Comment modifier l'état d'étagement de deux sources de chaleur

Les systèmes à double chaudière existent depuis des décennies. Le concept de base est d'allumer la chaudière n°1 lorsque la charge a besoin de chaleur, et d'allumer la chaudière n°2 lorsque la charge dépasse la capacité de la chaudière n°1, comme en témoigne l'incapacité de maintenir la température d'alimentation en eau requise. Le paramètre surveillé pour prendre la décision de faire fonctionner une ou les deux chaudières est généralement la température et le taux de variation de cette température. Il peut s'agir de la température dans un réservoir tampon ou de la température de l'eau fournie au système de distribution. La méthode de contrôle de la température peut être basée sur un point de consigne ou sur un contrôle de réinitialisation extérieur.

Il existe plusieurs contrôleurs multi-étages sur le marché qui peuvent fournir cette fonctionnalité. Bien qu'ils soient généralement appelés contrôleurs d'étagement de « chaudière », ils peuvent souvent être appliqués à d'autres sources de chaleur, telles que des pompes à chaleur ou des éléments électriques dans un réservoir.

Certains contrôleurs de chaudière à plusieurs étages peuvent « faire pivoter automatiquement » l’ordre de fonctionnement des deux sources de chaleur. Par exemple, après que la source de chaleur n°1 a fonctionné pendant un nombre d'heures spécifié, plomb source de chaleur, le contrôleur le change automatiquement en « décalage » source de chaleur. L'objectif est d'accumuler des heures de fonctionnement à peu près égales sur les deux sources de chaleur, permettant aux deux d'être entretenues et éventuellement remplacées en même temps.

Le concept de « rotation automatique » est bien adapté aux systèmes où deux ou plusieurs sources de chaleur identiques sont utilisées. Cependant, il peut y avoir des situations où la décision de modifier l'ordre de fonctionnement des sources de chaleur doit être basée sur d'autres critères, par exemple lorsqu'une source de chaleur présente un avantage en termes de coûts d'exploitation par rapport à l'autre.

Les deux sources de chaleur sont en parallèle et reliées à un ensemble commun de collecteurs menant à un séparateur hydraulique. Un contrôleur de réinitialisation extérieur à 2 étages détermine quelle source de chaleur est allumée en premier et, si nécessaire, il peut allumer l'autre source de chaleur pour établir et maintenir la température d'alimentation en eau requise pour la charge.

Supposons qu’il y ait des moments où le coût de l’électricité hors pointe est tel que la chaleur produite par la chaudière électrique est moins chère que celle produite par la chaudière au propane. Dans ces conditions, la chaudière électrique doit être le premier étage à fonctionner, la chaudière au propane n'étant allumée que si nécessaire pour maintenir la température d'alimentation en eau requise pour la charge.

Pendant les heures de pointe, la chaleur produite par la chaudière au propane est moins coûteuse et devrait donc être la principale source de chaleur.

Réaliser cela

Commençons par le moyen le plus simple de changer l'ordre de fonctionnement des sources de chaleur : un interrupteur manuel. Bien qu'il soit plus probable qu'une certaine forme de commutation automatisée soit utilisée dans la plupart des applications, comprendre comment fonctionnent les pôles et les lancers impliqués dans un commutateur manuel facilite l'application de la même logique à un relais.

Si vous n'êtes pas familier avec les termes « pôles » et « jets » d'un interrupteur, veuillez consulter ma rubrique « Relais et interrupteurs », parties 1 et 2 dans les archives PM.

La figure 2 montre comment un interrupteur à 4 pôles double direction (4PDT) serait câblé entre un contrôleur de température à 2 étages et les deux sources de chaleur.

Ce schéma suppose que le contrôleur à 2 étages utilise deux contacts « secs » normalement ouverts pour ses sorties. Cela suppose également que chaque source de chaleur nécessite une fermeture de contact aux bornes étiquetées (TT) pour permettre son fonctionnement. Cela implique que le courant électrique circulant à travers le commutateur 4PDT et les contacts du régulateur de température à 2 étages provient de chaque source de chaleur.

