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Les thermostats utilisent différents types de capteurs pour mesurer les températures et actionner les opérations de contrôle. Les thermostats mécaniques utilisent généralement des bandes bimétalliques, convertissant un changement de température en déplacement mécanique, pour actionner le contrôle des sources de chauffage ou de refroidissement. Les thermostats électroniques utilisent plutôt une thermistance ou un autre capteur à semi-conducteur, traitant le changement de température comme signaux électroniques, pour contrôler l'équipement de chauffage ou de refroidissement.
Les thermostats conventionnels sont des exemples de « contrôleurs à point d'impact » car le système contrôlé fonctionne à pleine capacité une fois que le point de consigne est atteint ou reste complètement désactivé. Bien que ce soit le programme le plus simple à mettre en œuvre, une telle méthode de contrôle nécessite d'inclure une certaine hystérésis afin d'éviter un cycle excessivement rapide de l'équipement autour du point de consigne. Par conséquent, les thermostats conventionnels ne peuvent pas contrôler les températures très précisément. Au lieu de cela, il y a des oscillations d'une certaine magnitude, habituellement 1-2 °C. Ce contrôle est en général inexact, inefficace et de haut niveau d'usure mécanique, mais pour les composants comme les compresseurs, il présente toujours un avantage significatif en termes de coût par rapport aux composants plus avancés, permettant une capacité variable en continu.
Un autre facteur est le délai du système contrôlé. Pour améliorer les performances de contrôle du système, les thermostats peuvent inclure un « anticipateur », qui arrête le chauffage/refroidissement légèrement plus tôt que le point de consigne, car le système continuera à produire de la chaleur pendant un court moment. Si vous désactivez exactement le réglage, la température réelle dépasse la plage souhaitée, appelée « dépassement ». Les capteurs bimétalliques peuvent inclure un « anticipateur » physique, qui a un fil fin touché sur le thermostat. Lorsque le courant passe devant le fil, une petite quantité de chaleur est générée et transférée à la bobine bimétallique. Les thermostats électroniques ont un équivalent électronique.
Lorsqu'une précision de contrôle plus élevée est requise, un contrôleur PID ou MPC est préférable. Cependant, ils sont aujourd'hui principalement adoptés à des fins industrielles, par exemple pour les usines de fabrication de semi-conducteurs ou les musées.
Types de capteur
Les premières technologies comprenaient des thermomètres à mercure avec des électrodes insérées directement dans le verre, de sorte que lorsqu'une certaine température (fixe) était atteinte, les contacts seraient fermés par le mercure. Ces valeurs étaient précises à un degré de température.
Les technologies de capteur courantes actuellement utilisées incluent :
Ils peuvent ensuite contrôler l'appareil de chauffage ou de refroidissement à l'aide des éléments suivants :
Les systèmes de chauffage central à base d'eau et de vapeur domestiques ont traditionnellement été contrôlés par des thermostats à bande bimétalliques, et ceci est traité plus loin dans cet article. Le contrôle purement mécanique a été localisé vapeur ou eau chaude radiateur bi-thermostats métalliques qui régulent le débit individuel. Cependant, les vannes de radiateur thermostatiques (TRV) sont maintenant largement utilisées.
Les thermostats purement mécaniques sont utilisés pour réguler les amortisseurs de certains évents de turbine sur le toit, réduisant ainsi la perte de chaleur dans les bâtiments par temps froid ou froid.
Certains systèmes de chauffage de passagers automobiles sont dotés d'une soupape à commande thermostatique pour régler le débit d'eau et la température à un niveau réglable. Dans les véhicules plus anciens, le thermostat contrôle l'application de la dépression du moteur aux actionneurs qui contrôlent les soupapes d'eau et les soupapes de régulation pour diriger le débit d'air. Dans les véhicules modernes, les actionneurs à dépression peuvent être actionnés par de petits solénoïdes sous le contrôle d'un ordinateur central.
