Développement d’une méthode connexionniste pour la détection et le diagnostic de défauts de systèmes de chauffage

ENQUETE AUPRES D’UN NOMBRE IMPORTANT D’INTERVENANTS EXTERIEURS – 

Pour confirmer la liste des défauts typiques (voir Annexe B3), et pour avoir une classification des défauts plus représentative et plus solide afin de mieux guider le développement de méthodes de détection et de diagnostic, nous avons lancé une enquête sous forme de questionnaire. Dans ce questionnaire, nous avons listé, grâce aux études précédentes, le plus exhaustivement possible les défauts des composants de systèmes de chauffage et de production d’eau chaude sanitaire. On arrive au total à une liste de 106 défauts (voir Annexe B4). L’enquête doit permettre pour chacun de ces défauts de déterminer : – sa fréquence d’apparition, – s’il est facile aux équipes d’exploitation de détecter ce défaut, – son incidence sur le confort des usagers, – son incidence sur les consommations d’énergie. Pour ce faire on a demandé aux experts de donner pour chaque défaut et pour chaque caractéristique une note allant de 0 à 3 ; les caractéristiques et la signification de ces notes sont présentées dans ¡’Annexe B4. 

Analyse des résultats d’enquête

 Le dépouillement des résultats du questionnaire doit nous permettre d’évaluer l’importance des composants d’installations d’une part, et de classer les défauts suivant leur importance d’autre part. Le questionnaire a été envoyé à 137 personnes, nous avons reçu au total 46 réponses. Les résultats de cette enquête ont été analysés, [Li, 1995 c], et seront présentés comme suit : – classifications en fonction d’une seule caractéristique, – classifications prenant en compte simultanément plusieurs caractéristiques. On a choisi de distinguer les défauts en fonction de la valeur moyenne de la note donnée par les experts. On distingue dans la plupart des cas les défauts ayant pour une caractéristique donnée une note moyenne supérieure ou égale à 1,5 de ceux pour lesquels îa note moyenne est inférieure à 1,5. Les premiers sont considérés comme importants au regard de cette caractéristique, les autres étant jugés comme peu importants. Ces classifications nous permettent de mettre en évidence pour différentes caractéristiques ou groupements de caractéristiques Ses défauts qui paraissent les plus importants. 