Les conducteurs violets et bleus passant entre les bornes du commutateur sont des cavaliers – de courtes longueurs de fil isolé.

Beaucoup de vis

La plupart des gens sont un peu intimidés lorsqu'ils découvrent pour la première fois un commutateur 4PDT. Il dispose de 12 bornes de connexion. Le commutateur illustré à la figure 2 est doté de bornes à vis. Des commutateurs similaires sont disponibles avec des bornes « à fourche » à connexion rapide.

L'interrupteur de la figure 2 est également un interrupteur de « qualité industrielle » capable de gérer plusieurs ampères de courant à travers tous ses pôles. La plupart des circuits de commande basse tension ne fonctionnent qu'à une fraction d'un ampère, et le courant admissible d'un interrupteur industriel est donc plus que suffisant. Il existe des commutateurs 4PDT avec des courants nominaux inférieurs, mais ils sont petits et souvent destinés à être montés sur une carte de circuit imprimé. Le défi du câblage sur site de ces petits commutateurs consiste à tenter d'établir les 12 connexions sans créer par inadvertance de courts-circuits entre les bornes.

J'ai découvert que la meilleure façon de câbler un interrupteur comme celui de la figure 2 est de créer une courte « queue de cochon » de câble isolé à partir de chaque borne. Ces tresses peuvent mesurer environ 10 pouces de long et doivent être fixées à chaque borne de commutateur à l'aide d'un œillet isolé ou d'un connecteur rapide femelle isolé. C'est également une bonne idée de glisser un morceau de gaine thermorétractable sur chaque borne une fois les tresses fixées et d'utiliser un pistolet thermique pour les rétrécir toutes en même temps. Ces détails évitent des problèmes tels qu'un petit brin d'une queue de cochon entre accidentellement en contact avec un autre terminal.

Une fois que toutes les tresses sont en place, montez l'interrupteur sur le côté d'une armoire de commande et commencez à connecter les tresses au reste du circuit de commande à l'aide de connecteurs à sertir. Vous pouvez toujours couper quelques centimètres de n'importe quelle queue de cochon si nécessaire, mais en général, il est plus facile de laisser une longueur de fil suffisante pour permettre aux nattes d'être repliées à l'arrière de l'armoire une fois toutes les connexions établies. Cette approche est beaucoup plus simple que d'essayer de connecter des fils individuels à chaque borne une fois le commutateur monté.

Assurez-vous d'identifier chaque tresse avec un numéro qui correspond au numéro sur le commutateur, et assurez-vous de faire un dessin montrant où chaque tresse numérotée se connecte au reste du circuit de commande.

Commutation automatisée

Supposons que vous disposiez d’un système composé d’une chaudière au propane et d’une chaudière électrique. Vous souhaitez que la chaudière électrique soit la principale source de chaleur lorsque les tarifs d’électricité hors pointe sont en vigueur. Ces horaires varient d'un service public à l'autre, mais supposent qu'ils s'appliquent de 23h00 à 7h00 en semaine, ainsi que toute la journée le samedi, le dimanche et les jours fériés importants.

Le propriétaire n'a évidemment pas envie de camper dans la salle mécanique avec une horloge et de déplacer manuellement l'interrupteur 4PDT chaque fois que le tarif heures creuses est en vigueur. Vous avez besoin d'une version automatisée du commutateur 4PDT. Heureusement, cela existe. C'est ce qu'on appelle un relais 4PDT. La figure 3 montre un exemple.

Ce relais particulier est un OMROM MY4 avec bobine 24VAC. Le relais est représenté à côté d'une prise correspondante avec bornes à vis. Un schéma de câblage de ce relais pour obtenir la même fonctionnalité que le commutateur manuel est illustré à la figure 4.