Une vanne de mélange thermostatique utilise un culot de cire pour contrôler le mélange d'eau chaude et d'eau froide. Une application courante est de permettre l'utilisation d'un chauffe-eau électrique à une température suffisamment chaude pour tuer les bactéries Legionella (au-dessus de 60 °C, 140 °F), tandis que la sortie de la vanne produit de l'eau qui est assez froide pour ne pas immédiatement brûler (49 °C, 120 °F).
Une vanne pilotée par un culot de cire peut être analysée par représentation graphique de l'hystérésis du culot de cire , qui consiste en deux courbes de dilatation thermique : extension (mouvement) par rapport à l'augmentation de température et contraction (mouvement) par rapport à la diminution de température. L'écart entre les courbes de relevage et d'abaissement illustre visuellement l'hystérésis de la vanne ; il y a toujours une hystérésis dans les vannes à entraînement par cire en raison de la transition de phase ou du changement de phase entre les solides et les liquides. L'hystérésis peut être contrôlée avec des mélanges d'hydrocarbures spécialisés ; l'hystérésis serrée est ce que le plus de désir, cependant certaines applications exigent des plages plus larges. Les vannes à pastille de cire sont utilisées dans les applications anti-brûlure, de protection contre le gel, de purge à température excessive, d'énergie thermique solaire ou thermique solaire, automobile et aérospatiale, entre autres.
Les thermostats sont parfois utilisés pour réguler les fours à gaz. Il se compose d'une ampoule à gaz connectée à l'unité de commande par un tube en cuivre fin. L'ampoule est normalement située en haut du four. Le tube se termine dans une chambre scellée par un diaphragme. Lorsque le thermostat chauffe, le gaz se dilate en appliquant une pression sur le diaphragme, ce qui réduit le débit de gaz vers le brûleur.
Un thermostat pneumatique est un thermostat qui contrôle un système de chauffage ou de refroidissement via une série de tubes de contrôle remplis d'air. Ce système d'air de contrôle répond aux changements de pression (dus à la température) dans le tube de contrôle pour activer le chauffage ou le refroidissement si nécessaire. L'air de contrôle est généralement maintenu sur le « secteur » à 15-18 psi (bien que généralement utilisable jusqu'à 20 psi). Les thermostats pneumatiques fournissent généralement des pressions de sortie/dérivation/post-restricteur (pour le fonctionnement à un seul tuyau) de 3-15 psi qui sont acheminées vers le dispositif final (vanne/actionneur d'amortisseur/commutateur pneumatique-électrique, etc.).[11]
Le thermostat pneumatique a été inventé par Warren Johnson en 1895[12] peu après qu'il ait inventé le thermostat électrique. En 2009, Harry SIM a reçu un brevet pour une interface pneumatique-numérique[13] qui permet d'intégrer des bâtiments à commande pneumatique à des systèmes d'automatisation de bâtiments pour offrir des avantages similaires à la commande numérique directe (DDC)
Thermostats électroniques électriques et analogiques
Cette nomenclature suit la même nomenclature que celle décrite dans Relais § Contacts à guidage forcé Relais et commutateur § terminologie des contacts.
Tout numéro leader correspond au nombre de contacts entre ensembles, comme « 1NO », « 1NF » pour un contact entre ensembles avec deux bornes. « 1CO » aura également un jeu de contacts, même s'il s'agit d'un commutateur à trois bornes.
Comme l'illustre l'utilisation du thermostat ci-dessus, toute la puissance du système de commande est fournie par une thermopile qui est une combinaison de nombreux thermocouples empilés, chauffés par la lampe témoin. La thermopile produit une puissance électrique suffisante pour entraîner une vanne de gaz de faible puissance, qui, sous le contrôle d'un ou plusieurs interrupteurs de thermostat, contrôle à son tour l'entrée de carburant vers le brûleur.
