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Commande d'un chauffage électrique
par ordinateur
Chauffage électrique
La régulation de température d'une maison chauffée par une installation de chauffage central est relativement simple car on dispose de plusieurs systèmes de régulation. On peut par exemple diminuer la température de l'eau de la chaudière quand la température de consigne est pratiquement atteinte pour obtenir une bonne régulation sans dépassement. S'il n'est pas possible d'utiliser un tel système de régulation (avec modulation de la puissance), il faut faire appel à une commande prédictive, c'est le cas si on ne dispose que d'une commande tout ou rien.

Il y a 18 ans, se chauffer à l'électricité était considéré comme une alternative valable. On croyait à cette époque que les réserves de gaz étaient en train de s'épuiser et qu'il n'y aurait bientot plus de pétrole. L'électricité semblait alors l'énergie de l'avenir, avec les éoliennes et les panneaux solaires qui seraient de plus en plus performants. Or 18 ans plus tard, chauffer à l'électricité est devenu extrèmement cher, tandis que le pétrole est à son niveau le plus bas. C'est pas qu'on n'a pas investi dans les panneaux solaires et les éoliennes, au contraire. Tous les frais accessoires qui s'ajoutent au prix du kW servent en fait à rembourser les panneaux solaires du voisin.

Chauffer à l'électricité n'est interessant que pour ceux qui ont énormément de panneaux solaires et produisent donc beaucoup plus qu'ils ne consomment. Il faut donc consommer le surplus. Comme les compteurs actuels ne totalisent que pas année, il ne tiennent pas compte que tu as produit ton éléctricité au prix plancier (moins d'un centime le kW) alors que tu le consomme au tarif de pointe (le matin quand tout le monde chauffe la salle de bain et fait couler l'eau chaude).

Différence avec un chauffage central

Lors de l'achat de ma maison, mon premier choix était une maison avec chauffage électrique. Mon premier système de commande du chauffage par ordinateur était donc pour un chauffage électrique. Le logiciel était pratiquement prêt, mais j'ai alors trouvé une meilleure habitation avec garage et chauffage central au mazout.

L'apport de chaleur était controlé par une modulation de la puissance. Je n'utilise pas un triac avec modification de l'angle de conduction (qui produit des harmoniques et est interdit pour les puissances élevées). J'utilise une commande cyclique (période d'une minute) dont je modifie le rapport: 100% - 83% - 66% - 50% ... au fur et à mesure que la température mesurée s'approche de la température de consigne. Contrairement aux relais, les triacs peuvent effectuer des milliers de cycles arrêt-marche. J'utilise une combinaison opto-coupleur + triac (solid state relais).

Les appareils de chauffage électrique du commerce sont équipés d'un thermostat qui se trouve près de l'élément chauffant, ce qui produit une réduction de puissance quand la température de consigne est pratiquement atteinte (par arrêt et remise en route). Un système identique est d'application dans les thermostats mécaniques d'ambiance (thermostats à bilame) où une petite résistance apporte un peu de chaleur supplémentaire quand le chauffage est en fonction. Nous devons imiter ce système avec notre commande électronique.

Besoins

Nous avons besoin d'une sonde de température externe pour corriger la température à l'intérieur. Ce n'est pas obligatoire, mais cela ajoute au confort d'utilisation.

Chaque pièce qui doit être chauffée dispose d'une sonde de température. Comme élément de commande, nous utilisons un contacteur statique (solid state relay) qui ne s'use pas (ce qui est important pour un relais qui est commuté environ mille fois par jour), qui peut commander des charges importantes (surtout si elles sont purement ohmiques comme c'est le cas ici). La commutation s'effectue lors du passage à zéro: il n'y a donc pas de parasites.

Les radiateurs électriques sont commandés en groupe ou individuellement (un relais statique par radiateur). La commande individuelle permet de mieux moduler la puissance, par exemple 1000, 2000 ou 3000W selon la demande en chaleur.

Boucle de régulation fermée

Une boucle de régulation qui n'est pas fermée est comparable à la pédale de gaz d'une auto qui n'a que deux positions: ralenti ou plein gaz. Pour atteindre la vitesse de croisière, tu donnes des gaz au maximum, puis tu relâche la pédale, tu appuie à nouveau à fond,... Un tel système de régulation n'apporte que peu de confort aux passagers!

Il est possible de doser parfaitement la puissance avec une boucle de régulation fermée. Dans une auto, on injecte la quantité exacte de carburant, alors que l'injecteur fonctionne en tout ou rien. On dose le carburant en variant la durée d'ouverture.

Pour avoir une bonne régulation, il faut une boucle de régulation fermée qui réponde le plus linéairement possible. Le chauffage qui est mis en route et stoppé forme une interruption dans la boucle de régulation. Au lieu d'allumer ou d'éteindre le chauffage, nous allons en moduler la puissance, et donc avoir un transfert de fonction linéaire. En pratique, nous réduisons la puissance de chauffe quand la température demandée est presque atteinte. Nous travaillons avec un cycle d'une minute, et à chaque cycle nous calculons le temps de fonctionnement du cycle suivant.