Comme le montre la figure 4, avec la bobine du relais éteintela source de chaleur (a) fonctionnera lorsque les contacts de l'étage 1 du régulateur de température à 2 étages se fermeront. La source de chaleur (b) sera allumée, si nécessaire, par les contacts de l'étape 2 du contrôleur de température. L'action échelonnée est basée sur les plages de température indiquées entre le contrôle de température et le relais. La plupart des contrôleurs électroniques à 2 étages peuvent faire varier la plage de température des deux étages sur une large plage. Ces plages peuvent même se chevaucher si nécessaire.

Les numéros de borne affichés pour le relais 4PDT sont spécifiques au relais OMROM MY4. D'autres relais peuvent utiliser d'autres numéros de borne. Regardez à l'intérieur du boîtier en plastique transparent du relais pour identifier les bornes communes, normalement ouvertes et normalement fermées (par exemple, le contact commun est celui qui bouge. Lorsque la bobine du relais est éteinte, le contact commun touche le contact normalement fermé. Il y a un léger écart entre le contact commun et le contact normalement ouvert).

Ensuite, regardez comment ces bornes s'insèrent dans la prise de relais et à quelles bornes à vis aller. Utilisez un multimètre pour vérifier la continuité si vous n'êtes pas sûr. Chaque fois que la bobine du relais est éteinte, il doit y avoir une continuité entre le contact commun et le contact normalement fermé dans les 4 pôles.

Pour le câblage illustré à la figure 4, tout ce qui est nécessaire pour inverser l'ordre de fonctionnement des sources de chaleur est un signal de 24 VAC à la bobine du relais 4PDT. Cela pourrait provenir d’une minuterie numérique précise avec batterie de secours (afin que son timing reste précis pendant et après une panne de courant). Cela pourrait également provenir d’un contact sec basse tension isolé dans le compteur du service public. Cette dernière méthode, si elle est disponible, est préférable car elle est contrôlée par le compteur du service public et ne nécessite pas de minuterie. La méthode de la minuterie convient, à condition qu'elle soit précise et précisément coordonnée avec les heures creuses du service public. Au-delà de ces options, il y aurait n'importe quel contrôleur capable de fermer un contact sec lorsqu'il est avantageux de changer l'ordre de fonctionnement de la source de chaleur.

Durci et documenté

J'ai toujours été fan de la logique de contrôle « câblée ». Les schémas de commutateur et de relais 4PDT présentés sont des exemples relativement simples de logique câblée. En combinant des interrupteurs et des relais et en câblant leurs contacts selon différentes combinaisons en série ou en parallèle, il est possible de créer des séquences de fonctionnement relativement complexes. Les commutateurs et relais que je spécifie sont de qualité industrielle et donc très fiables. Ils sont également suffisamment génériques pour provenir de plusieurs fournisseurs, si nécessaire.

Si vous utilisez les concepts de commutateur ou de relais 4PDT décrits précédemment, faites TOUJOURS un dessin montrant et étiquetant chaque contact, chaque bobine et chaque connexion au reste du système de contrôle. Assurez-vous que le dessin reste sur place avec les autres documentations du système. Étiquetez chaque queue de cochon pour qu'elle corresponde aux numéros de bornes sur le commutateur ou le relais et aux bornes indiquées sur votre dessin. Ne vous attendez pas à ce qu'un technicien – même bon – fasse patiemment une ingénierie inverse de votre faisceau de fils. Laissez-leur une feuille de route de câblage !

Enfin, il existe des alternatives à la logique câblée illustrée aux figures 2 et 4. Des dispositifs tels que des automates programmables (PLC) ou des micro-ordinateurs comme Framboise Pi ou Arduino peut actionner des contacts susceptibles de contrôler l’ordre de fonctionnement des sources de chaleur, et ce, d’une manière qui n’est limitée que par les instructions de programmation. Gardez à l’esprit que le matériel de commutation utilisé dans ces contrôleurs à semi-conducteurs et micro-ordinateurs peut être très limité en termes d’ampérage. Si vous devez contrôler des appareils fonctionnant à un ampérage plus élevé, des relais d'isolement seront nécessaires.