Ce type d'appareil est généralement considéré comme obsolète car les lampes témoins peuvent gaspiller une quantité surprenante de gaz (de la même manière qu'un robinet qui s'égoutte peut gaspiller une grande quantité d'eau sur une longue période), et ne sont plus utilisés sur les poêles, mais sont encore à trouver dans de nombreux chauffe-eau à gaz et foyers à gaz. Leur faible efficacité est acceptable dans les chauffe-eau, car la plus grande partie de l'énergie « gaspillée » sur le pilote représente toujours un gain de chaleur direct pour le réservoir d'eau. Le système Millivolt rend également inutile l'utilisation d'un circuit électrique spécial vers le chauffe-eau ou le four ; ces systèmes sont souvent totalement autonomes et peuvent fonctionner sans alimentation électrique externe. Pour les chauffe-eau sans réservoir « à la demande », l'allumage pilote est préférable car il est plus rapide que l'allumage à surface chaude et plus fiable que l'allumage à étincelle.
Certains thermostats programmables , ceux qui offrent des modes simples « millivolts » ou « deux fils », contrôlent ces systèmes.
La majorité des thermostats modernes de pompe à chaleur/chauffage/refroidissement fonctionnent sur des circuits de commande basse tension (généralement 24 V CA). La source de l'alimentation 24 V CA est un transformateur de commande installé dans le cadre de l'équipement de chauffage/refroidissement. L'avantage du système de contrôle basse tension est la capacité à faire fonctionner plusieurs dispositifs de commutation électromécaniques tels que des relais, des contacteurs et des séquenceurs en utilisant des niveaux de tension et de courant de sécurité intrinsèque.[15] le thermostat permet un contrôle de température amélioré par anticipation. Un anticipateur de chaleur génère une petite quantité de chaleur supplémentaire vers l'élément de détection pendant le fonctionnement de l'appareil de chauffage. Ceci ouvre les contacts de chauffage légèrement plus tôt pour éviter que la température de l'espace ne dépasse considérablement le réglage du thermostat. Un anticipateur mécanique de chaleur est généralement réglable et doit être réglé sur le courant circulant dans le circuit de commande de chauffage lorsque le système fonctionne. Un anticipateur de refroidissement génère une petite quantité de chaleur supplémentaire vers l'élément de détection lorsque l'appareil de refroidissement ne fonctionne pas. Les contacts alimentent l'équipement de refroidissement légèrement plus tôt, ce qui empêche la température de l'espace d'augmenter excessivement. Les anticipateurs de refroidissement sont généralement non réglables.
Les thermostats électromécaniques utilisent des éléments de résistance comme anticipateurs. La plupart des thermostats électroniques utilisent des dispositifs de thermistance ou des éléments logiques intégrés pour la fonction d'anticipation. Dans certains thermostats électroniques, l'anticipateur de thermistance peut être situé à l'extérieur, offrant une anticipation variable selon la température extérieure. Les améliorations apportées au thermostat comprennent l'affichage de la température extérieure, la programmation et l'indication des pannes du système. Bien que ces thermostats de 24 volts soient incapables de faire fonctionner un four lorsque l'alimentation secteur tombe en panne, la plupart de ces fours nécessitent une alimentation secteur pour les ventilateurs d'air chauffé (et souvent aussi pour les surfaces chaudes ou l'allumage électronique à étincelles) rendant la fonctionnalité du thermostat sans effet. Dans d'autres circonstances, comme les murs pilotés et les chauffages centraux et de plancher par gravité (sans ventilateur), le système basse tension décrit précédemment peut rester fonctionnel lorsque l'alimentation électrique n'est pas disponible.
Il n'existe pas de normes pour les codes de couleur de câblage, mais la convention a été établie sur les codes de bornes et les couleurs suivants.[16][17] dans tous les cas, les instructions du fabricant devraient être considérées comme définitives.
Les thermostats de tension de ligne sont le plus souvent utilisés pour les chauffages électriques tels qu'un chauffage de plinthe ou un four électrique à câblage direct. Si un thermostat de tension de ligne est utilisé, l'alimentation du système (aux États-Unis, 120 ou 240 volts) est directement commutée par le thermostat. Avec un courant de commutation souvent supérieur à 40 ampères, l'utilisation d'un thermostat basse tension sur un circuit de tension de ligne entraînera au moins une défaillance du thermostat et peut-être un incendie. Les thermostats de tension secteur sont parfois utilisés dans d'autres applications, comme le contrôle de la bobine de ventilateur (ventilateur alimenté par la tension de ligne soufflant par une bobine de tubes qui est chauffée ou refroidie par un système plus grand) dans les grands systèmes utilisant des chaudières et des refroidisseurs centralisés, ou pour contrôler les pompes de circulation dans les applications de chauffage hydronique.
