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La régulation de l'installation chauffage.
La régulation du chauffage permet
d'avoir un confort optimum et de faire des économies non négligeables. La
température de référence est 19 °C durant ,a période d'occupation.
Chaque degré supplémentaire représente environ 5 à 7% de consommation en
plus. Maintenant avec les nouvelles chaudières à basse température, à
très basse température ou les chaudières à condensation, une
régulation minimale du système de chauffage est obligatoire si on veut
profiter pleinement des performances de la chaudière. Il y a 3 principaux
systèmes pour la régulation du chauffage, qui va du plus simple au plus sophistiqué.
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Les robinets thermostatiques.
Les robinets thermostatiques sont devenus incontournables car ils
sont utilisés de 90 à 95% des cas dans les nouvelles installations. Ils permettent un
réglage pièce par pièce, réagissent à un apport supplémentaire
de chaleur (rayonnement solaire, chaleur des occupants ...) en
réduisant le débit de l'eau circulant dans les radiateurs et donc la
température moyenne de ces derniers, ce qui a pour effet d'économiser de 10
à 20% de consommation par rapport à une installation équipée de
robinets manuels. Pour le choix des robinets thermostatiques, hormis la
marque, il faut tenir compte de leur emplacement. Si des robinets sont
installés sur tous les radiateurs, une
soupape différentielle devra
impérativement être intercalée entre les tuyaux du départ et retour
chauffage ceci afin de protéger le circulateur en lui assurant un
débit minimum car si les robinets thermostatiques se ferment tous en
même temps et ceci à cause d'une élévation de la température
ambiante, il y aura cavitation dans le circulateur (pour plus de
précisions, cliquer sur le lien ci-dessus). Pour éviter la pose d'une soupape différentielle,
il est possible d'installer
un robinet manuel sur un radiateur et de le laisser toujours ouvert à
fond, il se pose en général dans la salle de bain ou dans la pièce
où se trouve le thermostat d'ambiance si il y en a un. L'autre
possibilité pour s'affranchir de cette soupape, est l'installation d'un
circulateur électronique à vitesse variable qui, en plus, permet des économies
d'énergie. Pour éviter les
problèmes de clapets collés sur le siège, qui font légion à la mise
en route du chauffage, les mettre en position d'ouverture maximale au
printemps à l'arrêt du chauffage. Si cela arrive, avant
de démonter le robinet essayer la façon suivante qui a l'air un peu
barbare mais qui fonctionne 8 fois sur 10 ; prendre un chiffon, le plier de
façon à avoir une bonne épaisseur, le poser sur le corps du robinet
et avec un marteau, taper 1 fois dessus en faisant bien attention de ne
pas toucher la tête ou le tuyau, attendre quelques secondes pour voir
si l'eau chaude arrive, sinon recommencer. Si malgré tout ceci ne suffit
pas il ne reste plus que le démontage. Il y a plusieurs types de
têtes thermostatiques, je vais en expliquer 4.
Coupe d'une tête et corps
thermostatique Danfoss :
1 Elément thermostatique à soufflet contenant un gaz thermosensible (d'autres
ont un palpeur à cire)
2 Pas de vis de réglage de la température
3 Ressort de compensation
4 Axe de poussée de la tête thermostatique
5 Presse-étoupe
6 Ressort de rappel du clapet
7 Clapet
8 Corps du robinet
9 Sens du fluide
10 Indique le point de désolidarisation de l'axe du presse étoupe et celui du
clapet. Se qui empêche (malheureusement) de pouvoir décoller le clapet quand il
est coller au siège.
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Le thermostat
d'ambiance.
Le thermostat d'ambiance influe sur le brûleur et/ou le
circulateur, il dispose d'une sonde mécanique ou électronique sensible
à la chaleur. Il doit être posé à 1,5 m du sol, ne doit pas être
soumis aux rayons solaires, ne doit pas être dans le flux de convection
d'un radiateur et ne doit pas non plus être exposé à des courants
d'air, tout ceci afin de ne pas fausser son bon fonctionnement. Il est
en général installé dans la pièce la plus froide mais on peut aussi
l'installer dans une pièce à vivre comme le salon ou la salle à
manger. Là où se trouve le thermostat d'ambiance, des robinets
thermostatiques ne devront pas y être installés ou alors, toujours les
ouvrir en grand. On trouve plusieurs
types de thermostat d'ambiance :
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Le
thermostat d'ambiance simple qui comporte 1 seul bouton gradué de
5°C à 30°C par lequel on ajuste la température souhaitée mais qui
n'est pas le meilleur choix pour faire de réelles économies et avoir
un confort correct.
