispositif de chauffage 11, et plus précisément des instants où le dispositif de chauffage est en fonctionnement ou non.The present method is implemented by data processing means 30 which may take various forms. It is important only that these means 30 are adapted to receive data representative of an electrical consumption of the heating device 11, and more precisely times when the heating device is in operation or not.
Dans un premier mode de réalisation conforme à la figure 1a, les moyens de traitement 30 sont ceux d’un module dédié connecté au module de contrôle 12 et à un élément 23 de détection de fonctionnement duIn a first embodiment according to FIG. 1a, the processing means 30 are those of a dedicated module connected to the control module 12 and to an operating detection element 23 of the
chauffe-eau. Il s’agit par exemple d’un tore d’intensité disposé autour du câble d’alimentation du système 1, et de façon préférée le dispositif décrit dans la demande FR1550869, qui peut directement fournir à la fin de l’intervalle (par exemple le soir à heure fixe si cet intervalle est une journée) la durée de fonctionnement du dispositif 11 sur l’intervalle considéré. Un tel élément 23 est peu cher et non invasif car il ne nécessite aucune modification du chauffe-eau puisqu’il fonctionne « à distance ». Il s’agit typiquement d’un mode de réalisation dans lequel on vient équiper un chauffe-eau existant, en particulier par l’utilisateur lui-même vu la simplicité.water heater. This is for example a torus of intensity arranged around the power cable of the system 1, and preferably the device described in the application FR1550869, which can directly provide at the end of the interval (for example in the evening at a fixed time if this interval is a day) the operating time of the device 11 over the interval considered. Such an element 23 is inexpensive and non-invasive because it does not require any modification of the water heater since it operates "remotely". This is typically an embodiment in which one comes to equip an existing water heater, especially by the user himself saw the simplicity.
On note que le module 30 peut être connecté (via des moyens de connexion réseau tels que le Wi-Fi, une liaison Ethernet, le CPL, etc.) à un boîtier 31 qui est un équipement d’accès à internet 3 de type « box » d’un fournisseur d’accès à Internet pour la fourniture de données générales qui pourraient utiles à la mise en œuvre du présent procédé telle que la température froide T'ef ou les coefficients de la fonction permettant de calculer les pertes.It is noted that the module 30 can be connected (via network connection means such as Wi-Fi, an Ethernet link, the PLC, etc.) to a box 31 which is an internet access equipment 3 of the type " box "of an Internet access provider for the provision of general data that could be useful for the implementation of the present method such as cold temperature T'ef or the coefficients of the function for calculating losses.
Dans un second mode de réalisation, ces moyens 30 sont intégrés au module de contrôle 12 du chauffe-eau. Dans ce mode, comme le dispositif 11 est alimenté en courant via le module 12, ce dernier sait quand le dispositif 11 fonctionne ou non. En référence à la figure 1b, qui représente un tel cas, il s’agit typiquement d’un chauffe-eau neuf prévu dès l’origine pour mettre en œuvre le présent procédé, il n’y a alors aucun capteur additionnel.In a second embodiment, these means 30 are integrated in the control module 12 of the water heater. In this mode, since the device 11 is supplied with power via the module 12, the latter knows when the device 11 operates or not. Referring to Figure 1b, which represents such a case, it is typically a new water heater provided from the outset to implement the present method, there is then no additional sensor.
Dans un troisième mode de réalisation préféré, ces moyens 30 sont seulement connectés au module de contrôle 12 du chauffe-eau, ce dernier signalant lorsqu’il commande le fonctionnement du dispositif 11. Il s’agit d’un mode hydride nécessitant une petite modification du module 12, mais relativement mineure, et à nouveau aucun capteur additionnel. Ceci implique un surcoût infime. Les moyens 30 sont alors par exemple ceux du boîtier 31 pour l’accès à internet de type « box » d’un fournisseur d’accès à Internet, comme représenté par la figure 1c.In a third preferred embodiment, these means 30 are only connected to the control module 12 of the water heater, the latter signaling when it controls the operation of the device 11. This is a hydride mode requiring a small modification of module 12, but relatively minor, and again no additional sensor. This implies a tiny extra cost. The means 30 are then for example those of the box 31 for internet access of the "box" type of an Internet access provider, as represented by FIG. 1c.
