L efficience énergétique...

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1 ......Une technique intelligente de régulation au service Edgar Mayer Product Manager CentraLine c/o Honeywell GmbH 02 I 2009 Grâce aux techniques de régulation intelligentes d aujourd hui, il est possible d exploiter le potentiel considérable des locaux commerciaux pour économiser l énergie. Il existe des solutions, qui en prenant le relais des algorithmes classiques de régulation, économisent très efficacement l énergie. De nouvelles méthodes permettent non seulement une amélioration de l efficacité énergétique en maintenant de façon optimale les exigences de confort, mais garantissent également une plus longue durée de vie des installations et un allongement des cycles d entretien. On peut par exemple déjà s attendre à des économies pouvant atteindre 15 % au travers de la simple optimisation des paramètres de régulation. Nous exposons ci-dessous les facteurs les plus importants pour économiser l énergie (et expliquons comment y parvenir en mettant en œuvre des installations de régulation de haute qualité), ainsi que les possibilités d optimisation des installations au moyen d une régulation exploitant une base de connaissances.

2 L efficacité énergétique L efficacité énergétique d un bâtiment ne dépend pas seulement de ses caractéristiques (isolation des murs, du toit et des fenêtres), du type de construction et des techniques utilisées (isolation) ainsi que de l étendue de ses surfaces extérieures au travers desquelles des transferts de chaleur se produisent dans les deux sens. En effet, l un des facteurs essentiels pour augmenter l efficacité énergétique est la qualité de la technique de régulation utilisée. Nous décrivons ci-dessous quelques-uns des algorithmes de régulation permettant d augmenter l efficacité énergétique des installations de chauffage et de climatisation. 1. Régulation à haute efficacité énergétique Les installations de régulation efficaces ne démarrent le système de chauffage que lorsque l utilisateur a besoin d un apport calorifique. Cela signifie que chaque «consommateur de chaleur» qu il s agisse d un circuit de chauffage, de production d eau chaude ou de ventilation ou de la régulation indépendante d une pièce envoie au système de chauffage une demande dès que, selon son point de consigne, qu il a besoin de chaleur pendant qu il est en service. Étant donné que les périodes de service de chacun des «consommateurs» sont réglables individuellement, il n y a pas de chaleur produite inutilement qui compromettrait le rendement de l installation. Fig. 1 : installation de chauffage type (réalisée avec le logiciel de conception CentraLine Coach)

3 2. Régulation du circuit de chauffage Pour des raisons de coût, les installations se contentent pour la plupart d une régulation de la température en sortie de chaudière en fonction de la température extérieure. Si le dimensionnement du corps de chauffe joue sur l efficacité énergétique, le réglage du point de fonctionnement a aussi une influence considérable. Avec une régulation optimisée, une puissance de chauffe plus importante permet une montée en température plus rapide et une diminution plus forte de la température en sortie de chaudière. L abaissement de la température de sortie permet une réduction de la perte dans les canalisations, laquelle dépend de leur longueur ainsi que de la qualité de leur isolation. Avec les chaudières basse température et les chaudières à condensation, il est également possible d abaisser la température de retour. Cela a un effet bénéfique sur les pertes par rejet atmosphérique et par rayonnement et permet une meilleure exploitation de la condensation. Du point de vue de la technique de régulation, il convient d insister sur le réglage du point de fonctionnement de la chaudière. Un décalage du point de fonctionnement de +/- 5 K modifie la consommation énergétique de +/- 19 %. 1 Pour atténuer les inconvénients de la régulation de la température de sortie en fonction de la seule température extérieure, il est également important que la technique de régulation utilisée maintienne la consigne de température de sortie aussi basse que possible. Des régulateurs spécialisés par exemple «Tiger» ou «Panther» de CentraLine, atteignent cet objectif en procédant à une adaptation automatique du point de fonctionnement qui suit par conséquent les besoins du bâtiment. Avec une régulation commandée par la température extérieure, il est en outre impossible de tenir compte de l apport du rayonnement solaire, de la chaleur dégagée par les appareils ou du nombre de personnes présentes dans une pièce. Chaque personne dégage en effet de l ordre de 60 à 100 W. Ces inconvénients ne peuvent être corrigés au moyen d une régulation individuelle de chaque pièce. 1 Source - Forschungszentrum Jülich Einsparpotentiale bei der Energieversorgung von Wohngebäuden durch Informationstechnologien (Centre de recherche Jülich, potentiel d économie d énergie des techniques informatiques pour le chauffage des bâtiments d habitation)

