FR3144264A1 - Dispositif et procédé de mesure indirecte de la température d’eau chaude dans un réservoir de stockage - Google Patents
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Abstract
L’invention concerne un procédé de mesure indirecte d’une température de l’eau chaude dans un chauffe-eau (1), le chauffe-eau comprenant une cuve (13) comprenant une paroi délimitant une cavité interne propre à contenir un volume d’eau à chauffer, une enveloppe (12) en matériau isolant entourant la cuve (13) et une peau (11) entourant l’enveloppe (12) en matériau isolant, le procédé comprenant des étapes de : - mesurer une température Tp e de la peau (11) au moyen d’un capteur (5) positionné en contact avec une surface externe de la peau (11), - déterminer une température de l’eau contenue dans la cavité interne en fonction de la température Tp e mesurée de la peau (11) et d’une température de l’air T air ambiant autour du chauffe-eau (1). Figure d’abrégé : Figure 4
Description
L’invention se situe dans le domaine de la gestion d’énergie dans les bâtiments. Plus particulièrement, l’invention porte sur un procédé de mesure indirecte de la température d’eau chaude comprise dans un chauffe-eau ou dans un réservoir de stockage.
Un chauffe-eau (aussi appelé ballon d’eau chaude) comprend généralement, de l’intérieur vers l’extérieur, une cuve, une isolation généralement formée de polyuréthane injecté, et une peau qui est généralement formée de métal ou en plastique. En règle générale, l’obtention d’une température interne de la cuve nécessite la mise en place de sondes de température à l’intérieur du ballon ou sur la cuve,
Pour les ballons existants, la pose de telles sondes nécessite des interventions sur le circuit hydraulique et électrique du ballon, et donc l’expertise d’un professionnel, l’utilisateur ne pouvant pas réaliser de telles opérations par lui-même.
En outre, la pose de telles sondes nécessite une intervention sur l’isolant, et donc peut créer des ponts thermiques qui compromettent l’étanchéité thermique du ballon.
Il existe des chauffe-eaux récents qui intègrent des capteurs internes, disposés dans la cuve de sorte à mesurer une température de l’eau dans la cuve. Cependant, il s’agit d’une minorité de chauffe-eaux, et la majorité des chauffe-eaux existants ne comportent pas de tels capteurs.
Les chauffe-eaux connus de l’état de la technique sont généralement alimentés de nuit ou en heures creuses, et uniquement dans ces périodes, de sorte qu’en cas d’une utilisation d’eau chaude sanitaire importante dans la journée, le stock prévu peut ne pas être suffisant, et l’utilisateur peut, de manière imprévue, se trouver à court d’eau chaude sanitaire.
Un but de l’invention est de permettre une évaluation en temps réel d’une température de l’eau dans un chauffe-eau ou un réservoir de stockage de l’eau chaude, sans qu’il soit nécessaire de réaliser des opérations complexes ou de dégrader la structure du chauffe-eau.
À cet effet, on prévoit un procédé de mesure indirecte d’une température de l’eau chaude dans un chauffe-eau, le chauffe-eau comprenant une cuve comprenant une paroi délimitant une cavité interne propre à contenir un volume d’eau à chauffer, une enveloppe en matériau isolant entourant la cuve et une peau entourant l’enveloppe en matériau isolant, le procédé comprenant des étapes de :
- mesurer une températureTp e de la peau au moyen d’un capteur positionné en contact avec une surface externe de la peau,
- déterminer une température de l’eau contenue dans la cavité interne en fonction de la températureTp e mesurée de la peau et d’une températureT air de l’air ambiant autour du chauffe-eau.
Ainsi, l’invention permet d’estimer en temps réel la température de l’eau chaude contenue dans le chauffe-eau, sur tous types de réservoir à eau chaude et sans nécessiter d’intervention intrusive ou requérant une expertise particulière.
Selon une mise en œuvre du procédé, la température d’air ambiantT air est mesurée au moyen d’une sonde d’air ambiant.
Selon une mise en œuvre du procédé, le volume d’eau contenu dans la cavité interne est modélisé comme un empilement de plusieurs couches horizontales, et pour chaque couche d’un premier sous-ensemble de couches de l’empilement, une température de la couche est mesurée au moyen d’un capteur respectif placé en contact avec la surface externe de la peau, en regard de la couche horizontale.
Selon une mise en œuvre du procédé, pour chaque couche d’un deuxième sous-ensemble de couches distinct du premier sous-ensemble de couches, la température de l’eau dans la cavité interne est estimée par interpolation ou extrapolation à partir des températures mesurées pour les couches du premier ensemble de couches.
Selon une mise en œuvre du procédé, la températureTp i de l’eau dans la cavité interne du chauffe-eau ou dans une couche horizontale du premier ensemble de couches est déterminée selon l’équation :
oùkest un coefficient déterminé pour chaque capteur,Tp e est la température mesurée sur la surface externe de la peau etT air est la température de l’air ambiant.