  1. Avec un élément chauffant unique: nous utilisons une période d'une minute et la durée de fonctionnement est de 0 - 10 - 20 - 30 - 40 - 50 ou 60 secondes par minute.
  2. Avec un chauffage disposant de plusieurs éléments (par exemple 1000 et 2000W), nous déterminons quels éléments doivent fonctionner et combien de secondes par minute.
  3. Si on utilise plusieurs chauffages identiques dans une pièce, on les enclenche selon un algoritme "round robin" pour éviter qu'un élément ne chauffe plus qu'un autre.

Demande de chaleur:
Température de consigne

Température mesurée
Pourcentage de temps en fonction

Chauffage à
une puissance

Puissance si le chauffage
dispose de plusieurs
éléments chauffants
Puissance effective par cyle
(1 minute)
Exemple pour une
puissance totale de 3000W
<= -1100%2000W à 100%, 1000W à 100%3000W
-0.883%2000W à 100%, 1000W à 50%2500W
-0.667%2000W à 100%, 1000W à l'arrêt2000W
-0.450%2000W à 50%, 1000W à 50%1500W
-0.233%2000W à l'arrêt, 1000W à 100%1000W
0.017%2000W à l'arrêt, 1000W à 50%500W
>= +0.20%2000W à l'arrêt, 1000W à l'arrêt0W

On chauffe à 67% pour une demande de chaleur de 0.7°C.
  1. Avec un chauffage unique, on allume le chauffage pendant 40 secondes par minute.
  2. Avec un chauffage unique avec deux éléments chauffants, on allume l'élément de 2000W et on éteint l'élément de 100W.
  3. Si le local dispose de trois chauffages de 1000W, on éteint un des trois chauffages toutes les 20 secondes (il y a toujours 2 appareils en fonction).
La puissance dissipée est de 67% dans les 3 cas.

L'exemple nous montre que la température demandée ne sera jamais atteinte en hiver. Nous avons par exemple besoin de 1500W pour maintenir le local à température. La température va rester 0.5° en deçà de la température de consigne, alors que les habitants veulent un supplément de chaleur quand il fait froid. C'est pour cela qu'une sonde extérieure est utile. Nous ajoutons via le logiciel 1 degré à la température de consigne quand il y a une température extérieure de 0° (établissez vous-même le tableau de compensation).

Réalisation pratique du logiciel

Nous utilisons une période d'1 minute. A chaque minute, nous calculons la demande en chaleur de chaque local et donc la puissance nécessaire. La demande en chaleur est la température de consigne (corrigée par la température extérieure) moins la température mesurée. Pour la température mesurée, nous utilisons la température de prédiction.

Comment vous réalisez votre bouche de régulation n'a pas d'importance, vous pouvez par exemple déterminer le temps de chauffe à la seconde près. La seule condition est que vous évitez une commande tout ou rien (chauffer à puissance maximale jusqu'à l'obtention de la température de consigne).

Triphasé

Si vous vous chauffez à l'électricité, vous disposez probablement d'un branchement triphasé qui permet une puissance plus élevée. Le branchement triphasé permet un "truc" très interessant.


Branchement en delta
3 × 1000W = 3kW

Branchement en étoile
3 × 333W = 1kW
Un appareil de chauffage en triphasé dispose de 3 résistances identiques. Branchées en étoile, la puissance dissipée est 3 fois moindre que la puissance dissipée en triangle (le neutre ne doit pas être connecté, puisque les résistances sont identiques).

Quand une puissance plus faible est demandée, il vaut donc mieux modifier le branchement des résistances que de les enclencher et déchencher cycliquement. Un fonctionnement continu à moindre puissance use moins les éléments (c'est au moment de la mise sous tension, quand la résistance est relativement froide, que la résistance peut claquer).

De plus, un kilowatt de consommé par toutes les phases à la même puissance coûte moins qu'un kilowatt sur une seule phase (c'est déjà d'application pour les gros consommateurs).

Plus d'informations sur le courant triphasé sur cette page.

Coût

Le chauffage électrique principal n’est envisageable que pour les maisons de vacances ou pour les petits appartements. L’isolation doit en tout cas être parfaite.

Un chauffage au gaz produit par exemple 6kW (chauffage individuel). Avec une telle puissance, il est possible de chauffer une pièce et quand il fait bien chaud on peut distribuer la chaleur vers les autres pièces de l’appartement. La chaudière d’un chauffage central fait au minimum 24kW (chauffage d’une petite maison unifamiliale avec murs mitoyens de chaque coté).

La plupart des chauffages électriques font 2kW: avec une telle puissance il n’est pas possible de chauffer une pièce: ces chauffages sont nommés d’appoint pour une bonne raison: ils sont trop faibles pour chauffer tout l’appartement. Ils peuvent uniquement servir à chauffer la salle de bains.

Les chauffages à accumulation ont une résistance de 3kW et il y a normalement un ou deux chauffages par pièce. Ils accumulent la chaleur pendant toute la nuit à un tarif un peu moins cher que le tarif normal.

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