EP3098536A1 - Procédé d'estimation d'un profil de température d'un réservoir d'eau d'un chauffe-eau - Google Patents

Procédé d'estimation d'un profil de température d'un réservoir d'eau d'un chauffe-eau Download PDF

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EP3098536A1
EP3098536A1 EP16171628.7A EP16171628A EP3098536A1 EP 3098536 A1 EP3098536 A1 EP 3098536A1 EP 16171628 A EP16171628 A EP 16171628A EP 3098536 A1 EP3098536 A1 EP 3098536A1
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heating
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Definitions

  • the present invention relates to a method for estimating a temperature profile in a water heater type system.
  • the "energy mix” refers to the distribution of the different sources consumed for the production of electrical energy. This energy mix, in constant evolution, sees the constant progression of the Renewable Energys, which entails an increased need in flexibilities of the system.
  • the latter mainly represented by wind power and photovoltaics, do not allow a constant and regulated production, unlike a nuclear power plant, hence the problems of variability and predictability of the associated production. This makes the risks of the very short term increase sharply.
  • thermodynamic profile data ie more complex thermodynamic parameters than a simple temperature value, in particular the quantities of energy stored / storable in the storage tanks. these water heaters.
  • energies may be estimated in the form of heat capacity of water (4185 J kg -1. K -1) from the temperature and volume of the reservoir, but this amounts to model a tank with a volume of water of uniform temperature, which is in practice false and constitutes a strong approximation.
  • a more precise estimate of the temperature profile would allow a more precise control of the water heater park and thus an optimization of the energy consumption and a better adaptation compared to the variability of the productions at the local scale to satisfy the constraints on the network. , without prejudice to the comfort of the user.
  • WO2012164102 proposes a ball divided into several "layers" each equipped with a temperature sensor. From two temperature setpoints and measurements of these sensors, it is possible to calculate "variables of interest” such as the remaining energy capacity of the balloon or the minimum energy required to ensure that the water is uniform at the first temperature set point.
  • 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 estimation set of a temperature profile according to the second aspect of the invention, adapted for the tank.
  • the invention relates to a computer program product comprising code instructions for executing a method according to the first aspect of estimating a temperature profile, when said program is executed. 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 temperature profile.
  • the figure 1a represents the general architecture of an embodiment possibility of a system 1 for implementing the method according to the invention.
  • This system is typically a water heater, particularly Domestic Joule Water Heater (CEJ), although the invention is not limited thereto. 44% of the habitats are equipped.
  • the system 1 may be a thermodynamic water heater.
  • the electric heating means of the heating device 11 is generally a resistance, hence the heating of the water by joule effect.
  • 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.
  • the device 11 is entirely electric (it thus includes only heating means powered by the network 2, and no gas burners for example). 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.
  • the network 2 is a large-scale network that connects a plurality of electrical sources. As explained above, it is at the same time of energy of non-renewable origin (nuclear and / or fossil) and of renewable origin (solar, wind, etc.). Renewable energy presents problems of variability and predictability, while non-renewable energy is more readily available.
  • the network 2 encompasses both the global electricity network and the local electrical network of the home. user (in other words that the remote power plants and the local solar panels can both feed the heating device 11).
  • System 1 is temperature regulated.
  • 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
  • the present method can optionally provide, for example, an average temperature of the water of the reservoir 10 (in other words the temperature is no longer measured but estimated), which replaces the probe or probes. 20 which are not indispensable.
  • the control module 12 is typically an electronic card that triggers or not the heating according to the temperature of the water and many other possible parameters (programming, season, time periods, off-peak hours / full hours, usual uses of the user, etc.).
  • a Joule water heater usually comprises two threshold temperatures (the value of which may vary according to the moment and personal settings): a first threshold temperature which is the "minimum” temperature and a second threshold temperature which is the “maximum” temperature (the first threshold is below the second threshold). These two thresholds are a few degrees around (for example +/- 4 ° C) a temperature of "comfort” which is the desired average temperature set by the user (the interval 50-65 ° C is current).
  • 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.
  • the heater 11 is stopped and that is between the two thresholds nothing happens. If the temperature decreases (with time or because the user draws hot water) and passes below the first threshold, the heater 11 is activity, and until the second threshold (maximum temperature, greater 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 phases of "heating" 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.
  • 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).
  • 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).
  • the first and second thresholds are often the consequence of a hysteresis phenomenon around a median value, which defines these two thresholds.
  • the induced difference is then about 3 ° C.
  • the present invention is not limited to any particular configuration.
  • the water reservoir 10 extends along a substantially vertical longitudinal axis (the water heater balloons are generally substantially cylindrical).
  • a “linear" reservoir 10 that is to say composed of a base translated along said longitudinal axis, will be considered.
  • the present method proposes to estimate a temperature profile of the tank 10, ie to estimate the temperature as a function of a coordinate along said axis.
  • the temperature profile is one-dimensional.
  • T (h) the temperature in the reservoir 10 depends in the chosen model only on the height along said axis.
  • the temperature profile therefore expresses itself in the form of a function T (h), where h is in the interval [0, hmax] where hmax corresponds to the height of the reservoir 10.
  • T (h) where h is in the interval [0, hmax] where hmax corresponds to the height of the reservoir 10.
  • the objective is to obtain a spatial knowledge of the temperature within the tank, from which it will be possible to reliably and accurately estimate other quantities.
  • a point measurement of the temperature by a probe 20 is representative only of a local temperature, the actual average temperature being very different.
  • the present method thus makes it possible to substantially reduce the necessary approximations in existing water heaters.
  • the present method is perfectly adapted to a heater. existing water without intrusive modifications.
  • this temperature profile advantageously makes it possible to estimate a thermal quantity of the tank 10.
  • This thermal quantity can be of many types and can be for example chosen from an average temperature of the water of the tank 10, a temperature reservoir 10, a maximum temperature of the water of the reservoir 10, a quantity of energy stored in the reservoir 10, a quantity of energy still storable in the reservoir 10, and combinations of these quantities ( or any quantity directly derived from one of these quantities or one of their combinations).
  • the size can still be a hot water indicator available (or comfort indicator): for example the equivalent volume of hot water at 40 ° C (or another given temperature) available to the consumer, ie volume corresponding to the mixture 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 mains water), and more generally any indicator of the amount of hot water available to the consumer, which can be defined using the temperature profile and values representing the consumer comfort requirements. .
  • a hot water indicator available for example the equivalent volume of hot water at 40 ° C (or another given temperature) available to the consumer, ie volume corresponding to the mixture 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 mains water), and more generally any indicator of the amount of hot water available to the consumer, which can be
  • the size may still be a heating time required for the heater to have an effect on the previously defined comfort indicator. This variable comes from the fact that the heating of the balloon is by the bottom of the balloon, and affects the hot water layers of the balloon located at the top of the balloon only belatedly.
  • three characteristic heights of the tank are defined. It is noted that for each element the associated height may be the average height (for example the height of the center of the pipe for the water inlet E).
  • the inlet E is at the bottom of the tank, h2 is close to zero, the heating means is in the middle position, and the water outlet is at the top, ie h3 close to hmax (ie say h3 close to 1 if one is in standard scale).
  • the device 11 is not necessarily punctual and may have several heights, or even a certain length, ie extend between two values h1 i and h1 f .
  • the device 11 may comprise a resistance extending vertically, or even a "heating mantle” (ie a heat exchanger surrounding the tank, in particular in the case of a thermodynamic water heater).
  • a source extending between two values h1 i and h1 f can thus be approximated by a point source of height (h1 i + h1 f ) / 2, or considered as such for a more accurate result.
  • this is a layer stratification model of the water tank 10, the temperature is in practice not exactly one-dimensional, but as will be shown this model reproduced laminated balloon very realistically the thermodynamic behavior of the water and allows to obtain in a simple and fast way an excellent estimate of the aforementioned thermal quantities.
  • the present method is implemented by data processing means 30 which can take various forms. It is only important that these means 30 are on the one hand connected to the flow sensor 21, 22, and on the other hand adapted to receive data representative of an electrical consumption of the heating device 11. It will be understood that these can be the data representative of an electrical consumption of all the water heater, it is sufficient that data can recalculate the energy effectively transmitted to the water of the tank 10 during heating.