Certains thermostats programmables sont disponibles pour contrôler les systèmes de tension de ligne. Les réchauffeurs de la plinthe bénéficieront en particulier d'un thermostat programmable qui est capable d'un contrôle continu (comme certains modèles Honeywell au moins), contrôlant efficacement le chauffage comme un gradateur de lampe, et augmenter et diminuer progressivement le chauffage pour assurer une température ambiante extrêmement constante (contrôle continu plutôt que de compter sur les effets moyennants de l'hystérésis). Les systèmes qui comprennent un ventilateur (fours électriques, appareils de chauffage mural, etc.) doivent généralement utiliser des commandes marche/arrêt simples.
Thermostats électroniques numériques
Les thermostats numériques récents ne comportent pas de pièces mobiles pour mesurer la température et s'appuient plutôt sur des thermistances ou d'autres dispositifs à semi-conducteurs tels qu'un thermomètre à résistance (détecteur de température à résistance). En général, une ou plusieurs batteries ordinaires doivent être installées pour le faire fonctionner, bien que certains thermostats numériques dits « de vol de puissance » (utilisés pour la récupération d'énergie) utilisent les circuits c.a. de 24 V courants comme source d'alimentation, mais ne fonctionnent pas sur les circuits « millivolts » alimentés par thermopile utilisés dans certains fours. Chacun d'eux est doté d'un écran LCD indiquant la température actuelle et le réglage actuel. La plupart ont également une horloge, et l'heure du jour et même le jour de la semaine des réglages pour la température, utilisés pour le confort et l'économie d'énergie. Certains modèles avancés sont dotés d'écrans tactiles ou peuvent fonctionner avec des systèmes domotiques ou d'automatisation de bâtiments.
Les thermostats numériques utilisent un relais ou un dispositif à semi-conducteur comme le triac pour commander l' unité de chauffage, ventilation et climatisation. Les unités avec relais fonctionnent avec des systèmes millivolts, mais émettent souvent un bruit de « clic » lors de la mise sous tension ou hors tension.
Les systèmes HVAC capables de moduler leur sortie peuvent être combinés à des thermostats dotés d'un contrôleur PID intégré pour un fonctionnement plus fluide. Il existe également des thermostats modernes dotés d'algorithmes adaptatifs pour améliorer encore le comportement du système sujet à l'inertie. Par exemple, régler les températures de sorte que la température du matin à 7 heures soit de 21 °C (69.8 °F), s'assure qu'à ce moment-là la température sera de 21 °C (69.8 °F), où un thermostat conventionnel commence à fonctionner à ce moment-là. Les algorithmes déterminent à quel moment le système doit être activé pour atteindre la température souhaitée au moment souhaité.[18] autre thermostat utilisé pour le contrôle de processus/industriel où le contrôle marche/arrêt n'est pas adapté le contrôle PID peut également s'assurer que la température est très stable (par exemple, En réduisant les dépassements par réglage fin des constantes PID pour la valeur de consigne (SV)[19] ou en maintenant la température dans une bande en déployant le contrôle d'hystérésis.[20])
La plupart des thermostats numériques utilisés dans les habitations en Amérique du Nord et en Europe sont des thermostats programmables, qui permettent généralement d'économiser 30 % d'énergie s'ils sont laissés avec leurs programmes par défaut ; Les réglages de ces valeurs par défaut peuvent augmenter ou réduire les économies d'énergie.[21] l' article sur le thermostat programmable fournit des informations de base sur le fonctionnement, la sélection et l'installation d'un tel thermostat.