4 3. Régulation de la pompe D autres économies sont possibles en asservissant les pompes de chauffage au besoin : dans de nombreux cas, les pompes tournent 24 heures sur 24 à leur vitesse maximale. Le potentiel d économies réalisables est avant tout élevé pour les pompes d alimentation des installations d une puissance supérieure à 100 kw. En cas de risque de gel, il est cependant obligatoire de faire tourner les pompes en permanence. Pourtant, au-dessus de la température critique de protection contre le gel, si les pompes ne fonctionnent qu en cas de besoin, on peut au minimum économiser 30 à 60 % de l énergie électrique autrement nécessaire. 4. Régulation de la production de chaleur Si, dans le cadre de la modernisation de la technique de régulation, on envisage l adaptation de la chaudière, il est intéressant de passer à une chaudière à condensation. Le coût d installation plus élevé s amortit en quelques années grâce aux économies d énergie. On peut également étudier la possibilité d installer des pompes à chaleur. Les différentes stratégies de régulation comprennent entre autres des fonctions de régulation efficace des chaudières, l exploitation de chaudières en batterie ou l intégration d autres systèmes de production de chaleur respectueux de l environnement. Ces systèmes sont connectés de telle manière que les systèmes respectueux de l environnement fonctionnent en priorité, les systèmes classiques intervenant uniquement pour couvrir les pics de consommation. La stratégie de régulation consiste à produire seulement la quantité de chaleur nécessaire et avec le meilleur rendement possible. On y parvient en comparant sans cesse la demande des consommateurs à la chaleur produite par les différents systèmes. En faisant fonctionner les chaudières le plus longtemps possible (ce qui permet de réduire le nombre de mises en marche et d arrêts), une bonne stratégie de régulation permet également d augmenter leur longévité.

5 5. Régulation de la production de chaleur au moyen d un algorithme reposant sur une base de données Certains régulateurs sont capables de réguler la production au moyen d un algorithme s appuyant sur une base de données. Avec un tel procédé, on obtient une amélioration notable du processus de régulation. Dans une installation de chaudières en cascade, seul le nombre de chaudières nécessaire pour répondre à la demande énergétique est en fonctionnement. Au-delà du signal d asservissement de la régulation (également exploité dans une utilisation classique), le régulateur informatisé tient compte de grandeurs perturbatrices comme la température de retour ou le débit du circuit secondaire. On obtient donc en sortie de bloc de régulation un signal représentant la quantité globale de chaleur nécessaire. Ce dernier est ensuite converti en signaux de commande des différents systèmes de production. La base de connaissances qui génère une part notable du signal de commande, est adaptée automatiquement en fonction des écarts de régulation. L algorithme de régulation comporte en effet un algorithme d optimisation statistique, qui en cas d écarts de régulation adapte de manière autonome la base de données. Le régulateur s adapte donc par auto-apprentissage. A la mise en service de l installation, la mise au point des paramètres, tâche fastidieuse, n est par conséquent plus nécessaire.

6 Fig. 2 : cartographie des points de fonctionnement. Signal de sortie de la base de données en fonction des deux grandeurs perturbatrices : lorsque l une des deux grandeurs (le débit secondaire ou la différence de température aller/retour) reste petite, le signal de commande de la production de chaleur reste faible. Si les deux perturbations ci-dessus sont maximales, la production de chaleur doit être maximale. Les avantages d une installation de chauffage à régulation cartographique auto-adaptative sont les suivants : régulation stable des chaudières, sans fluctuations ; réduction du nombre de mises en marche et d arrêts avec des chaudières en cascade et par conséquent, amélioration de la longévité de l installation et allongement des cycles d entretien ; plus faibles gradients de température au niveau des pièces des chaudières (réduction de l usure) ; débit optimisé dans la chaudière et par conséquent, fonctionnement optimisé de celle-ci ; maintien plus précis de la consigne permettant d élargir la plage de régulation de la vanne du circuit de chauffage ;

7 disponibilité constante de la chaleur en fonction des besoins de chaque consommateur ; diminution de la consommation d énergie par optimisation du point de fonctionnement Régulation efficace d installations de ventilation La consommation énergétique élevée des installations de ventilation provient fréquemment d un surdimensionnement de ces dernières. La réduction du débit volumique minimal nécessaire pour le renouvellement de l air peut faire économiser de 30 à 50 % de l énergie consommée. La régulation de température, d humidité et de débit coordonnée de manière optimale peut conduire à une économie supplémentaire de 10 à 15 %. Fig. 3 : climatisation classique Dans les installations de climatisation habituelles, les régulations de température, d humidité relative et de régime des ventilateurs (régulation de débit) fonctionnent indépendamment. Avec une telle configuration, les fluctuations et les gaspillages d énergie sont inévitables. Les problèmes énumérés ci-dessous peuvent apparaître avec la régulation individuelle des éléments des installations de climatisation : 2 Source - Prof. Dr. Christian Rähder - Die Realisierung eines MaxXControl-Reglers für Kesselfolgeschaltungen. Optimale Betriebsführung durch bedarfsgeführte Regelung (Réalisation d un régulateur MaxXControl pour une batterie de chaudières. Exploitation optimale par une régulation selon la demande).