Dans un quatrième mode de réalisation (représenté par la figure 1 d), les moyens 30 sont ceux d’un boîtier dédié connecté tel qu’un compteur électrique intelligent 32 (par exemple LINKY) via lequel le moyen de chauffage du dispositif 11 est alimenté, et disposant d’un émetteur Télé-Information Client (TIC) intégré ou non. Un tel compteur 32 sait détecter la consommation du dispositif de chauffage 11 et ainsi savoir quand il marche.In a fourth embodiment (represented by FIG. 1 d), the means 30 are those of a connected dedicated box such as an intelligent electric meter 32 (for example LINKY) via which the heating means of the device 11 are powered. , and having an integrated Telecom Information Transmitter (TIC) or not. Such a counter 32 can detect the consumption of the heater 11 and thus know when it works.
Dans un cinquième mode de de réalisation représenté par la figure 1e, les moyens 30 sont ceux d’un serveur du réseau internet 3. En d’autres termes les données (de consommation ou de débit) sont émises (par exemple par le boîtier 31 s’il est configuré pour les centraliser) dans une requête d’obtention de l’énergie thermique accumulée.In a fifth embodiment represented by FIG. 1e, the means 30 are those of a server of the Internet network 3. In other words the data (of consumption or throughput) are transmitted (for example by the box 31 if configured to centralize them) in a request to obtain the accumulated thermal energy.
On comprendra que les cinq modes représentés par les figures 1a-1e constituent cinq exemples non limitatifs et combinables. Par exemple, n’importe lequel de ces exemples peut utiliser un dispositif 23 pour la mesure de la consommation du système 1.It will be understood that the five modes represented by FIGS. 1a-1e constitute five nonlimiting and combinable examples. For example, any of these examples may use a device 23 for measuring the consumption of the system 1.
Procédé de régulationRegulation process
Comme expliqué, la puissance thermique permet d’optimiser très facilement l’énergie thermique stockée dans le réservoir 10 de sorte à minimiser les pertes, via un réglage adéquat de la température de consigne.As explained, the thermal power makes it possible very easily to optimize the thermal energy stored in the tank 10 so as to minimize the losses, via an appropriate adjustment of the set temperature.
Ainsi, selon un deuxième aspect, est proposé un procédé de régulation de la température du réservoir d’eau 10 qui soit optimal en termes de consommation énergétique tout en état très simple et très robuste.Thus, according to a second aspect, there is provided a method of regulating the temperature of the water tank 10 which is optimal in terms of energy consumption while very simple and very robust state.
Ce procédé a un fonctionnement globalement récursif. Structurellement, il nécessite seulement que les moyens de traitement 30 et le module de contrôle 12 puissent communiquer (pour se transmettre la valeur de température de consigne), ce qui est le cas dans les modes de réalisation deux à cinq précédemment décrits.This method has a globally recursive operation. Structurally, it only requires that the processing means 30 and the control module 12 can communicate (to transmit the setpoint temperature value), which is the case in the embodiments two to five previously described.
Il commence par une étape (a) d’estimation conformément au procédé selon le premier aspect par les moyens de traitement de données 30 de l’énergie thermique accumulée dans le réservoir d’eau 10 sur un premier intervalle de temps (par exemple une première journée).It starts with a step (a) of estimation according to the method according to the first aspect by the data processing means 30 of the thermal energy accumulated in the water reservoir 10 over a first time interval (for example a first day).
Dans une deuxième étape (b), toujours par les moyens 30, est calculée une température de consigne optimale (notée Ter par comparaison avec la température de consigne Tci lors du premier intervalle) telle que l’énergie nécessaire pour élever la température de toute l’eau contenue dans ledit réservoir depuis une température initiale donnée jusqu’à ladite température soit égale à ladite énergie thermique accumulée calculée à une réserve d’énergie Après (qui constitue une marge de sécurité pour éviter une pénurie d’eau chaude si l’utilisateur en utilise plus que d’habitude).In a second step (b), always by the means 30, is calculated an optimum setpoint temperature (denoted Ter by comparison with the set temperature Tci during the first interval) such as the energy required to raise the temperature of the whole body. water contained in said reservoir from a given initial temperature to said temperature is equal to said accumulated thermal energy calculated at an energy reserve After (which constitutes a margin of safety to avoid a shortage of hot water if the user uses more than usual).
