La régulation T.O.R. est la méthode la plus simple de commander un système énergétique, en fonction d'une consigne, soit celui-ci est en marche à pleine puissance, soit il est à l'arrêt.
Nous allons travailler à partir de la représentation simplifiée de maison réalisée dans l'activité "Transfert thermique entre une maison et son environnement" dans laquelle nous allons rajouter une représentation de l'air à l'intérieur. Puis nous déterminerons la puissance maximum du système de chauffage et nous rajouterons une commande tout ou rien.
- Détermination de la puissance de chauffage du bâtiment.
Travail à réaliser:
- Copiez le fichier final, exact, que vous avez réalisé dans l'activité "Transfert thermique entre une maison et son environnement".
- Modifiez votre système de manière à représenter l'air à l'intérieur de la maison et un système de chauffage à puissance constante en respectant ces donnnées:
- Pour simplifier, l'air à l'intérieur du bâtiment (240 m³) sera être représenté par une masse solide à température constante.
- On prendra comme propriétés de l'air une masse volumique de 1,3kg/m³ et une capacité calorifique de 1 kJ/(kg.K).
- Le système de chauffage sera modélisé par une unique source de chaleur à puissance constante.
- Les échanges de chaleur entre l'air intérieur et le mur pourront être traduits par un coefficient de convection et rayonnement combinés de 10 W/(m²*°C).
- On considèrera qu'au début de la simulation le bâtiment n'a pas été chauffé et, est à la température extérieure.
- Pour simplifier, l'air à l'intérieur du bâtiment (240 m³) sera être représenté par une masse solide à température constante.
- Déterminez la puissance maximum du chauffage permettant d'assurer une température de +25°C dans la maison lorsque la température extérieure est de -25°C.
- Avec la puissance calculée au cours de la question précédente, déterminez la température de l'air dans la maison si la température extérieure était de -5°C. Est-ce acceptable ?
Quelques résultats:
La puissance de chauffage permettant d'avoir une température de confort de 25°C lorsqu'il fait -25°C dehors vaut 39166,7 W.
Lorsque la température extérieure est de -5°C si on chauffe à la puissance maximum on atteindra une température de +45°C à l'intérieur de la pièce. - Copiez le fichier final, exact, que vous avez réalisé dans l'activité "Transfert thermique entre une maison et son environnement".
- Simulation d'une régulation tout ou rien
En fait, les sytèmes de conditionnement d'air sont toujours conçus pour assurer des températures de confort lorsque les conditions extérieures sont extrêmes mais ils fonctionnent la majorité du temps dans des conditions plus modérées. Il faut donc réguler leur fonctionnement.
La méthode la plus simple, la régulation tout ou rien, consiste à arrêter le système lorsque une valeur de consigne est atteinte, vous allez simuler ce type de fonctionnement.
Attention, vous allez être amené à utiliser des fonctions que vous n'avez très probablement jamais utilisées auparavant. Si vous éprouvez des difficultés à comprendre leur fonctionnement, outre consulter l'aide en ligne, vous pouvez les tester dans des circuits élémentaires construits à cet effet.
Travail à réaliser:
- Créez la boucle de commande du système en utilisant des composants de la bibliothèque signal, control and observers (en rouge).
Voici quelques consignes à respecter:- La température de consigne de chauffage sera représentée par un signal constant
.
- Pour piloter le système de chauffage à partir d'un signal il faut utiliser un composant
. Avec ce type de composant, le signal entrant est traduit en flux de chaleur en sortie.
- Pour réaliser la commande, il faut mesurer la température de l'air dans le bâtiment. Pour cela on utilise un composant du type
connecté au composant représentant le volume d'air.
- A vous de choisir judicieusement les composants de traitement du signal pour assurer la régulation T.O.R. .
Vu le type de commande souhaité, il parait judicieux de mettre en oeuvre des composants du sous-menu discontinuities de la bibliothèque signal . Attention la plupart de ces composants renvoie un signal de sortie binaire (0 ou 1) , il faut donc parfois utiliser des fonctions d'amplification
pour changer la valeur de ce signal.
- La température de consigne de chauffage sera représentée par un signal constant
- Simulez le système dans des conditions pour lesquelles la température à l'intérieur du bâtiment ne peut pas atteindre la température de consigne (par exemple une température extérieure de -25°C et une consigne de 40°C) .
