Domotiser son chauffage avec Home Assistant - Automatisations, astuces et réglages - Partie 3

Voici un article présentant une mise en pratique des calculs de régulation d'un système de chauffage dans Home Assistant. Le tout pour obtenir un système domotique qui n'a rien à envier aux solutions du commerce.

Le but de la série d'articles est d'être capable de mettre en place et tester une régulation de chauffage pour 2€ ; à défaut d'avoir des preuves scientifiques certifiant les économies d'énergie annoncées avec la plupart des systèmes vendus dans le commerce (sujet de l'article suivant en préparation)… Bref, démystifions le charabia industriel.

N'hésitez pas à consulter les précédents articles à propos de l'installation des services ebusd, Mosquitto et Home Assistant.

Mise à jour novembre 2023 : Réécriture de quelques paragraphes pour plus de clarté, plus corrections diverses. L'article est fortement consulté, j'espère qu'il servira vraiment. Pour les plus pressés, l'implémentation dans Home Assistant est je pense, facile à suivre et à reproduire, mais la première partie de l'article est nécessaire pour comprendre les fonctions de régulation utilisées et leurs paramétrages.

La régulation du chauffage (c.-à-.d le calcul de la température de l'eau) fait appel à divers paramètres : températures extérieure et intérieure mesurées et température de consigne (spécifiée par l'utilisateur). Les thermostats ne sont pas tous capables d'accepter l'ensemble de ces paramètres ni de les utiliser de la même façon.

On identifie deux grands types de régulation :

• en boucle fermée : Le système surveille la température ambiante et tâche d'atteindre la température de consigne.
• en boucle ouverte : Le système prend en compte des paramètres perturbateurs tels que la température extérieure, l'ensoleillement, l'ouverture des fenêtres, etc.

Pour atteindre leur objectif de confort les thermostats gèrent la chaudière et son eau selon deux méthodes :

• «Tout ou Rien»
• Modulation

L'article s'intéresse essentiellement aux calculs intervenant dans la régulation par modulation.

Sommaire

Comprendre la régulation du chauffage pour économiser

Mode de régulation «Tout ou Rien» : Le mode par défaut

La régulation par thermostat «Tout ou Rien» (également appelée «ON/OFF») consister à couper le chauffage de l'eau lorsque sa température atteint un certain seuil.

• Les fluctuations de température dans le logement peuvent être importantes ;
• Mono zone la plupart du temps ;
• Ne convient pas aux chaudières modulantes (modulation de puissance/température), car entraîne une augmentation du nombre de cycles démarrage/arrêt, ainsi que des températures de fonctionnement incompatibles avec l'efficacité maximale promise par les chaudières récentes.

La régulation par modulation : Aller plus loin

Maîtriser la loi d'eau : L'équation de base

La Loi d'eau est une courbe dont l'équation sert à calculer la température de l'eau de chauffage pour atteindre une température d'ambiance déterminée.

• Maintient une température de l'eau plus stable et plus précise qu'avec la régulation par thermostat «Tout ou Rien» ;
• Système généralement plus coûteux à l'achat et à l'installation.

Exemples de lois d'eau. La pente de chaque droite influence la rapidité de réponse du système en réponse aux caractéristiques du logement et aux éventuels paramètres perturbateurs.

Le coefficient directeur (pente) de la courbe dépend des caractéristiques d'un logement. Le rôle de la courbe est d'équilibrer en temps réel les pertes de calories vers l'extérieur, et l'apport de calories venant des émetteurs de chaleur installés (à ne pas confondre avec la technologie installée, type : Pompe à Chaleur, gaz, fioul, etc.).

Ainsi :

• La perte de calories dépend de l'écart de température entre l'air extérieur et l'air intérieur, ainsi que du volume à chauffer et des caractéristiques de l'isolation.

• L'apport de calories dépend de l'écart entre la température de l'eau et l'air intérieur, ainsi que des caractéristiques des radiateurs par exemple.