Selon une mise en œuvre, le procédé comprend une phase de calibration au cours de laquelle le coefficientkpour chaque capteur est déterminé selon les étapes successives suivantes :
- détection d’un état chargé du chauffe-eau ;
- détection d’un soutirage d’eau lorsque la température d’eau chaude sanitaire sortant du ballonT ECS mesurée par la sonde augmente brutalement jusqu’à une température seuil prédéfinieT seuil ;
- obtention d’une température d’eau chaude sanitaire sortant du ballonT ECS ;
- initiation d’un enregistrement des températuresTp e mesurées par les capteurs, et de la température de l’air ambiantT air autour du chauffe-eau ;
- calcul du coefficient k pour chaque capteur au moyen de l’équation :
Selon une mise en œuvre du procédé, le chauffe-eau est considéré comme étant dans l’état chargé lorsqu’un chargement du chauffe-eau en eau chaude a été effectué pendant un laps de temps supérieur à un temps minimum nécessaire au chargement du chauffe-eau.
L’invention concerne en outre un procédé d’estimation du volume d’eau chaude sanitaire contenue dans un chauffe-eau contenant un volume total d’eau, le volume d’eau chaude étant défini comme le volume de l’eau présentant une température supérieure ou égale à une valeurT seuil , comprenant les étapes de :
- estimer une valeur de température de l’eau dans chaque couche d’une pluralité de couches horizontales du volume total d’eau, au moyen du procédé de mesure indirecte de température de l’eau chaude selon l’invention,
- estimer le volume d’eau chaude sanitaire dans le chauffe-eau en fonction :
i. d’un volume de chaque couche horizontale comprenant de l’eau chaude présentant une température supérieure ou égale à la valeurT seuil
ii. de la température estimée de chaque couche horizontale comprenant de l’eau chaude présentant une température supérieure ou égale à la valeurT seuil
iii. d’une température d’eau froide entrant dans le chauffe-eau.
Selon une mise en œuvre du procédé, le volume d’eau chaude sanitaire contenue dans le chauffe-eau est obtenu au moyen de l’équation :
oùietnreprésentent, respectivement, chaque couche horizontale et le nombre total de couches horizontales comprenant de l’eau chaude présentant une température supérieure ou égale à la valeurT seuil ,Viest le volume d’eau de la couchei,Tiest la température de la coucheietT EF est une température de l’eau froide entrant dans le chauffe-eau.
L’invention concerne en outre un procédé d’analyse de l’entartrement d’un chauffe-eau à un instant donné, comprenant les étapes suivantes :
- estimation d’un premier intervalle de temps nécessaire pour chauffer un volume d’eau dans un chauffe-eau lorsque le chauffe-eau n’est pas entartré ;
- estimation d’un deuxième intervalle de temps nécessaire pour chauffer le même volume d’eau dans le chauffe-eau à l’instant donné ;
- comparaison du premier intervalle de temps et du deuxième intervalle de temps, une augmentation du temps nécessaire pour chauffer le volume d’eau étant indicatif d’un entartrement du chauffe-eau ;
chacun du premier et du deuxième intervalle de temps correspondant à un intervalle de temps nécessaire pour qu’une température du volume d’eau chaude dans le chauffe-eau (1) estimée au moyen du procédé de mesure indirecte de température de l’eau chaude selon l’invention soit supérieure à une valeurT seuil prédéfinie.
L’invention concerne en outre un kit pour chauffe-eau, comprenant :
- un boîtier,
- un capteur,
le capteur étant apte à mesurer une températureTp e de la surface externe d’une peau du chauffe-eau, le boîtier étant apte à recevoir des mesures effectuées par le capteur, le boîtier étant en outre apte à mettre en œuvre le procédé d’estimation de la température de l’eau chaude selon l’invention.
Selon un mode de réalisation du kit, le boîtier comprend une interface de communication propre à émettre un signal contenant des données représentatives de valeurs de température mesurées par le capteur à un serveur distant pour que les données soient analysées et/ou transmises à un terminal portatif.
Selon un mode de réalisation du kit, le boîtier est en outre apte à envoyer une notification au terminal portatif lorsque le volume d’eau chaude disponible dans le chauffe-eau passe en dessous d’un volume prédéfini, et/ou le boîtier est apte à recevoir une commande à distance de mise en marche du chauffe-eau émanant du terminal portatif.
L’invention concerne en outre un ensemble comprenant
- un chauffe-eau comprenant :
i. une cuve, la cuve comprenant une paroi délimitant une cavité interne propre à contenir un volume d’eau à chauffer,
ii. une enveloppe en matériau isolant entourant la cuve et
iii. une peau entourant l’enveloppe en matériau isolant ;
- un capteur placé en contact avec une surface externe de la peau et
- un boîtier apte à recevoir des mesures effectuées par le capteur et à mettre en œuvre le procédé d’estimation de la température de l’eau chaude selon l’invention.
Nous allons maintenant présenter un mode de réalisation de l'invention à titre d'exemple non-limitatif à l'appui des dessins sur lesquels :
La est un schéma représentant une structure classique de chauffe-eau.
La est un schéma représentant une vue en coupe d’un chauffe-eau, indiquant des données utilisées dans le procédé proposé.
La est un schéma illustrant une étape de modélisation du ballon d’eau chaude, selon une mise en œuvre du procédé proposé.
La est un schéma illustrant une mise en œuvre particulière du procédé, ainsi qu’un kit apte à mettre en œuvre le procédé.
Les et illustrent un montage expérimental et les résultats de l’expérience associée, effectuée par les inventeurs pour mettre en évidence la fiabilité du procédé proposé.