  • the processing means 30 are those of a dedicated module connected to the control module 12 and to an element 23 for measuring the electrical consumption of the water heater. This is for example a torus of intensity around the power cable of the system 1, and preferably the device described in the application FR1550869 . 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 type " box "of an Internet access provider for the provision of general data useful for the implementation of the present method which will be described later. This is typically an embodiment in which one comes to equip an existing water heater.
  • these means 30 are integrated in the control module 12 of the water heater.
  • the device 11 since the device 11 is supplied with power via the module 12, its consumption is automatically available.
  • the figure 1b which represents such a case, it is typically a new water heater provided from the outset to implement the present method. As we see such a water heater may not include a temperature sensor 20.
  • the means 30 are those of a connected dedicated box such as a counter intelligent electric 32 (for example LINKY) via which the heating means of the device 11 is powered, and having a Transmitter Tele-Information Client (TIC) integrated or not.
  • a counter 32 directly has the consumption information of the heating device 11.
  • the means 30 are those of the box 31 for Internet access "box" type of an Internet access provider.
  • the box 31 receives from the control module 12 the consumption data.
  • the means 30 are those of a server of the Internet network 3.
  • the data (of consumption or of rate) are emitted (for example by the box 31 if it is configured to centralize them) in a request obtaining the thermal quantity.
  • Figures 1a-1e are five non-limiting and combinable examples.
  • any of these examples may use a device 11 for measuring the consumption of the system 1.
  • step (a) will consist of determining at least the final temperature profile T (h) f , according to the consumption and / or flow data, thanks to a system of partial differential equations of convection-diffusion.
  • the method comprises repeating step (a) so that the final temperature profile T (h) f along said vertical axis is used as the initial temperature profile T (h) i at the next iteration, and and so on.
  • the model is based on the calculation of the temperature profile using a system of two partial differential convection-diffusion equations with source term whose parameters depend on the flow rate, the injected power, and the parameters of the reservoir. (including geometric data such as the tank section). Local temperature heating is also modeled as a function of height.
  • the dynamics of these two profiles is governed by a system of partial differential equations, which can be possibly under changing edge conditions.
  • the basis of this system is a first conventional convection-diffusion equation, modeling the withdrawal of water in the flask and the effects of associated mixtures.
  • a second equation with different terms is added to model the other phenomena:
  • An energy source term modeling the resistance
  • a nonlinear convection term modeling the natural convection induced by the warming and a term of redistribution of the energy of the warming up to the temperature profile.
  • the first equation models the withdrawal of water in the reservoir 10 at the third height h3 and the effects of associated mixtures
  • the second equation modeling the heating of the water by the heating means of the device 11.
  • this model with a convection-diffusion equation, adds an equation modeling the heating of the water due to the resistance, its rise and the reinjection of the energy in the initial temperature profile.
  • An advantage of this model is that the position and operation of the heating element (value of h1 or interval [h1 i ; h1 f ]) can be modified without altering the validity of the model.
  • this model is universal, and allows as will be seen later to manage all the operating cases of the water heater, including during racking and / or water heating.
  • the means 30 calculate the evolution of the temperature as a function of the injection of the volume v of cold water to a Te temperature , thermal transfers between consecutive "elementary layers" (possibly depending on geometrical data such as the section of the reservoir, ie the exchange surface between two consecutive layers), static losses (exchange with the environment medium at a temperature Ta ) and power injection via the heating means.
  • the cold water temperature Te and the ambient temperature Ta can be measured, estimated from predefined weather data (historical or real-time) (from numerical simulations). ) or fixed. They can be received via the Internet 3.
  • the terms of the partial differential convection-diffusion equations are subordinated to withdrawal and / or heating behaviors over time, which are advantageously detected during step (a).
  • a volume of water withdrawn is determined as a function of the flow rates measured, the said volume of withdrawn water being added to the second height h2 at the temperature of predetermined cold water Te.
  • the first equation comprises a term representing the addition of said volume of withdrawn water to the tank 10 at the second height h2 at the predetermined cold water temperature Te.
  • the second equation comprises a term representing the application of said thermal input to the reservoir 10 at the first height h1 or the interval [h1 i ; h1 f ].
  • This physical model allows the means 30 to determine the final temperature profile T (h) f .
  • the tank 10 may have at least one temperature sensor 20 configured to emit a signal representative of the water temperature of the tank 10 at a given height (typical case of a modified water heater).
  • Step (a) then preferably comprises a control (ie verification) of the final temperature profile T (h) f as a function of said signal emitted by the sensor 20.
  • the means 30 compares T (h probe) with the measured temperature. If there is too much difference (it is normal that there is a difference because the model by strata is theoretical), the final temperature profile T (h) f are modified and the model is adapted.
  • the means 30 implement learning from said temperature measurements so as to improve the quality of the model.
  • step (b) (which can take place either at each cycle or at the request of the user or an application interested in this physical quantity)
  • the means 30 estimate as explained a thermal scale of the water tank 10 as a function of the final temperature profile T (h) f .
  • the thermal quantity is the total energy, it is proportional to ⁇ 0 h max T h f d h .
  • the estimated value can be just transmitted to the user (for example displayed on interface means) or stored (for example sent via network 3 for statistics), but also used in the operation of the water heater.
  • the method advantageously comprises a step (c) of controlling said heating device 11 by the control module 12 in function of said determined thermal magnitude. It can be a simple control to obtain a temperature of comfort, in particular in a water heater of the type of that of the figure 1 b. The thermal value can indeed replace any measurement of temperature while allowing a precise control.
  • step (c) comprises the reception of descriptive data of a state of the electrical network 2 by the data processing module 30, the determination of a setpoint as a function of said determined thermal quantity and the data values. description of a state of the electrical network 2, and the transmission of said setpoint to the control module 12 so as to modify an energy capacity of the water tank 10.
  • the idea is to alter the normal regulation of the tank temperature 10 and cause overheating / underheating. This is particularly easy to manage if the estimated thermal magnitude is a quantity of energy stored by the reservoir 10 or a quantity thereof, for example the remaining energy capacity of the reservoir 10, i.e. the amount of energy still storable.
  • the present method thus makes it possible to use the water heaters installed to manage the electrical production of renewable origin, easily and efficiently: the appropriate setpoint emission makes it possible to increase or decrease on demand the consumption of these products. water heater and play on stored energy as hot water. The energy capacity becomes flexible. Several TWh are thus available on the French territory for example.
  • the obtaining of the setpoint is carried out according to descriptive data of a state of said electrical network 2. These data designate Generally speaking, all information on the network load 2, the energy rate of renewable origin, the forecasts of variation of this rate, the production / consumption in general, etc.
  • These data can be generic data obtained locally, for example from meteorological origin, which can indicate to what extent the means of production of renewable energy will be productive, but preferably it is more complex data provided since the internet network 3 via the box 31, especially in real time.
  • the data used may in particular be the fields of ICT such as for example: the binary status of one or more virtual contacts, the tariff index of the current supplier and / or distributor grid, the price of electricity, the mobile peak notice and / or one or more points (s) mobile (s), etc.
  • ICT Transmitter Client Information
  • the means 30 determine a power setpoint (that is to say an effective power target value) as a function of the descriptive data of the state of the network 2.
  • the control module 12 then regulates the device 11 for heating power.
  • a first and / or a second type of operation can be implemented.
  • the first is the "boost mode” (in other words “forced run”) used to increase the consumption of the water heater and thus the amount of energy stored.
  • the means 30 are configured to transmit a power increase setpoint (in other words a power setpoint increasing the consumption of the heating means of the device 11) when the descriptive data of a state of said power grid 2 are characteristic of a current glut and / or a future energy deficit of origin renewable within said electricity grid 2 (in other words if the renewable generation is down in the short term), so as to increase the energy capacity of the water reservoir 10.
  • This supercharging mode is interesting either to absorb a strong photovoltaic production, or to prevent a low production. Thanks to the supercharging, the effect of the device 10 is amplified. This therefore increases the immediate consumption, but delays future consumption (since more energy is stored, the next crossing of the first temperature threshold is delayed).