Voici l'équation de base :

Temp_eau = coef * (Temp_air_consigne - Temp_ext) + Temp_air_ambiant

Plus la température extérieure baisse ou plus la température de consigne est élevée, plus la température de l'eau est élevée.

En théorie Temp_air_ambiant = Temp_air_consigne. Un ajustement temporaire manuel via un réglage sur la chaudière peut se faire sur le résultat Temp_eau ou sur Temp_air_ambiant en y ajoutant une constante (offset) pour répondre plus rapidement à une demande urgente ou prendre en compte les apports divers en énergie (soleil, four, etc.). L'offset exerce un «décalage parallèle» de la courbe c.-à-d. qu'il la relève ou l'abaisse sur l'axe vertical (en bref pour les matheux : on joue sur l'ordonnée à l'origine). L'offset ne change pas la rapidité de réponse face à une perturbation. Son usage sera démontré plus bas.

Le coefficient ou pente peut se calculer empiriquement :

Exemple : Pour une température extérieure de 5°C, vous constatez avoir besoin d'une température d'eau de 45°C pour maintenir 20°C dans le logement. Il suffit de remplacer les valeurs dans l'équation.

coef = (45 - 20) / (20 - 5) = 1.6

Améliorer l'efficacité de son chauffage en modifiant le coefficient de la loi d'eau

Les chaudières modernes (à condensation et les pompes à chaleur) ont une efficacité énergétique optimale lorsqu'elles produisent une eau à basse température et lorsqu'elles ne fonctionnent pas à leur puissance maximale.

Pour permettre la condensation des vapeurs, la température de l'eau de retour doit être la plus basse possible et à tout prix inférieure à 57°C (point de rosée de la vapeur d'eau contenue dans les produits de combustion du gaz). Par conséquent il y a intérêt à ne pas pousser la chaudière à son maximum. Il faut préférer une chauffe continue et faible et fonctionner à des températures basses, stables et évoluant lentement en fonction des conditions extérieures.

L'idée est d'avoir un coefficient de loi d'eau le plus faible possible. Or on l'a vu, une fois évalué le coefficient est propre à un logement…

On ne peut jouer que sur 2 paramètres pour atteindre ce but :

• L'isolation : Réduction des pertes de calories vers l'extérieur.
• La taille des émetteurs de chaleur : Plus un radiateur est grand, plus il est volumineux et a une grande surface d'échange, plus il contiendra d'eau et plus il transmettra facilement ses calories à l'air ambiant. Bref, plus il est efficace.

Il est important de noter que pour atteindre un coefficient de loi d'eau le plus faible possible, il est nécessaire de faire des modifications sur les deux aspects (isolation ET équipement de chauffage) et non uniquement sur l'un d'entre eux, même si le premier est clairement prioritaire.

Il est aussi possible de se tourner vers des correcteurs thermiques (enduits chaux-chanvre, plâtre-vermiculite, laine de bois, etc.) dont la vocation est moins d'isoler que de supprimer la sensation de paroie froide qui créé un inconfort. Ces correcteurs thermiques permettent de réduire la température ambiante pour un confort équivalent.

Explorons quelques variantes de la loi d'eau

Il existe quasi autant de variantes que de fabricants. Certains sont transparents en spécifiant les formules dans leur documentation, d'autres sont plus opaques. Chaffoteaux fait partie des seconds (il a fallu trouver un manuel italien pour trouver les informations) ; Viessman par exemple semble être plus sérieux à ce sujet.

Je présenterai les formules en usage sur le matériel Chaffoteaux uniquement car c'est le matériel auquel j'ai accès.

Sonde externe seule

Courbes de loi d'eau pour la chaudière Mira C green. On voit deux grands types de courbes selon le type d'installation : basse et haute température. La chaudière n'est pas censée fonctionner au-dessus d'une température extérieure de 20°C.

