Cahier des charges type pour le pilotage d’une chaufferie hybride

On devra définir deux températures :

X°C : température en dessous de laquelle la PAC n’est plus capable de couvrir en puissance le besoin de chauffage. A partir de cette température, PAC et chaudière fonctionne simultanément.

Y°C : température de bascule en dessous de laquelle le kWh de chauffage issu du gaz est moins cher que le même kWh d’origine électrique. Y est une fonction du prix des énergie et du COP de la PAC. Ce COP étant une fonction de la température extérieure ET de la température de génération.

Description des équipements en chaufferie

L’installation que l’on se propose d’étudier est une chaufferie gaz d’un bâtiment que l’on souhaite hybrider par l’installation d’une pompe à chaleur en complément de la chaudière. Cette dernière peut être neuve ou bien conservée pour une rénovation.

Cette chaufferie comporte ainsi :

• Une chaudière gaz modulante, dimensionnée pour couvrir la puissance max appelée
• Une PAC air-eau dimensionnée pour couvrir par exemple 70% des besoins annuels
• Un ballon tampon en série sur le circuit PAC

On étudiera uniquement la production et la distribution de chauffage.

Schéma hydraulique

Le schéma proposé est un exemple de configuration d’installation et ne doit en aucun cas être considéré comme l’unique solution possible au regard des règles de l’art en matière d’hybridation des chaufferies. Des schémas alternatifs peuvent être mis en œuvre.

Stratégie de pilotage et analyse fonctionnelle

L’installation est pilotée par une régulation fonctionnelle par loi d’eau, à laquelle se superpose une régulation circonstancielle, elle aussi au moyen d’une température extérieur de bascule, en fonction du prix des énergies gaz et électricité.

La température au départ de la distribution est régulée selon une loi d’eau commune aux deux générateurs. (Elle doit éviter les retours trop chauds à la PAC même en période très froide).

Tant que la température extérieure est supérieure ou égale à X°C, la PAC fonctionne seule. Lorsqu’elle descend en dessous de X°C, la chaudière s’enclenche pour assurer le complément. X étant la température au-delà de laquelle la puissance de la PAC n’est plus suffisante pour assurer seule les besoins de chauffage du site.

Si la température extérieure passe sous Y°C , la PAC est mise à l’arrêt et la chaudière fonctionne seule. Y étant la température de bascule pour obtenir le kWh de chauffage le moins cher entre le gaz et l’électricité. C’est un rapport entre le prix du gaz, celui de l’électricité et le COP de la PAC en fonction de la température extérieure et de la température de génération.

Alternativement : La loi d’eau pourrait être définie pour un régime haute température. Le cas échéant, on coupera la PAC un peu avant que la température de retour devienne trop élevée pour le fonctionnement de la PAC (au-delà de 50°C par exemple). La chaudière fonctionne alors seule pendant les périodes les plus froides.

Périmètre technique de la GTB

Le système doit être capable de collecter et reporter les données techniques, de régulation et de sûreté de l’installation en chaufferie ainsi que les données de comptage des énergies et fluides (électricité, gaz, eau)

Ce cahier des charges couvre uniquement les aspects de production et distribution de la chaleur ainsi que de la télérelève des compteurs.

Expression des besoins

Généralités

La GTB devra permettre :

• Le suivi du fonctionnement des équipements et des consommations d’énergie ;
• L’enregistrement et l’archivage des grandeurs physiques mesurées, des consignes ainsi que des alarmes issues des différents équipements ;
• Le réglage des consignes et des planning horaires ;
• Le pilotage et la régulation des équipements techniques de production et de distribution de la chaleur ;
• La communication avec les différents équipements techniques et les appareils de mesure et de comptage ;
• Le report d’alarmes et d’évènements aux équipes d’exploitation ;

Une interface de supervision permettra de visualiser en temps réel les données de fonctionnement et les historiques des mesures, des états, des alarmes, etc. mais également de modifier les consignes, les plannings et autres réglages. La supervision sera accessible via un navigateur Web accessible depuis un PC, une tablette ou un smartphone.

Toutes les données devront être horodatés et les automates devront disposer d’une capacité de stockage suffisante pour archiver 1 an d’historique. Les automates devront être autonomes et capable de réguler l’installation même en cas de défaillance de la supervision.

Le recours à des bus et des protocoles propriétaires doit être évité si possible : privilégier au maximum les protocoles standardisés et interopérables. On veillera également à ne pas multiplier les protocoles utilisés et les gammes de matériel, aussi bien pour la partie terrain que pour la partie automate régulation. Ces mesures ont pour objectif de simplifier la mise en œuvre et la maintenance de l’installation GTB.

Les éventuels équipements existants (capteurs, compteurs, actionneurs, régulateurs et automates) pourront être conservés sous réserve qu’ils soient interopérables facilement avec la nouvelle GTB et que cela ne complexifie pas l’installation outre mesure. Sinon, ils devront être déposés. De même pour les équipements qui s’avèreraient obsolètes ou hors-service.