 Classifications en fonction d’une caractéristique 

– fréquence d’apparition ‘, – difficulté de détection, – influence sur le confort, – influence sur les consommations d’énergie. (1) Classification en fonction de la fréquence de défaut Les défauts les plus fréquents (C1>=1.5) peuvent être regroupés de la façon suivante : – défauts du système de production de chaleur, – défauts de la régulation des circuits secondaires, – défauts spécifiques à une zone, – défaut sur l’échangeur ECS, – défauts divers. En ce qui concerne la production de chaleur : – les défauts conduisant à l’arrêt de cette production ont un impact fort sur le confort. Des systèmes de détection particuliers et permettant de les déceler existent déjà dans les installations de chauffage à eau chaude, – ceux entraînant une moindre efficacité de cette production ne sont pas traités actuellement. Ce sont par exemple : encrassement de l’échangeur principal, mauvaise combustion, mauvaise gestion de ia cascade des chaudières. En ce qui concerne la régulation des circuits secondaires : – Ses pannes électriques pour lesquelles il existe déjà des systèmes de détection, – les défauts liés à un mauvais réglage sont très fréquents et ii n’existe pas de procédure automatique pour les détecter. On remarquera que ces défauts sont d’autant plus difficiles à détecter que la régulation des circuits primaires devient complexe. Dans le cas d’une régulation simple en fonction de ia température extérieure, la détection est simple ; dès que l’on essaie de faire de l’intermittence, le problème devient plus complexe. En ce qui concerne les zones particulières (air dans radiateur, usage incorrect de vanne thermostatique,…) : – les défauts une fois détectés sont faciles à résoudre. Les défauts conduisant à un inconfort seront probablement rapidement détectés par les plaintes des occupants. En revanche, ceux conduisant à une dérive de consommation sans augmentation de l’inconfort risquent de ne pas être détectés si l’on ne met pas en place de système de détection spécifique (système de détection automatique par exemple). Ces systèmes de détection spécifique n’existent pas aujourd’hui. En ce qui concerne la production d’ECS : – seul l’entartrage de l’échangeur est fréquent. Il peut, comme tout défaut qui évolue lentement avec le temps être difficile à détecter. Il pourrait avoir peu d’impact sur le confort et est généralement difficile à détecter, ii risque donc de ne pas l’être en l’absence de méthode spécifique. En ce qui concerne les défauts divers (pannes de pompe, fuite d’eau dans la chaufferie,…) : – ils sont généralement faciles à détecter et relèvent d’inspections de routine. Il apparaît nécessaire en ce qui concerne la fréquence d’apparition des défauts de distinguer les défauts de conception pour lesquels on a cherché à déterminer le taux de présence (pourcentage des installations présentant ce type de défaut) des autres défauts pour lesquels on a cherché à déterminer la fréquence des défauts (durée moyenne d’apparition entre deux défauts). 19 (2) Classification en fonction du taux de présence pour les défauts de conception Les défauts de conception ne font a priori pas partie de l’étude qui nous intéresse. Certains d’entre eux peuvent toutefois avoir un effet majeur sur le fonctionnement de l’installation et il paraissait indispensable de les recenser. Les défauts de conception íes plus fréquents (C2>=1.5) sont liés : – au dimensionnement et à l’équilibrage des radiateurs et des circuits. Ce type de défaut est très connu et de nombreuses méthodes permettant de l’identifier et d’y remédier ont été développées. Il reste à les appliquer et à les associer aux méthodes automatiques de détection de défauts ce qui est lourd et pas toujours facile. – au positionnement des sondes de mesure. Les défauts liés au positionnement des sondes sont bien connus. L’application des règles de l’art pourrait permettre de les limiter. Deux problèmes restent toutefois à résoudre. Comment identifier la présence de ces défauts? Comment développer des méthodes de détection de défauts si on n’est pas sûr de la validité des données fournies par les capteurs? – au dimensionnement de la vanne trois voies et donc à son autorité. Les défauts liés à l’autorité hydraulique de la vanne trois voies mettent une fois de plus en évidence l’aspect crucial de ces vannes de régulation. On peut se demander si l’on ne met pas sur le compte du dimensionnement de cette vanne des défauts liés également à la commande qui lui est appliquée et donc au système de régulation programmation. – au dimensionnement des pompes. Les pompes sont toujours surdimensionnées. il faut tout de même être conscient dès la conception d’une installation de chauffage des problèmes du gaspillage d’énergie afin d’éviter le surdimensionnement exagéré. (3) Classification en fonction de la difficulté de détection Les défauts les plus difficiles à détecter (C3>=1.5) peuvent être regroupés en trois groupes : – les défauts de conception. Les personnes en charge de la maintenance de l’installation ont des difficultés importantes à détecter les défauts de conception. !! faut noter que cette détection ne relève pas directement de leur compétence et que de tels défauts auraient normalement dû être détectés lors de la mise en service, – les défauts à évolution lente. La détection des défauts à évolution lente tels que l’entartrage, l’embouage, la corrosion impose de prendre du recul par rapport au fonctionnement au jour le jour de l’installation. Il est nécessaire pour détecter ce type de défaut de pouvoir archiver à intervalle régulier des « photographies » du fonctionnement de l’installation et de pouvoir les comparer. Ceci impose une organisation qui ait une visée à long terme. La difficulté de détection de ce type de défaut semble montrer que cette démarche visant à prendre du recul est rarement mise en oeuvre. – les autres défauts. En ce qui concerne ces autres défauts on trouve principalement : – un grand nombre de défauts liés à la régulation des circuits secondaires, – quelques défauts liés à la production de chaleur, – des défauts liés à des fuites invisibles de l’extérieur de l’installation conduisant à des circulations parasites. 20 D’abord, la régulation des circuits secondaires apparaît comme un des éléments clés. Les défauts cités comme difficiles à détecter ont trait à la fois à la définition de la consigne de la température de départ par les matériels de régulation programmation et à la vanne de commande (mauvaise autorité ou fuite). Il apparaît très difficile de différencier ces diverses causes qui ont toutes des effets sur la même partie de l’installation et dont les effets peuvent facilement être confondus. Ensuite les défauts liés à la production de chaleur portent à la fois sur la mauvaise combustion et sur la gestion des chaudières. Il apparaît difficile aux exploitants de déterminer si le nombre de chaudières utilisées est bon et si les réglages des régulations du primaire sont bien effectués. Enfin les fuites visibles de l’extérieur de l’installation sont rapidement détectées. Toutefois celles qui peuvent se produire entre le primaire et le secondaire des échangeurs de production d’ECS risquent de ne pas l’être. (4) Classification en fonction de l’influence sur le confort Les défauts ayant une influence importante sur le confort sont au nombre de 26. Il s’agit presque uniquement de défauts de fonctionnement. Ceci semble signifier que les défauts de conception pouvant avoir une influence importante sur le confort sont détectés au début de la vie de l’installation. Une grande partie de ces défauts est des défauts francs se traduisant par un arrêt de fonctionnement de tout ou partie de l’installation. On peut citer parmi ceux-ci : – les pannes électriques ou mécaniques des pompes, des vannes, du brûleur, du système de régulation programmation, – l’arrêt de l’alimentation du brûleur, la mise en sécurité du brûleur, – et quelques défauts rares tels que l’éclatement du manchon anti-vibratile, le feu dans le conduit de cheminée ou le gel de canalisations. Un deuxième groupe est constitué par Ses défauts du système de régulation programmation : mauvais calculs des heures de relance ou d’arrêt par le programmateur d’intermittence, horloge mal réglée. Viennent ensuite deux défauts isolés. Le premier est la présence d’air dans les radiateurs, Se second est le sous dimensionnement du préparateur d’ECS. Il faut noter que ce deuxième défaut est le seul défaut de conception ayant un impact important sur le confort. (5) Classification en fonction de l’influence sur les consommations d’énergie Trente et un défauts recensés ont une incidence forte sur les consommations d’énergie. 9 défauts de conception ou d’installation apparaissent dans cette liste : isolation du bâtiment ou de l’installation non conforme aux calculs, mauvais équilibre thermique ou hydraulique de l’installation, surdimensionnement du brûleur, régulateur pas adapté à la vanne trois voies, sondes de mesures de température intérieure ou extérieure mal positionnées. Ceci semble montrer que les défauts de conception ou d’installation ayant une incidence non négligeable sur les consommations sont beaucoup plus difficilement détectés lors du début de la vie de l’installation que les défauts ayant une incidence sur le confort. Parmi les défauts de fonctionnement une part importante est constituée par des défauts apparaissant lentement : dégradation de l’isolation, embouage et entartrage ce type de défaut pose par nature des difficultés particulières de détection. Les autres défauts ayant une incidence forte sur le confort se répartissent comme suit : -fuites d’eau : vers les locaux ou la chaufferie, au niveau des vannes, au niveau des échangeurs, – défauts liés aux occupants (ouverture de fenêtre, usage incorrect des vannes thermostatiques), – mauvaise combustion, – mauvais fonctionnement ou mauvais réglage du système de régulation programmation. 