• Retrouver la formule

  La formule générale d'une droite est :

  f(x) = -a*x + b

  Son coefficient directeur s'exprime selon la formule suivante, avec 2 points A et B appartenant à la droite :

  a = yB - yA / xB - xA

  À l'aide de l'illustration ci-dessus (voir la légende), on peut exprimer les coordonnées du point b (l'ordonnée à l'origine) (x_0, y_0) pour x_0=0, en fonction de la température minimale extérieure à 20°C (x_20, y_20) soit (20, 30) et du coefficient directeur a :

      a = y_0 - y_20 / x_0 - x_20
  ⇔ y_0 = a * (x_0 - x_20) + y_20
  ⇔ y_0 = -20a + 30 = b
  

  Ce qui donne par remplacement et avec prise en compte de l'offset (vu plus haut), la fonction Temp_eau en fonction de Temp_ext :

  f(Temp_ext) = -a * Temp_ext + (-20a + 30) + offset
              =  a * (20 - Temp_ext) + 30 + offset
  

  Rappel de la formule théorique vue plus haut :

  f(Temp_ext) = coef * (Temp_air_consigne - Temp_ext) + Temp_air_ambiant
  

  Si on compare avec la formule générale, on voit que les termes Temp_air_consigne et Temp_air_ambiant ont été remplacés par des constantes. En effet, la régulation en mode «sonde externe seule» fait appel à une fonction tronquée et ne tient compte que de la température extérieure.

• Formule générale

  Une variante plus générale de la formule obtenue, prenant cette fois en compte la température de consigne pourrait être préférée ; c'est cette formule en usage chez Chaffoteaux :

  f(Temp_ext) = coef * (Temp_air_consigne - Temp_ext) + Temp_eau_min + offset

Sonde ambiante seule

Le calcul se fait cette fois en fonction de la température ambiante mesurée dans la zone à chauffer :

f(Temp_air_ambiant) = Temp_influence * (Temp_air_consigne - Temp_air_ambiant) + Temp_eau_min + offset

Voici la logique derrière cette formule :

• Est-ce qu'avec une eau à 40°C, la température intérieure s'élève jusqu'à la consigne demandée ;
• Si oui, au bout de combien de temps ?
• Si non, c'est peut-être que la température extérieure baisse.
• La chaudière ou le thermostat demande une température d'eau de 45°C puis revérifie.
• Si la température se stabilise, la « bonne » température a été trouvée.

Sonde ambiante et externe

C'est la régulation la plus aboutie puisqu'elle rassemble les deux formules vues précédemment.

f(Temp_ext, Temp_air_ambiant) =   slope * (Temp_air_consigne - Temp_ext)
                                + slope * Temp_influence * (Temp_air_consigne - Temp_air_ambiant)
                                + Temp_eau_min + offset

La constante Temp_influence est importante ici. Toutefois il est important de rappeler que chez Chaffoteaux il ne s'agit pas d'un pourcentage : C'est un facteur multiplicateur qui donne un poids vraiment très important à la mesure de température ambiante.

Comparaison visuelle des régulations

Ci-dessous une représentation des courbes des 4 lois d'eau vues précédemment. Les points sont calculés avec les paramètres suivants :

• Coefficient : 1.2
• Temp_ext : 5
• Temp_air_consigne : 20
• Temp_influence : 2
• Temp_ambiante_haute : 22
• Temp_ambiante_basse : 18
• Offset : 0

Représentation des courbes des 4 lois d'eau (temp eau en fonction de temp ext) : Basique, Sonde externe seule, Sonde ambiante seule, Sonde ambiante et externe. Chaque loi est calculée pour un écart de +2°C (tirets) et -2°C (trait plein) entre la température mesurée et la température de consigne.
Deux zones d'exclusion sont matérialisées (35°C et 60°C) ; elles correspondent respectivement à la température en dessous de laquelle la chaudière refuse de chauffer l'eau, et au-dessus de laquelle l'efficacité est diminuée.
Les courbes sont tracées à l'aide de l'excellent projet Plotly.

