Chauffage intelligent : KNX et la régulation climatique

Andy Ellis examine les variables impliquées dans la conception d'un système de chauffage faisant appel à la régulation climatique pour assurer un confort et une efficacité maximum.

Le temps semble devenir de moins en moins prévisible. Au cours de ces dernières années, le nombre de jours où des températures inférieures à zéro degré ont été enregistrées chaque année au Royaume-Uni, par exemple, a beaucoup fluctué. En 2020, le nombre de jours par mois de gel à la station a atteint un pic de 7,9 jours au mois de mars. En 2021, le pic a été atteint au mois de janvier, avec 18,5 jours (source: Statista). Un jour de gel correspond à toute journée durant laquelle la température minimale est inférieure à zéro degré.

Dans notre quête d'efficacité et de confort, nous devons atténuer ces fluctuations et nous pouvons y arriver en faisant appel à la régulation climatique.

Quelle est la différence entre la régulation climatique et le simple fait de se fier à un thermostat ?

Normalement, la production de chaleur d'une source de chaleur est réduite pendant les mois d'été et augmente au fur et à mesure que le temps se refroidit. Pendant les périodes de froid, les pertes sont plus importantes dans le bâtiment et une plus grande quantité d'énergie est donc nécessaire pour maintenir la température de consigne à l'intérieur.

Lorsque nous utilisons la régulation climatique, notre principal souci est d'assurer le confort du client en maintenant la température interne de la maison aussi proche que possible du point de consigne pendant de longues périodes. Et la régulation a pour conséquence de rendre la plupart des systèmes plus efficaces.

La régulation de pièce (ou de charge) à l'aide de méthodes PI (proportionnelle intégrale) ou MLI (modulation de largeur d'impulsion) et de thermostats d'ambiance individuels est un excellent moyen de maintenir des températures de consigne régulières, mais elle a tendance à être réactive et n'est pas influencée par les températures extérieures.

La régulation climatique, en revanche, est proactive. Elle consiste à mesurer la température extérieure et à adapter la puissance de la chaudière avant que la maison n'ait eu le temps de se refroidir. Ce processus n'est bien sûr pas si simple et implique un certain nombre de variables, dont certaines sont en réalité difficiles à déterminer :

• Taux de perte de chaleur en dehors du bâtiment - le bâtiment est-il suffisamment bien isolé ?
• Émetteurs - la chaleur est-elle émise rapidement (radiateurs) ou lentement (plancher) dans le bâtiment ?
• Étanchéité à l'air et circulation de l'air - dans quelle mesure le bâtiment est-il étanche à l'air et comment l'air y circule-t-il ? Les bâtiments équipés d'un système de ventilation mécanique avec récupération de chaleur bénéficieront d'une distribution de chaleur beaucoup plus uniforme.
• Différence de température - au cœur de l'hiver, lorsque les températures descendent en dessous du point de congélation, la différence de température entre l'intérieur et l'extérieur est la plus grande et il faut donc plus d'énergie pour chauffer le bâtiment.
• Mode d'utilisation - le bâtiment est-il utilisé de manière aléatoire ? Si tel est le cas, chauffer le bâtiment à partir d'une température extrême basse pour atteindre une température élevée est bien moins préférable que maintenir une température constante.
• Type de source de chaleur - s'agit-il d'une chaudière à gaz, d'une chaudière à mazout ou d'une pompe à chaleur ? Cette dernière sera plus efficace à différentes charges et, dans le cas des pompes à chaleur air-air, à différentes températures d'air extérieur.
• Minuteurs actifs - un minuteur d'eau chaude ou de chauffage (incluant des changements de mode) déterminera le moment où la chaudière est active ; dans le cas d'une pompe à chaleur air-air, l'efficacité maximale peut être atteinte pendant la journée lorsque les températures d'air extérieur sont plus élevées.
• Satisfaire les demandes de température et atteindre une efficacité maximale - cela peut correspondre à une situation où il faut jongler avec une demande d'eau chaude à 60 °C, suivie d'une demande de chauffage par le sol à 45 °C, par exemple.
• Conception du système de chauffage - collecteur à faibles pertes, réservoir thermique, vitesse de la pompe, vannes mélangeuses - tout cela a une influence sur le fonctionnement du système.

À titre indicatif, le remplacement de commandes thermostatiques de type On/Off par une commande PI peut entraîner un gain d'efficacité de 5 à 15 %. L'ajout de la régulation climatique permet d'obtenir des gains supplémentaires.

Mise en œuvre de la régulation climatique avec KNX

L'utilisation de KNX pour contrôler la régulation climatique exige une réflexion approfondie au stade de la conception. Pour les installations de petites dimensions, la mise en œuvre des fonctions de régulation climatique offertes par le fabricant de la chaudière peut être la solution la plus simple et la plus rentable.

Une interface KNX/OpenTherm donnera aux installateurs l'accès à la mesure de la température extérieure via la chaudière et fournira un retour d'information sur les températures de flux de la chaudière, ainsi qu'un moyen global de gérer les appels de chaleur, à la fois pour le chauffage et l'eau chaude. La polyvalence de KNX s'avère réellement utile au fur et à mesure que le système de chauffage et d'eau chaude prend de l'ampleur et devient plus complexe. Il est possible de concevoir un nombre illimité de différents dispositifs d'entrée et de sortie pour le système, avec la possibilité de fournir une surveillance pour la résolution des problèmes, la maintenance à long terme et les diagnostics.

La conception du chauffage nécessitera des éléments de logique et de nombreux appareils KNX sont désormais dotés de fonctions logiques de base. Cependant, les systèmes plus sophistiqués et de plus grandes dimensions, où les températures de flux peuvent être manipulées directement, nécessiteront peut-être des fonctions logiques PID (proportionnel, intégral, dérivé) et donc un contrôleur logique dédié séparé.

Comme pour tous les projets, vous devrez analyser les rendements. Ce n'est pas chose facile dans le cas de la régulation climatique, car vous avez affaire à de nombreuses inconnues. Un simple calcul de rentabilité devrait toutefois vous permettre de savoir rapidement si la régulation climatique est intéressante dans votre cas.

Conclusion

Dans un système bien conçu, la régulation climatique permet de maintenir la température du bâtiment à un niveau confortable tout au long de l'hiver et d'obtenir un fonctionnement plus efficace. Mais étant donné le nombre de variables qui entrent en jeu, chaque installation devra être faite sur mesure. Le défi consiste à quantifier les gains d'efficacité par rapport à un système ‘non régulé'.

L'un des avantages supplémentaires offerts par l'utilisation de KNX, c'est que vous aurez accès à toutes les informations sur le bus KNX. La mise en œuvre d'un logiciel de surveillance et de représentation graphique permettra d'identifier les tendances et les problèmes à plus long terme. En fin de compte, il est important de réfléchir sérieusement avant de mettre en œuvre un système de régulation climatique et d'être encore plus prudent à propos des gains que l'on pourrait espérer.

Andy Ellis est le fondateur et l'administrateur de Household Automation Ltd et de son entreprise sœur Knxion Ltd, qui fournissent des services de conseil, de conception, d'installation et de suivi en matière d'automatisation du bâtiment à des clients actifs dans le secteur de la construction de propriétés résidentielles et commerciales.

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