  • the value of the power setpoint may be such as to consume as much as possible of the surplus energy of renewable origin without affecting the energy of non-renewable origin.
  • the value can also be a fixed value, or the current consumption value plus a predetermined deviation (eg + 500W).
  • this supercharging mode may be supplemented with certain options: if the data triggering supercharging is provided by a counter equipped with an ICT module, the latter may temporarily increase, at the same time as the activation of the water heater, the value cutting power to avoid any risk of tripping in the absence of a load shedder or energy manager.
  • the water heating system is slaved to the tariff signal via a dry contact or virtual contact, the latter must be controlled so as to allow the power supply of this system outside the normal ranges allowed if necessary.
  • the draw points of domestic hot water (shower, faucets, etc.) downstream are not all equipped with mixing valve, the addition of a mixing valve at the outlet of the tank 10 makes it possible to avoid risk of burns due to the supply of hot water.
  • the second mode is the "under-power” mode (in other words “reduced run”) used to decrease the consumption of the water heater and thus the amount of energy stored.
  • the means 30 are configured to issue a decrease instruction of power (in other words a power setpoint decreasing the consumption of the heating means of the device 11), when the descriptive data of a state of said power grid 2 is characteristic of a current deficit and / or a future glut renewable energy within said electricity grid 2 (in other words if the production of renewable origin is increasing in the short term), so as to reduce the energy capacity of the water reservoir 10.
  • the power drop instruction can be calculated so as to minimize energy consumption of non-renewable origin.
  • the idea is not to (or as little as possible) extract non-renewable energy from grid 2. It can also be a fixed value, or the current value of consumption minus a predetermined difference (for example -500W ).
  • the two modes can coexist and be implemented in turn.
  • the application of the power setpoint can be preceded and / or followed by a ramp to avoid a rebound effect, in other words the power setpoint is gradually increased / decreased (for example linearly over an interval of 30 minutes), instead of switching immediately.
  • the activation of one or other of the modes, the choice of a fixed or variable power set point, the temperature thresholds, etc., can be controlled by the user via a suitable interface.
  • the power regulation can not be done to the detriment of the user's comfort, and for each of the modes, the control module 12 can be configured to ignore the instruction of the user. power when the estimated thermal magnitude is representative of a potential degradation of the comfort of the user.
  • the means 30 can implement a decoy element role as described in the application FR1363229 .
  • the invention relates to an assembly for estimating a temperature profile adapted for a water tank 10 of an existing water heater.
  • each of these elements can fit on an existing water heater without substantial modifications, and keeping the temperature sensor.
  • step (c) it is sufficient to connect the processing means 30 to the control module 12, for example via an Ethernet cable.
  • the given processing means 30 must be configured to implement a module for determining a final temperature profile T (h) f of the reservoir 10 along said vertical axis from an initial temperature profile T (h) i , based on at least data representative of the energy consumption of said heating means of the device 11, withdrawn water flow measurements, and the first, second and third heights h1, h2, h3.
  • 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 estimation set of a temperature profile according to the second aspect of the invention, adapted for the tank 10.
  • the invention also relates to the "new" water heater system 1, that is to say comprising a water tank 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 of estimating a temperature profile of the tank 10 according to the first aspect of the invention.
  • 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.
  • a temperature profile 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 find this product computer program.

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Abstract

L'invention concerne un procédé d'estimation d'un profil de température d'un réservoir d'eau (10), le réservoir d'eau (10) s'étendant selon un axe sensiblement vertical et présentant : - un échange thermique avec un dispositif (11) de chauffage de l'eau du réservoir (10) associé à une première hauteur (h1) le long dudit axe vertical ; - une entrée d'eau (E) associée à une deuxième hauteur (h2) le long dudit axe vertical ; et - une sortie d'eau (S) associée à une troisième hauteur (h3) le long dudit axe vertical ; L'entrée d'eau (E) et/ou la sortie d'eau (S) étant équipée d'un capteur de débit (21, 22) mesurant un débit d'eau soutirée ; Le procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend la mise en oeuvre par des moyens de traitement de données (30) connectés audit capteur de débit (21, 22), d'étapes de : (a) A partir d'un profil initial de température (T(h) i ) du réservoir (10) selon ledit axe vertical, détermination d'un profil final de température (T(h) f ), en fonction d'un système d'équations aux dérivées partielles de convection-diffusion dont les termes dépendent au moins de données représentatives de la consommation énergétique dudit moyen de chauffage du dispositif (11), de mesures de débit d'eau soutirée, et des hauteurs (h1, h2, h3).

Description

    DOMAINE TECHNIQUE GENERAL
  • La présente invention concerne un procédé d'estimation d'un profil de température dans un système de type chauffe-eau.
    • ETAT DE L'ART
  • Le « mix énergétique » désigne la répartition des différentes sources consommées pour la production d'énergie électrique. Ce mix énergétique, en constante évolution, voit la progression constante des Energies Renouvelables, ce qui entraîne un besoin accru en flexibilités du système.
  • Ces dernières, représentées essentiellement par l'éolien et le photovoltaïque, ne permettent en effet pas une production constante et régulée au contraire d'une centrale nucléaire, d'où des problèmes de variabilité et de prévisibilité de la production associée. Cela fait que les aléas de très court terme vont fortement augmenter.
  • D'autre part, des problèmes locaux de qualité de fourniture électrique vont être amplifiés du fait d'une répartition géographique inhomogène des installations, avec par exemple plutôt du photovoltaïque dans le Sud et de l'éolien dans le Nord.
  • Il apparait essentiel de trouver des solutions de pilotage de la charge associée en vue de maitriser l'aléa lié aux Energies Renouvelables.
  • Il a par exemple été proposé la charge de batteries stationnaires pour faciliter l'insertion massive de panneaux photovoltaïques (démonstrateur « NiceGrid »). Toutefois, les coûts d'investissement élevés ne permettent pas d'envisager un déploiement à grande échelle de cette solution alternative. Il est également prévu d'agir sur la puissance réactive fournie par les panneaux photovoltaïque pour ajuster la tension. Cependant, cette dernière piste ne répond pas aux enjeux de maîtrise de l'aléa éolien.
  • Alternativement au stockage via batteries, il est possible de stocker l'énergie thermiquement. 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 - utilisé aujourd'hui pour le lissage journalier de la courbe de charge - est susceptible de répondre à ces nouveaux enjeux.
  • La Demanderesse a à ce tire déposé plusieurs demandes de brevet telles que FR1363229 , FR1363237 , FR1452022 ou FR1453375 , proposant des solutions très satisfaisantes permettant d'utiliser la capacité de stockage des chauffe-eau joule pour réguler l'énergie électrique d'origine renouvelable de façon efficace, intelligente, et adaptable à n'importe quel chauffe-eau existant sans modifications lourdes, et sans couplage direct.
  • On constate toutefois que les systèmes décrits dans ces demandes utilisent comme variable les données dites de « profil de température », i.e. des paramètres thermodynamiques plus complexes qu'une simple valeur de température, notamment les quantités d'énergie stockées/stockable dans les réservoirs de ces chauffe-eau.
  • Ces énergies peuvent s'estimer sous forme de capacité calorifique de l'eau (4185 J. kg -1.K -1) à partir de la température et du volume du réservoir, mais cela revient à modéliser un réservoir par un volume d'eau de température uniforme, ce qui est en pratique faux et constitue une forte approximation.
  • Une estimation plus précise du profil de température permettrait un contrôle plus précis du parc de chauffe-eau et donc une optimisation de la consommation énergétique et une meilleure adaptation par rapport à la variabilité des productions à l'échelle locale pour satisfaire les contraintes sur le réseau, sans porter préjudice au confort de l'utilisateur.
  • Ainsi, la demande WO2012164102 propose un ballon divisé en plusieurs « couches » chacune équipée d'un capteur de température. A partir de deux consignes de températures et des mesures de ces capteurs, il est possible de calculer des « variables d'intérêt » telles que la capacité énergétique restante du ballon ou l'énergie minimale à apporter pour que l'eau soit uniforme à la première consigne de température.
  • 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.