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Le
thermostat d'ambiance à horloge est équipé, comme son nom l'indique,
d'une horloge analogique ou électronique, journalière ou
hebdomadaire. Pour abaisser la température ambiante pendant les
heures d'absence ou la nuit. La température réduite est en général
de 16°C à 18°C contre 19°C à 21°C pour la température normale. Mis à
part les boutons servant à régler les plages horaire ce thermostat
compte aussi 2 boutons pour le réglage de la température réduite et
normale. Quand il n'en compte qu'un, il sert à régler la température
normale, à ce moment là, la température réduite l'est de 3°C à 4°C
par rapport à la normale.
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Il existe des thermostats d'ambiance à
liaison radio, qui sont très utiles si l'appartement est
totalement fini et que l'on souhaite installer un thermostat. Ce type
de thermostat est composé de 2 boîtiers. L'un est le thermostat
d'ambiance proprement dit (fonctionnement à piles) et l'autre est
le boîtier de réception qui se pose à proximité de la
chaudière.
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La
régulation électronique.
 La régulation marche en fonction de la température extérieure par
l'intermédiaire d'une sonde qui doit être posée en général à
environ 2 m du sol et sur la façade Nord ou Nord-est, elle ne doit pas
se trouver à l'abri de quoi que se soit (avancée de toit, sous balcon,
intérieur de fenêtre, etc...). La régulation est tout à fait
compatible avec les robinets thermostatiques et elle peut avoir une
sonde d'ambiance de correction généralement incorporée dans une commande à distance qui bien évidemment
est propre à la régulation. Il y a une multitude de possibilités de
montage, voyons les trois principales.
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La régulation sans vanne mélangeuse
qui agit seulement sur le brûleur et le circulateur mais qui
a l'inconvénient de n'avoir pas une eau de départ chauffage
à température régulière et ceci est dû au différentiel du
brûleur cet à dire la différence entre la température à
laquelle il s'arrête et celle à laquelle il redémarre (5°C à
8°C).
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La régulation avec vanne mélangeuse 3
ou 4 voies (voir la page "Les
accessoires" pour plus de précisions sur les vannes mélangeuses) est plus précise pour la température de l'eau du
départ chauffage car elle mélange à l'eau du départ chaudière,
qui est en général 8°C plus chaude que la demande, une
partie de l'eau du retour chauffage et ceci est géré à l'aide
d'une sonde située sur la conduite du départ chauffage.
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La régulation avec un circuit sans
vanne mélangeuse et un circuit avec vanne mélangeuse. Ce système
est souvent employé quand il y a un mixage des émetteurs comme par
exemple un plancher chauffant au rez-de-chaussée (circuit avec
vanne mélangeuse) et des radiateurs à l'étage (circuit sans vanne
mélangeuse). Les radiateurs ont besoin d'une température
supérieure au plancher chauffant donc la courbe de chaudière sera
réglée pour le circuit radiateur et le plancher chauffant aura sa
propre courbe, un exemple, pour une température extérieure de 0 °C
la température du départ du circuit radiateurs sera d'environ 50 °C
à 55 °C alors que la température du départ du circuit plancher
chauffant sera elle d'environ 32 °C à 35 °C. Ce principe peut aussi
être utilisé si on souhaite avoir une ou plusieurs pièces à une
température différente sans pour autant surdimensionner les
radiateurs (salle de bain par exemple). Il est possible d'avoir des
régulations à 2 circuits avec chacun une vanne mélangeuse.
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La loi de
régulation ou loi de correspondance.
Le coefficient d'émission (K) de la majorité des émetteurs est variable
(voir explications sur la page "Les
radiateurs").
Si on adopte une loi de régulation linéaire, on sera confronté à une
insuffisance de chauffage quasi permanente qui sera accentuée en inter-saison (hormis pour les planchers chauffants). Les régulations anciennes ont
une loi linéaire ce qui n'est pas sans poser problème car
pour compenser ceci, on utilise une loi linéaire majorante séquente à la
loi réelle mais qui entraîne de fait une surchauffe durant l'inter-saison, voir le croquis ci-dessous :
Le trait rouge représente la loi linéaire, le trait vert, la loi réelle
et le trait bleu la loi de correction majorante d'où il en découle la
zone en jaune qui représente la surchauffe en inter-saison. Dans
l'exemple, à partir d'une température extérieure de 8 °C.
