TP 4.4: Performance énergétique des modes de régulation de chauffage du chalet

Fichier Word:              TP 4.4 Performance énergétique 

I. Présentation

Les habitants de l'appartement du dernier étage veulent optimiser leur surface disponible et souhaite  créer une chambre dans des combles dit non aménageables. Ils font fait appel à une société locale qui leur propose le devis suivant :

I.1 Devis du projet

Transformation charpente : 3758 euros HT. Exécution d’une ferme traditionnelle en sapin traité constituée de : entrait, arbalétriers, poinçon, entrait retroussé, jambes de force. -Tous ces bois assemblés, boulonnés et chevillés suivant la méthode traditionnelle. -Fourniture  et pose de pannes scellées en pignon et fixées sur arbalétriers par étriers métalliques. -Fixation des arbalétriers de fermette sur pannes. -Suppression des bois inutiles. -Exécution d’un  solivage en sapin traité. -Fourniture et pose d’un plancher en dalles agglomérées.	Doublage isolation : 3219 euros HT Exécution d’un solivage en sapin traité pour plafond horizontal Exécution d’un plafond horizontal et rampant ainsi que des redressements en plaques de plâtre typeBA13 vissées sur ossature métallique compris joints et interposition d’un matelas de laine de verre ép. 200mm avec pare vapeur	Eectricité chauffage : 260 euros HT. Fourniture et pose d’un appareil de chauffage électrique « rayonnant » compris thermostat numérique incorporé, puissance 2000 Watts.

I.2 Dimensionnement de la pièce

I.3 Exemple de technique d’isolation et de doublage

II. Calcul simplifié des déperditions dans la nouvelle pièce

II.1 Calcul des résistances thermiques

2.1.1. Laine de verre. Calculer  la  résistance  thermique,  Rthlv   (en m2.K/W)  de  la  laine  de  verre,  sachant  que  la conductivité thermique de ce matériau est λ=0,041 W/m.K :
2.1.2. BA13 (Plaque de plâtre de  13 MM). Calculer  la  résistance  thermique,  RthBA13   (en m2.K/W)  des  plaques  de  plâtre,  sachant  que conductivité thermique de ce matériau est λ=0,7 W/m.K :

II.2 Calcul des surfaces d'échanges

A partir du plan de la page2, calculer les surfaces S1, S2, S3 et S4

II.3 Calcul des coefficients de transmission thermique U (en W/m².K)

Calculer le coefficient de transmission thermique de chaque surface U en W/m^².K. Compléter le tableau suivant :      

Pour la brique creuse on prendra Rth_brique=0,4 m^².K/W

Surfaces	coefficients de transmission thermique, U en W/m².K
S1(BA13+laine de verre)	U= 1/R=λ/e
S2 (BA13+laine de verre)
S3 (BA13+laine de verre)
S4 (BA13+laine de verre+brique creuse)

II.4 Calcul des coefficients de transmission thermique U (en W/m².K)

En utilisant les réponses aux questions 2.2 et 2.3, calculer le coefficient de déperdition thermique H de la totalité des parois (en W/K) :

                       avec b=1 car la déperdition thermique va directement sur l’extérieur

III. Etude de la régulation en T.O.R

III.1 Compréhension du schéma réalisée sous PSIM

- Repérer sur le schéma :

La chaine d'énergie (en rouge)

La chaine d’information (en vert)

La déperdition (échange avec l’extérieur) (en noir)

Le radiateur de la pièce

 - Que représente le bloc H(s)

III.2 Simulation sous PSIM

Démarrer le logiciel PSIM. Ouvrir le fichier régulation T.O.R de température.psimch se trouvant sous Intranet

Paramétrer le schéma avec les valeurs fournies dans le devis (puissance du radiateur) et celle calculée (coefficient de déperdition thermique).

III.3 Essai avec cumul de DJU=2200 (pour un hiver doux)

On utilise les degrés-jours-unifiés (DJU) pour évaluer la consommation d’énergie pour le chauffage d’une maison. Pour chaque jour le nombre de DJU est calculé en faisant la différence entre la température de référence (18°C) et la moyenne des températures minimale et maximale de ce jour. Les DJU sont additionnés sur la période de chauffage de 232 jours (du 1er Octobre au 20 Mai).

