FR3098283A1 - Boîtier de régulation d’un ballon d’eau chaude et système de chauffe-eau solaire à ballon d’eau chaude - Google Patents

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Abstract

L’invention concerne un boîtier de régulation 3 d’un système de chauffe-eau à ballon d’eau chaude recevant de l’énergie d’une source solaire et d’une source non solaire. Le boîtier comporte une unité de traitement 310 et une mémoire 340, le boîtier étant configuré pour déterminer un apport en énergie non solaire en fonction d’au moins un modèle de fonctionnement dudit système. Le boîtier comporte des entrées reliées à un capteur de température 201, un capteur de débit d’eau chaude 221, 222, 232, un capteur 101, 241, 242 recevant une mesure de l’énergie solaire W1, Es, un capteur 102 recevant une mesure d’une énergie non solaire W2. Le boîtier de régulation 3 est configuré pour réaliser des mesures sur une pluralité de périodes à l’aide desdits capteurs afin d’en déduire et/ou d’adapter le modèle de fonctionnement dudit système pour ajuster l’apport en énergie non solaire. Figure pour l’abrégé : Fig. 4

Description

Boîtier de régulation d’un ballon d’eau chaude et système de chauffe-eau solaire à ballon d’eau chaude
La présente invention se rapporte à un boîtier de régulation d’un ballon d’eau chaude et notamment d’un ballon d’eau chaude alimenté par panneaux solaires. L’invention se rapporte également à système de chauffe-eau solaire à ballon d’eau chaude.
L’énergie solaire est une source d’énergie renouvelable qui ne dégage pas de CO2. L’utilisation d’une telle énergie est à préférer par rapport à d’autres énergies, telles que les énergies fossiles (charbon, pétrole, gaz) ou nucléaires qui servent à fournir l’énergie électrique d’un réseau de distribution communément appelé le secteur.
Il est connu d’utiliser l’énergie solaire pour le chauffage d’un ballon d’eau chaude. Selon une première technique, des panneaux photovoltaïques fournissent de l’énergie électrique à une résistance chauffante d’un ballon d’eau chaude électrique ou à une pompe à chaleur. Si l’énergie électrique provenant des panneaux solaires n’est pas suffisante, un apport supplémentaire peut être réalisé à partir du secteur, par exemple en heures creuses.
Une deuxième technique de chauffage consiste à utiliser des panneaux solaires thermiques permettant de chauffer un liquide caloporteur qui circule dans un serpentin à l’intérieur du ballon d’eau chaude. Là aussi, une résistance chauffante ou une pompe à chaleur sont placées au sein du ballon d’eau chaude afin d’apporter un complément de chauffage à partir du secteur.
Une troisième technique consiste à utiliser des panneaux mixtes combinant panneaux thermiques et panneaux photovoltaïques, réalisant ainsi une combinaison des deux précédentes techniques.
Selon une première approche, l’apport en énergie provenant du secteur est réalisé lors d’une période dite « d’heures creuses » durant laquelle l’énergie électrique fournie par le secteur est à bas coût. Or une telle approche tend à consommer de l’énergie à partir du secteur lorsque l’eau à l’intérieur du ballon d’eau chaude est en dessous d’une température de seuil de chauffage indépendamment de l’énergie qui pourrait être apportée ultérieurement par les panneaux solaires. Cela revient à chauffer inutilement le ballon d’eau chaude à l’aide de l’énergie électrique du secteur lorsque celui-ci aurait pu être chauffé à partir de l’énergie solaire ultérieurement.
Pour s’affranchir d’un chauffage inutile à partir du secteur, il est possible de réduire la température de seuil de chauffage en dessous de laquelle le secteur est sollicité ou même de couper l’apport en énergie électrique provenant du secteur à certaines périodes de l’année, laissant le chauffage du ballon d’eau chaude au-delà du seuil de chauffage ou pendant certaines périodes à la charge uniquement des panneaux solaires. Cependant, si l’ensoleillement n’est pas suffisant, la quantité d’énergie solaire apportée au ballon d’eau chaude risque de ne pas être suffisante par rapport aux besoins des utilisateurs. Une autre façon de s’affranchir d’un chauffage sollicitant inutilement le secteur est d’adapter des besoins d’eau chaude en fonction de l’ensoleillement de la journée au détriment d’un confort d’utilisation d’un tel système.
Afin d’optimiser le rendement en énergie solaire d’un système de chauffe-eau, la demande de brevet FR 3 008 484 dévoile un système de chauffe-eau utilisant des prévisions météorologiques et des besoins d’utilisateurs. Pour garantir une température d’eau minimale en fonction des besoins des utilisateurs, un apport énergétique est réalisé à partir du secteur en fonction de l’ensoleillement prévu le lendemain. Une telle anticipation est faite en fonction de prévisions météorologiques correspondant à la localisation de l’installation et d’une modélisation propre à chaque système.
Bien que constituant une base d’amélioration certaine, l’utilisation de la météo, les besoins d’utilisateurs et la modélisation du système ne sont pas suffisants pour une optimisation parfaite. L’utilisation d’un tel système de chauffe-eau nécessite un réglage manuel lors de l’installation qui doit être réajusté régulièrement si l’on désire maintenir une optimisation convenable du système en matière de consommation électrique à partir du secteur.
Lors de l’installation, il est nécessaire de prendre en compte les conditions réelles de fonctionnement, incluant le type de tuyauterie, la localisation du ballon d’eau chaude, l’orientation des panneaux solaires, les souhaits d’utilisation de la part des utilisateurs. De plus, de multiples changements peuvent intervenir dans l’environnement de l’un des éléments du système. Par exemple, un masque solaire, par exemple produit par une nouvelle construction ou la croissance d’une branche d’arbre, peut apparaître et créer une zone d’ombre sur les panneaux solaire réduisant ainsi le rendement desdits panneaux. La température ambiante dans le local où est situé le ballon d’eau chaude peut évoluer avec les saisons. Les habitudes des utilisateurs peuvent changer suivant les jours de la semaine et les périodes de l’année. Une dérive de rendement peut également apparaître en fonction de l’usure d’un ou plusieurs des éléments du système.
Il existe donc un besoin de pouvoir disposer d’une gestion auto-adaptative d’un système de chauffe-eau sanitaire à ballon d’eau chaude utilisant des panneaux solaires notamment afin d’optimiser au mieux la gestion d’un apport énergétique d’appoint d’origine non solaire.
L’invention propose d’améliorer la gestion énergétique d’un système de chauffe-eau à ballon d’eau chaude utilisant l’énergie solaire et une source d’énergie d’appoint non solaire. Des mesures sont effectuées durant différentes périodes de fonctionnement afin d’adapter un ou plusieurs modèles de fonctionnement du système de chauffe-eau afin d’ajuster l’optimisation des apports énergétiques au regard de l’état du fonctionnement réel dudit système.
Selon un mode de réalisation, l’invention fournit un boîtier de régulation d’un système de chauffe-eau à ballon d’eau chaude recevant de l’énergie à partir d’au moins une source solaire et d’une source d’appoint en énergie non solaire, le boîtier comportant au moins une unité de traitement programmable et au moins une mémoire de données, le boîtier étant configuré pour déterminer un apport en énergie non solaire en fonction d’au moins un modèle de fonctionnement dudit système. Le boîtier comporte une entrée reliée à au moins un capteur de température pour recevoir une mesure d’au moins une température de l’eau contenue dans le ballon d’eau chaude, une entrée reliée à au moins un capteur de débit d’eau chaude pour recevoir une information de soutirage d’eau chaude, une entrée reliée à au moins un capteur pour recevoir une mesure de l’énergie solaire fournie par la source solaire, une entrée reliée à au moins un capteur recevant une mesure d’une énergie fournie par la source d’appoint. Le boîtier de régulation est configuré pour réaliser des mesures sur une pluralité de périodes à l’aide desdits capteurs afin d’en déduire et/ou d’adapter le au moins un modèle de fonctionnement dudit système pour ajuster l’apport en énergie non solaire.