En référence à la , un chauffe-eau 1 comprend une cuve 13 dans laquelle est disposée l’eau stockée, une isolation 12 et une peau 11 généralement métallique. Le ballon est alimenté en eau froide à une température entre 5 et 20°C par une entrée d’eau 3 placée en partie basse du chauffe-eau 1 et permet d’alimenter différents dispositifs via une sortie d’eau 2 placée en partie basse ou haute du chauffe-eau 1, les dispositifs ainsi alimentés pouvant notamment comprendre des robinets, des appareils électroménagers ou des pommeaux de douche. L’eau chaude est produite par une résistance électrique 10 placée à l’intérieur de la cuve 13 qui chauffe la totalité de l’eau contenu dans cette cuve 13 à une température entre 45 et 80°C en consommant de l’électricité du réseau (alimentation électrique non représenté sur la ).
En référence à la , le procédé proposé comprend une première étape de mesure de températures effectuées grâce à un ou plusieurs capteurs 5 disposés à l’extérieur du chauffe-eau 1, sur la surface externe de la peau 11. La températureT i de l’eau contenue dans la cavité interne peut ensuite être estimée à partir des températuresTp e mesurées par les capteurs 5, ainsi que d’une températureT air de l’air ambiant dans l’environnement du chauffe-eau.
De tels capteurs 5 peuvent être disposés sur la surface externe de la peau 11 sur n’importe quel chauffe-eau et par tout utilisateur, la pose ne nécessitant aucune compétence spécifique en plomberie, en mesure ou en électricité. En outre, il n’est pas nécessaire de démonter le ballon ou de pratiquer une ouverture dans l’isolation 12, ce qui est nécessaire dans les procédés connus de l’état de la technique afin de placer des capteurs mesurant directement une température de l’eau dans la cavité interne de la cuve 13.
Les capteurs 5 peuvent, non limitativement, être choisis parmi des thermistances, des thermocouples, des capteurs numériques capables de générer un signal utilisable sans traitement, des sondes de température Pt100 (c’est-à-dire présentant une résistance de 100 Ohms à 0° C) ou Pt1000 (résistance de 1000 Ohms à 0° C). Les sondes Pt100 présentent l’avantage d’être précises, tandis que les thermistances fournissent des mesures moins précises mais ont un coût moins élevé.
Chaque capteur peut être fixé par un aimant, par une bande adhésive, par une sangle, par une ventouse ou par tout autre moyen de fixation approprié.
Selon une mise en œuvre, le procédé utilise deux expressions permettant d’obtenir une puissance thermique traversant l’isolation du ballon. En référence à la , on peut définir une puissance thermiqueQ TH traversant le ballon selon l’équation :
oùSest la surface de la paroi du chauffe-eau considérée ;T air est la température de l’air ambiant ;T i est la température de l’eau disposée dans la cavité interne de la cuve 13, que l’on cherche à estimer ;Tp e est la température de la paroi externe de la peau 11 ;Tp i est la température de la paroi interne de la peau ;h i est un coefficient d’échange convectif entre l’eau disposée dans la cuve 13 et la surface interne de la peau 11 eth e est un coefficient d’échange convectif entre l’air ambiant et la surface externe de la peau 11 ;eest une épaisseur de l’isolant etλest une conductivité thermique de l’isolant.
La puissance thermique traversant l’isolation du ballon peut également être exprimée en fonction des couches qu’elle traverse, selon l’équation :
Ainsi, une comparaison des équations 1 et 2 mène à l’équation :
Compte tenu des échanges thermiques présents dans le ballon, on peut estimer queh i est largement supérieur àh e , de sorte que la température interneT i et la température de la paroi interneTp i de la cuve 11 sont identiques. Lorsque le ballon est complètement chargé, c’est-à-dire que toute l’eau contenue dans la cuve 13 est chaude, ces températures sont égales à la températureT ECS de l’eau sortant du ballon par la sortie d’eau 2 :
En utilisant cette hypothèse dans l’équation 3, on obtient :
où
[Math 6] .
Ce coefficientkpermet donc de définir une unique inconnue comprenant toutes les inconnues de l’équation 3, à savoir le coefficient d’échangeh e et les caractéristiques relatives à l’isolanteetλ.Une fois ce coefficientkconnu, notamment grâce à un procédé de calibration qui sera défini plus tard, la température de l’eau disposée à l’intérieur de la cuve peut être calculée selon l’équation :
Selon une mise en œuvre, on disposera dans l’environnement du ballon d’eau chaude 1 une sonde d’air ambiant 6 qui permettra une mesure de la température de l’air ambiantT air en temps réel.
La sonde d’air ambiant 6 peut être avantageusement placée en hauteur, à proximité du chauffe-eau 1 – par exemple le long d’un mur le long duquel le chauffe-eau est installé. Lorsque le chauffe-eau est placé dans un placard, la sonde d’air ambiant 6 peut-être placée à l’intérieur du placard, La sonde d’air ambiant 6 devra idéalement être placée à distance de tout obstacle.
La illustre un phénomène dit de « stratification » : dans un chauffe-eau 1, la masse volumique de l’eau diminue avec la température, de sorte que les eaux chaudes et froides sont positionnées de manière séparée en une pluralité de couches selon une direction verticale, allant des couches les plus froides en bas du chauffe-eau aux couches les plus chaudes en haut du ballon. À l’interface entre deux couches adjacentes, le gradient de température est très élevé, de sorte qu’on constate une transition abrupte de température d’une couche à l’autre. Ainsi, afin de représenter de manière plus fidèle à la réalité ce phénomène physique, le procédé comprend, selon une mise en œuvre particulière, une modélisation du volume d’eau contenu dans la cavité interne disposée dans la cuve 13 en plusieurs couches horizontales.