L’installation devra pouvoir être étendue facilement si besoin dans le futur, par l’ajout d’automates supplémentaires ou de modules d’entrées/sorties.

Suivi des consommations, télérelève

La GTB devra être en mesure de collecter et d’archiver les données de consommations d’électricité, de gaz et d’eau de l’installation CVC, ainsi que des compteurs d’énergie et des températures des réseaux hydrauliques.

Le tableau suivant précise les unités, les pas de mesure et les typologies de données selon la nature de la grandeur physique mesurée ou relevée :

Pilotage et régulation

La GTB devra assurer les fonctions suivantes :

• Régulation de la température de départ en fonction de la température extérieure

• Cascade entre la pompe à chaleur et la chaudière

• Changement de priorité entre les générateurs

• Pilotage des circulateurs et des vannes de régulation

• Programmation des horaires de fonctionnement

• Remontée des positions et états des équipements hydrauliques et de production (vannes, circulateurs, générateurs)

• Protection contre le manque d’eau

• Secours en cas de défaut

Pour assurer ces fonctions, la GTB devra disposer des données suivantes :

• La température extérieure ;

• Les températures de départ et de retours (au niveau des générateurs et de la distribution secondaire) ;

• La température de bascule Y°C fonction de la température de génération de la PAC et de son COP en fonction de la température extérieure ;

• Les défauts des équipements ;

• Le planning horaire hebdomadaire et le calendrier des périodes d’occupation ;

Idéalement les deux générateurs devront être pilotés par un même automate-régulateur indépendant. En cas d’impossibilité technique, il conviendra de faire en sorte qu’un seul et même automate communique avec les régulateurs respectifs des deux générateurs. Ceci afin d’éviter de dédoubler certains points de mesure (exemple : deux sondes de température extérieure) et de simplifier le pilotage. Le dédoublement des points engendre des surcoûts et constitue une source potentielle d’erreurs et de dysfonctionnements.

Gestion des générateurs

Le fonctionnement de la cascade entre les générateurs sera le suivant :

• Dès que la demande chauffage est effective, on enclenche en priorité la PAC.
• Si la température extérieure est inférieure à X°C (X étant définit plus haut) pendant plus d’une heure d’affilée, la chaudière est enclenchée en appoint. La vanne trois voies motorisée est ouverte pour permettre l’irrigation de la chaudière.
• Si la température extérieure remonte au-dessus de X°C pendant plus d’une heure, on coupe la chaudière et on referme la vanne trois voies motorisée.
• Si la température extérieure est inférieure à la température seuil Y°C (définie plus haut), on enclenchera la chaudière gaz après arrêt de la pompe à chaleur.
• La PAC et/ou la chaudière doivent être régulées pour produire de l’eau suivant la consigne de température imposée par la loi d’eau de l’installation.

• Tant que la PAC fonctionne seule, la vanne trois voies de bipasse est fermée pour empêcher le passage de l’eau dans la chaudière. Le circuit de distribution est directement alimenté par la PAC.

• Dès que la température extérieure est supérieure à 18°C, on coupe le ou les générateur(s) en fonctionnement.

• En cas de défaut sur la PAC, on bascule automatiquement sur la chaudière et on ouvre la vanne trois voies de bipasse pour irriguer la chaudière.

Régulation de température

La température au départ de la distribution sera régulée en fonction de la température extérieure selon une loi d’eau qui pourra être celle de l’installation ou bien être propre à chaque départ (si plusieurs circuits de distribution distincts pour des zones ou des types d’émetteurs différents).

Le fonctionnement de cette régulation sera assujetti à un calendrier et un programme horaire définis par le maitre d’ouvrage. Il pourra être différent selon les circuits de distribution (si les zones desservies ont des usages différents par exemple).

Les paramètres suivants seront collectés sur chaque circuit de distribution et visualisables sur la GTB :

• Températures d’eau aller et retour
• Température de consigne au départ du circuit
• Etat de la vanne trois voies de régulation

Gestion des circulateurs

Le fonctionnement des circulateurs alimentant la distribution secondaire sera asservi au même programme horaire que la régulation de température de ce circuit.

Le fonctionnement des circulateurs au primaire sera asservi au fonctionnement des générateurs.

La variation de vitesse des circulateurs sera gérée par la régulation embarquée. (Alternativement, la variation de vitesse pourrait être asservie à un écart de température aller-retour.)

Tous les circulateurs seront arrêtés sur déclenchement du pressostat manque d’eau.

Les paramètres suivants seront collectés sur chaque circulateur et visualisables sur la GTB :

• Etat du circulateur ;
• Défauts

Liste des points en chaufferie

La liste de points GTB concerne uniquement la partie production. La distribution secondaire n’est volontairement pas abordée.

TA : téléalarme ; TS : télésignalisation ; TCP : télécomptage ; TM : télémesure ; TC : télécommande et TR : téléréglage