Selon un mode de réalisation particulier, le boîtier peut comporter une interface de communication recevant des informations de prévisions météorologiques destinée à établir une régulation du système en prévision de la météo à venir. Le au moins un modèle de fonctionnement du système peut comporter un modèle de transformation des prévisions météorologiques en énergie solaire. Les informations de prévisions météorologiques peuvent être mémorisées dans la mémoire de données et le boîtier peut être configuré pour comparer les mesures d’énergie solaire réalisées pendant des périodes correspondant auxdites informations de prévisions météorologiques. Le modèle de transformation des prévisions météorologiques en énergie solaire peut être ajusté en fonction des mesures effectuées.
Afin d’affiner la modélisation, le boîtier peut comporter au moins une entrée reliée à au moins un capteur de mesure d’une température extérieure, le boîtier étant configuré pour réaliser des mesures de la température extérieure sur la pluralité de périodes, pour comparer les mesures de température extérieure réalisées pendant des périodes correspondant à des températures contenues dans les informations de prévision météo, et pour ajuster le modèle de transformation des prévisions météorologiques en énergie solaire en fonction d’une température prévue et d’une température mesurée.
Pour améliorer la prise en compte d’une consommation d’eau chaude par un utilisateur, le au moins un modèle de fonctionnement du système peut comporter un modèle d’utilisation prédictif d’utilisation de l’eau chaude sur une journée. Le capteur de débit d’eau chaude peut mesurer les périodes d’utilisation d’eau chaude par un utilisateur pour ajuster le modèle d’utilisation prédictif d’utilisation de l’eau chaude sur une journée. De manière alternative ou complémentaire, le capteur de débit d’eau chaude peut mesurer une quantité d’eau chaude soutirée par un utilisateur pour ajuster le modèle d’utilisation prédictif de soutirage d’eau chaude sur une journée.
Ayant connaissance d’une utilisation prédictive, le au moins un modèle de fonctionnement du système peut comporter un modèle de refroidissement du ballon d’eau chaude en fonction de la mesure de température de l’eau contenue dans le ballon d’eau chaude et du débit d’eau chaude sur une pluralité de périodes où il y a un débit d’eau chaude.
Selon différents modes de réalisation, le capteur de débit d’eau chaude peut être composé d’un ou plusieurs des capteurs suivants : capteur binaire d’état de tirage d’eau, capteur de mesure de la quantité d’eau extraite, capteur de température sur un tuyau de sortie de ballon d’eau chaude, capteur de température sur un tuyau d’arrivée d’eau dans le ballon d’eau chaude.
Si l’on souhaite prendre en compte les pertes liées à l’isolation thermique du ballon d’eau chaude de manière très précise, le au moins un modèle de fonctionnement du système peut comporter un modèle de refroidissement thermique. Le boîtier peut comporter une entrée reliée à moins un capteur de mesure de température ambiante situé à l’extérieur du ballon d’eau chaude et mesurant la température de la pièce dans laquelle est placée le ballon d’eau chaude pendant la pluralité de périodes. Le modèle de refroidissement thermique peut être déterminé en fonction des mesures de température réalisées sur des périodes où il n’y a aucun débit ni aucun apport d’énergie au ballon d’eau chaude.
Afin d’ajuster simplement et efficacement le système, le au moins un modèle de fonctionnement peut correspondre à une fonction paramétrable à l’aide d’au moins un paramètre ajustable. Le au moins un paramètre peut être ajusté en fonction des mesures précédemment réalisées de sorte à minimiser une erreur globale de ladite fonction lorsqu’elle est appliquée à toutes les valeurs mesurées précédemment.
Selon un autre mode de réalisation, l’invention fournit un système de chauffe-eau qui comporte un ballon d’eau chaude, au moins une source d’énergie solaire pour chauffer le ballon d’eau chaude, et au moins une source d’énergie non solaire. Le système comporte un boîtier de régulation comme précédemment défini et des capteurs correspondant aux entrées dudit boîtier, ledit boîtier étant configuré pour réguler la température à l’intérieur du ballon d’eau chaude à l’aide du au moins un modèle de fonctionnement du système.
Selon une configuration particulière, dans une maison qui peut comporter un panneau solaire photovoltaïque et un boîtier de répartition assurant la balance d’énergie électrique avec un réseau de distribution électrique afin d’alimenter des appareils électriques de la maison et de renvoyer une énergie électrique résiduelle provenant du panneau solaire vers le réseau de distribution électrique lorsque la consommation électrique de la maison est inférieure à la production électrique dudit panneau solaire, l’alimentation électrique du ballon d’eau chaude peut être déterminée en fonction de l’énergie électrique résiduelle.
L’invention sera mieux comprise et d’autres caractéristiques et avantages de celle-ci apparaîtront à la lecture de la description suivante de modes de réalisation particuliers de l’invention, donnés à titre d’exemples illustratifs et non limitatifs, et faisant référence aux dessins annexés, parmi lesquels :
montre un premier système de chauffe-eau solaire à ballon d’eau chaude,
montre un deuxième système de chauffe-eau solaire à ballon d’eau chaude,
montre un troisième système de chauffe-eau solaire à ballon d’eau chaude,
montre une architecture fonctionnelle simplifiée d’un boîtier de régulation d’un système de chauffe-eau solaire à ballon d’eau chaude conforme à l’invention,
illustre une régulation de température de ballon d’eau chaude de chauffe-eau solaire non optimisée par fort ensoleillement,
illustre une régulation de température de ballon d’eau chaude de chauffe-eau solaire optimisée par fort ensoleillement,
illustre une régulation de température de ballon d’eau chaude de chauffe-eau solaire non optimisée par faible ensoleillement,
illustre une régulation de température de ballon d’eau chaude de chauffe-eau solaire optimisée par faible ensoleillement,
illustre un organigramme de classification des mesures effectuées selon l’invention.
Description détaillée
Les figures 1 à 3 représentent des systèmes de chauffe-eau à ballon d’eau chaude selon différentes configurations sur lesquels l’invention s’applique. Pour simplifier la description, les mêmes références désignent les mêmes éléments. Les trois systèmes diffèrent essentiellement par le type de panneaux solaires utilisés pour capter l’énergie solaire mais présentent de nombreux points communs.
Un premier système, représenté sur la figure 1, utilise un panneau solaire photovoltaïque 1 uniquement pour alimenter une résistance chauffante 21 d’un ballon d’eau chaude 2. La régulation du chauffage du ballon d’eau chaude 2 est assurée par un boîtier de régulation 3 connecté entre le panneau solaire photovoltaïque 1 et la résistance chauffante 21. Préférentiellement, cette résistance chauffante 21 est placée dans le bas du ballon d’eau chaude 2 contrairement aux figures 1 à 3 qui la placent dans le milieu du ballon pour des raisons de lisibilité desdites figures. Une source électrique d’appoint 4 est également connectée au boîtier de régulation 3 pour suppléer le panneau solaire photovoltaïque 1 lorsqu’il est nécessaire d’alimenter la résistance chauffante 21 lorsque l’ensoleillement n’est pas suffisant. Le ballon d’eau chaude 2 est couplé à un tuyau de sortie d’eau chaude 22 qui permet de délivrer de l’eau chaude à un utilisateur via un réseau de tuyauterie ou de distribution non représenté. Le ballon d’eau chaude 2 est également couplé à un tuyau d’arrivée d’eau froide 23 qui alimente le ballon d’eau chaude 2 en eau froide au fur et à mesure que l’utilisateur soutire de l’eau chaude à partir du tuyau de sortie d’eau chaude 22.