Pour un premier ensemble 21 de couches horizontales, la température de chaque couche est mesurée au moyen d’un capteur 5 respectif, placé en contact avec la surface externe de la peau 11 en regard de la couche horizontale correspondante.
Afin d’obtenir une mesure précise de la température de la surface externe de la peau 11 pour chaque couche, il est possible de prévoir que le premier ensemble 21 comprend toutes les couches horizontales, c’est-à-dire que chaque couche horizontale définie est associée à un capteur 5 distinct mesurant sa température.
De manière alternative, et afin de réduire le nombre de capteurs nécessaires à l’étape de mesure et le nombre de mesures à effectuer, on peut définir un deuxième ensemble 22 de couches horizontales, distinct du premier ensemble 21. Dans cette mise en œuvre, chaque couche horizontale du premier ensemble 21 est associée à un capteur distinct 5, et les couches horizontales du deuxième ensemble 22 ne sont associées à aucun capteur. Selon l’exemple non limitatif de la , les couches 2, 5 et 8 appartiennent au premier ensemble 21 et les couches 1, 3, 4, 6, 7, 9 et 10 appartiennent au deuxième ensemble 22 de couches horizontales. On obtient alors les températures de chaque couche du deuxième ensemble 22 :
- soit par interpolation, lorsque ladite couche du deuxième ensemble 22 est disposée entre au moins deux couches du premier ensemble 21. Selon l’exemple illustré sur la , c’est le cas pour les couches 3, 4, 6 et 7 ;
- soit par extrapolation, lorsque ladite couche du deuxième ensemble 22 est disposée verticalement au-dessus de la couche la plus élevée du premier ensemble 21, ou verticalement en-dessous de la couche la plus basse du premier ensemble. Selon l’exemple illustré sur la , c’est le cas pour les couches 1, 9 et 10.
Selon une mise en œuvre du procédé, l’interpolation et/ou l’extrapolation est une interpolation et/ou extrapolation linéaire. Alternativement, on pourra prévoir une interpolation et/ou extrapolation polynomiale, ou tout autre type d’interpolation et/ou d’extrapolation.
Comme mentionné précédemment, selon une mise en œuvre, le procédé proposé comprend une phase de calibration du coefficient k présenté dans l’équation 5. Cette phase de calibration est réalisée suite aux étapes de mesure d’une température de la peau 11 et de détermination d’une température de l’eau contenue dans la cavité interne de la cuve 11 du procédé. Pour cette phase, il est nécessaire d’obtenir une températureT ECS de l’eau chaude sortant du chauffe-eau 1 par la sortie d’eau 2.
À cet effet, on peut prévoir une sonde d’eau sortante 7 le long de la sortie d’eau 2 afin de mesurer cette températureT ECS . On obtient ainsi une estimation précise de la température de l’eau sortant du chauffe-eau 1.
La phase de calibration comprend les étapes successives suivantes :
- une détection d’un état chargé du chauffe-eau ;
- une détection d’un soutirage d’eau. Lors d’un soutirage d’eau, la température de l’eau sortant du chauffe-eau augmente brutalement . On définit une température seuilT seuil , par exemple mais non limitativement de 40° C, au-delà de laquelle l’eau est considérée comme chaude. Ainsi, un soutirage d’eau est détecté lorsque l’eau augmente brutalement de sorte à passer à une température supérieure à la température seuilT seuil ,par exemple mais non limitativement en moins de 30 secondes ;
- une obtention de la températureT ECS d’eau chaude sanitaire sortante mesurée par la sonde 7, selon l’une des deux mises en œuvre définies ci-avant ;
- une initiation d’un enregistrement des températuresTp e mesurées par chaque capteur 5, et de la températureT air mesurée par la sonde 6 de l’air ambiant autour du chauffe-eau 1 ;
- un calcul, pour chaque capteur, d’un coefficient k au moyen de l’équation 5.
Lorsque l’utilisation d’une sonde d’eau sortante 7 est prévue pour mesurer la températureT ECS d’eau sortante, il est possible de renouveler régulièrement la phase de calibration, par exemple une fois par mois, de sorte à mettre à jour le coefficient k, la températureT ECS de l’eau sortante pouvant varier au cours du temps. On s’assure ainsi d’avoir, à tout instant, une estimation précise du coefficient k malgré de telles variations.
Selon une mise en œuvre du procédé, on connaît, préalablement à la phase de calibration, un temps minimum nécessaire au chargement du chauffe-eau 1, par exemple suite à la réalisation d’essais. On détecte alors un état chargé du chauffe-eau 1 lorsque le temps écoulé depuis l’initiation du chargement excède ce temps minimum nécessaire. Cette mise en œuvre permet notamment la détection d’un état chargé du chauffe-eau 1 lorsqu’un unique capteur 5 est placé sur la surface externe de la peau 11.
Alternativement, et uniquement lorsqu’au moins deux capteurs 5 ont été placés sur la surface externe de la peau 11, on peut définir un écart maximal de température mesurée, de sorte que toute différence entre deux températuresTp e mesurées par deux capteurs quelconques soit inférieure à cet écart maximal prédéfini. En effet, lorsque le chauffe-eau est dans son état intégralement chargé, les températuresTp e mesurées par les différents capteurs sont nécessairement proches.