Plus précisément, ladite température de consignée optimale Ter est obtenue par la formuleMore precisely, said optimum storage temperature Ter is obtained by the formula
, où Δ est la réserve d’énergie. En effet,where Δ is the energy reserve. Indeed,
correspond à l’énergie nécessaire pour chauffer toute l’eau du réservoir 10 de la température initiale froide TEF à la température de consignecorresponds to the energy required to heat all the water in the tank 10 from the initial cold temperature TEF to the set temperature
, cela signifie qu’en supposant qu’au début de la journée le réservoir est vide d’énergie (i.e. rempli d’eau froide), après chauffage de l’eau jusqu’à Tc si l’on soutire exactement l’énergie Eecs, il restera théoriquement Δ comme énergie stockée dans le réservoir 10 à la fin de la journée soit juste la marge de sécurité., this means that assuming that at the beginning of the day the reservoir is empty of energy (ie filled with cold water), after heating the water to Tc if one exactly withdraws the energy Eecs , it will remain theoretically Δ as stored energy in the tank 10 at the end of the day is just the margin of safety.
Ainsi en pratique, siSo in practice, if
c’est-à-dire qu’il reste trop d’énergie thermique stockée dans le réservoir à la fin de la journée, alors la température de consigne va pouvoir diminuer i.e. Tcr < Tci, alors que sithat is to say that there is too much thermal energy stored in the tank at the end of the day, then the set temperature will be able to decrease i.e. Tcr <Tci, whereas if
, c’est-à-dire qu’il reste moins que la marge de sécurité Δ à la fin de la journée, alors la température de consigne va devoir augmenter i.e. Ter > Ta-, that is to say, it remains less than the safety margin Δ at the end of the day, then the set temperature will have to increase i.e. Ter> Ta-
Ladite réserve d’énergie est préférentiellement soit une fraction de l’énergie thermique accumulée dans le réservoir d’eau 10, choisie entre 3 et 20% de l’énergie calculée, soit une valeur fixe, par exemple 2kWh.Said energy reserve is preferably either a fraction of the thermal energy accumulated in the water tank 10, chosen between 3 and 20% of the calculated energy, or a fixed value, for example 2kWh.
La nouvelle valeur de consigne déterminée (la température de consigne dite optimale) est transmise enfin au module de contrôle 12 de sorte que lors d’une étape (c) il régule sur un deuxième intervalle de temps de même durée que le premier intervalle de temps (par exemple une deuxième journée) la température du réservoir d’eau 10 autour de ladite température de consigne optimale. Ce mécanisme de régulation en fonction d’une température de consigne est en lui-même bien connu et pourra être fait de toutes les façons souhaitées par l’homme du métier.The new setpoint value determined (the so-called optimum setpoint temperature) is finally transmitted to the control module 12 so that during a step (c) it regulates on a second time interval of the same duration as the first time interval. (For example a second day) the temperature of the water tank 10 around said optimum set temperature. This regulation mechanism according to a set temperature is in itself well known and can be done in any way desired by those skilled in the art.
Si la nouvelle température de consigne calculée Ter est déterminée inférieure à une température minimale d’eau chaude sanitaire (par exemple 45°C) si l’utilisateur a une consommation très faible, on va utiliser cette température minimale comme température de consigne pour assurer le confort d’utilisation d’eau chaude. De même, si la consigne température calculée Tc est supérieure à une température maximale (par exemple 80°C) si en pratique l’utilisateur a un chauffe-eau sous-dimensionné, on va se limiter à cette température maximale pour éviter la détérioration du matériel. En résumé, Ter est si nécessaire corrigée pour toujours être dans un intervalle de valeurs de sécurité.If the new calculated target temperature Ter is determined to be lower than a minimum temperature of domestic hot water (for example 45 ° C) if the user has a very low consumption, this minimum temperature will be used as the set temperature to ensure the comfort of using hot water. Similarly, if the calculated temperature set point Tc is greater than a maximum temperature (for example 80 ° C) if in practice the user has an undersized water heater, we will limit this maximum temperature to avoid deterioration of the temperature. equipment. In summary, Ter is, if necessary, corrected to always be in a range of security values.
Ledit deuxième intervalle de temps peut être décalé d’un nombre entier de fois sa durée par rapport au premier intervalle de temps. Par exemple, si chaque intervalle de temps est une journée, il y a préférentiellement quelques jours entre les premier et le deuxième intervalle, par exemple une semaine ou un mois. On note qu’une semaine est préféré, car cela permet d’avoir un cycle de régulation par jour de la semaine, et de tenir compte des disparités d’usages entre la semaine et le week-end.Said second time interval can be shifted by an integer number of times its duration with respect to the first time interval. For example, if each time interval is a day, there are preferably a few days between the first and second intervals, for example a week or a month. We note that a week is preferred because it allows to have a regulation cycle per day of the week, and to take into account the disparities of uses between the week and the weekend.