 Classifications prenant en compte simultanément plusieurs caractéristiques 

– fréquence d’apparition et difficulté de détection, – fréquence d’apparition et influence sur le confort, – fréquence d’apparition et influence sur les consommations, – confort des occupants et difficulté de détection, – consommations d’énergie et difficulté de détection, – consommations d’énergie et influence sur le confort, -fréquence d’apparition, difficulté de détection et influence à la fois sur le confort et ¡es consommations d’énergie. (Declassification en fonction de la fréquence d’apparition (ou du taux de présence pour les défauts de conception) et de la difficulté de détection Après une analyse sur chacune des caractéristiques il nous a paru nécessaire d’analyser les corrélations entre les notes obtenues pour les différentes caractéristiques. L’objectif de cette première classification est de recenser les défauts fréquents que l’on a du mal à détecter. Pour Ses défauts autres que les défauts de conception, La figure 1.4 montre que parmi les 37 défauts difficiles à détecter (C3>=1.5) il y en a 12 qui sont fréquents (C1 >=1.5). Ces défauts sont les suivants : – défauts concernant la régulation des circuits secondaires, – mauvais calcul de l’heure de relance, de l’heure d’arrêt, et mauvais réglage du programmateur d’intermittence, – horaires d’occupation affichés non cohérents avec l’occupation, – courbe de chauffe mal réglée, – consigne de température de retour mal réglée et mauvaise loi de régulation de la température de retour. – défauts concernant la gestion de la cascade des chaudières : mauvais choix du nombre des chaudières utilisées, mauvais réglage des chaudières en cascade, mauvais réglage des aquastats des chaudières, mauvaise séquence d’arrêt entre pompe et brûleur, – défaut concernant la production d’ECS : entartrage de l’échangeur de la production d’ECS,