  • Au contraire, il serait souhaitable d'utiliser au mieux les équipements existants sans modification sensible.
    • PRESENTATION DE L'INVENTION
  • L'invention propose de pallier ces inconvénients en proposant selon un premier aspect un procédé d'estimation d'un profil de température d'un réservoir d'eau, le réservoir d'eau s'étendant selon un axe sensiblement vertical et présentant :
    • un échange thermique avec un dispositif de chauffage de l'eau du réservoir associé à une première hauteur le long dudit axe vertical, le dispositif comprenant un moyen de chauffage alimenté par un réseau électrique ;
    • une entrée d'eau associée à une deuxième hauteur le long dudit axe vertical ; et
    • une sortie d'eau associée à une troisième hauteur le long dudit axe vertical ;
    L'entrée d'eau et/ou la sortie d'eau étant équipée d'un capteur de débit mesurant un débit d'eau soutirée ;
    Le procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend la mise en oeuvre par des moyens de traitement de données connectés audit capteur de débit, d'étapes de :
    1. (a) A partir d'un profil initial de température du réservoir selon ledit axe vertical, détermination d'un profil final de température, en fonction d'un système d'équations aux dérivées partielles de convection-diffusion dont les termes dépendent au moins de données représentatives de la consommation énergétique dudit moyen de chauffage du dispositif, de mesures de débit d'eau soutirée, et des premières, deuxième et troisième hauteurs.
  • Le procédé selon l'invention est avantageusement complété par les caractéristiques suivantes, prises seules ou en une quelconque de leur combinaison techniquement possible :
    • ledit système d'équations aux dérivées partielles de convection-diffusion comprend une première équation modélisant le soutirage d'eau dans le réservoir à la troisième hauteur et les effets de mélanges associés, et une deuxième équation modélisant l'échauffement de l'eau par le moyen de chauffage du dispositif ;
    • la première équation comprend un terme de pertes thermiques en fonction d'une température ambiante prédéterminée et un terme de convection linéaire, et la deuxième équation comprend un terme de convection non linéaire modélisant la convection naturelle induite par le moyen de chauffage du dispositif et un terme de redistribution de l'énergie de l'échauffement vers le profil de température ;
    • le procédé comprend récursivement la répétition de l'étape (a) de sorte que le profil final de température selon ledit axe vertical est utilisé comme profil initial de température à l'itération suivante ;
    • l'étape (a) comprend, si le débit d'eau soutiré depuis l'itération précédente est non nul, la détermination d'un volume d'eau soutirée en fonction des débits mesurés, la première équation comprenant un terme représentant l'ajout dudit volume d'eau soutirée au réservoir à la deuxième hauteur à une température d'eau froide prédéterminée ;
    • l'étape (a) comprend, si la consommation énergétique dudit moyen de chauffage du dispositif depuis l'itération précédente est non nulle, la détermination d'un apport thermique en fonction de la consommation énergétique dudit moyen de chauffage du dispositif, la deuxième équation comprenant un terme représentant l'application dudit apport thermique au réservoir à la première hauteur ;
    • le réservoir présente au moins une sonde de température configurée pour émettre un signal représentatif de la température d'une partie de l'eau du réservoir, l'étape (b) comprenant la vérification des températures finales des parties en fonction dudit signal émis par la sonde ;
    • le procédé comprend une étape (b) d'estimation d'une grandeur thermique du réservoir d'eau en fonction du profil final de température du réservoir ;
    • ladite grandeur thermique est choisie parmi une température moyenne de l'eau du réservoir, une température minimale de l'eau du réservoir, une température maximale de l'eau du réservoir, une quantité d'énergie stockée dans le réservoir, une quantité d'énergie encore stockable dans le réservoir, un équivalent volume d'eau disponible à une température donnée, un temps de chauffe nécessaire, et des combinaisons de ces grandeurs ;
    • le procédé comprend une étape (c) de contrôle dudit dispositif de chauffage par un module de contrôle en fonction de ladite grandeur thermique déterminée ;
    • l'étape (c) comprend la réception de données descriptives d'un état du réseau électrique par le module de traitement de données, la détermination d'une consigne en fonction de ladite grandeur thermique déterminée et des de données descriptives d'un état du réseau électrique, et l'émission de ladite consigne à destination du module de contrôle de sorte à modifier une capacité énergétique du réservoir d'eau ;
    • l'échange thermique avec le dispositif de chauffage de l'eau du réservoir est associé à un intervalle de hauteur le long dudit axe vertical.
  • Selon un deuxième aspect, l'invention concerne un ensemble d'estimation d'un profil de température adapté pour un réservoir d'eau s'étendant selon un axe sensiblement vertical et présentant :
    • un échange thermique avec un dispositif de chauffage de l'eau du réservoir associé à une première hauteur le long dudit axe vertical, le dispositif comprenant un moyen de chauffage alimenté par un réseau électrique ;
    • une entrée d'eau associée à une deuxième hauteur le long dudit axe vertical ; et
    • une sortie d'eau associée à une troisième hauteur le long dudit axe vertical ;
  • L'ensemble étant caractérisé en ce qu'il comprend :
    • Au moins un capteur de débit mesurant un débit d'eau soutirée au niveau de l'entrée d'eau et/ou de la sortie d'eau ;
    • des moyens de traitement de données connectés audit capteur de débit, configurés pour mettre en oeuvre un module de détermination d'un profil final de température du réservoir selon ledit axe vertical à partir d'un profil initial de température, en fonction d'un système d'équations aux dérivées partielles de convection-diffusion dont les termes dépendent au moins de données représentatives de la consommation énergétique dudit moyen de chauffage du dispositif, de mesures de débit d'eau soutirée, et des premières, deuxième et troisième hauteurs.
  • Selon d'autres caractéristiques avantageuses et non limitatives :
    • l'ensemble est soit adapté pour être connecté à un compteur électrique via lequel le moyen de chauffage du dispositif est alimenté par le réseau électrique, soit comprenant un élément de mesure de la consommation électrique dudit moyen de chauffage du dispositif.
  • Selon un troisième 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 d'estimation d'un profil de température selon le deuxième aspect de l'invention, adapté pour le réservoir.
  • Selon un quatrième et un cinquième aspects, l'invention concerne un produit programme d'ordinateur comprenant des instructions de code pour l'exécution d'un procédé selon le premier aspect d'estimation d'un profil de température, 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'un profil de température.
    • 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 oeuvre du procédé selon l'invention ;
    • la figure 2 est un schéma représentant la modélisation d'un réservoir d'eau utilisée dans le procédé selon l'invention.
    DESCRIPTION DETAILLEE Architecture générale
  • La figure 1a représente l'architecture générale d'une possibilité de mode de réalisation d'un système 1 pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention. Ce système est typiquement un chauffe-eau, en particulier Chauffe-Eau Joule (CEJ) domestique, bien que l'invention ne soit pas limitée à ces derniers. 44% des habitats en sont équipés. Alternativement, le système 1 peut être un chauffe-eau thermodynamique.
  • Le système 1 comprend ainsi :
    • un réservoir d'eau 10 (communément appelé « ballon » d'eau chaude) ;
    • 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 ;
    • éventuellement une sonde de température 20 configurée pour émettre un signal représentatif de la température de l'eau du réservoir 10, mais comme l'on verra il est envisageable que le système 1 ne comprenne aucune sonde 20 ;
    • de façon préférée un module de contrôle 12 dudit dispositif de chauffage 11 ;
    • une entrée d'eau E et une sortie d'eau S, dont on verra les positions plus loin ;
    • au moins un capteur de débit 21, 22 équipant l'entrée E et/ou la sortie S, de sorte à mesure un débit d'eau soutirée, c'est-à-dire le débit d'eau sortant du réservoir 10 pour être distribuée, par exemple via un robinet ouvert. On comprendra que le réservoir 10 est toujours plein (d'un volume total constant V, typiquement quelques dizaines de litres, en particulier 50 à 150L suivant la taille de l'habitation) et donc que toute l'eau soutirée du réservoir 10 est simultanément remplacée par de l'eau fraîche, de sorte que le débit d'entrée est égal au débit de sortie. En général, un seul débitmètre 22 placé sur la sortie S suffit.