Selon ce qui est commandé, un thermostat de climatisation forcée possède généralement un interrupteur externe pour le chauffage/arrêt/refroidissement et un autre interrupteur marche/auto pour activer le ventilateur soufflant en permanence ou uniquement lorsque le chauffage et le refroidissement sont en marche. Quatre fils viennent au thermostat central de l'unité principale de chauffage/climatisation (généralement située dans un placard, sous-sol, ou parfois dans le grenier): Un fil, généralement rouge, fournit une alimentation de 24 volts CA au thermostat, tandis que les trois autres signaux de commande d'alimentation du thermostat, généralement blanc pour le chauffage, jaune pour le refroidissement et vert pour allumer le ventilateur. L'alimentation est fournie par un transformateur et lorsque le thermostat entre en contact avec l'alimentation 24 V et un ou deux autres fils, un relais situé à nouveau sur l'unité de chauffage/refroidissement active la fonction chaleur/ventilateur/refroidissement correspondante de l'unité.
Un thermostat, lorsqu'il est réglé sur « COOL », ne s'allume que lorsque la température ambiante de la pièce environnante est supérieure à la température définie. Ainsi, si la température de l'espace contrôlé est normalement supérieure au réglage souhaité lorsque le système de chauffage/refroidissement est éteint, il est conseillé de maintenir le thermostat sur « froid », malgré la température extérieure. D'autre part, si la température de la zone contrôlée tombe en dessous du degré souhaité, il est conseillé de tourner le thermostat sur « chauffage ».
La pompe à chaleur est un appareil de réfrigération qui inverse le débit de réfrigérant entre les serpentins intérieur et extérieur. Pour ce faire, mettre sous tension une soupape d'inversion (également appelée soupape à 4 voies ou soupape de commutation). Pendant le refroidissement, l'antenne intérieure est un évaporateur qui élimine la chaleur de l'air intérieur et la transfère à l'antenne extérieure où elle est rejetée dans l'air extérieur. Pendant le chauffage, le serpentin extérieur devient l'évaporateur et la chaleur est évacuée de l'air extérieur et transférée à l'air intérieur par le serpentin intérieur. La soupape d'inversion, commandée par le thermostat, provoque le passage de la chaleur au refroidissement. Les thermostats résidentiels de la pompe à chaleur ont généralement une borne « O » pour alimenter la soupape d'inversion en refroidissement. Certains thermostats résidentiels et de nombreux thermostats commerciaux utilisent une borne « B » pour alimenter la soupape d'inversion en chauffage. La capacité de chauffage d'une pompe à chaleur diminue à mesure que la température extérieure diminue. À une certaine température extérieure (appelée point d'équilibre), la capacité du système de réfrigération à transférer la chaleur dans le bâtiment tombe en dessous des besoins de chauffage du bâtiment. Une pompe à chaleur type est équipée d'éléments chauffants électriques pour compléter la chaleur de réfrigération lorsque la température extérieure est inférieure à ce point d'équilibre. Le fonctionnement de la chaleur supplémentaire est contrôlé par un contact de chauffage de deuxième étage dans le thermostat de la pompe à chaleur. Pendant le chauffage, l'antenne extérieure fonctionne à une température inférieure à la température extérieure et de la condensation peut se former sur l'antenne. Cette condensation peut alors geler sur l'antenne, réduisant ainsi sa capacité de transfert de chaleur. Les pompes à chaleur peuvent donc être utilisées pour dégivrer occasionnellement le serpentin extérieur. Pour ce faire, inversez le cycle en mode refroidissement, éteignez le ventilateur extérieur et mettez sous tension les éléments chauffants électriques. La chaleur électrique en mode dégivrage est nécessaire pour empêcher le système de souffler de l'air froid à l'intérieur du bâtiment. Les éléments sont ensuite utilisés dans la fonction « réchauffage ». Bien que le thermostat indique que le système est en mode dégivrage et que la chaleur électrique est activée, la fonction de dégivrage n'est pas contrôlée par le thermostat. Comme la pompe à chaleur est dotée d'éléments chauffants électriques pour les chauffages supplémentaires et les réchauffeurs, le thermostat de la pompe à chaleur permet d'utiliser les éléments chauffants électriques en cas de défaillance du système de réfrigération. Cette fonction est normalement activée par une borne « E » sur le thermostat. En cas de chaleur d'urgence, le thermostat ne tente pas de faire fonctionner le compresseur ou le ventilateur extérieur.
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