SERRA Vincent JOURNOUD Guillaume CHASSAGNE Ludovic TST L2 SPCL MAVEL Stéphane

Projet en enseignement

spécifique:

Régulation de chauffage dans les salles de classe

1 Problématique 1.1 Introduction

L'idée de ce projet nous est venue en classe de première. En effet, nous devions réaliser un projet nommé «Fluid'art» concernant les économies d'énergies au sein du Lycée dans le but de réduire ces consommations. L'idée de base étant de sensibiliser les élèves concernant leurs gaspillages d'énergie. Chaque groupe avait une tâche précise à réaliser, la nôtre était de trouver un système pour faire des économies de chauffage. Le projet est soutenu par la région Rhône-Alpes, qui est prête à subventionner les meilleurs projets qui pourraient au mieux nous aider à faire des économies d'énergie. Grâce à un bon projet, la région pourrait réduire ses dépenses de chauffage dans les lycées.

1.2 Principes physiques ** LLaa ffoorrmmuullee ppeerrmmeettttaanntt ddee ccaallccuulleerr llaa qquuaannttii ttéé ddee cchhaalleeuurr eesstt :: ∆Q = m.c.∆T ∆Q = quantité de chaleur reçue en Joules (J) m = masse du matériau en kilogrammes (kg) c = capacité thermique massique en J/kg.K ∆T = écart de température en Kelvin (K) Puisque m = ρ.v , on peut également écrire ∆Q = V.ρc.∆T V = volume du matériau en mètres cube (m³) ρ = masse volumique en kg/m3 ρc = capacité thermique volumique en J/m³.K * La capacité thermique massique est déterminée par la quantité d'énergie à apporter par échange thermique pour élever d'un kelvin la température de l'unité de masse d'une substance.

L'unité du système international est alors le joule par kilogramme-kelvin (J·kg-

1·K-1). La détermination des valeurs des capacités thermiques des substances relève de la calorimétrie.

* 1K (Kelvin) représente le même écart de température que 1°C . Mais l’échelle de mesure est décalée puisque une température de 0°C correspond a 273 K .

1.3 État des lieux a/ Consommation en gaz de l'établissement

Ce graphique montre l'évolution de la consommation annuel de gaz en (m3) sur

les 5 années précédentes :

Ce graphique nous montre que pendant l’année scolaire 2008/2009 on a un pic de consommation en gaz très élevé ce qui veut dire que les élevés et les professeur du lycée ont beaucoup consommes alors que dans les années antérieur les consommations de gaz sont un peu moins importante. Puis de l’année 2010 a 2012 ont a une baisse de la consommation de gaz du lycée. Cette baisse est due a notre campagne de mesure fait dans tout le lycée pour informer les élèves et les professeur de nos consommations et des dépenses que ça a put coûter au lycée. On a fait cette campagne afin de sensibiliser les élevés et les professeur pour moins consommer de gaz et faire plus attention en gérant au mieux la température des salles du lycée.

Notre but est d'abaisser légèrement la température des salles de classe de façon a diminuer la consommation total et annuelle en gaz du lycée et ne pas surchauffer

les salles de classes.

b/ La régulation existante La régulation dans les salle de classe est actuellement réalisée à l'aide de vannes thermostatiques.

Ce document montre le principe de fonctionnement d'un thermostat de radiateur.

Une consigne est soumise au thermostat par le(s) occupant(s) et en fonction de cette consigne donnée, le thermostat va augmenter ou diminuer le débit d'eau chaude entrant selon le taux de chaleur qu'il souhaite. Plus le débit d'eau chaude entrant ( passant par le thermostat ) est grand, plus le taux de chaleur sera grand et inversement.

c/ La variation des températures dans les salles

Ce graphique montre des mesures de températures dans la salle C412 réalisées l'année dernière du 23/01 au 25/01. On constate qu’au cours du week-end la salle est chauffée à 18°C. On a 5 pics de chaleur : le lundi à 12h, le mardi à 12h et à 17h, le mercredi à 16h et le jeudi à 14h. Ces horaires correspondent aux séances de Travaux Pratiques. Les températures grimpent alors jusqu’à 22°C, du fait de la présence des élèves.

Notre objectif → Le lycée consomme du gaz pour chauffer l’eau dans les radiateurs qui permet de chauffer les salles . Mais le soleil réchauffe aussi un peu les salles. On voudrait faire baisser de 1°C voir 2°C le chauffage dans les salles où le soleil tape ou lors de leur occupation par les élèves de façon à obtenir une température constante dans la journée.