  • 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.
  • 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 brûleur, un échangeur avec un collecteur solaire, etc.
  • Le réseau 2 est un réseau à grande échelle qui relie une pluralité de sources électriques. Comme expliqué précédemment, il s'agit à la fois d'énergie d'origine non-renouvelable (nucléaire et/ou fossile) et d'origine renouvelable (solaire, éolien, etc.). L'énergie d'origine renouvelable présente des problèmes de variabilité et de prévisibilité, alors que l'énergie d'origine non-renouvelable est d'une meilleure disponibilité.
  • Dans l'hypothèse où l'utilisateur du système 1 comprend une source personnelle d'énergie renouvelable (par exemple des panneaux photovoltaïques de toit) on comprend que le réseau 2 englobe à la fois le réseau électrique global et le réseau électrique local de l'utilisateur (en d'autres termes que les centrales distantes et les panneaux solaires locaux peuvent aussi bien l'un que l'autre alimenter le dispositif de chauffage 11).
  • 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. Comme l'on verra, le présent procédé permet éventuellement de fournir par exemple une température moyenne de l'eau du réservoir 10 (en d'autres termes la température n'est plus mesurée mais estimée), ce qui remplace la ou les sondes 20 qui ne sont donc pas indispensables.
  • 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, heures creuses/heures pleines, usages habituels de l'utilisateur, etc.).
  • De façon générale un chauffe-eau Joule comprend le plus souvent deux températures de seuil (dont la valeur peut varier selon le moment et des réglages personnels) : une première température de seuil qui est la température « minimale » et une deuxième température de seuil qui est la température « maximale » (le premier seuil est inférieur au deuxième seuil). Ces deux seuils sont quelques degrés autour (par exemple +/- 4°C) d'une température de « confort » qui est la température moyenne souhaitée, réglée par l'utilisateur (l'intervalle 50-65°C est courant).
  • 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.
  • 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 activité, 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.
  • 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).
  • En pratique, les premier et deuxième seuils sont souvent la conséquence d'un phénomène d'hystérésis autour d'une valeur médiane, qui définit ces deux seuils. L'écart induit est alors d'environ 3°C.
  • La présente invention n'est limitée à aucune configuration en particulier.
    • Modélisation du réservoir
  • En référence à la figure 2, le réservoir d'eau 10 s'étend selon un axe longitudinal sensiblement vertical (les ballons des chauffe-eau sont généralement sensiblement cylindriques). En particulier, on considèrera un réservoir 10 « linéaire », c'est-à-dire constitué d'une base translatée le long dudit axe longitudinal.
  • Le présent procédé propose d'estimer un profil de température du réservoir 10, i.e. d'estimer la température en fonction d'une coordonnée le long dudit axe. Ainsi, on suppose qu'à une hauteur donnée (i.e. au sein d'un plan donné orthogonal audit axe) la température est uniforme : le profil de température est unidimensionnel. Pour reformuler encore, cela signifie que la température dans le réservoir 10 dépend dans le modèle choisi uniquement de la hauteur le long dudit axe. Le profil de température s'exprimer donc sous la forme d'une fonction T(h), où h est dans l'intervalle [0, hmax] où hmax correspond à la hauteur du réservoir 10. On note qu'on peut utiliser des coordonnées normées, i.e. h ∈ [0;1].
  • De façon générale, l'objectif est d'obtenir une connaissance spatiale de la température au sein du réservoir, à partir duquel il va être possible d'estimer de façon fiable et précise d'autres grandeurs.
  • En effet, une mesure ponctuelle de la température par une sonde 20 n'est représentative que d'une température locale, la température moyenne réelle pouvant être bien différente. Le présent procédé permet ainsi de diminuer sensiblement les approximations nécessaires dans les chauffe-eau existants.
  • On obtient ainsi un résultat égal voire encore plus fiable que celui qu'on aurait pu obtenir en multipliant les sondes 20 au sein du réservoir 10. Ainsi, comme l'on verra plus loin, le présent procédé s'adapte parfaitement à un chauffe-eau existant sans modifications intrusives.
  • Comme l'on verra, ce profil de température permet avantageusement d'estimer une grandeur thermique du réservoir 10. Cette grandeur thermique peut être de nombreux types et peut être par exemple choisie parmi une température moyenne de l'eau du réservoir 10, une température minimale de l'eau du réservoir 10, une température maximale de l'eau du réservoir 10, une quantité d'énergie stockée dans le réservoir 10, une quantité d'énergie encore stockable dans le réservoir 10, et des combinaisons de ces grandeurs (ou tout grandeur dérivant directement d'une de ces grandeurs ou d'une de leur combinaisons).
  • La grandeur peut encore être un indicateur d'eau chaude disponible (ou indicateur de confort) : par exemple 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), et plus généralement tout indicateur de la quantité d'eau chaude disponible pour le consommateur, qui peut être défini à l'aide du profil de température et de valeurs représentant les exigences de confort du consommateur.
  • La grandeur peut encore être un temps de chauffe nécessaire pour que la chauffe ait un effet sur l'indicateur de confort précédemment défini. Cette variable provient du fait que la chauffe du ballon se fait par le bas du ballon, et n'affecte les couches d'eau chaude du ballon situées en haut du ballon que tardivement.
  • Dans le présent modèle, le réservoir 10 présente :
    • un échange thermique avec le dispositif 11 de chauffage de l'eau du réservoir 10 associé à une première hauteur h1 le long dudit axe vertical ;
    • une entrée d'eau E associée à une deuxième hauteur h2 le long dudit axe vertical ; et
    • une sortie d'eau S associée à une troisième hauteur h3 le long dudit axe vertical.
  • En d'autres termes on définit trois hauteurs caractéristiques du réservoir. On note que pour chacun des éléments la hauteur associée peut être la hauteur moyenne (par exemple la hauteur du centre de la conduite pour l'entrée d'eau E).
  • En pratique, l'entrée E est au fond du réservoir, h2 est donc proche de zéro, le moyen de chauffe est en position médiane, et la sortie d'eau est au sommet, i.e. h3 proche de hmax (c'est-à-dire h3 proche de 1 si l'on est en échelle normée). On note par ailleurs que le dispositif 11 n'est pas forcément ponctuel et peut présenter plusieurs hauteurs, voire une certaine longueur, i.e. s'étendre entre deux valeurs h1i et h1f. En effet, le dispositif 11 peut comprendre une résistance s'étendant verticalement, voire un « manteau chauffant » (i.e. un échangeur enveloppant le réservoir, en particulier dans le cas d'un chauffe-eau thermodynamique).
  • Une source s'étendant entre deux valeurs h1i et h1f peut ainsi être soit approximée par une source ponctuelle de hauteur (h1i + h1f)/2, ou considérée telle quelle pour un résultat plus précis. Dans la suite de la présente demande, on prendra l'exemple simplifié d'une source ponctuelle associée à une unique valeur h1, mais l'homme du métier comprendra que la source peut être associée à plus d'une valeur de hauteur et en particulier être définie par un intervalle [h1i ; h1f], et il saura adapter l'invention à un tel cas.
  • On comprendra en outre bien qu'il s'agit d'un modèle de stratification en couche de l'eau du réservoir 10, la température n'étant en pratique pas exactement unidimensionnelle, mais comme on va le montrer ce modèle de ballon stratifié reproduit de façon très réaliste le comportement thermodynamique de l'eau et permet d'obtenir de façon simple et rapide une estimation excellente des grandeurs thermiques susmentionnées.
    • Moyens de traitement
  • Le présent procédé est mis en oeuvre par des moyens de traitement de données 30 qui peuvent prendre des formes diverses. Il importe seulement que ces moyens 30 soient d'une part connectés au capteur de débit 21, 22, et d'autre part adaptés pour recevoir des données représentatives d'une consommation électrique du dispositif de chauffage 11. On comprendra que ces dernières peuvent être les données représentatives d'une consommation électrique de tout le chauffe-eau, il suffit que des données permettent de recalculer l'énergie effectivement transmise à l'eau du réservoir 10 lors de la chauffe.