Pour les besoins de l’invention, des capteurs, reliés au boîtier de régulation 3, sont placés dans le système. Un capteur de température 201 mesure la température Tbe de l’eau contenue dans le ballon d’eau chaude 2. Selon un mode de réalisation, le capteur de température 201 est un capteur qui fait partie du ballon d’eau chaude 2 et celui-ci dispose d’une connexion permettant de relier le capteur de température 201 au boîtier de régulation 3. Selon une variante, le capteur de température 201 est constitué de plusieurs capteurs de température disposés à l’intérieur du ballon d’eau chaude 2 et la température mesurée Tbe correspond à une moyenne des températures mesurées à l’intérieur du ballon d’eau chaude 2 par lesdits capteurs.
Selon un autre mode réalisation le ballon d’eau chaude comporte simplement un interrupteur à thermostat qui coupe le circuit d’alimentation de la résistance chauffante 21. Dans une telle configuration, l’information de température ne peut qu’être de type binaire à savoir au-dessus ou en-dessous de la température du thermostat. Cette information peut être récupérée en mesurant la résistance d’entrée de la résistance thermique à l’aide d’un courant faible lorsque le chauffe-eau n’est pas alimenté par le panneau solaire 1 ou par la source d’énergie électrique d’appoint 4. Néanmoins pour avoir une meilleure précision de régulation, il convient de remplacer le thermostat par une sonde de température 201 qui permettra au boîtier de régulation 3 d’avoir une mesure plus précise. Dans ce cas, le boîtier de régulation 3 assurant la régulation au niveau de l’apport électrique, l’interrupteur thermostatique n’a plus de raison d’être.
Un capteur de débit d’eau chaude 221 coopère avec le tuyau de sortie d’eau chaude 22 pour fournir une information de débit Ds au boîtier de régulation 3. Le capteur de débit d’eau chaude 221 peut être de différents types. Selon un mode de réalisation, le capteur de débit d’eau chaude 221 est un débitmètre qui mesure la quantité d’eau qui soutirée du ballon d’eau chaude 2. Selon un autre mode de réalisation, le capteur de débit d’eau chaude est un microphone ou un capteur de vibration placé sur le tuyau de sortie d’eau chaude 22 qui transmet au boîtier de régulation 3 un signal représentatif d’un son ou d’une vibration causée par un écoulement d’eau dans le tuyau de sortie 22. Selon une variante, la mesure de débit d’eau est réalisée sur le tuyau d’arrivé d’eau froide 23.
Un capteur de puissance solaire 101 est placé en sortie du panneau solaire photovoltaïque 1 pour mesurer une tension et/ou un courant délivré par le panneau solaire photovoltaïque 1. Grâce à ce capteur de puissance solaire 101, le boîtier de régulation 3 peut mesurer une puissance W1 fournie par le panneau solaire photovoltaïque 1. La mesure de puissance W1 fournie par le panneau solaire est représentative d’un ensoleillement réel, correspondant à l’exposition réelle du panneau solaire photovoltaïque 1 aux rayons du soleil. et de l’énergie solaire fournie au ballon d’eau chaude. Un capteur de puissance d’appoint 102 est placé entre la source électrique d’appoint 4 et le boîtier 3 pour mesurer une tension et/ou un courant fourni par la source électrique d’appoint. Grâce à ce capteur de puissance d’appoint 102, le boîtier de régulation 3 peut mesurer une puissance W2 fournie par la source électrique d’appoint 4. A titre d’exemple, une telle mesure de puissance W2 est simplement réalisée par une mesure du courant lorsque la source électrique d’appoint 4 est par exemple le réseau de distribution électrique communément appelé le secteur. Dans une variante, le capteur de puissance solaire 101 et le capteur de puissance d’appoint 102 sont intégrés à l’intérieur du boîtier de régulation 3.
Un deuxième système, représenté figure 2, diffère principalement du premier système décrit en lien avec la figure 1 par l’utilisation d’un panneau solaire thermique 5 à la place du panneau solaire photovoltaïque 1. Le panneau solaire thermique 5 chauffe un liquide caloriporteur circulant dans le panneau solaire et dans un échangeur thermique 24 placé dans le ballon d’eau chaude 2. Dans ce deuxième système, la circulation du fluide caloriporteur est assurée par une pompe 6 contrôlée par un boîtier de contrôle de pompe 60.
Le deuxième système comporte un capteur d’ensoleillement 103 qui fournit au boîtier de régulation 3 une mesure Es représentative de l’ensoleillement réel du panneau solaire thermique 5.
Un capteur de température 241 est placé au niveau de l’échangeur thermique 24 plongé dans un doigt de gant à l’intérieur du ballon d’eau chaude 2. Selon un deuxième mode de réalisation le capteur 201 et le capteur 241 constitue un seul et même capteur plongé dans un doigt de gant au niveau de l’échangeur thermique 24.
Un autre capteur de température 242 est placé au niveau du panneau solaire thermique 5 pour mesurer une température Tse du fluide caloriporteur au niveau dudit panneau solaire 5. Le boîtier de contrôle de pompe 60 assure la régulation de la pompe 6 en fonction du différentiel entre les températures Tse et Tee. Une régulation simple de la pompe 6 consiste à actionner la pompe 6 lorsque la température Tse est supérieure à la température Tee et à arrêter celle-ci lorsque la température Tee est supérieure ou égale à la température Tse.
Un troisième système, représenté sur la figure 3 correspond à un système de panneau solaire dit mixte associant un panneau de type photovoltaïque 1 et un panneau de type thermique 5. Ces deux panneaux 1 et 5 peuvent constituer un seul et même panneau disposant d’une sortie thermique et d’une sortie électrique. Des éléments des premier et deuxième systèmes sont reproduits dans ce troisième exemple avec les mêmes références pour y assurer une même fonction ou une fonction analogue. Cependant, dans ce troisième exemple, le panneau solaire thermique 5 a pour vocation principale de chauffer l’eau du ballon d’eau chaude 2 alors que le panneau solaire photovoltaïque 1 est destiné à fournir de manière prioritaire de l’énergie électrique à d’autres appareils électriques 31 de la maison. Un boîtier de répartition 30 assure la balance entre le panneau solaire photovoltaïque 1 et le réseau de distribution d’énergie électrique 4 qui fournit l’énergie électrique d’appoint à la maison. Lorsque l’énergie consommée par les appareils électriques 31 de la maison est inférieure à l’énergie électrique fournie par le panneau solaire photovoltaïque 1, l’excédent d’énergie est fourni au réseau de distribution 4 ou au ballon d’eau chaude 2 par l’intermédiaire du boîtier de régulation 3.
En termes de capteurs, la figure 3 montre également d’autres variantes de réalisation. Par exemple, le capteur d’ensoleillement 103 montré sur la figure 2 peut s’avérer inutile dans la mesure où le capteur de puissance solaire 101 délivre une mesure permettant au boîtier 3 d’estimer une mesure de puissance W1 qui est également représentative de l’ensoleillement des panneaux. Il est cependant possible de conserver le capteur d’ensoleillement 103 conjointement au panneau solaire photovoltaïque 1. Le capteur de débit 221 peut être remplacé par deux capteurs de température 222 et 232 placés respectivement sur le tuyau de sortie d’eau chaude 22 et sur le tuyau d’arrivée d’eau froide 23 afin de fournir une température de sortie Ts et une température d’entrée Te.
Dans ce troisième exemple, les capteurs de température 241 et 242 sont reliés uniquement au boîtier de régulation 3. Ainsi, le boîtier de régulation 3 peut assurer directement l’actionnement de la pompe 6 et éventuellement prendre en compte la régulation de ladite pompe 6 dans l’optimisation globale du système. En effet, disposant des informations de débit de la pompe, ainsi que des températures Tee et Tse, le boîtier de régulation 3 dispose d’informations lui permettent d’évaluer un apport calorifique du panneau solaire thermique et de pouvoir contrôler si une variation intervient à ce niveau-là, notamment pour détecter une dégradation du fluide caloriporteur.