L’invention concerne en outre un procédé d’estimation d’un volume d’eau chaude sanitaireV T contenue dans un chauffe-eau 1 contenant un volume total d’eau. Selon une convention connue de l’homme du métier, il est commun de définir un tel volume d’eau chaude comme étant le volume total d’eau dont la température est supérieure à une valeur seuilT seuil prédéfinie. Dans l’état chargé du chauffe-eau 1, ce volume d’eau chaudeV T est équivalent ou supérieur au volume total contenu dans le chauffe-eau 1.
Le procédé d’estimation d’un volume d’eau chaude sanitaire comprend une première étape de mise en œuvre du procédé d’estimation de température défini précédemment, de sorte à estimer une valeur de températureT i de l’eau dans une pluralité de couches horizontales du volume total contenu dans le chauffe-eau. Ainsi, certaines couches auront une températureT i estimée supérieure ou égale à la valeur seuilT seuil , et d’autres couches auront une températureT i estimée inférieure à la valeur seuilT seuil .
Le procédé comprend une deuxième étape, durant laquelle le volumeV T d’eau chaude sanitaire est estimé uniquement en fonction des couches dont la températureT i est supérieure ou égale à la valeur seuil Tseuil.
Plus particulièrement, le volumeV T d’eau chaude sanitaire est estimé au moyen d’une fonction poids (ou somme pondérée) dans laquelle on somme les volumes des couches dont la température est supérieure ou égale à la valeur seuilT seuil , en leur affectant un coefficient augmentant avec leur température. Ceci traduit en termes mathématiques le fait que l’eau chaude par exemple à 40°C, définie comme étant l’eau à la température seuil Tseuil, est obtenue en mélangeant de l’eau froide par exemple à 20°C et de l’eau chaude par exemple à 65°C issue de l’une des couches dont la température est supérieure à T seuil . Ainsi, pour deux couches C1 et C2 de même volume et de températures respectivesT1etT2où
On obtiendra un plus grand volume d’eau chaude grâce à la couche C1 que grâce à la couche C2. L’utilisation d’une somme pondérée permet ainsi une estimation du volume d’eau chaude sanitaire qui tient compte de l’utilisation réelle qu’un usager pourra en faire.
Selon une mise en œuvre particulière du procédé, le volume d’eau chaude sanitaire contenue dans le chauffe-eau 1 sera obtenu au moyen de la fonction de poids suivante :
oùietnreprésentent, respectivement, chaque couche horizontale et le nombre total de couches horizontales comprenant de l’eau chaude présentant une température supérieure ou égale à la valeurT seuil ,Viest le volume d’eau de la couchei,Tiest la température de la coucheietT EF est une température de l’eau froide entrant dans le chauffe-eau 1. À cet effet, on peut :
- soit effectuer une mesure de la température de l’eau froideT EF au moyen d’une sonde d’eau froide (non représentée sur les figures) placée sur l’entrée d’eau 3. Ceci présente l’avantage d’assurer une estimation précise, à tout instant, de la température d’eau froideT EF.
- soit effectuer une mesure de la températureT EF d’eau froide par le biais d’un des capteurs 5 disposés sur la surface externe de la peau 11. On met ainsi en œuvre l’hypothèse selon laquelle les températuresTp e mesurées par les capteurs 5 sont égales à la température d’eau froide rentranteT EF lorsque le chauffe-eau 1 avant l’initiation d’un chargement du chauffe-eau 1.
- soit estimer la température de l’eau froideT EF ,par exemple en fonction de données d’heure et de date et/ou de coordonnées géographiques de la localisation du chauffe-eau 1. Ceci permet de s’affranchir de l’utilisation d’une sonde additionnelle pour mesurer la température de l’eau froideT EF.
Le volume total du chauffe-eau est généralement connu en fonction du modèle de chauffe-eau concerné. Lorsque ce n’est pas le cas, l’utilisateur peut effectuer une mesure d’un périmètre et d’une hauteur du chauffe-eau de façon à estimer son volume. Le cas échéant, on peut prévoir une interface homme machine 14 permettant à l’utilisateur de préciser de telles données.
L’invention porte en outre sur un procédé d’analyse de l’entartrement d’un chauffe-eau 1 à un instant donné.
L’entartrement d’un chauffe-eau 1, correspondant à la formation d’un dépôt de calcaire en partie basse de la cuve 13, sur la résistance électrique 10 et sur la paroi interne de la cuve 13, par solidification, sous l’effet de la chaleur, de sels minéraux contenus dans l’eau potable – notamment du calcium et du magnésium. L’entartrement réduit le volume de la cavité interne de la cuve 13 disponible pour le stockage d’eau chaude sanitaire, et augmente le temps nécessaire au ballon lors d’un chargement pour atteindre l’état intégralement chargé car il ajoute une résistance thermique entre la résistance électrique chauffante et l’eau de la cuve. Il est donc possible de mettre en évidence un entartrement en identifiant une dérive du temps de chargement nécessaire.