  • 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 mesure de la consommation électrique du chauffe-eau. Il s'agit par exemple d'un tore d'intensité autour du câble d'alimentation du système 1, et de façon préférée le dispositif décrit dans la demande FR1550869 . 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 boitier 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 utiles à la mise en oeuvre du présent procédé qui seront décrit plus loin. Il s'agit typiquement d'un mode de réalisation dans lequel on vient équiper un chauffe-eau existant.
  • 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, sa consommation est automatiquement disponible. 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 oeuvre le présent procédé. Comme l'on voit un tel chauffe-eau peut ne pas comprendre de sonde de température 20.
  • Dans un troisième mode de réalisation (représenté par la figure 1c ), les moyens 30 sont ceux d'un boitier 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 dispose directement des informations de consommation du dispositif de chauffage 11.
  • Dans un quatrième mode de réalisation représenté par la figure 1d , les moyens 30 sont ceux du boitier 31 pour l'accès à internet de type « box » d'un fournisseur d'accès à Internet. Dans l'exemple représenté, le boitier 31 reçoit du module de contrôle 12 les données de consommation.
  • Dans un cinquième mode 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 boitier 31 s'il est configuré pour les centraliser) dans une requête d'obtention de la grandeur thermique.
  • 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 11 pour la mesure de la consommation du système 1.
    • Calcul récursif
  • Le présent procédé propose un schéma récursif de calcul. Ainsi, à partir d'un profil initial de température T(h)i, l'étape (a) va consister à déterminer au moins profil final de température T(h)f, selon les données de consommation et/ou de débit, grâce à un système d'équations aux dérivées partielles de convection-diffusion.
  • Avantageusement, le procédé comprend la répétition de l'étape (a) de sorte que le profil final de température T(h)f selon ledit axe vertical est utilisé comme profil initial de température T(h)i à l'itération suivante, et ainsi de suite.
  • Le modèle est basé sur le calcul du profil de température à l'aide d'un système de deux équations aux dérivées partielles de convection-diffusion avec terme source dont les paramètres dépendent du débit, de la puissance injectée, et de paramètres du réservoir 10 (notamment des données géométriques telles que la section du réservoir). Un échauffement local de la température est également modélisé comme une fonction de la hauteur. La dynamique de ces deux profils est régie par un système d'équations aux dérivées partielles, qui peut être éventuellement aux conditions de bord mouvantes.
  • La base de ce système est une première équation de convection-diffusion classique, modélisant le soutirage d'eau dans le ballon et les effets de mélanges associés. Une deuxième équation avec différents termes est ajoutée pour modéliser les autres phénomènes : Un terme source d'énergie modélisant la résistance, un terme de convection non-linéaire modélisant la convection naturelle induite par le réchauffement et un terme de redistribution de l'énergie de l'échauffement vers le profil de température. En d'autres termes, la première équation modélise le soutirage d'eau dans le réservoir 10 à la troisième hauteur h3 et les effets de mélanges associés, et la deuxième équation modélisant l'échauffement de l'eau par le moyen de chauffage du dispositif 11.
  • En bref, ce modèle, à une équation de convection-diffusion, ajoute une équation modélisant l'échauffement de l'eau du à la résistance, sa remontée et la réinjection de l'énergie dans le profil de température initiale. Un avantage de ce modèle est que la position et le fonctionnement de l'élément chauffant (valeur de h1 ou de l'intervalle [h1i ; h1f]) peuvent être modifiés sans altérer la validité du modèle.
  • De plus ce modèle est universel, et permet comme l'on verra plus loin de gérer tous les cas de fonctionnement du chauffe-eau, y compris lors de soutirage et/ou de chauffe de l'eau.
  • En d'autres termes, les moyens 30 calculent l'évolution de la température en fonction de l'injection du volume v d'eau froide à une température Te, des transferts thermiques entre des « couches élémentaires » consécutives (éventuellement fonction de données géométriques telles que la section du réservoir, i.e. la surface d'échange entre deux couches consécutives), des pertes statiques (échange avec le milieu ambiance à une température Ta) et de l'injection de puissance via les moyens de chauffe.
  • La température d'eau froide Te et la température ambiante Ta (celle du local chauffé ou non dans lequel est installé le réservoir) peuvent être mesurées, estimées à partir de données météo (historiques ou temps réel), prédéfinies (issues de simulations numériques préalables) ou fixées. Elles peuvent être reçues via le réseau internet 3.
  • De façon préférée, les termes des équations aux dérivées partielles de convection-diffusion sont subordonnés à des comportements de soutirage et/ou de chauffe au cours du temps, qui sont avantageusement détectés pendant l'étape (a).
  • Plus précisément, si l'utilisateur a soutiré de l'eau depuis l'instant précédent étudié, est déterminé un volume d'eau soutirée en fonction des débits mesurés, ledit volume d'eau soutirée étant ajouté à la deuxième hauteur h2 à la température d'eau froide prédéterminée Te. En d'autres termes la première équation comprend un terme représentant l'ajout dudit volume d'eau soutirée au réservoir 10 à la deuxième hauteur h2 à la température d'eau froide prédéterminée Te.
  • En outre, si le ballon a chauffé depuis l'instant précédent étudié (i.e. si le dispositif de chauffe 11 a été activé), est déterminé un apport thermique en fonction de la consommation énergétique dudit moyen de chauffage du dispositif, ledit apport thermique étant appliqué à la première hauteur h1 (le cas échéant sur l'intervalle [h1i ; h1f]).. En d'autres termes, la deuxième équation comprend un terme représentant l'application dudit apport thermique au réservoir 10 à la première hauteur h1 ou l'intervalle [h1i ;h1f].
  • Ce modèle physique permet aux moyens 30 de déterminer le profil final de température T(h)f.
  • Le réservoir 10 peut présenter au moins une sonde de température 20 configurée pour émettre un signal représentatif de la température de l'eau du réservoir 10 à une hauteur donnée (cas typique d'un chauffe-eau modifié). L'étape (a) comprend alors préférentiellement un contrôle (i.e. une vérification) du profil final de température T(h)f en fonction dudit signal émis par la sonde 20. Plus particulièrement, les moyens 30 comparent T(hsonde) avec la température mesurée. S'il y a trop d'écart (il est normal qu'il y ait un écart car le modèle par strates est théorique), le profil final de température T(h)f sont modifiées et le modèle est adapté. De façon particulièrement préférée, les moyens 30 mettent en oeuvre un apprentissage à partir desdites mesures de températures de sorte à améliorer la qualité du modèle.
    • Calcul de la grandeur thermique et utilisation
  • Dans une étape (b) optionnelle (qui peut avoir lieu soit à chaque cycle, soit sur demande de l'utilisateur ou d'une application intéressée par cette grandeur physique), les moyens 30 estiment comme expliqué une gradeur thermique du réservoir d'eau 10 en fonction du profil final de température T(h)f.
  • Par exemple, si la grandeur thermique est l'énergie totale, celle-ci est proportionnelle à ∫ 0 h max T h f ⅆ h .
    Figure imgb0001
  • L'homme du métier saura calculer la valeur de la grandeur thermique de son choix à partir du profil de température obtenu.
  • La valeur estimée peut être juste transmise à l'utilisateur (par exemple affichée sur des moyens d'interface) ou stockée (par exemple envoyée via le réseau 3 pour statistiques), mais également exploitée dans le fonctionnement du chauffe-eau.
  • En particulier, le procédé comprend avantageusement une étape (c) de contrôle dudit dispositif de chauffage 11 par le module de contrôle 12 en fonction de ladite grandeur thermique déterminée. Ce peut être un contrôle simple visant à obtenir une température de confort, en particulier dans un chauffe-eau du type de celui de la figure 1 b. La grandeur thermique peut en effet remplacer toute mesure de température tout en permettant un contrôle précis.
  • De façon préférée, l'étape (c) comprend la réception de données descriptives d'un état du réseau électrique 2 par le module de traitement de données 30, la détermination d'une consigne en fonction de ladite grandeur thermique déterminée et des de données descriptives d'un état du réseau électrique 2, et l'émission de ladite consigne à destination du module de contrôle 12 de sorte à modifier une capacité énergétique du réservoir d'eau 10. L'idée est d'altérer la régulation normale de la température du réservoir 10 et de provoquer des surchauffes/sous-chauffes. Ceci est particulièrement facile à gérer si la grandeur thermique estimée est une quantité d'énergie stockée par le réservoir 10 ou une grandeur qui en découle, par exemple la capacité énergétique restante du réservoir 10, i.e. la quantité d'énergie encore stockable.