Comme expliqué, le procédé de régulation est de façon préférée mis en œuvre de façon récursive. En effet la variation de la température de consigne va faire varier les pertes thermiques et donc affiner l’estimation.As explained, the control method is preferably implemented recursively. Indeed the variation of the set temperature will vary the thermal losses and thus refine the estimate.
Cela signifie que le procédé est répété de sorte que le deuxième intervalle d’une première itération du procédé soit le premier intervalle d’une deuxième itération du procédé. En d’autres termes, à la deuxième itération l’énergie accumulée est estimée sur le deuxième intervalle, de sorte à calculer une nouvelle température de consigne optimale utilisée sur un troisième intervalle temporel, et ainsi de suite.This means that the process is repeated so that the second interval of a first iteration of the method is the first interval of a second iteration of the method. In other words, at the second iteration the accumulated energy is estimated on the second interval, so as to calculate a new optimum setpoint temperature used on a third time interval, and so on.
Cela permet une convergence progressive de la température de consigne jusqu’à une valeur stable, qui est atteinte dans les faits en deux ou trois itérations seulement. La figure 3 représente ainsi un exemple d’évolution de la température de consigne avec le réservoir 10 de 300L évoqué ci-avant. On constate que l’économie d’électricité réalisée est de plus de 7%.This allows a gradual convergence of the set temperature to a stable value, which is actually achieved in two or three iterations only. FIG. 3 thus represents an example of evolution of the set temperature with the tank 10 of 300L mentioned above. It can be seen that the electricity saving achieved is more than 7%.
On voit donc que la température de consigne Tc s’adapte ainsi automatiquement et très efficacement aux habitudes réelles de l’utilisateur, de sorte à réduire sa consommation en évitant des pertes, tout en continuant à assurer son confort.It can therefore be seen that the set temperature Tc thus adapts automatically and very effectively to the user's actual habits, so as to reduce his consumption by avoiding losses, while continuing to ensure his comfort.
Modification d’un chauffe-eau existantModification of an existing water heater
Selon un troisième aspect, l’invention concerne un ensemble pour la mise en œuvre le procédé selon le premier aspect de l’invention et/ou le procédé selon le deuxième aspect de l’invention. C’est ainsi un ensemble d’estimation d’une énergie thermique accumulée sur un intervalle de temps adapté pour un réservoir d’eau 10 d’un chauffe-eau existant. L’ensemble comprend : - des moyens de traitement de données 30 éventuellement connectés au module de contrôle 12 ; - le cas échéant un élément 23 de mesure de la consommation électrique dudit moyen de chauffage du dispositif 11, également connecté aux moyens 30 (alternativement ils sont connectés au compteur électrique 32).According to a third aspect, the invention relates to an assembly for implementing the method according to the first aspect of the invention and / or the method according to the second aspect of the invention. This is a set of estimation of a thermal energy accumulated over a time interval adapted for a water tank 10 of an existing water heater. The assembly comprises: data processing means 30 possibly connected to the control module 12; - Where appropriate an element 23 for measuring the power consumption of said heating means of the device 11, also connected to the means 30 (alternatively they are connected to the electric meter 32).
Comme expliqué, chacun de ces éléments peut d’adapter sur un chauffe-eau existant sans modifications substantielles.As explained, each of these elements can fit on an existing water heater without substantial modifications.
Les moyens de traitement de donnés 30 doivent être configurés pour mettre en œuvre : o un module de détermination d’une durée de fonctionnement d’un dispositif de chauffage 11 de l’eau du réservoir 10 sur ledit intervalle de temps ; o un module d’estimation de pertes thermiques du réservoir 10 sur ledit intervalle de temps en fonction d’une température de consigne associée audit intervalle de temps appliquée par un module de contrôle 12 du dispositif de chauffage 11 ; o un module de calcul de l’énergie thermique accumulée dans le réservoir 10 sur ledit intervalle de temps en fonction de la durée de fonctionnement déterminée, des pertes thermiques estimées, et d’une puissance nominale du dispositif de chauffage 11.The data processing means 30 must be configured to implement: a module for determining an operating time of a heater 11 for the water of the tank 10 over said time interval; o a module for estimating thermal losses of the reservoir 10 over said time interval as a function of a set temperature associated with said time interval applied by a control module 12 of the heating device 11; a module for calculating the thermal energy accumulated in the reservoir 10 over said time interval as a function of the determined operating time, the estimated heat losses, and a nominal power of the heating device 11.