On constate que les seuls les modes Sonde ambiante et externe et Sonde ambiante seule sont sensibles à l'écart avec la consigne. Comme attendu le mode Sonde ambiante seule n'est pas concerné par les variations de température extérieure. Pour ce dernier mode il semble nécessaire de faire appel à un offset pour recentrer la courbe.

La constante Temp_influence a une valeur par défaut de 10 volontairement ramenée à 2 (soit ±2°C par degré d'écart). En effet, une telle valeur génèrerait de fortes amplitudes (20°C à 60°C) selon que la température ambiante serait au-dessous ou au-dessus de la consigne. Voici un aperçu des courbes avec le réglage par défaut :

Lois d'eau avec une constante Temp_influence égale à 10. L'intervalle des températures est très important pour Sonde ambiante et externe, Sonde ambiante seule.

Les régulations par Sonde ambiante et externe et Sonde ambiante seule se rapprochent d'une régulation tout ou rien lorsqu'elles sont mal étalonnées ; elles ne fixent alors une température dans la zone acceptable que si la température de consigne est quasi atteinte.

Jetons un œil sur la réactivité des régulations :

Réactivité des lois d'eau et effets sur la température de l'eau vis à vis des écarts de température du logement avec la consigne.
Les courbes ont été centrées sur un point unique en jouant sur les offsets.

La régulation par Sonde ambiante et externe répond mieux aux écarts et est très réactive ; mais attention, si par exemple, le chauffage est réglé à 16°C la nuit et 20°C en journée, l'écart très important aura tendance à faire entrer la chaudière dans un mode de chauffe maximal quasiment jusqu'à ce que la consigne soit attente.

Mettre en pratique les régulations dans Home Assistant

Implémentation des différentes régulations

Sélectionner sa loi d'eau dans Home Assistant.

Il s'agit ici de créer 2 widgets :

• un pour sélectionner le mode de régulation,
• un pour afficher la température d'eau calculée. Valeur qui sera transmise à la chaudière quand un des paramètres aura changé.

Certains widgets de Home Assistant affichent des données qui ne sont ni insérées pour le long terme dans la base de données, ni aisément accessibles par d'autres capteurs ; c'est le cas du widget météo «weather». L'astuce pour contourner cette restriction est de créer un template sensor pour extraire un attribut du capteur et utiliser ses valeurs dans des automations, statistics, triggers, etc.

• L'idée est de créer un 1^ier template sensor pour récupérer la température contenue dans le widget météo.

• Nous créerons ensuite un 2^ième template sensor qui s'occupera de calculer la température de l'eau en lisant les variables en provenance de la chaudière et de notre nouveau capteur de température extérieure.

• Dès que le calcul sera réalisé, son résultat sera envoyé vers la chaudière via une automation. La chaudière doit être en mode de régulation «température fixe» ; cette température sera entièrement gérée par Home Assistant.

• La sélection de la loi d'eau sera réalisée par un widget input_select.

Voici le code utilisé et commenté :

input_select:
  # Boite de dialogue à choix multiples: sélection de la loi d'eau
  water_compensation_law:
    name: Water compensation law
    options:
      - "Outdoor temp only"
      - "Outdoor and room temp"
    icon: mdi:target
    initial: "Outdoor temp only"

template:
  - sensor:
    # Extraction de l'attribut temperature du capteur weather.home/weather.maison
    - name: Outdoor temperature
      unique_id: outdoor_temperature
      state: "{{ state_attr('weather.maison','temperature') }}"
      state_class: measurement
      unit_of_measurement: "°C"