À cet effet, le procédé d’analyse de l’entartrement d’un chauffe-eau à un instant donné proposé comprend les étapes suivantes :
- estimation d’un premier intervalle de temps nécessaire pour chauffer un volume d’eau dans le chauffe-eau 1 lorsque le chauffe-eau n’est pas entartré ;
- estimation d’un deuxième intervalle de temps nécessaire pour chauffer le même volume d’eau dans le chauffe-eau 1 à l’instant donné ;
- comparaison du premier intervalle de temps et du deuxième intervalle de temps ;
chacun du premier et du deuxième intervalle de temps correspondant à un intervalle de temps nécessaire pour qu’une température du volume d’eau chaude dans le chauffe-eau 1 estimée au moyen du procédé d’estimation de la température selon l’invention soit supérieure à une valeurT seuil prédéfinie.
Il est possible, pour un chauffe-eau existant, de ne pas pouvoir estimer un premier intervalle de temps nécessaire au chargement avant entartrement, si le chauffe-eau 1 est déjà entartré. Dans ce cas, on peut effectuer une pluralité de mesures d’un laps de temps réel nécessaire au chargement du chauffe-eau 1, par exemple un nombre de mesure donné par jour sur plusieurs jours, puis étudier l’augmentation du temps de chargement. Une augmentation significative du temps nécessaire au chargement permettra ainsi de caractériser un entartrement du chauffe-eau 1.
On pourra notamment définir une différence de temps de chargement au-delà de laquelle on estime qu’un entartrement du chauffe-eau 1 est caractérisé.
L’invention porte en outre sur un kit pour chauffe-eau, comprenant un boîtier 4 et au moins un capteur 5, le capteur 5 étant apte à mesurer une températureTp e de la surface externe de la peau 11 du chauffe-eau 1 et à recevoir des mesures effectuées par le capteur 5.
Selon un mode de réalisation, le boîtier 4 comporte l’interface homme-machine 14 permettant à l’utilisateur de rentrer des données relatives au chauffe-eau 1, telles que, non limitativement, le périmètre et la hauteur mesurés du chauffe-eau 1 nécessaires à un calcul de volume selon le procédé proposé ou le volume de la cuve 13 quand cette valeur est connue.
Selon un mode de réalisation, le boîtier 4 est apte à mettre en œuvre le procédé d’estimation de la température de l’eau chaude sanitaire selon l’invention.
Le boîtier 4 peut comprendre une interface de communication propre à émettre un signal contenant des données représentatives de valeurs de températures mesurées par le capteur 5 à un serveur distant 8. Ainsi, ces données pourront faire l’objet d’un traitement et/ou être transmises à un terminal portatif 9, par exemple mais non limitativement un ordinateur, un téléphone portable ou une tablette.
Le boîtier 4 peut également comprendre une mémoire locale apte à stocker, au moins temporairement, les données représentatives de valeurs de températures mesurées par le capteur 5.
Selon un mode de réalisation, le boîtier 4 peut également être apte à envoyer une notification au terminal portatif 9. Une telle notification peut notamment être envoyée pour alerter un usager que le volume d’eau chaude disponible dans le chauffe-eau 1 passe en-dessous d’un volume prédéfini. Ainsi, un usager se trouvant à distance de son domicile ou dans une pièce ne comprenant pas le chauffe-eau 1 pourra être alerté qu’il risque de se trouver à court d’eau chaude sanitaire.
Selon un mode de réalisation, avantageusement complémentaire du précédent, le boîtier 4 est apte à recevoir de la part du terminal portatif 9 un signal, notamment une commande de mise en marche et/ou d’arrêt. Ainsi, l’usager pourra initier un chargement du chauffe-eau 1 à distance, notamment après réception d’une notification émanant du boîtier 4 lui signalant que le volume d’eau chaude restant est en-dessous d’un seuil prédéfini. Un usager qui quittera son domicile pendant un ou plusieurs jours pourra ainsi s’assurer d’avoir suffisamment d’eau chaude sanitaire à son retour pour les utilisations urgentes qu’il souhaite en faire.
Selon un mode de réalisation, le terminal portatif 9 comprend une application apte à gérer les communications avec le boîtier 4. Le terminal portatif 9 pourra alors comprendre une deuxième interface homme machine 14’, soit lorsque le boîtier 4 ne comprend pas d’interface homme-machine, soit complémentairement avec l’interface homme-machine 14 du boîtier 4. L’usager pourra donc bénéficier d’une interface homme-machine fluide lors de la réception de données de la part du boîtier 4 et/ou de l’envoi d’un signal au boîtier 4 depuis le terminal portatif 9.
L’invention concerne en outre un ensemble comprenant :
- un chauffe-eau 1 comprenant :
i. une cuve 13, la cuve comprenant une paroi délimitant une cavité interne propre à contenir un volume d’eau à chauffer,
ii. une enveloppe 12 en matériau isolant entourant la cuve 13 et
iii. une peau 11 entourant l’enveloppe 12 en matériau isolant ;
- un capteur 5 placé en contact avec une surface externe de la peau 11 et
- un boîtier 4 apte à recevoir des mesures effectuées par le capteur 5 et à mettre en œuvre le procédé d’estimation de la température de l’eau chaude sanitaire selon l’invention.