8 fluctuations simultanées de la température et de l humidité relative ; surcompensation des écarts entraînant un déplacement inutile des consignes et un gaspillage d énergie ; effort important au niveau des ventilateurs et des pompes en raison de l oscillation des points de consigne (par ex. mises en marche et arrêts trop fréquents) ; respect peu précis des consignes de température en raison des paramètres perturbateurs. Les régulateurs de CentraLine offrent la possibilité d exploiter un algorithme de régulation cartographique auto-adaptatif qui élimine tous ces inconvénients et permet une utilisation bien plus efficace de l installation. D après le principe de base du traitement des informations d une base de connaissances, le régulateur de la climatisation détermine le point de fonctionnement voulu, non seulement à partir des composants de régulation, mais aussi en tenant compte des données enregistrées dans la base, laquelle repose sur un savoir d expert. Les grandeurs utilisées par un régulateur de climatisation cartographique auto-adaptatif sont mesurées au cours du processus de climatisation et sont donc disponibles ; il n est généralement pas nécessaire de disposer de capteurs supplémentaires. Ces grandeurs sont toutefois exploitées par le régulateur de manière plus complexe. Le régulateur «sait» que dans l état x, il faut produire un signal de régulation y. Cela permet aux régulateurs de réagir préventivement avant que la modification de l état du système puisse agir sur la grandeur de régulation et, par exemple, fasse descendre une température au-dessous de la limite autorisée. Dès cet instant, les composants de régulation PI nécessaires et travaillant en parallèle n ont plus qu une fonction correctrice sur la commande résultant de la base de données. Cela permet de réduire notablement la plage de régulation, avec des conséquences positives sur le mode de fonctionnement du régulateur du point de vue de sa stabilité et de sa robustesse.

9 Fig. 4 : cartographie des points de fonctionnement du registre de chauffage avec trois grandeurs perturbatrices : X1 X2 X3 perturbation demande de chaleur perturbation déshumidification perturbation régime de ventilation Pour déterminer le signal de commande des composants de l installation (batteries de chauffage et de rafraîchissement de l air, récupérateur de chaleur ou clapets) adapté au besoin, il faut élaborer une séquence de commande qui exploite complètement les composants comme le récupérateur de chaleur ou les clapets de mélange, avant de faire intervenir les parties «énergivores» de l installation. La meilleure qualité de régulation obtenue par régulation cartographique autoadaptative nécessite moins d énergie qu une régulation PID classique. On améliore la qualité de régulation en : optimisant rapidement le réglage ; amortissant les suroscillations ; envoyant des consignes modérées aux vannes de commande (faible amplitude, variations lentes) ; réduisant les interactions néfastes des composantes du processus (chauffage, refroidissement ainsi qu humidification et déshumidification) et éliminant ainsi les perturbations ; améliorant la robustesse de la régulation vis-à-vis des perturbations ; réduisant les gaspillages d énergie par une coordination optimale des commandes de ventilation. réduisant l usure de l installation par une action modérée des signaux de commandes. 1

10 7. Régulation en CO2 et récupération de chaleur Un potentiel d économies de 30 à 50 % peut également être dégagé par l exploitation d une régulation asservie en CO2. Cette régulation supervise l apport d air extérieur et le débit en contrôlant le régime des ventilateurs. De l air frais n est admis que si le CO2 2 passe au-dessous de sa consigne. L exploitation d une récupération de chaleur de grande efficacité (elle peut atteindre jusqu à 80 % dans une chaudière à condensation) ou encore le rafraîchissement nocturne libre peuvent encore améliorer l efficacité énergétique. 8. Inspection régulière et entretien de l installation L entretien régulier de l installation constitue un élément important de maintien d une haute efficacité énergétique. L utilisation de techniques modernes de régulation permet d intégrer le calendrier de maintenance dans le régulateur. La comptabilisation de chaque ordre de mise en marche et de chaque commande d actionneur permet de définir un intervalle d entretien. Une fois l intervalle d entretien écoulé, un signal d alerte «entretien» est émis par le régulateur. Ce signal est uniquement activé avec l accord du client et si celui-ci souhaite effectuer un entretien régulier. Seule la gestion technique du bâtiment permet l utilisation la plus efficace possible de calendriers d entretien. Synthèse Le temps de l énergie à bon marché est pratiquement révolu et les prix ne peuvent désormais que monter. En raison également de la nécessité de protéger l environnement, l efficacité énergétique des bâtiments doit sans cesse être améliorée. Ce fait a été admis par de nombreux gouvernements du monde entier qui se sont lancés dans des programmes de réhabilitation et d amélioration de l habitat et de sa gestion énergétique. Les économies d énergie des bâtiments peuvent être obtenues en utilisant une régulation optimisée relativement peu coûteuse. Une technique moderne et efficace de régulation et de gestion des bâtiments permet de contribuer notablement à l augmentation de l efficacité énergétique des bâtiments. Elle offre des fonctions de régulation éprouvées et parfaitement au point qui permettent d atteindre les plus hautes exigences en matière d efficacité énergétique. 1 Source - Prof.Dr. Christian Rähder - Energieoptimaler Betrieb durch Koordination der Luftbehandlungen (Exploitation énergétique optimale par coordination des commandes de ventilation) 2 Des informations complémentaires sur la régulation en CO2 sont disponibles sur le site

11 Sources Figures 1 à 4 : CentraLine Auteur : Edgar Mayer Product Manager CentraLine c/o Honeywell GmbH Vous pouvez trouver tous les articles liés à la performance énergétique dans le bâtiment sur notre site Internet CentraLine, ou en nous contactant directement. CentraLine 72, chemin de la Noue Cranves Sales Tél +33 (0)