  - sensor:
    # Calculateur de température d'eau selon la température extérieure
    # ET la loi d'eau sélectionnée dans le capteur outdoor_temperature.
    - name: Temperature target multiple laws
      unique_id: temperature_target_multiple_laws
      state_class: measurement
      unit_of_measurement: "°C"
      state: >
        {% set z1_slope = states.number.z1_thermoregulation_slope.state | float %}
        {% set z1_offset = states.number.ebusd_boiler_z1_thermoreg_offset.state | float  %}
        {% set z1_water_max_temp = states.sensor.ebusd_boiler_z1_water_max_temp_0.state | float %}
        {% set ext_temp = states.sensor.outdoor_temperature.state | float  %}

        {% set z1_room_temp_setpoint = states.number.ebusd_boiler_z1_day_temp.state | float %}
        {% set z1_room_temp = states.number.z1_room_temperature.state | float %}
        {% set z1_room_temp_influence = states.number.ebusd_boiler_z1_room_temp_infl.state | int %}

        {% if states.input_select.water_compensation_law.state == "Outdoor and room temp" %}
            {% set theoric_target_temp = z1_slope * (z1_room_temp_setpoint - ext_temp) +
               z1_slope * z1_room_temp_influence  * (z1_room_temp_setpoint - z1_room_temp) + 30 + z1_offset %}
        {% else %}
            {% set theoric_target_temp = -z1_slope * ext_temp + 30 + 20 * z1_slope + z1_offset %}
        {% endif %}
        {# Do not go above max temp nor under 35°C #}
        {% set theoric_target_temp = theoric_target_temp if theoric_target_temp >= 35 else 35.0 %}
        {% set theoric_target_temp = theoric_target_temp if theoric_target_temp <= z1_water_max_temp else z1_water_max_temp %}
        {{ theoric_target_temp | round(1) }}
      # Protection au démarrage contre des statuts indésirables des entités nécessaires aux calculs
      # Retourne True si tous les capteurs sont disponibles
      availability: >
        {% if states.input_select.water_compensation_law.state == "Outdoor and room temp" %}
        {% set expected_states = [
            states.number.z1_thermoregulation_slope,
            states.number.ebusd_boiler_z1_thermoreg_offset,
            states.sensor.ebusd_boiler_z1_water_max_temp_0,
            states.sensor.outdoor_temperature,

            states.number.ebusd_boiler_z1_day_temp,
            states.number.z1_room_temperature,
            states.number.ebusd_boiler_z1_room_temp_infl
           ]
        %}
        {% else %}
        {% set expected_states = [
            states.number.z1_thermoregulation_slope,
            states.number.ebusd_boiler_z1_thermoreg_offset,
            states.sensor.ebusd_boiler_z1_water_max_temp_0,
            states.sensor.outdoor_temperature,
           ]
        %}
        {% endif %}
        {{ expected_states | selectattr('state', 'in', ['unavailable', 'unknown', 'none']) | list | count == 0 }}

# Utilisation de la température calculée par temperature_target_multiple_laws
# pour spécifier la température de la chaudière ebusd_boiler_z1_fixed_temp
automation set_z1_fixed_temp:
  - alias: "Set Z1 fixed temp with water compensation calculation"
    # Déclenchement ssi la température calculée change
    trigger:
      platform: state
      entity_id: sensor.temperature_target
    # Protection contre données erronées
    condition: "{{ states.sensor.temperature_target.state not in ('unknown', 'unavailable', 'none') }}"
    # Envoi de la valeur vers ebusd_boiler_z1_fixed_temp
    action:
      service: number.set_value
      target:
        entity_id: number.ebusd_boiler_z1_fixed_temp
      data:
        value: "{{ states.sensor.temperature_target.state | float(0) }}"

Tout cela est bien lourd et redondant face à un script Python, malheureusement les utilisateurs sont guidés en priorité vers ce style de configuration. Je reviendrais peut-être sur une programmtion par scripts dans un futur article.

Bonus : Programmer le démarrage du chauffage

Programmer le démarrage de son chauffage dans Home Assistant.