Un capteur de température 104 est placé à l’extérieur de la maison, à proximité des panneaux solaires 1 et 5 afin de mesurer la température extérieure Text qui peut influencer le rendement desdits panneaux 1 et 5. Un capteur de température 105 est placé à proximité du ballon d’eau chaude 2 afin de réaliser une mesure de température ambiante Tamb régnant à l’intérieur du local dans lequel est placée le ballon d’eau chaude 2.
La figure 4 illustre un mode de réalisation d’un boîtier de régulation 3 qui peut être utilisé dans les trois systèmes de chauffe-eau à ballon d’eau chaude présentés précédemment. Le boîtier de régulation 3 est un circuit programmable bâti autour d’un microprocesseur 310 connecté à un bus central 320 auquel est connecté une mémoire de programmes 330, une mémoire de données 340, une interface de sortie 350, une interface de communication 360 et un convertisseur analogique-numérique 370. Préférentiellement, les mémoires de programmes 330 et de données 340 sont des mémoires non volatiles. Selon une variante, tous les éléments reliés au bus central 320 sont intégrés dans un microcontrôleur disposant d’entrées/sorties programmables.
La mémoire de programmes 330 comporte des programmes mis en œuvre par le microprocesseur 310. Ces programmes comportent des instructions à destination du microprocesseur 310 pour lui permettre de mettre en œuvre un procédé de régulation d’un système de chauffe-eau à ballon d’eau chaude. Ledit procédé de régulation peut comprendre une fonction d’acquisition des mesures délivrées par les capteurs du système, une fonction de vérification d’un bon fonctionnement du système, une fonction d’auto-adaptation des modèles de fonctionnement du système, et une fonction de supervision du système par un utilisateur. Certains de ces programmes, ou plus précisément certaines fonctions du procédé de régulation, seront détaillés par la suite.
La mémoire de données 340 comporte les différentes données nécessaires au bon fonctionnement du système ainsi que toute information pertinente, qu’elle soit temporaire ou à conserver. Parmi les informations pertinentes à mémoriser, on citera notamment toutes les mesures effectuées par les capteurs de manière périodique, les différents modèles de fonctionnement ainsi que leurs évolutions dans le temps, des prévisions de fonctionnement faites par le système ou reçu depuis un serveur d’informations météorologiques, et toute donnée de configuration provenant d’un utilisateur. Le serveur d’informations météorologiques peut être un système informatique interrogeable à distance via internet ou un système informatique adressant par l’intermédiaire d’internet et de manière journalière un bulletin d’informations météorologiques à destination du boîtier.
L’interface de sortie 350 dispose de deux sorties de commande, une première sortie étant reliée à la pompe 6 et une deuxième sortie commandant un interrupteur 380 reliant le boîtier de répartition 30 à la résistance chauffante 21.
L’interface de communication 360 peut supporter un ou plusieurs standards de communication permettant un échange de données. A titre d’exemple, l’interface de communication peut comporter un port USB, une interface WIFI, voire une interface pour réseaux de télécommunication 3G, 4G ou autre. L’interface de communication 360 peut permettre au boîtier de régulation 3 de communiquer avec un ordinateur de supervision d’un utilisateur et/ou avec le serveur d’informations météorologiques via internet.
Selon ce mode de réalisation, le convertisseur analogique-numérique (CAN) 370 dispose d’autant d’entrées qu’il y a de capteurs qui peuvent y être connectés et chaque capteur 101 à 105 et 201 à 242, fournit une tension analogique qui est échantillonnée et convertie par le CAN 370 qui enregistre les valeurs converties dans la mémoire de données 340. En variante, certains capteurs peuvent être des capteurs numériques qui incluent leurs propres convertisseurs rendant le CAN 370 inutile. Dans le cas de capteurs numériques, les capteurs sont reliés au boîtier de régulation 3 par l’intermédiaire de l’interface de communication 360 ou par un port de communication dédié à des capteurs, tel que par exemple un bus I2C ou une interface ZigBee.
L’interrupteur 380 est choisi pour permettre la commutation de forts courants à partir d’une tension de commande peu élevée. A titre d’exemple, un relais, un thyristor, un triac ou un transistor de puissance, par exemple un MOSFET de puissance, peut convenir.
Avant de détailler le fonctionnement du boîtier de régulation, il convient de détailler comment peut évoluer la température Tbe d’un ballon d’eau chaude 2 suivant différents types de gestion de l’alimentation d’appoint et différents types d’ensoleillement des panneaux solaires. A titre d’exemple, on considère le système de la figure 2 pour lequel, les apports solaires et d’électricité d’apport peuvent s’additionner. Les figures 5 et 6 montrent l’évolution de la température Tbe pendant une journée de fort ensoleillement et les figures 7 et 8 montrent l’évolution de la température Tbe pendant une journée faiblement ensoleillée. Les figures 5 et 7 correspondent à une gestion non optimisée qui complète systématiquement l’apport solaire avec l’énergie électrique d’appoint 4 dès lors que celle-ci est en tarif « heures creuses » et que la température Tbe est en dessous d’un seuil, par exemple de 60°C. Les figures 6 et 8 correspondent à une méthode optimisée qui cherche à garantir une température minimale de 40°C à un utilisateur lorsque celui-ci requiert de l’eau chaude en se basant sur une consommation d’eau prévue d’avance à certains moments de la journée et en fonction d’une prévision d’ensoleillement basée sur le lever et le coucher du soleil.
Afin de simplifier les figure 5 à 8, il est considéré un débit d’eau chaude constant et correspondant à la consommation prévue. L’ensoleillement est également considéré constant sur la période du levé au couché. De plus les variations de la température Tbe sont considérées linéaires pour simplifier la représentation graphique.
Ainsi, sur ces quatre figures 5 à 8, la température Tbe de l’eau contenue dans le ballon d’eau chaude 2, le débit d’eau chaude Ds, la puissance d’appoint W2 et l’apport énergétique solaire correspondant à l’ensoleillement Es sont représentés avec une échelle de temps numéroté en heure de la journée. L’apport énergétique solaire est représenté de manière binaire afin de simplifier les dessins, l’homme du métier comprendra que cet apport énergétique est plus ou moins important en fonction de l’ensoleillement réel Es du panneau solaire 5 et que l’état binaire correspond à une puissance d’ensoleillement suffisante pour chauffer le ballon d’eau chaude. En outre, l’indicateur binaire peut être corrigé en fonction d’une latence lié au réchauffement et à la circulation du fluide caloriporteur. Selon une variante, cet indicateur binaire d’ensoleillement peut être affiné en utilisant les informations de température Tse et Tee qui indiquent le déclenchement et la fin de l’apport calorifique. Six types de période sont identifiées sur ces quatre figures 5 à 8.
Les périodes P1 correspondent à des périodes pendant lesquelles aucun apport énergétique ni aucun tirage d’eau chaude n’est réalisé sur le ballon d’eau chaude 2. Durant les périodes P1, un faible refroidissement de l’eau contenue dans le ballon d’eau chaude se produit. Ce refroidissement est dû aux pertes thermiques liées à une isolation insuffisante du ballon d’eau chaude 2.
Les périodes P2 correspondent à des périodes pendant lesquelles un soutirage d’eau chaude sans apport thermique est réalisé. Une chute de la température Tbe est provoquée principalement par le débit d’eau chaude Ds qui provoque un remplacement de l’eau chaude soutiré du ballon par de l’eau provenant de l’arrivée d’eau froide 23.
Les périodes P3 correspondent à des périodes pendant lesquelles de l’eau chaude est soutirée tout en chauffant le ballon d’eau chaude 2 à l’aide du panneau solaire thermique 5.
Les périodes P4 correspondent au chauffage réalisé uniquement par le panneau solaire thermique 5 sans soutirage d’eau chaude.
Les périodes P5 correspondent à un chauffage simultané du ballon d’eau chaude 2 par le panneau solaire thermique 5 et par la résistance chauffante 21 alimentée par la source électrique d’appoint 4 sans soutirage d’eau chaude.
Les périodes P6 correspondent à un chauffage du ballon d’eau chaude 2 uniquement par résistance chauffante 21 alimentée par la source électrique d’appoint 4 sans soutirage d’eau chaude.