Le but de notre projet est donc d'obtenir une meilleure régulation de la température d'une salle de classe à partir de ce même principe de thermostat mais de façon automatisée. 1.4 Questionnement Comment varie la température en fonction de l'occupation des salles ?

Comment évolue la température d'une salle de classe à l'aide d'un thermostat manuel ?

Quels sont les moyens mis en œuvres pour réguler les consommations du chauffage ?

La salle C408 qui est le lieu de toutes nos expériences dans notre projet.

2 Expériences menées

2.1 Expérience n°1 Nous avons voulu savoir comment évolue la température dans les salles de classes. Pour cela, nous avons posés des capteurs (loggers i-Button) dans la salle C409. Durant une période du vendredi 1er février à 9h au mercredi 6 février à 15h, nous avons placé ces capteurs qui ont été programmés pour faire une mesure de température toutes les 5 minutes.

En tout, 6 capteurs ont été placés dans différents endroits de la salle: sur le plan d'incendie, contre une fenêtre, sur le vidéo-projecteur, sur le mur au fond de la classe, dans un angle de la classe et enfin au-dessus du tableau.

Le logiciel "one wire" permet de programmer et lire des donnés de température afin de les exploiter par la suite . A l'aide de ce logiciel nous avons programmé ces loggers de température pour une certaine durée. Une mesure toutes les cinq minutes environ, pour 2048 relevés de mesures, nous permet d'enregistrer la température sur 4 jours Nous avons transféré les données dans le logiciel "excel" qui par la suite les a traduites pour en faire des courbes de température. 2.2 Expérience n°2

L'expérience n°2 consiste à rééditer l'expérience n°1 c'est-à-dire à repositionner nos 6 loggers aux mêmes endroits que nous avons défini précédemment, du mercredi 13 février au vendredi 15 février. A la différence de l'expérience n°1, nous avons, dans cette expérience n°2, posé 2 thermostats statiques sur les radiateurs de la salle C408. Les radiateurs avaient été préalablement débridés par le service d'intendance afin d'effectuer une régulation manuelle du débit d'eau chaude entrant dans les radiateurs dans le cadre de l'expérience n°1.

Thermostats statiques loggers n°3 et 4 2.3 Expérience n°3 L'expérience n°3 consiste à refaire l'expérience n°1 et à compléter les entrées des radiateurs par un montage permettant d'obtenir une régulation en boucle fermée du débit d'eau chaude des radiateurs et donc de la température. Cette expérience a été réalisée du mercredi 26 mars au mercredi 3 avril.

a- instrumentation Comme nous pouvons le voir sur les photos ci-dessous notre montage expérimental est composé de plusieurs éléments qui sont :

Sonde Pt100 Transmetteur de température

Générateur de courant

Régulateur PID Station reliée au logiciel informatique Eurotherm permettant de visualiser nos mesures

2 servomoteurs électriques SAMSON

Des fils électriques

Station Eurotherm

Ainsi, le schéma de câblage électrique de notre expérience est représenté ci-dessous.

De plus, pour réaliser cette expérience n°3 nous avons dû au préalable paramétrer et régler quelques uns de nos instruments de mesures. Tout d'abord, nous avons raccordé des fils électriques aux 2 servomoteurs électriques en suivant la notice de ces appareils afin d'assurer un fonctionnement correct.

Puis enfin, nous avons vérifié le bon fonctionnement de ces servomoteurs électriques généreusement donnés par la société SAMSON.

Pour finir nous avons calibré le transmetteur de température et nous l'avons réglé pour une température allant de 0 à 40°C à l'aide du logiciel informatique PACTware

b- Identification

* Nous avons utilisé la méthode de Broïda qui intervient dans l'étude afin de paramétrer le régulateur PID.

Ainsi a

l'aides courbes obtenues sur la photo , la méthode de Broïda nous a permis de trouver les résultats suivants : G=Ks= 0,70 R=τ= 3300 secondes (soit 55 minutes) T ou Tm= 2760 secondes (soit 46 minutes ) L'équation de Broïda est x = y. Ks (1-e(-t-Tm)/τ) et donc l’équation de notre courbe est x=0,70y (1 -e(-t-2760)/3300)

c- Réglages Or le rapport τ/Tm permet de déterminer quelle est la stratégie a adopter pour le régulateur PID c'est a dire calculer et paramétrer les valeurs de proportionnelle d’intégrale et de dérivé dans le régulateur. Ce rapport nous permet de calculer un résultat de 1,2, il faut donc adopter une stratégie PID mixte pour les valeurs a paramétrer dans le régulateur.