 III.3.1 Calculer la température extérieure moyenne, T_ext, pour la période de chauffe à l’aide de la formule suivante : DJU= (18-Text) × 232.. Régler T_ext sur le schéma.

III.3.2 Simuler le fonctionnement et relever l’évolution de la température dans la pièce en fonction du temps.

III.3.3 Mesurer sur le relevé les températures maximale T_max et minimale T_min en régime établi.

III.3.4 En déduire la température moyenne T_moy dans la pièce

III.1.5 Relever l’évolution de la puissance électrique en fonction du temps.

III.3.6 Déterminer sur le relevé le rapport cyclique α (temps de conduction divisé par la période)

III.3.7 En déduire la puissance moyenne P_moy consommée, ainsi que l’énergie consommée (en kWh)

 III.4 Essai avec cumul de DJU=3000 (pour un hiver rude)

III.4.1 Calculer la température extérieure moyenne, T_ext, pour la période de chauffe; Régler T_ext sur le schéma.

III.4.2 Simuler le fonctionnement et relever l’évolution de la température dans la pièce en fonction du temps.

III.4.3 Mesurer sur le relevé les températures maximale T_max et minimale T_min en régime établi.

III.4.4 En déduire la température moyenne T_moy dans la pièce.

III.4.5 Relever l’évolution de la puissance électrique en fonction du temps

III.4.6 Déterminer sur le relevé le rapport cyclique α (temps de conduction divisé par la période)

III.4.7 En déduire la puissance moyenne P_moy consommée, ainsi que l’énergie consommée (en kWh)

 

 IV. Etude de la régulation intégrale PI

Ouvrir  le  fichier  régulation  proportionnelle  intégrale  de  température.psimsch. Paramétrer  le schéma avec les valeurs fournies dans le devis (puissance du radiateur) et celle calculée (coefficient de déperdition thermique).

IV.1 Essai avec cumul de DJU=2200 (pour un hiver doux)

Régler T_ext sur le schéma.

4.1.1 Réglage de l’action proportionnelle

Pour le réglage du gain proportionnel, on utilise les relevés effectués en régulation T.O.R :

 

Pour calculer la bande proportionnelle théorique, on utilise la formule : Bpthéorique(%) = (A/E) *100 où A représente l’amplitude des oscillations et E est l’échelle de mesure du régulateur (ici 0/100°C).

 a. Calculer la bande proportionnelle Bp _théorique% :

En pratique, on prendra Bp plus grand pour éviter les oscillations : Bp = 4×Bp théorique (la bande proportionnelle correspond à l'inverse du gain proportionnel)

b. Calculer la bande proportionnelle Bp 

c. Régler le gain du correcteur PI : Attention sur le schéma il faudra rentrer la valeur gain=100/Bp.

 

4.1.2. Réglage de l’action intégrale

Le réglage de la constante de temps de l'action intégrale se fait suivant le critère de Ziegler-Nichols

Ti théorique= T                    où T représente la période d'oscillation en régulation T.O.R.

a. Mesurer la valeur de T

En pratique, on augmente cette valeur pour éliminer un éventuel dépassement : Ti = 1,5 × Ti théorique.

b. Calculer la constante de temps Ti.

c. Régler la constante de temps du correcteur P Simuler le fonctionnement et relever l’évolution de la température dans la pièce en fonction du temps.

d. Mesurer sur le relevé la température en régime établi.

e. Relever l’évolution de la puissance électrique en fonction du temps.

f. En déduire la puissance moyenne P_moy consommée, ainsi que l’énergie consommée (en kWh) pour la période de chauffe.

 IV.1 Essai avec cumul de DJU=3000  (pour un hiver rude)

Régler T_ext sur le schéma.

a. Simuler le fonctionnement et relever l’évolution de la température dans la pièce en fonction du temps

b. Mesurer sur le relevé la température en régime établi.

c. Relever l’évolution de la puissance en fonction du temps.

d. En déduire la puissance moyenne P_moy consommée, ainsi que l’énergie consommée (en kWh) pour la période de chauffe. 

V. Comparaison et analyse des résultats

     1. Reporter dans le tableau ci-dessous les données des questions précédentes :  

2. Conclure sur l’intérêt d’un mode de régulation par rapport à l’autre. Développer votre analyse en argumentant avec vos relevés