Additionnellement, le chauffe-eau 1 peut comprendre un actionneur 15 pouvant assurer une autorisation et/ou une interdiction de charge du chauffe-eau 1. Ceci permet de prévoir une autorisation de charge automatisée, notamment lorsque le volume d’eau chaude calculé dans le ballon est faible et qu’on anticipe une pénurie d’eau chaude. Ceci permet également de prévoir une interdiction de charge, notamment lorsque le réseau électrique est saturé et qu’il est nécessaire de diminuer la consommation des utilisateurs. On peut alors décaler la consommation et prévoir une autorisation de charge automatique plus tard dans la journée, auquel cas l’actionneur 15 pourra être piloté par une horloge de programmation. L’actionneur 15 peut également effectuer une interdiction de charge afin d’éviter les pertes dues à une consommation d’énergie pour maintenir la température de l’eau chaude, consommation dite de maintien, après une détection de la saturation de la charge du ballon.
L’invention trouve d’autres applications permettant l’amélioration des services disponibles pour l’usager. Une liste non exhaustive de ces applications comprend :
- une détection d’un soutirage d’eau chaude, par calcul de la température de l’eau dans la cavité interne de la cuve 13 et mise en évidence d’une augmentation brutale jusqu’à une valeur supérieure à une valeur seuilT seuil prédéfinie ;
- un calcul périodique, par exemple journalier, d’un volume d’eau chaude sanitaire consommée ;
- un bilan de pertes thermiques, en comparant une consommation énergétique du chauffe-eau 1 avec une énergie effective calculée en fonction du volume d’eau sanitaire chauffée et de l’augmentation de la température de ce volume ;
- une gestion de la recharge du chauffe-eau afin de laisser une capacité prédéfinie pour le stockage d’eau chaude chauffée grâce à une énergie électrique non stockable. Par exemple, un utilisateur générant sa propre énergie électrique au moyen de panneaux photovoltaïques pourra ainsi s’assurer de ne pas perdre d’énergie en utilisant celle-ci pour chauffer un volume d’eau qui pourra être stocké dans le chauffe-eau 1. Il peut alors être intéressant de prévoir que l’actionneur 15 autorise une charge automatique du chauffe-eau 1 lorsqu’il est nécessaire de stocker de l’énergie électrique.
- une alerte à l’utilisateur lorsque la température de l’eau chaude sanitaire contenue dans le chauffe-eau 1 est supérieure à une valeur nécessaire à l’utilisateur, de sorte à éviter des dépenses superflues d’énergie pour le chauffage de l’eau.
Les figures 5a et 5b illustrent respectivement un montage expérimental et les résultats associés, correspondant à une expérience effectuée par les inventeurs pour confirmer le fonctionnement et la fiabilité du procédé de calcul de température selon l’invention.
Trois séries de capteurs 31-33 ont été positionnées sur la surface externe de la peau d’un chauffe-eau électrique, respectivement à trois hauteurs. Le chauffe-eau comprenait une cuve de 200L,. Chaque série de capteurs 31-33 comprenait trois capteurs placés à des intervalles de 120° le long du périmètre du chauffe-eau. En référence à l’équation 3, Les températuresTp i calculées sur la base des mesuresTp e effectuées par les capteurs 31-33 ont été comparées à des températures relevées grâce à plusieurs sondes 35 préinstallées sur la paroi interne de la cuve, et permettant ainsi de mesurer les températuresTp i de la paroi interne.
Sur la , les courbes I-III représentent les mesures de température interneTp i effectuées directement par les sondes 35, respectivement pour les sondes 35 disposées en regard des séries de capteurs basse 31, intermédiaire 32 et haute 33. Les courbes i-iii représentent quant à elles les températuresTpicalculées sur la base des mesuresTp e effectuées par les capteurs 31-33.
L’expérience ainsi réalisée a montré que les capteurs 31-33 restituaient une image fiable de la température interne de la cuve, et permettaient en outre d’identifier des évènements de soutirage d’eau chaude.
Claims (14)
- Procédé de mesure indirecte d’une température de l’eau chaude dans un chauffe-eau (1), le chauffe-eau comprenant une cuve (13) comprenant une paroi délimitant une cavité interne propre à contenir un volume d’eau à chauffer, une enveloppe (12) en matériau isolant entourant la cuve (13) et une peau (11) entourant l’enveloppe (12) en matériau isolant, le procédé comprenant des étapes de :
- mesurer une température (Tp e ) de la peau (11) au moyen d’un capteur (5) positionné en contact avec une surface externe de la peau (11),
- déterminer une température de l’eau contenue dans la cavité interne en fonction de la température (Tp e ) mesurée de la peau (11) et d’une température (T air ) de l’air ambiant autour du chauffe-eau (1). - Procédé selon la revendication 1, dans lequel la température d’air ambiant (T air ) est mesurée au moyen d’une sonde d’air ambiant (6).
- Procédé selon l’une des revendications 1 ou 2, dans lequel le volume d’eau contenu dans la cavité interne est modélisé comme un empilement de plusieurs couches horizontales, et dans lequel pour chaque couche d’un premier sous-ensemble de couches (21) de l’empilement, une température de la couche est mesurée au moyen d’un capteur (5) respectif placé en contact avec la surface externe de la peau (11), en regard de la couche horizontale.
- Procédé selon la revendication 3, dans lequel pour chaque couche d’un deuxième sous-ensemble de couches (22) distinct du premier sous-ensemble de couches (21), la température de l’eau dans la cavité interne est estimée par interpolation ou extrapolation à partir des températures mesurées pour les couches du premier ensemble de couches (21).
