1 SYSTEME DE CONTROLE DYNAMIQUE D’UNE INSTALLATION DE
CLIMATISATION ECONOMIQUE Eric S. Traoré1
eric.seydou.traore@2ie-edu.org Yézouma Coulibaly1 Oumarou Sié2 Joseph Bathiébo2
1Institut international d’Ingénierie de l’Eau et de l’Environnement (2iE), Rue de la Science 01 BP 594 Ouagadougou 01 - BURKINA FASO
2Université de Ouagadougou UFR SEA 03 BP 7021 Ouagadougou 03
BURKINA FASO
Introduction
Le réchauffement climatique a pour conséquence entre autres d’accroître le recours à la climatisation des locaux administratifs, grevant ainsi lourdement les budgets de fonctionnement en plus de l’impact négatif sur l’environnement.
Une diminution ∆T de la température ambiante par climatisation, exige une quantité d’énergie égale à Q = (M.C.∆T)/R où M est la masse d’air en jeu, C le coefficient calorifique de l’air, et R le rendement du compresseur. Par temps de forte chaleur, ∆T est de l’ordre de 10°C. Dès lors tout procédé qui réduirait ∆T à 1°C ou 2°C engendrerait des économies considérables. C’est le but de cette étude.
Définition d’un état de confort thermique acceptable
Des enquêtes auprès des usagers ont permis de déterminer en fonction du taux d’humidité et de la température de l’air ambiant, une zone de confort thermique (Figure 1). Si en plus on introduit un courant d’air (brassage) d’une vitesse appropriée, le confort reste acceptable pour des températures supérieures de quelques degrés. Des enquêtes devront être menées pour déterminer avec précision une nouvelle zone de confort, dans un espace à trois dimensions ( température-humidité-vitesse de courant d’air).
0 0,005 0,01 0,015 0,02 0,025 0,03
10 15 20 25 30 35 40 45 50
Chaud et humide
Très chaud et humide
Très chaud et sec
Chaud et sec Tempéré
Zone de confort
80%
50%
20%
Fig.1 : zone ce confort thermique en fonction de la température et du taux d’humidité
°C
2 Le système de climatisation économique
Le système de climatisation économique que nous proposons va combiner quatre procédés :
- la ventilation mécanique contrôlée (VMC) : une circulation d’air modérée permet de décaler la zone de confort thermique de quelques degrés vers les températures élevées (typiquement 30°C).
- le venti-fraicheur ou humidificateur : il permet d’abaisser considérablement (en dessous de 20°C) la température d’un air chaud et sec en y puisant la chaleur nécessaire à l’. évaporation de l’eau servant à humidifier cet air.
- le puits canadien : des expériences conduites à Ouagadougou ont montré qu’à environ 1,8 m sous terre, la température oscille très faiblement autour de 31°C, en opposition de phase avec les grandes amplitudes observées en surface.( Figure 2) - le climatiseur à compresseur classique, muni d’un compresseur à paliers ou alimenté à
partir d’un variateur électronique de vitesse : il ne sera mis en marche que pour retrouver la zone de confort thermique au cas où les procédés précédents ont failli à y maintenir le local
Ainsi, par les périodes très chaudes où d’ordinaire l’utilisation de la climatisation est intense et très coûteuse, une combinaison judicieuse de ces procédés permet pratiquement de se passer du climatiseur à compresseur.
Fig. 2 : évolution comparée de la température sous terre et en surface
3 La technologie du régulateur automatique
Le régulateur est un système chargé d’amener et de maintenir un local en un point déterminé de la zone de confort thermique en mettant en œuvre judicieusement les procédés énumérés précédemment. Pour cela d’une part il se base sur des informations en entrée : température, taux d’humidité, vitesse du vent et éventuellement d’autres paramètres. Ces informations sont les variables qui décrivent l’état de confort thermique par un vecteur d’entrée Er
.
D’autre part en sortie il initie des actions de commande des divers dispositifs : refroidir ( puits canadien, compresseur, venti-fraicheur), humidifier (venti-fraicheur), ventiler (VMC) ; ces actions sont délivrées à travers un vecteur de commande Cr
.
L’état de confort thermique W évolue dans le temps (système dynamique), avec des interactions et rétroactions multiples et complexes entre les variables:
(1) ( , , )
( , , , )
t t t
t t t t t
C G W E W F W E C
α
+ ∆ β
⎧ =
⎪⎨
⎪⎩ =
r r r
r r
r où etαr βr sont des vecteurs de paramètres. G est un processus
de décision qui s’apparente à un algorithme et F est une fonction de transition. Pour réguler le système il faut trouver les formes de G et F et caler les paramètres αi et βj.
Le régulateur est implémenté comme un système expert à logique floue ou système flou (Figure 3).
Fig. 3 : schémas de principe du système de régulation
Physiquement il se présente comme un boîtier électronique muni d’un lecteur de carte à puces. Le système flou consiste en un logiciel à programmer sur une carte à puce, ce qui
4 facilitera son adaptation aux situations particulières et son évolution future. Les liaisons du boîtier avec les appareils de mesure des données en entrée et les appareils de mise en œuvre des procédés de climatisation se feront à travers le support du réseau électrique, avec des adaptateurs adéquats.
Le principe de l’approche par la logique floue
Un système flou est un approximateur universel de fonction. Il sera utilisé pour approximer G dans (1). Les variables d’entrée et de commande sont transformées en variables linguistiques, ayant un nombre limité de valeurs qui sont autant de sous-ensembles flous (Figure 4).
Fig. 4 : exemples de valeurs linguistiques de la variable « température intérieure » Le système transforme les variables d’entrée en valeurs linguistiques (fuzzification) ; un certain nombre de règles linguistiques prises dans une base sont alors déclenchées par un moteur d’inférence pour produire des valeurs linguistiques de commande ; ces valeurs sont traduites en commandes classiques applicables aux différents appareils (défuzzification). Voir Figure 5.
Fig.5 : schéma de fonctionnement d’un système flou
Conclusion
Le système proposé laisse espérer, outre de substantielles économies d’énergie, les avantages suivants :
- impact positif sur l’environnement
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38
°C
FROID FRAIS DOUX CHAUD TRES_CHAUD
1
0
Σ
5 - gestion plus facile des pointes de consommation d’énergie électrique
- possibilité de climatiser en zones rurales en utilisant des cellules photovoltaïques - s’adapte aux constructions déjà existantes, avec leurs installations
- est automatique et ne repose pas sur un comportement actif des usagers
- la mise au point et l’adaptation, qui se font essentiellement au niveau du logiciel sont relativement faciles et peu coûteuses
- ;sa production et son installation créeront de nouvelles compétences et opportunités sur le marché du travail.
Références bibliographiques
[1] P. Hollmuller, Thèse N°3357, Utilisation des échangeurs air/sol pour le chauffage et le rafraichissement des bâtiments, Université de Genève
[2] D. Amitrano, Eléments de dimensionnement d’un échangeur air/sol, dit ‘’puits canadien’’, Université J. Fourier, Grenoble
[3] J. Godjevac, Idées nettes sur la logique floue, Presses polytechniques et universitaires romanes, Lausanne, 1999
[4] H. Buhler, Réglage par la logique floue (Fuzzy Logic), Presses polytechniques et universitaires romanes, Lausanne, 1993