De ce fait nos calcul nous ont permis de trouver des valeurs a rentrer manuellement dans l'appareil de régulation qui sont : - A=1,9 soit Bp=52,9% car la bande proportionnelle vaut 100/A - Ti= 4404 secondes - Td= 827,2 secondes

3. Résultats et analyses

a- Résultats Cette courbe nous montre les résultats de mesure de température de la salle

C408 le vendredi 1er février lors de l’expérience n°1. Sur cette courbe nous pouvons voir 3 pics de chaleur 8h ; 10h;12h faisant passer a chaque fois la température de 20 a 23°C. Or d’après l’emploi du temps de la salle C408 ces horaire correspondent a des heures de cours. On en déduis donc que l'occupation des salles de classe par les élevés et le professeur augmente la température de celle ci . Inversement, on voit que la courbe décroit dans l’après midi et on remarque que la salle est in occuper le vendredi après midi.

Elle a été réaliser le mardi 25 mars 2013 La courbe rouge représente la consigne, la courbe verte la télémesure et la courbe bleu est la télécommande ( mesure de la température de la salle). Nous pouvons voir que la température augmente des l'arrivé des élèves. La courbe de la consigne nous montre qu’après une baisse de 10% de sa mesure, la courbe verte décroit de façon a garder une courbe bleu la plus constante possible. De même après une augmentation de 5% de la mesure de la consigne. La courbe verte augmente de façon a garder une courbe bleu la plus stable possible. De plus la courbe bleu reste a peut près stable même si l'on voit des faibles variations de températures due au fait que la salles soit occuper ou non par une classe. b- Analyses * Les facteurs ayant put influencés les résultats obtenus sont : - Le climat extérieur. - Les courants d'air pouvant passer par les fenêtres et par la porte.(L'isolation des fenêtres et de la porte). - Le nombre d’élèves. - la grandeur de la salle de classe. - Si une personne a touché les thermostats - La qualité de nos appareil de mesure ( marge d'erreur probable avec la réalité; l'incertitude ) 4. Conclusion et perspectives

A l'aide de l'expérience n°1 mené dans notre projet, nos résultats nous permettent de voir que la température d'une salle de classe augmente sensiblement lorsque cette dernière est occupée par des élèves. De plus, avec l’expérience n°2, nous pouvons constater que la température dans une salle de classe quand celle-ci est équipé de vannes thermostatiques sur ses radiateurs comme dans toutes les salles de ce lycée évolue avec des écarts de température qui sont moins importants que dans le cas d'un essai sans vanne thermostatique sur les radiateurs. De plus, l'expérience n°3 nous aide à remarquer que le montage réalisé dans cette dernière permet une assez bonne régulation de la température d'une salle de classe malgré les perturbations et les facteurs qui font varier ces mesures et donc les résultats Au cours de l’étude, d'autres questionnements sont apparus et notamment une réflexion qui mériterait de faire l'objet d'un autre projet autour de l'isolation thermique des salles de classes qui permettrait aussi de diminuer les consommations de chauffage dans les salles.( Référence au projet du groupe de Mathieu GUYOT, Valentin BERTINOT, Pierre Nicolas VIORBE et Michael CORZANI )

Conclusion personnelle : * Les éléments qui nous ont plu dans ce projet sont : - On a eu à notre disposition le matériel dont nous avions besoin assez rapidement. - On a eu beaucoup de manipulations à faire. - Le sujet que l'on a choisi est très intéressant. * Les éléments qui nous ont déplu dans ce projet sont : - On a eu de gros problèmes informatiques sur le réseau de notre lycée. C'est pour cela qu'on a eu des difficultés pour terminer correctement notre étude sur le projet. - On a mis beaucoup de temps à rechercher la bonne problématique car au départ on s’était trompés de voie. - La disparition d’un logger lors de la dernière expérience * Si nous avions a refaire ce projet nous mènerions le projet différemment car dès le départ nous nous sommes en quelque sorte trompés : nous avions commencer une réflexion sur un questionnement mais qui n'est pas réellement notre projet puisqu'il s'agissait de l’étude sur l'isolation thermique.

TOUS NOS REMERCIEMENTS : A l’entreprise SAMSON, pour nous avoir fourni les deux servomoteurs électriques. A la région Rhône-Alpes, pour la mise à notre disposition des six loggers nous ayant permis d’avancer rapidement et de mener à bien notre projet.