Sur ces figures n’apparaissent pas des périodes P7 et P8 au cours desquelles un soutirage d’eau chaude est réalisé pendant le chauffage du ballon à l’aide de la résistance chauffante 21 alimentée par la source électrique d’appoint 4 avec ou sans apport énergétique du panneau solaire thermique 5. Cependant ces deux cas peuvent également se produire.
Si l’on compare les figures 5 et 6 qui correspondent à un même apport énergétique solaire, on peut s’apercevoir que l’énergie provenant de la source électrique d’appoint 4 est de 7 heures sur 24 heures pour la figure 5 et de seulement 2,5 heures sur 24 heures pour la figure 6. En termes de confort pour l’utilisateur, si la régulation prévisionnelle est correcte l’utilisateur a toujours disposé d’eau chaude, à une température supérieure à 40°C, lorsqu’il le souhaitait dans les deux cas. La comparaison des figures 7 et 8 montre une consommation électrique d’appoint de 9,5 heures d’une part et de 6,5 heures d’autre part sur une journée. L’utilisation d’une prévision de consommation et d’apport énergétique solaire permet donc de diminuer la consommation électrique d’appoint de manière significative sans réduire le confort d’utilisation.
Pour parvenir à une régulation optimisée, il est nécessaire de modéliser le fonctionnement global du système. Comme indiqué par exemple dans la demande FR 3 008 484, il est également possible d’avoir recours à des prévisions météorologiques indiquant différents niveaux d’ensoleillement pour en déduire un apport énergétique solaire prévisionnel.
La modélisation du système prend en compte plusieurs modèles. Le modèle des pertes thermique du ballon est le plus simple car il ne considère que la résistance thermique d’isolation du ballon d’eau chaude 2. Ainsi, il est facile de calculer les pertes thermiques. Pour le chauffage par l’énergie d’appoint, la résistance chauffante 21 chauffe à une température fonction de l’énergie d’appoint lorsque celle-ci est alimentée par la source d’appoint 4, il est donc relativement facile de déduire l’augmentation de température ainsi provoquée en fonction de l’énergie d’appoint.
Les chutes de température liées au soutirage d’eau chaude dépendent de l’utilisation prévue et réellement faites par l’utilisateur. Le moment de la journée où le soutirage d’eau chaude est réalisé peut varier et parfois influer sur la prévision de chauffage de l’eau qu’il sera nécessaire de commander. En outre, le soutirage d’eau chaude dépend également de l’installation et du débit lié à une ouverture des robinets. Un modèle classiquement utilisé peut consister à faire définir par l’utilisateur des plages horaires d’utilisation et à considérer un débit maximal sur ces plages horaires. Une telle approximation permet de garantir un confort d’utilisation à l’utilisateur qui respecte les plages d’utilisation tout en ne permettant pas de réduire au maximum l’utilisation de l’énergie d’appoint.
L’apport calorifique par l’énergie solaire est le plus compliqué à modéliser car il dépend de la météo, principalement de l’ensoleillement ou de la couverture nuageuse, de la hauteur du soleil en fonction de l’heure et de la période de l’année mais aussi de la transformation de l’ensoleillement Es en apport énergétique au ballon d’eau chaude. L’approche de FR 3 008 484 qui consiste à faire un calcul sur une période de temps en fonction de la couverture nuageuse et de la position du soleil ne permet pas une optimisation totale car il existe une marge d’erreur entre l’ensoleillement réel et les prévisions. Dans une telle méthode, il est nécessaire de prendre des marges de sécurité pour garantir un confort d’utilisation à l’utilisateur qui ne permet pas d’avoir une optimisation de la consommation d’énergie électrique d’appoint.
Ces quatre modèles étant établis, une optimisation peut être obtenue par une combinaison des modèles en fonction des prévisions à venir sur le lendemain ou sur la période s’écoulant après une période possible d’utilisation de la source électrique d’appoint. Le boîtier de régulation 3 affine un ou plusieurs des modèles de fonctionnement du système de chauffage d’eau grâce à des mesures effectuées pendant une période dite d’apprentissage. Pendant la période d’apprentissage, le système peut fonctionner en mode non optimisé ou selon un mode optimisé en utilisant des modèles par défaut ou des modèles mis à jour à la fin de chaque journée en fonction des mesures effectuées. Selon une variante, la période d’apprentissage est permanente. A cet effet, la mémoire de programmes 330 contient un programme d’acquisition de mesures sur les différentes périodes de fonctionnement et un programme de modélisation dont les paramètres peuvent être ajustés en fonction des mesures réalisées. Dans un mode de réalisation particulier, le programme de modélisation peut utiliser de l’intelligence artificielle ou un réseau neuronal.
Une utilisation de l’intelligence artificielle consiste à déduire un modèle à partir d’une base de données. A titre pédagogique, un exemple de modèle simple d’apport calorifique produit par le panneau solaire thermique 5 en fonction de l’ensoleillement sur une période donnée est à présent détaillé. Les données d’entrée sont la température en début de période Tbe(n) et l’ensoleillement moyen Moy(Es) sur la période et la donnée de sortie est la température en fin de période Tbe(n+1). Une base de données d’apprentissage du modèle est constituée par des mesures réelles représentatives de différentes situations possibles. L’utilisation de telles mesures permet de prendre en compte des paramètres d’installation sans avoir besoin de les spécifier tels que par exemple l’inclinaison et l’orientation du panneau solaire 5, la longueur du circuit caloriporteur entre le panneau 5 et le ballon 2, le rendement de l’échangeur thermique 24. Dans le cas d’une mise en place de l’installation, une base de données standard peut être utilisée pendant une période de démarrage d’installation au cours de laquelle la constitution d’une base de données réelle est réalisée. La base de données standard est enrichie tous les jours par les mesures effectuées puis les données correspondant à la base de données standard sont effacées dès que le nombre d’échantillons mesurés est en nombre suffisant. Suivant différents choix d’implémentation, la période de mesure peut être de quelques minutes, d’une ou plusieurs heures voire d’une journée entière. Le choix de la période de mesure dépend du choix de modèle que l’on désire mettre en œuvre et de la précision de pilotage que l’on souhaite avoir. En outre, plusieurs modèles peuvent être utilisés et suivant les modèles, on peut avoir besoin de différentes durées de période.
L’expression mathématique du modèle d’apport calorifique solaire peut être vu sous la forme boite noire reliant la donnée de sortie Tbe(n+1) aux données d’entrée Tbe(n) et moy(Es) de type Tbe(n+1) = F(Tbe(n), moy(Es)), où F est une fonction de transfert définie ou ajustée en fonction de l’apprentissage. La fonction F peut être une régression linéaire, une fonction polynomiale, issue d’un réseau de neurones à une ou plusieurs couches cachées, ou être basée sur une modélisation basée sur des équations liées aux grandeurs physiques des données d’entrée et de sortie. Le paramétrage de la fonction F peut se faire en appliquant un algorithme de minimisation de fonction de coût (par exemple l’algorithme de Newton ou l’algorithme de Levenberg-Maquardt), un algorithme des moindres carrés, ou tout autre algorithme dit de descente de gradient en utilisant les données d’entrées et de sortie telles qu’enregistrées dans la base de données. La fonction F, une fois paramétrée, est utilisée pour déterminer un calcul prévisionnel en fonction de données d’entrée prévues à l’avance. Selon un mode de réalisation préféré, la fonction F peut être actualisée chaque jour en intégrant les données de la journée écoulée à la base de données.