  • Le présent procédé permet ainsi d'utiliser les chauffe-eau installés pour gérer la production électrique d'origine renouvelable, et ce facilement et efficacement : l'émission de consigne adaptées permet en effet d'augmenter ou de diminuer sur commande la consommation de ces chauffe-eau et de jouer sur l'énergie stockée en tant qu'eau chaude. La capacité énergétique devient modulable. Plusieurs TWh sont ainsi disponibles à l'échelle du territoire français par exemple.
  • Ceci permet par exemple de privilégier la consommation électrique tant que le photovoltaïque est largement disponible, et de limiter la consommation électrique ou se rabattre sur d'autres énergie (par exemple via des moyens de chauffage alternatifs tels des bruleurs si le dispositif 11 en comprend).
  • L'obtention de la consigne est réalisée en fonction de données descriptives d'un état dudit réseau électrique 2. Ces données désignent de façon générale toutes les informations sur la charge du réseau 2, le taux d'énergie d'origine renouvelable, les prévisions de variation de ce taux, de la production/consommation en général, etc.
  • Ces données peuvent être des données génériques obtenues localement, par exemple d'origine météorologique, qui peuvent indiquer dans quelle mesure les moyens de production d'énergie renouvelable vont être productifs, mais de façon préférée il s'agit de données plus complexes fournies depuis le réseau internet 3 via le boitier 31, en particulier en temps réel.
  • Dans un mode de réalisation comprenant un compteur électrique intelligent 32 (par exemple LINKY) disposant d'un émetteur Télé-Information Client (TIC) intégré ou non, les données utilisés peuvent notamment être les champs de la TIC tels que par exemple: l'état binaire d'un ou plusieurs contact(s) virtuel(s), l'index tarifaire de la grille fournisseur et/ou distributeur en cours, le prix de l'électricité, le préavis de pointe mobile et/ou une ou plusieurs pointe(s) mobile(s), etc.
  • Selon un mode de réalisation préféré, les moyens 30 déterminent une consigne de puissance (c'est-à-dire une valeur cible de puissance effective) en fonction des données descriptives de l'état du réseau 2. Le module de contrôle 12 régule alors le dispositif 11 de chauffage en puissance.
  • Un premier et/ou un deuxième type de fonctionnement peuvent être mis en oeuvre.
  • Le premier est le mode « suralimentation » (en d'autres termes « marche forcée ») utilisé pour augmenter la consommation du chauffe-eau et donc la quantité d'énergie stockée. Dans ce mode, les moyens 30 sont configurés pour émettre une consigne d'augmentation de puissance (en d'autres termes une consigne de puissance augmentant la consommation des moyens de chauffage du dispositif 11) lorsque les données descriptives d'un état dudit réseau électrique 2 sont caractéristiques d'une surabondance actuelle et/ou d'un déficit futur d'énergie d'origine renouvelable au sein dudit réseau électrique 2 (en d'autres termes si la production d'origine renouvelable est à la baisse à court terme), de sorte à augmenter la capacité énergétique du réservoir d'eau 10.
  • Ce mode suralimentation est intéressant soit pour absorber une forte production de photovoltaïque, soit pour prévenir une faible production. Grâce à la suralimentation, l'effet du dispositif 10 est amplifié. Cela augmente donc la consommation immédiate, mais retarde la consommation à venir (puisque plus d'énergie est stockée, le prochain franchissement du premier seuil de température est retardé).
  • La valeur de la consigne de puissance peut être telle à consommer au maximum le surplus d'énergie d'origine renouvelable sans toucher à l'énergie d'origine non renouvelable. La valeur peut également être une valeur fixe, ou la valeur actuelle de consommation plus un écart prédéterminé (par exemple +500W).
  • Il est à noter que ce mode suralimentation peut être complété de certaines options : si les données déclenchant la suralimentation sont fournies par un compteur équipé d'un module TIC, ce dernier peut augmenter temporairement et simultanément à l'enclenchement du chauffe-eau la valeur de la puissance de coupure pour éviter tout risque de disjonction en absence de délesteur ou de gestionnaire d'énergie. De plus, si le système de chauffage de l'eau est asservi au signal tarifaire via un contact sec ou virtuel, ce dernier devra être piloté de manière à permettre l'alimentation électrique de ce système en dehors des plages normales autorisées si nécessaire. En outre, si les points de soutirage d'eau chaude sanitaire (douche, robinets, etc.) en aval ne sont pas tous équipés de mitigeur, l'ajout d'une vanne de mélange en sortie du réservoir 10 permet d'éviter les risques de brûlure dus à la fourniture d'eau plus chaude.
  • Le deuxième mode est le mode « sous-alimentation » (en d'autres termes « marche réduite ») utilisé pour diminuer la consommation du chauffe-eau et donc la quantité d'énergie stockée. Dans ce mode, les moyens 30 sont configurés pour émettre une consigne de diminution de puissance (en d'autres termes une consigne de puissance diminuant la consommation du moyen de chauffage du dispositif 11), lorsque les données descriptives d'un état dudit réseau électrique 2 sont caractéristiques d'un déficit actuel et/ou d'une surabondance future d'énergie d'origine renouvelable au sein dudit réseau électrique 2 (en d'autres termes si la production d'origine renouvelable est à la hausse à court terme), de sorte à diminuer la capacité énergétique du réservoir d'eau 10.
  • Cela peut être très utile en prévision d'un pic de production d'énergie d'origine renouvelable ou lors d'un pic de consommation. On évite ainsi de consommer de l'énergie fossile alors que l'on sait que l'énergie renouvelable sera bientôt trop abondante. Cette baisse volontaire de consommation est appelée effacement.
  • La consigne de baisse de puissance peut être calculée de sorte à minimiser une consommation d'énergie d'origine non-renouvelable. L'idée est de ne pas (ou le moins possible) soutirer d'énergie d'origine non-renouvelable au réseau 2. Ce peut être également une valeur fixe, ou la valeur actuelle de consommation moins un écart prédéterminé (par exemple -500W).
  • Il est à noter que les deux modes (marche réduite et marche forcée) peuvent cohabiter et être mis en oeuvre à tour de rôle. Dans l'un comme dans l'autre, l'application de la consigne de puissance peut être précédée et/ou suivie d'une rampe pour éviter un effet rebond, en d'autres termes on augmente/diminue progressivement la consigne de puissance (par exemple linéairement sur un intervalle de 30 minutes), au lieu de basculer immédiatement.
  • Par ailleurs, l'activation de l'un ou l'autre des modes, le choix d'une consigne de puissance fixe ou variable, les seuils de températures, etc., peuvent être contrôlés par l'utilisateur via une interface adaptée.
  • Il est également à noter que la régulation en puissance ne peut pas se faire au détriment du confort de l'utilisateur, et pour chacun des modes, le module de contrôle 12 peut être configuré pour ignorer la consigne de puissance lorsque la grandeur thermique estimée est représentative d'une potentielle dégradation du confort de l'utilisateur.
  • Il est à noter que le moyen 30 peut mettre en oeuvre un rôle d'élément de leurre tel que décrit dans la demande FR1363229 .
    • Modification d'un chauffe-eau existant
  • Selon un deuxième aspect, l'invention concerne un ensemble d'estimation d'un profil de température adapté pour un réservoir d'eau 10 d'un chauffe-eau existant.
  • L'ensemble comprend :
    • au moins un capteur de débit 21, 22 mesurant un débit d'eau soutirée au niveau de l'entrée d'eau E et/ou de la sortie d'eau S ;
    • des moyens de traitement de données 30 connectés audit capteur de débit 21, 22 ;
    • 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).
  • Comme expliqué, chacun de ces éléments peut d'adapter sur un chauffe-eau existant sans modifications substantielles, et en gardant la sonde de température. Dans le cas où l'on souhaite mettre en oeuvre l'étape (c), il suffit de connecter les moyens de traitement 30 au module de contrôle 12, par exemple via un câble Ethernet.