On notera que l’ensemble peut en outre permettre la régulation en température de l’eau du réservoir 10 (plus précisément l’optimisation de la température de consigne, la régulation étant en pratique faite par le module de contrôle 12), il suffit pour cela que les moyens de traitement de données 30 soient en outre configurés pour : - Calculer une température de consigne optimale telle que l’énergie nécessaire pour élever la température de toute l’eau contenue dans ledit réservoir depuis une température initiale donnée jusqu’à ladite température de consigne optimale soit égale à ladite énergie thermique accumulée estimée sur un premier intervalle de temps à une réserve d’énergie près ; - Ordonner audit module de contrôle 12 du dispositif de chauffage 11 de l’eau du réservoir 10 de réguler sur un deuxième intervalle de temps de même durée que le premier intervalle de temps la température du réservoir d’eau 10 autour de ladite température de consigne optimale (i.e. communiquer la température de consigne optimale au module 12, ce dernier étant celui qui de base est configuré pour mettre en œuvre la régulation en température en fonction de la température de consigne dont il dispose). L’invention concerne également le système 1 de chauffe-eau « modifié », c’est-à-dire comprenant un réservoir d’eau 10, un dispositif 11 comprenant un moyen de chauffage alimenté par un réseau électrique 2, un module de contrôle 12 dudit dispositif 11, et un ensemble selon le deuxième aspect de l’invention, adapté pour le réservoir 10. L’invention concerne également le système 1 de chauffe-eau «neuf», c’est-à-dire comprenant un réservoir d’eau 10, un dispositif 11 comprenant un moyen de chauffage alimenté par un réseau électrique 2 et un module de contrôle 12 dudit dispositif 11, le module de contrôle 12 comprenant des moyens de traitement de données 30 configurés pour mettre en œuvre le procédé selon le premier aspect de l’invention et/ou le procédé selon le deuxième aspect de l’invention.It will be noted that the assembly can furthermore make it possible to regulate the temperature of the water of the tank 10 (more precisely the optimization of the set temperature, the regulation being in practice made by the control module 12), it is sufficient for that the data processing means 30 are further configured to: - calculate an optimal target temperature such as the energy required to raise the temperature of all the water contained in said tank from a given initial temperature to said optimum setpoint temperature is equal to said estimated accumulated thermal energy over a first time interval to a near energy reserve; - Ordering said control module 12 of the heater 11 of the water tank 10 to regulate on a second time interval of the same duration as the first time interval the temperature of the water tank 10 around said set temperature optimal (ie to communicate the optimum setpoint temperature to the module 12, the latter being the basic one that is configured to implement the temperature regulation as a function of the set temperature it has). The invention also relates to the system 1 of "modified" water heater, that is to say comprising a water tank 10, a device 11 comprising a heating means powered by an electrical network 2, a control module 12 of said device 11, and an assembly according to the second aspect of the invention, adapted for the tank 10. The invention also relates to the system 1 of water heater "new", that is to say comprising a reservoir of water. water 10, a device 11 comprising a heating means powered by an electrical network 2 and a control module 12 of said device 11, the control module 12 comprising data processing means 30 configured to implement the method according to the first aspect of the invention and / or the method according to the second aspect of the invention.
Produit programme d’ordinateurComputer program product
Selon d’autres aspects, l’invention concerne un produit programme d’ordinateur comprenant des instructions de code pour l’exécution (sur des moyens de traitement de donnés 30) d’un procédé selon le premier aspect de l’invention d’estimation de l’énergie thermique accumulée dans un réservoir d’eau 10 sur un intervalle de temps, et/ou d’un procédé selon le deuxième aspect de l’invention de régulation de la température d’un réservoir d’eau 10, ainsi que des moyens de stockage lisibles par un équipement informatique (par exemple une mémoire du module de contrôle 12 si c’est lui qui contient les moyens 30) sur lequel on trouve ce produit programme d’ordinateur.According to other aspects, the invention relates to a computer program product comprising code instructions for the execution (on data processing means 30) of a method according to the first aspect of the estimation invention. thermal energy accumulated in a water reservoir 10 over a time interval, and / or a method according to the second aspect of the invention for regulating the temperature of a water tank 10, as well as storage means readable by a computer equipment (for example a memory of the control module 12 if it contains the means 30) on which this computer program product is found.
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