Pour programmer le chauffage il faut définir une entrée de type calendrier (voir les documentations input_datetime et Triggers : Sensors of datetime).

Le déclenchement agira sur le service turn_on du switch de mise en route du chauffage. On s'assure que le switch gérant la zone de chauffe Z1 (switch.ebusd_boiler_z1_heating_activation_onoff) soit aussi activé.

input_datetime:
  program_heating_start_datetime:
    name: Programmation allumage chauffage
    # Set the availability of date & time inputs in the widget
    has_date: true
    has_time: true

automation heating_programming:
  trigger:
    platform: time
    at: input_datetime.program_heating_start_datetime
  action:
    - service: switch.turn_on
      entity_id: switch.ebusd_boiler_heating_status_onoff
    - service: switch.turn_on
      entity_id: switch.ebusd_boiler_z1_heating_activation_onoff

Les deux boutons «Heating status» et «Z1 activation of the heating» devraient être actifs à l'heure spécifiée.

Nettoyer la base de données en supprimant les mesures inutiles

Par défaut Home Assistant stocke toutes les mesures réalisées par toutes les entités. Ceci peut rapidement être à l'origine d'une base de données conséquente.

Pour visualiser les entités qui prennent le plus de place, ouvrez le fichier ~.homeassistant/home-assistant_v2.db avec un logiciel d'exploration de bases de données SQLite tel que sqlitebrowser.

Entrez la commande SQL suivante :

SELECT entity_id, count(*) AS cnt FROM states WHERE entity_id like '%z1%' GROUP BY entity_id ORDER BY cnt

Identifiez les entités les plus fréquentes, redondantes et inutiles.

N'hésitez pas à configurer le fichier configuration.yaml pour ne plus les enregistrer (recorder) et les purger dès que possible (Purge entities).

recorder:
  commit_interval: 60
  purge_keep_days: 30
  exclude:
    entities:
      - sensor.temperature_target
      - automation.set_z1_fixed_temp_with_water_compensation_calculation

Vous pouvez purger instantanément les entités en passant par l'interface de Home Assistant (Outils de développement/Services) :

service: recorder.purge_entities
target:
    entity_id:
    - sensor.temperature_target
    - automation.set_z1_fixed_temp_with_water_compensation_calculation

Conclusion

Vous devriez maintenant être capable de mettre en place une régulation du chauffage via Home Assistant et d'en saisir les arcanes. À vous de jouer avec les paramètres et les formules. L'article est parfois technique, n'hésitez pas y apporter un commentaire dans l'espace réservé plus bas.

Nous avons vu par exemple que les régulations basées sur la température extérieure sont lentes à réagir car ne prennent pas en compte l'inertie du bâtiment. Dans ce cas, pourquoi ne pas tirer parti de la connexion à un service météo et considérer la température prévue dans quelques heures plutôt que la température actuelle, le tout pondéré par l'ensoleillement espéré ?

Autre idée : Vous pourriez empiriquement ou statistiquement mesurer le temps nécessaire pour chauffer le logement en partant d'une certaine température. Dans ce cas il serait possible de programmer en avance l'heure du chauffage.

L'application mobile Home Assistant permet aussi de mettre le chauffage en route avant de rentrer du travail. Attention néanmoins à bien sécuriser l'accès à votre plateforme si vous ouvrez son accès sur Internet (mot de passe robuste, logging et surveillance des connexions, etc.).

Je présenterai dans le prochain article la norme d'étiquetage du matériel, ainsi que des arguments (en défaveur) des solutions commerciales, qui bien que subventionnées par l'État sont souvent accompagnées d'arguments de vente avançant des économies irréalistes.

Sources

• Wikipédia - Loi d'eau.
• Home Assistant - Input Select.
• Home Assistant - Input Datetime.
• Home Assistant - triggers : Sensors of datetime.
• Documentation Chaffoteaux - PIGMA ADVANCE HYBRID FLEX IN LINK.
• Plotly.