  • Les moyens de traitement de donnés 30 doivent être configurés pour mettre en oeuvre un module de détermination d'un profil final de température T(h)f du réservoir 10 selon ledit axe vertical à partir d'un profil initial de température T(h)i, en fonction d'au moins des données représentatives de la consommation énergétique dudit moyen de chauffage du dispositif 11, des mesures de débit d'eau soutirée, et les premières, deuxième et troisième hauteurs h1, h2, h3.
  • Ils peuvent comme expliqué également mettre un module d'estimation d'une grandeur thermique du réservoir d'eau 10 en fonction du profil final de température T(h)f.
  • 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 d'estimation d'un profil de température 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 oeuvre le procédé d'estimation d'un profil de température du réservoir 10 selon le premier aspect de l'invention.
    • Produit programme d'ordinateur
  • 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 d'un profil de 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.

Claims (15)

  1. Procédé d'estimation d'un profil de température d'un réservoir d'eau (10), le réservoir d'eau (10) s'étendant selon un axe sensiblement vertical et présentant :
    - un échange thermique avec un dispositif (11) de chauffage de l'eau du réservoir (10) associé à une première hauteur (h1) le long dudit axe vertical, le dispositif (11) comprenant un moyen de chauffage alimenté par un réseau électrique (2) ;
    - une entrée d'eau (E) associée à une deuxième hauteur (h2) le long dudit axe vertical ; et
    - une sortie d'eau (S) associée à une troisième hauteur (h3) le long dudit axe vertical ;
    L'entrée d'eau (E) et/ou la sortie d'eau (S) étant équipée d'un capteur de débit (21, 22) mesurant un débit d'eau soutirée ;
    Le procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend la mise en oeuvre par des moyens de traitement de données (30) connectés audit capteur de débit (21, 22), d'étapes de :
    (a) A partir d'un profil initial de température (T(h)i) du réservoir (10) selon ledit axe vertical, détermination d'un profil final de température (T(h)f), en fonction d'un système d'équations aux dérivées partielles de convection-diffusion dont les termes dépendent au moins de données représentatives de la consommation énergétique dudit moyen de chauffage du dispositif (11), de mesures de débit d'eau soutirée, et des premières, deuxième et troisième hauteurs (h1, h2, h3) ; ledit système d'équations aux dérivées partielles de convection-diffusion comprenant une première équation modélisant le soutirage d'eau dans le réservoir (10) à la troisième hauteur (h3) et les effets de mélanges associés, et une deuxième équation modélisant l'échauffement de l'eau par le moyen de chauffage du dispositif (11).
  2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la première équation comprend un terme de pertes thermiques en fonction d'une température ambiante prédéterminée (Ta) et un terme de convection linéaire, et la deuxième équation comprend un terme de convection non linéaire modélisant la convection naturelle induite par le moyen de chauffage du dispositif (11) et un terme de redistribution de l'énergie de l'échauffement vers le profil de température (T(h)).
  3. Procédé selon l'une des revendications 1 à 2, comprenant récursivement la répétition de l'étape (a) de sorte que le profil final de température (T(h)f) selon ledit axe vertical est utilisé comme profil initial de température (T(h)i) à l'itération suivante.
  4. Procédé selon les revendication 2 et 3 en combinaison, dans lequel l'étape (a) comprend, si le débit d'eau soutiré depuis l'itération précédente est non nul, la détermination d'un volume d'eau soutirée en fonction des débits mesurés, la première équation comprenant un terme représentant l'ajout dudit volume d'eau soutirée au réservoir (10) à la deuxième hauteur (h2) à une température d'eau froide prédéterminée (Te).
  5. Procédé selon l'une des revendications 3 et 4 et la revendication 2 en combinaison, dans lequel l'étape (a) comprend, si la consommation énergétique dudit moyen de chauffage du dispositif (11) depuis l'itération précédente est non nulle, la détermination d'un apport thermique en fonction de la consommation énergétique dudit moyen de chauffage du dispositif (11), la deuxième équation comprenant un terme représentant l'application dudit apport thermique au réservoir (10) à la première hauteur (h1).
  6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel le réservoir (10) présente au moins une sonde de température (20) configurée pour émettre un signal représentatif de la température d'une partie (P1, P2, P3) de l'eau du réservoir (10), l'étape (a) comprenant la vérification du profil final de température (T(h)f) en fonction dudit signal émis par la sonde (20).
  7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, comprenant une étape (b) d'estimation d'une grandeur thermique du réservoir d'eau (10) en fonction du profil final de température (T(h)f) du réservoir (10).
  8. Procédé selon la revendication 7, dans lequel ladite grandeur thermique est choisie parmi une température moyenne de l'eau du réservoir (10), une température minimale de l'eau du réservoir (10), une température maximale de l'eau du réservoir (10), une quantité d'énergie stockée dans le réservoir (10), une quantité d'énergie encore stockable dans le réservoir (10), un équivalent volume d'eau disponible à une température donnée, un temps de chauffe nécessaire, et des combinaisons de ces grandeurs.
  9. Procédé selon l'une des revendications 7 et 8, comprenant une étape (c) de contrôle dudit dispositif de chauffage (11) par un module de contrôle (12) en fonction de ladite grandeur thermique déterminée.
  10. Procédé selon la revendication 9, dans lequel l'étape (c) comprend la réception de données descriptives d'un état du réseau électrique (2) par le module de traitement de données (30), la détermination d'une consigne en fonction de ladite grandeur thermique déterminée et des de données descriptives d'un état du réseau électrique (2), et l'émission de ladite consigne à destination du module de contrôle (12) de sorte à modifier une capacité énergétique du réservoir d'eau (10).
  11. Procédé selon l'une des revendications 1 à 10, dans lequel l'échange thermique avec le dispositif (11) de chauffage de l'eau du réservoir (10) est associé à un intervalle de hauteur ([h1i ;h1f]) le long dudit axe vertical.
  12. Ensemble d'estimation d'un profil de température adapté pour un réservoir d'eau (10) s'étendant selon un axe sensiblement vertical et présentant :
    - un échange thermique avec un dispositif (11) de chauffage de l'eau du réservoir (10) associé à une première hauteur (h1) le long dudit axe vertical, le dispositif (11) comprenant un moyen de chauffage alimenté par un réseau électrique (2) ;
    - une entrée d'eau (E) associée à une deuxième hauteur (h2) le long dudit axe vertical ; et
    - une sortie d'eau (S) associée à une troisième hauteur (h3) le long dudit axe vertical ;
    L'ensemble étant caractérisé en ce qu'il comprend :
    - Au moins un capteur de débit (21, 22) mesurant un débit d'eau soutirée au niveau de l'entrée d'eau (E) et/ou de la sortie d'eau (S) ;
    - des moyens de traitement de données (30) connectés audit capteur de débit (21, 22), configurés pour mettre en oeuvre un module de détermination d'un profil final de température (T(h)f) du réservoir (10) selon ledit axe vertical à partir d'un profil initial de température (T(h)i), en fonction d'un système d'équations aux dérivées partielles de convection-diffusion dont les termes dépendent au moins de données représentatives de la consommation énergétique dudit moyen de chauffage du dispositif (11), de mesures de débit d'eau soutirée, et des premières, deuxième et troisième hauteurs (h1, h2, h3).
  13. Système (1) de chauffe-eau 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 d'estimation d'un profil de température selon la revendication 12, adapté pour le réservoir (10).
  14. Produit programme d'ordinateur comprenant des instructions de code pour l'exécution d'un procédé selon l'une des revendications 1 à 11 d'estimation d'un profil de température d'un réservoir d'eau (10), lorsque ledit programme est exécuté sur un ordinateur.
  15. 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 l'une des revendications 1 à 11 d'estimation d'un profil de température d'un réservoir d'eau (10).
EP16171628.7A 2015-05-29 2016-05-27 Procédé d'estimation d'un profil de température d'un réservoir d'eau d'un chauffe-eau Not-in-force EP3098536B1 (fr)

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