L’acquisition des mesures peut se faire à minima sur la température Tbe de l’eau dans le ballon d’eau chaude 2, sur le débit Ds qui indique un soutirage d’eau chaude, sur une mesure Es et/ou W1 de l’énergie solaire reçue, et sur une mesure W2 de l’énergie électrique d’appoint. D’une manière préférée, toutes ces mesures sont régulièrement effectuées ou collectées par le boîtier de régulation 3, par exemple toutes les 1 à 5 minutes, puis, ces mesures sont ensuite analysées et triées par ledit boîtier en fonction des périodes de fonctionnement du ballon d’eau chaude pour déterminer leur pertinence. D’autres paramètres peuvent être intégrés dans la fonction F, tel que par exemple la température extérieure et la hauteur du soleil. L’estimation résultante de l’ajout de paramètres aura pour effet d’augmenter la précision des modèles considérés.
L’homme du métier comprendra qu’une augmentation du nombre de mesures différentes augmente le nombre de variables d’entrée utilisables pour les différents modèles. L’augmentation du nombre de variables d’entrées complexifie les fonctions de transfert des différents modèles ce qui permet de les rendre plus précis. En contrepartie, le nombre de données nécessaire pour l’apprentissage doit également augmenter.
La figure 9 illustre un organigramme de classification des mesures effectuées pour le système de la figure 2. Cette classification peut se faire lors de chaque mesure ou en fin de journée une fois que toutes les mesures de la journée ont été réalisées. Une première étape 900 prend en considération les mesures effectuées à un même instant. Un premier test 910 est effectué pour déterminer si la mesure de débit Ds indique qu’un soutirage d’eau chaude est en cours. Quelle que soit l’issue du premier test 910, un deuxième test 920 ou 921 est effectué pour déterminer si la mesure d’ensoleillement Es est représentative d’un apport en énergie thermique solaire. Quel que soit le résultat de ce deuxième test 920 ou 921, un troisième test 930 à 933 est effectué pour vérifier si la mesure de puissance W2 indique s’il y a un apport en énergie d’appoint réalisé depuis la source d’énergie électrique d’appoint 4. A l’issue des trois tests effectués, les mesures réalisées à savoir Ds, Es, W2 et Tbe peuvent être classées avec l’heure exacte de mesure dans l’une des périodes de fonctionnement P1 à P8.
Pour chaque période P1 à P8, il devient possible de déduire un modèle spécifique de variation de la température d’eau chaude dans le ballon d’eau chaude 2 par apprentissage desdites mesures correspondantes. Néanmoins, l’homme du métier pourra se limiter aux quatre modèles précédemment énoncés et n’ajuster qu’un seul des quatre modèles en fonction des mesures effectuées. Dans ce cas, une ou plusieurs des périodes P1 à P8 peuvent être utilisées pour ajuster l’un des modèles. A titre d’exemple, le modèle de chauffage par l’énergie solaire peut être ajusté uniquement sur les périodes P4. Toutefois, l’exploitation des mesures des périodes P3, P5 et P7 reste possible mais en tenant compte de la superposition des modèles liés au débit d’eau chaude et au chauffage électrique d’appoint.
Parmi les avantages d’une telle modélisation, il est à noter que le panneau solaire thermique 5 comporte un temps de latence par rapport à l’énergie solaire qu’il reçoit. Lorsque le soleil se lève, un réchauffage du fluide caloriporteur se fait pendant un certain temps avant que le panneau solaire thermique 5 puisse délivrer de l’énergie thermique. Inversement, l’inertie thermique du fluide caloriporteur permet au panneau solaire thermique 5 de continuer de délivrer de l’énergie thermique un peu après le coucher du soleil. Ainsi, lorsque des prévisions météorologiques sont utilisées en indiquant l’heure de lever et du coucher du soleil et le niveau d’ensoleillement au cours de la journée, le modèle de chauffage solaire peut ajuster d’une part la prévision en fonction de la latence liée à l’inertie thermique du panneau solaire thermique 5 et en fonction de la transformation énergétique réelle correspondant aux conditions météorologiques prévues.
Selon un mode de réalisation, le modèle de chauffage solaire du ballon d’eau chaude est effectué à l’aide de deux modèles. Un premier modèle réalise une correspondance entre les informations météorologiques et l’ensoleillement au niveau des panneaux grâce au capteur d’ensoleillement 103. Ce premier modèle correspond à une adaptation de prévision météo à un niveau local qui va compenser une erreur de prévision. Puis, un deuxième modèle réalise ensuite une correspondance entre l’ensoleillement mesuré et le chauffage d’eau chaude. Ce deuxième modèle étant représentatif de la transformation du système de chauffage et peut prendre en compte l’usure dudit système. L’utilisation de ces deux modèles permet de dissocier d’une part la transformation des prévisions météorologiques en ensoleillement réel du panneau solaire 5 et, d’autre part, la transformation de l’ensoleillement réel en chauffage du ballon d’eau chaude réalisée par le panneau solaire 5 et l’échangeur thermique 24. Ainsi, pour faire une prévision de chauffage du ballon d’eau chaude sur une journée à venir, les données météorologiques sont transformées l’aide du premier modèle afin d’être appliquées au deuxième modèle.
Selon une variante, les conversions entre les prévisions météorologiques, l’ensoleillement et l’apport thermique peuvent également se faire en moyenne quotidienne. Ainsi les prévisions météorologiques peuvent être traduites en un ensoleillement moyen sur la journée. La mesure d’ensoleillement est elle-même moyennée sur la journée ainsi que l’apport énergétique. Bien que d’apparence moins précis, ce type d’approximation combiné à de l’intelligence artificielle permet d’avoir un résultat globalement fiable. Notamment, une mesure moyenne sur la journée inclue le temps de latence lié au réchauffement et au refroidissement du fluide caloriporteur.
L’homme du métier pourra noter que l’utilisation d’un simple indicateur binaire de débit peut suffire. En effet, cette seule information peut à elle seule permettre de définir les plages d’utilisation de manière statistique avec une variation qui peut également être considérée comme une variation moyenne. Un modèle prédictif d’utilisation peut être alors déduit de l’utilisation passée de manière probabiliste sur un certain nombre de jours passés, par exemple sur le dernier mois. Afin de prendre en considération des utilisations qui peuvent varier en fonction du jour de la semaine, ou de périodes particulières de l’année, il est également possible d’avoir un modèle probabiliste ajusté sur les jours de la semaine et/ou les jours de l’années. En outre, l’entrée d’information de débit prévisionnel peut être également déterminée par l’utilisateur. A titre d’exemple, l’utilisateur peut informer le système d’un départ en vacances pendant une certaine durée, le système peut alors suspendre tout apport à partir de l’énergie d’appoint jusqu’au retour de l’utilisateur. Il est également possible d’indiquer une réduction ou une augmentation du nombre de personnes pendant une certaine durée. Le système peut alors extrapoler l’utilisation en fonction du nombre de personne en plus ou en moins sur la durée. Bien que non optimum, les personnes en plus ou en moins n’ayant pas les mêmes habitudes, un tel fonctionnement permet une optimisation relative qui peut convenir dans de très nombreux cas.
En variante, il est également possible de prendre en compte la quantité d’eau chaude soutirée lorsque le capteur de débit 221 est un débitmètre. Ainsi, un modèle peut être associé à la chute de la température Tbe en fonction du débit d’eau chaude Ds. La mesure de la quantité d’eau soutirée peu aussi être combinée avec les périodes de débit précédemment décrite. Ainsi, on peut obtenir un modèle à la fois probabiliste sur la période soutirage et sur la quantité d’eau chaude soutirée tout au long de la journée.
Le boîtier de régulation 3 peut également prendre en compte d’autres mesures provenant des capteurs montrés par exemple sur la figure 3. Ainsi, la mesure de température extérieure Text peut être prise en compte dans le modèle de chauffage solaire car le rendement d’un panneau solaire thermique ou photovoltaïque dépend aussi de cette température. La température extérieure Text fait également partie des informations météorologiques que le boîtier de régulation 3 peut exploiter. L’utilisation du capteur 104 de température extérieure permet d’ajuster cette prévision météorologique pour la prendre en compte de manière plus précise.