- Procédé selon l’une des revendications 1 à 4, dans lequel la température (Tp i ) de l’eau dans la cavité interne du chauffe-eau (1) ou dans une couche horizontale du premier ensemble de couches (21) est déterminée selon l’équation :
oùkest un coefficient déterminé pour chaque capteur (5),Tp e est la température mesurée sur la surface externe de la peau etT air est la température de l’air ambiant. - Procédé selon la revendication 5, comprenant une phase de calibration au cours de laquelle le coefficientkpour chaque capteur (5) est déterminé selon les étapes successives suivantes :
- détection d’un état chargé du chauffe-eau (1) ;
- détection d’un soutirage d’eau lorsqu’une température d’eau chaude sanitaire sortant du ballon (T ECS ), mesurée par une sonde d’eau sortante (7) positionnée le long d’une sortie d’eau (2) du chauffe-eau (1), augmente brutalement jusqu’à une température seuil prédéfinie (T seuil ) ;
- obtention de la température d’eau chaude sanitaire sortant du ballon (T ECS ) ;
- initiation d’un enregistrement des températures (Tp e ) mesurées par les capteurs (5), et de la température de l’air ambiant (T air ) autour du chauffe-eau (1) ;
- calcul du coefficient k pour chaque capteur (5) au moyen de l’équation :
- Procédé selon la revendication 6, dans lequel le chauffe-eau (1) est considéré comme étant dans l’état chargé lorsqu’un chargement du chauffe-eau en eau chaude a été effectué pendant un laps de temps supérieur à un temps minimum nécessaire au chargement du chauffe-eau (1).
- Procédé d’estimation du volume d’eau chaude (V T ) contenue dans un chauffe-eau (1) contenant un volume total d’eau, le volume d’eau chaude étant défini comme le volume de l’eau présentant une température supérieure ou égale à une valeurT seuil , comprenant les étapes de :
- estimer une valeur de température de l’eau dans chaque couche d’une pluralité de couches horizontales du volume total d’eau, au moyen du procédé selon l’une des revendications 3 à 7,
- estimer le volume d’eau chaude dans le chauffe-eau (1) en fonction :
i. d’un volume de chaque couche horizontale comprenant de l’eau chaude présentant une température supérieure ou égale à la valeurT seuil
ii. de la température estimée de chaque couche horizontale comprenant de l’eau chaude présentant une température supérieure ou égale à la valeurT seuil
iii. d’une température d’eau froide entrant dans le chauffe-eau. - Procédé selon la revendication 8, dans lequel le volume d’eau chaude (V T ) contenue dans le chauffe-eau est obtenu au moyen de l’équation :
- Procédé d’analyse de l’entartrement d’un chauffe-eau (1) à un instant donné, comprenant les étapes suivantes :
- estimation d’un premier intervalle de temps nécessaire pour chauffer un volume d’eau dans un chauffe-eau lorsque le chauffe-eau n’est pas entartré ;
- estimation d’un deuxième intervalle de temps nécessaire pour chauffer le même volume d’eau dans le chauffe-eau à l’instant donné ;
- comparaison du premier intervalle de temps et du deuxième intervalle de temps, une augmentation du temps nécessaire pour chauffer le volume d’eau étant indicatif d’un entartrement du chauffe-eau ;
chacun du premier et du deuxième intervalle de temps correspondant à un intervalle de temps nécessaire pour qu’une température du volume d’eau chaude dans le chauffe-eau (1) estimée au moyen du procédé selon l’une des revendications 1 à 7 soit supérieure à une valeurT seuil prédéfinie. - Kit pour chauffe-eau, comprenant :
- un boîtier (4),
- un capteur (5),
le capteur étant apte à mesurer une température (Tp e ) de la surface externe d’une peau (11) du chauffe-eau (1), le boîtier étant apte à recevoir des mesures effectuées par le capteur (5), le boîtier (4) étant en outre apte à mettre en œuvre le procédé d’estimation de la température de l’eau chaude selon l’une des revendications 1 à 7. - Kit selon la revendication 11, le boîtier (4) comprenant une interface de communication propre à émettre un signal contenant des données représentatives de valeurs de température mesurées par le capteur (5) à un serveur distant (8) pour que les données soient analysées et/ou transmises à un terminal portatif (9).
- Kit selon la revendication précédente, le boîtier (4) étant en outre apte à envoyer une notification au terminal portatif (9) lorsque le volume d’eau chaude sanitaire disponible dans le chauffe-eau (1) passe en dessous d’un volume prédéfini, et/ou le boîtier étant apte à recevoir une commande à distance de mise en marche du chauffe-eau émanant du terminal portatif (9).
- Ensemble comprenant
- un chauffe-eau (1) comprenant :
i. une cuve (13), la cuve comprenant une paroi délimitant une cavité interne propre à contenir un volume d’eau à chauffer,
ii. une enveloppe (12) en matériau isolant entourant la cuve (13) et
iii. une peau (11) entourant l’enveloppe (12) en matériau isolant ;
- un capteur (5) placé en contact avec une surface externe de la peau (11) et
- un boîtier (4) apte à recevoir des mesures effectuées par le capteur (5) et à mettre en œuvre le procédé d’estimation de la température de l’eau chaude selon l’une des revendications 1 à 7.
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- 2022-12-21 FR FR2214030A patent/FR3144264A1/fr active Pending
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