Dans ce cas, la température devrait atteindre la température pour lequel le chauffage a été dimensionné, c'est à dire 25°C.
- Réalisez une nouvelle simulation où cette fois la consigne peut être atteinte (par exemple 22°C). Si la simulation s'arrête à partir du moment ou le système de chauffage se coupe, essayer de comprendre quel est le problème. Sollicitez votre enseignant si vous n'arrivez pas à interpréter le problème. Passez à la suite pour voir comment le résoudre.
En fait il faut prévoir un différentiel de température pour le redémarrage du système de chauffage.
Si on commande simplement l'arrêt du sytème de chauffage lorsque la température de consigne est atteinte, la température dans la pièce se met alors à décroître, passant rapidement en dessous de la température de consigne et entraînant le redémarrage du chauffage presque immédiat.
Pratiquement cela entraîne une succession très rapide d'arrêts et de redémarrages du système. Ce qui conduirait vite, pour un système réel, à la détérioration et la panne du système.
La méthode numérique mise en oeuvre dans AMESim ne permet pas de gérer cette enchaînement quasi-instantané, d'où l'erreur et l'arrêt des calculs s'il n'y a pas de différence entre la température d'arrêt et la température de redémarrage.
Imaginons que la température de consigne soit de 20°C et que l'air soit à la température de -5°C initialement. Le chauffage va fonctionner jusqu'à ce que l'air soit la température de consigne.
Pratiquement il doit rester coupé jusqu'à ce que l'air ai atteint une température plus basse, prenons par exemple 17°C.
On nomme la différence entre ces deux températures, différentiel. Dans cet exemple, le différentiel vaut 20-17=3°C.
Alors le chauffage va redémarrer jusqu'à la température de 20°C, et ainsi de suite.
On voit qu'en dessous de 17°C le chauffage fonctionnera, au dessus de 20°C il ne fonctionnera jamais, mais entre ces deux températures, cela va dépendre si la température a pris la valeur de 20°C ou de 17°C en entrant dans cet intervalle.
Donc il nous faut un composant qui possède une "mémoire" de la variation de température que nous allons implanter dans la suite du travail.
- Le composant Trigger TRIG0
(sous-dossier Discontinuities) permet de réaliser une commande avec différentiel, modifiez votre circuit de manière à réaliser la commande T.O.R avec celui-ci.
L'aide en ligne étant particulièrement laconique, voici quelques informations supplémentaires qui pourront vous aider:- la variable high input threshold value définit le seuil haut de déclenchement
- la variable low input threshold value définit le seuil bas de déclenchement
- La différence high input threshold value - low input threshold value définit le différentiel.
Donc la high input threshold value doit être supérieure à la low input threshold value
- la high output value définie la valeur de sortie lorsque la valeur d'entrée est supérieure ou égale à la high input threshold value
- la low output value définie la valeur de sortie lorsque la valeur d'entrée est inférieure ou égale à la low input threshold value
- Lorsque la valeur d'entrée rentre dans l'intervalle entre la high input threshold value et la low input threshold value, la valeur de sortie ne change pas, il faut donc définir une valeur de sortie pour l'initialisation de la simulation.
- la variable high input threshold value définit le seuil haut de déclenchement
- Réalisez un tracé de la température de l'air à l'intérieur de l'enceinte en fonction du temps à partir du moment où la température de consigne a été atteinte.
- Déterminez le temps entre deux arrêts du système de chauffage.
- Comment évolue le temps entre deux arrêts si la température extérieure est plus élevée? Même question lorsque le différentiel est plus petit.
- Une fois votre travail terminé, fermez votre fichier et purgez-le.
Résultats:
Pour une température extérieure de -25°C, une consigne de 20°C avec un différentiel de 3°C les oscillations de chauffage/ refroidissement entre 17°C et 20°C s'alternent dans des temps de chauffage de 200s et de refoidissement de 28s, soit donc entre deux arrêts du chauffage de 200+28=228s (mesures prises à un temps de simulation de 80000 secondes).
- Créez la boucle de commande du système en utilisant des composants de la bibliothèque signal, control and observers (en rouge).
Fin de l'activité