Dans le cas où un panneau photovoltaïque 1 dédié au chauffage d’eau est utilisé à la place d’une panneau solaire thermique 5, la mesure de puissance solaire W1 correspond à l’énergie électrique fournit par le panneau photovoltaïque. Cette mesure de puissance W1 doit être prise en compte conjointement avec, ou à la place de, la mesure d’ensoleillement Es.
Dans le cas où un panneau photovoltaïque 1 n’est pas dédié au seul chauffage de l’eau, le boîtier de régulation 3 devra aussi prendre en compte un modèle de consommation des appareils électriques 31 de la maison. En outre, le panneau photovoltaïque 1 est couplé avec l’énergie d’appoint 4 par le boîtier de répartition 30. La consommation des appareils électriques 31 peut être déduite par la somme des puissances W1 et W2 lorsque a résistance chauffante 21 n’est pas activée ou par la somme puissance W1 et W2 en retirant la puissance consommée par la résistance chauffante 21 lorsque celle-ci est activée, la puissance W2 pouvant être négative lorsque le panneau solaire fournit de l’énergie au réseau via le boîtier de répartition 30. De préférence, la puissance résiduelle, c’est-à-dire une puissance W1 à laquelle est soustrait la puissance des appareils électriques 31, est consommée pour chauffer le ballon d’eau chaude.
Dans le cas où le chauffage électrique du ballon d’eau chaude est assuré par la résistance chauffante 21, le boîtier de régulation 3 va alimenter la résistance chauffante dès lors que l’énergie W1 est supérieure à l’énergie consommée par les appareils électriques 31 de la maison. Le boîtier de régulation 3 mesure la puissance d’appoint W2 et active la résistance chauffante 21 lorsque la puissance d’appoint W2 est négative, le chauffage étant maintenu tant que la puissance d’appoint reste négative c’est-à-dire tant que le panneau solaire 1 fournit de l’énergie au réseau de distribution 4. Afin de maintenir la puissance W2 à zéro, le boîtier de régulation 3 peut aussi moduler la puissance fournit à la résistance chauffante 21 lorsque la puissance résiduelle est inférieure à la puissance nominale de ladite résistance 21. Une telle modulation peut se faire en commandant l’interrupteur 380 par exemple en gradateur, c’est-à-dire en le rendant passant de manière synchronisée avec une période du signal électrique du secteur pendant un angle de phase déterminé, l’angle de phase étant ajusté de sorte que la puissance W2 reste à zéro. Ainsi l’angle de phase peut être augmenté lorsque la puissance W2 devient négative ou diminuée lorsqu’elle devient positive.
Dans le cas où le chauffage électrique du ballon d’eau chaude est assuré par l’intermédiaire d’une pompe à chaleur, celle-ci doit fonctionner à sa puissance nominale. Aussi le boitier de régulation peut alimenter la pompe à chaleur uniquement si la puissance résiduelle est supérieure à la puissance nominale de la pompe à chaleur.
Si les besoins de chauffage d’eau sont importants, le boîtier de régulation 3 activera également la résistance chauffante dès lors qu’une puissance résiduelle supérieure en valeur absolue à un premier seuil, le chauffage étant ensuite maintenu tant que la consommation d’énergie d’appoint W2 reste inférieure à un deuxième seuil. Ainsi, il est possible de maximiser l’utilisation de l’énergie solaire pour le chauffage du ballon d’eau chaude.
Les mesures de puissance W1 et W2 conjointement à la connaissance de la puissance fournie à la résistance chauffante 21, ou à une pompe à chaleur, permettent de connaître également la consommation électrique des autres appareils électriques 31. Cette consommation électrique peut également faire l’objet d’une modélisation par le boîtier 3 afin que celui-ci puisse prendre en compte cette consommation de manière prévisionnelle. Ainsi, l’utilisation des premier et deuxième seuils détaillés précédemment peut être activée si la consommation prévisionnelle est telle qu’il n’est pas possible de dégager une puissance résiduelle qui soit suffisante pour alimenter la résistance chauffante 21, ou la pompe à chaleur, pendant une plage horaire qui permette de chauffer le ballon d’eau chaude 2.
Dans le cas où l’on dispose du débit réel d’eau chaude, il est possible de déterminer un modèle de refroidissement du ballon d’eau chaude en fonction du débit de manière assez précise et donc un modèle d’utilisation qui prend en compte le débit réalisé en plus du temps d’utilisation. Cependant un capteur de débit doit être placé dans une canalisation et cela constitue une opération coûteuse sur un réseau de distribution d’eau chaude déjà en service lors de l’installation d’un boîtier. L’utilisation de capteurs de température 222 et 232 respectivement sur le tuyau de sortie d’eau chaude 22 et sur le tuyau d’arrivée d’eau froide 23 permet de réaliser la même fonction en combinaison avec une modélisation réalisée par de l’intelligence artificielle. En effet, le tuyau de sortie 22 se réchauffe alors que le tuyau d’entrée 23 se refroidit lorsqu’il y a un débit d’eau chaude. Bien que la loi de réchauffement et de refroidissement soit relativement complexe, l’utilisation d’un apprentissage basé sur de l’intelligence artificielle utilisant ces deux températures prendra en compte le débit réel sans le connaître réellement.
En ce qui concerne le modèle de refroidissement par pertes thermiques et le modèle de chauffage par énergie électrique d’appoint, même si ces deux modèles sont simples à déterminer et peuvent paraître inutiles à modéliser selon l’invention, leur détermination permet de connaître, par différence, l’apport calorifique solaire. Notamment l’addition d’un capteur de température 105 qui mesure la température ambiante Tamb de la pièce où se situe le ballon d’eau chaude 2 permet d’affiner ces deux modèles en fonction des variations de température dans la pièce si celle-ci est mal isolée.
Préférentiellement, le modèle de pertes thermiques est déterminé sur les périodes P1 uniquement.
L’utilisation de modèles prédictifs précis et ajustés en fonction de l’usage courant permet d’optimiser au mieux le système de chauffage. Les modèles étant déterminés, il devient possible de faire un modèle prédictif basé sur les données collectées sur des périodes passées et éventuellement les données météorologiques reçues pour réduire ainsi la consommation d’énergie électrique d’appoint. La réalisation de mesures tout au long du fonctionnement du système présente d’autres avantages.
Comme précédemment indiqué, l’utilisation évoluant dans le temps est prise en compte. L’ajustement des modèles peut se faire tout au long de la vie du système prenant ainsi en compte les dérives liées à l’usure du système, notamment le rendement des panneaux, la dégradation du fluide caloriporteur ou de l’isolant du ballon d’eau chaude. En outre, il est possible de définir à l’issue d’une première durée de fonctionnement, par exemple les six premiers mois de fonctionnement, des modèles de références. Lors de la mise à jour des modèles, il est possible de comparer un modèle de référence avec un nouveau modèle pour déterminer si une opération de maintenance est nécessaire.
A titre d’exemple, le modèle des pertes thermiques est lié essentiellement à la résistance thermique d’isolation du ballon d’eau chaude 2. Le rendement de la résistance thermique évolue peu dans le temps. Une dérive du modèle de pertes thermiques au-delà d’un pourcent par rapport au modèle de référence est représentative d’un dommage, par exemple lié à une corrosion extérieure du ballon d’eau chaude. L’utilisation des mesures permet de provoquer la génération d’une alarme et d’indiquer à l’utilisateur qu’une inspection est nécessaire.
Il en va de même pour les dérives d’autres modèles. Une dérive du modèle de chauffage peut révéler un entartrage du ballon d’eau chaude 2 au niveau de l’échangeur thermique 24 ou de la résistance chauffante 21. Si par contre la dérive intervient entre les informations météorologiques et l’énergie solaire fournie par les panneaux solaires 1 ou 5, cela peut être représentatif d’une ombre d’arbre qui se forme et se maintient sur un panneau ou tout simplement d’une usure du panneau ou d’une dégradation du fluide caloriporteur. L’utilisation d’un modèle intermédiaire de transformation des prévisions météorologiques en ensoleillement peut permettre de diagnostiquer ces phénomènes de manière automatique par un boîtier de régulation 3 conforme à l’invention grâce aux mesures et aux modèles utilisés.
En outre, il est aussi possible de détecter des pannes de manière plus précise. Lorsqu’un élément tombe en panne, des mesures effectuées vont montrer un écart très important entre la mesure effectuée et le résultat attendu. La comparaison avec toutes les mesures enregistrées permet de déterminer quel capteur donne la mesure la plus divergente et ainsi de déterminer plus facilement l’origine de la panne.
De nombreuses variantes de l’invention sont possibles en combinant tout ou partie de ce qui est décrit précédemment mais également d’autres connaissances de l’homme du métier.
Notamment, la source électrique d’appoint 4 est décrite comme étant le secteur en heure creuse. L’homme du métier peut utiliser n’importe quelle autre source électrique d’appoint tel que le secteur indépendamment de toute tarification, mais aussi un groupe électrogène, des batteries ou tout autre source électrique non solaire. De même, la source d’appoint peut ne pas être électrique ou être indirectement électrique, le chauffe-eau peut être un chauffe-eau thermodynamique qui comporte un deuxième échangeur thermique relié à une pompe à chaleur dédiée ou reliée à un système de chauffage central ou à une chaudière à gaz ou au mazout. La mesure d’énergie d’appoint se fera alors par une mesure de consommation d’énergie apportée.
Comme indiqué, l’invention s’applique avec un minimum de capteurs mais peut en utiliser beaucoup plus si l’on souhaite prendre en compte d’autres paramètres physiques de l’installation. L’ajout de capteurs supplémentaires ne fera qu’accroître la précision des modèles. Il va de même pour l’utilisation des modèles de fonctionnement qui sont au choix des modèles globaux de fonctionnement représentatifs de toutes les périodes P1 à P8 de fonctionnement ou au contraire des modèles de fonctionnement propre à chaque élément et pour lesquels un seul modèle serait optimisé en utilisant une mise à jour basée sur le minimum de capteurs indiqués avec des mesures spécifiques à un seul type de période de fonctionnement.

Claims (10)

  1. Boîtier de régulation (3) d’un système de chauffe-eau à ballon d’eau chaude (2) recevant de l’énergie à partir d’au moins une source solaire (1, 5) et d’une source d’appoint (4) en énergie non solaire, le boîtier comportant au moins une unité de traitement programmable (310, 330) et au moins une mémoire de données (340), le boîtier étant configuré pour déterminer un apport en énergie non solaire en fonction d’au moins un modèle de fonctionnement dudit système, caractérisé en ce que le boîtier comporte une entrée reliée à au moins un capteur de température (201) pour recevoir une mesure d’au moins une température de l’eau (Tbe) contenue dans le ballon d’eau chaude (2), une entrée reliée à au moins un capteur de débit d’eau chaude (221, 222, 232) pour recevoir une information de soutirage d’eau chaude, une entrée reliée à au moins un capteur (101, 241, 242) pour recevoir une mesure de l’énergie solaire (W1, Es) reçue par la source solaire (1, 5), une entrée reliée à au moins un capteur (102) recevant une mesure d’une énergie (W2) fournie par la source d’appoint (4), et en ce que le boîtier de régulation (3) est configuré pour réaliser des mesures sur une pluralité de périodes (P1 à P8) à l’aide desdits capteurs afin d’en déduire et/ou d’adapter le au moins un modèle de fonctionnement dudit système pour ajuster l’apport en énergie non solaire.
  2. Boîtier selon la revendication 1, qui comporte une interface de communication (360) recevant des informations de prévisions météorologiques destinée à établir une régulation du système en prévision de la météo à venir, dans lequel le au moins un modèle de fonctionnement du système comporte un modèle de transformation des prévisions météorologiques en énergie solaire, dans lequel les informations de prévisions météorologiques sont mémorisées dans la mémoire de données et le boîtier est configuré pour comparer les mesures d’énergie solaire (W1, Es) réalisées pendant des périodes correspondant auxdites informations de prévisions météorologiques, et dans lequel le modèle de transformation des prévisions météorologiques en énergie solaire est ajusté en fonction des mesures effectuées.
  3. Boîtier selon la revendication 2, qui comporte au moins une entrée reliée à au moins un capteur de mesure (104) d’une température extérieure (Text), le boîtier étant configuré pour réaliser des mesures de la température extérieure (Text) sur la pluralité de périodes, pour comparer les mesures de température extérieure (Text) réalisées pendant des périodes correspondant à des températures contenues dans les informations de prévision météo, et pour ajuster le modèle de transformation des prévisions météorologiques en énergie solaire en fonction d’une température prévue et d’une température mesurée.
  4. Boîtier selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le au moins un modèle de fonctionnement du système comporte un modèle d’utilisation prédictif d’utilisation de l’eau chaude sur une journée et dans lequel le capteur de débit d’eau chaude mesure les périodes d’utilisation d’eau chaude et/ou une quantité d’eau chaude soutirée par un utilisateur pour ajuster le modèle d’utilisation prédictif d’utilisation de l’eau chaude sur une journée.
  5. Boîtier selon la revendication précédente dans lequel le au moins un modèle de fonctionnement du système comporte un modèle de refroidissement du ballon d’eau chaude en fonction de la mesure de température de l’eau contenue dans le ballon d’eau chaude et du débit d’eau chaude sur une pluralité de périodes où il y a un débit d’eau chaude.
  6. Boîtier selon la revendication précédente, dans lequel le capteur de débit d’eau chaude est composé d’un ou plusieurs des capteurs suivants : capteur binaire d’état de tirage d’eau, capteur de mesure de la quantité d’eau extraite, capteur de température sur un tuyau de sortie de ballon d’eau chaude, capteur de température sur un tuyau d’arrivée d’eau dans le ballon d’eau chaude.
  7. Boîtier selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le au moins un modèle de fonctionnement du système comporte un modèle de refroidissement thermique et dans lequel le boîtier comporte une entrée reliée à moins un capteur (105) de mesure de température ambiante (Tamb) situé à l’extérieur du ballon d’eau chaude (2) et mesurant la température de la pièce dans laquelle est placée le ballon d’eau chaude pendant la pluralité de périodes et dans lequel le modèle de refroidissement thermique est déterminé en fonction des mesures de température réalisées sur des périodes où il n’y a aucun débit ni aucun apport d’énergie au ballon d’eau chaude.
  8. Boîtier selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le au moins un modèle de fonctionnement correspond à une fonction paramétrable à l’aide d’au moins un paramètre ajustable et dans lequel le au moins un paramètre est ajusté en fonction des mesures précédemment réalisées de sorte à minimiser une erreur globale de ladite fonction lorsqu’elle est appliquée à toutes les valeurs mesurées précédemment.
  9. Système de chauffe-eau qui comporte un ballon d’eau chaude (2), au moins une source d’énergie solaire (1, 5) pour chauffer le ballon d’eau chaude, et au moins une source d’énergie non solaire (4), caractérisé en ce que le système comporte un boîtier de régulation (3) selon l’une des revendications précédente et des capteurs correspondant aux entrées dudit boîtier, ledit boîtier étant configuré pour réguler la température à l’intérieur du ballon d’eau chaude à l’aide du au moins un modèle de fonctionnement du système.
  10. Système de chauffe-eau solaire selon la revendication précédente dans une maison qui comporte une panneau solaire photovoltaïque (1) et un boîtier de répartition (30) assurant la balance d’énergie électrique avec un réseau de distribution électrique (4) afin d’alimenter des appareils électriques (31) de la maison et de renvoyer une énergie électrique résiduelle provenant du panneau solaire (1) vers le réseau de distribution électrique (4) lorsque la consommation électrique de la maison est inférieure à la production électrique dudit panneau solaire (1), dans lequel l’alimentation électrique du ballon d’eau chaude (2) est déterminée en fonction de l’énergie électrique résiduelle.
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