Le coefficient d'émission des émetteurs est plus faible dans les basses
températures et pour pouvoir compenser ce phénomène, il a fallu mettre au point des
régulateurs pouvant définir une loi de régulation non linéaire afin de
compenser la variation du coefficient K, ce qui
est fait grâce à l'informatique. Le calcul de cette loi réelle est
malgré tout assez
complexe. Pour obtenir la température de départ en fonction de la
température extérieure il est nécessaire de connaître certaines valeurs
et il est possible d'utiliser les formules suivantes qui sont, il est vrai, assez peu
maniables du fait des relations implicites :
Td = Ti + (H / (K x S)(1/n))(1/n) x ((Ti - Te)(1/n)) +
(Td - Tr) / 2
Tr = Td x EXP(-K / (Débit x 1,163) x S) + Ti x (1 - EXP(-K / (Débit x
1,163) x S))
où :
H est le coefficient de déperdition thermiques (par transmission et
renouvellement d'air) du logement, en W/K
K est le coefficient d'émission surfacique nominal de l'émetteur, en W/(m².K)
S est la surface de l'émetteur, en m²
EXP est la fonction inverse de Ln (ex ou e^ sur les calculatrices)
Prenons un exemple, un logement de 110 m² ayant un coefficient H de 188
W/K où la température ambiante désirée est de 20 °C et la température
extérieure de base de -15 °C. L'émetteur est un plancher chauffant de
100 m² (les 10 m² manquant étant les emprises). Le coefficient K moyen du logement est de 5,98 W/(m².K). La
chute définie durant le dimensionnement est de 8 °C, n = 1 :
A l'aide du logiciel de calcul Excel (cocher la case "Itération" -> menu
"Outils", "Options..." onglet "Calcul"). Pour Td et Tr on obtient les valeurs
suivantes :
Td = 20 + (188 / (5,98 x 100)(1/1))(1/1) x (20 - -15)(1/1)
+ (34,84 - 27,17) / 2 = 34,84 °C
Tr = 34,84 x EXP(-5,98 / (702,22 x 1,163) x 100) + 20 x (1 - EXP(-5,98 / (702,22 x
1,163) x 100)) = 27,17 °C
Le résultat est représenté graphiquement par la figure ci-dessous :
Comme il s'agit d'un plancher chauffant, la loi de régulation (ou de
correspondance) est linéaire.
Maintenant, prenons un exemple avec un coefficient K nominal (défini
durant les essais avec un DeltaT nominal de 50 °C) de KN =
4,07 W/(m².K) avec une chute de température de 10 °C (celle normalisée utilisée
durant les essais), la surface totale d'échange thermique (qui est assez difficile
à définir !) est de 30 m², le coefficient n moyen des émetteurs est égal
à 1,3, les autres valeurs restant inchangées, on obtient pour Td et Tr :
Td = 20 + (188 / (4,07 x 30)(1/1,3))(1/1,3) x (20 - -15)(1/1,3)
+ (75,05 - 65,73) / 2 = 75,05 °C
Tr = 75,05 x EXP(-4,07 / (702,22 x 1,163) x 30) + 20 x (1 - EXP(-4,07 / (702,22 x
1,163) x 30)) = 65,73 °C
Le résultat est représenté graphiquement par la figure ci-dessous :
Ici la loi de correspondance est non linéaire afin de prendre en compte
la variation du coefficient K.
La chute de température dans les émetteurs a une incidence sur la courbe
de chauffe mais pour simplifier les formules et dans ce cas éviter le
recours aux itérations, on peut s'affranchir de la température de retour
et dans ce cas, la formule devient :
Td = Ti + (H / (K x S)(1/n))(1/n) x ((Ti - Te)(1/n))
Avec le dernier exemple, la température de départ est alors de :
Td = 20 + (188 / (4,07 x 30)(1/1,3))(1/1,3) x ((20
- -15)(1/1,3)) = 70,39 °C
Avec cette formule on considère que le débit est infini (la chute étant
nulle) et dans ce cas, le résultat est égal à la moyenne de Td et Tr :
Td = (75,05 + 65,73) / 2 = 70,39 °C
Les formules présentées ci-dessus ne servent qu' à expliquer ce qu'est
une courbe de chauffe et comment on peut la calculer mais elles ne sont
pas d'une grande utilité pour savoir quelle courbe adopter.
Pour définir la courbe à utiliser, il est nécessaire de se munir de l'abaque du fabricant de
la régulation puis de prendre la température de départ qui a servit au
dimensionnement des émetteurs, ensuite, chercher cette température sur l'axe des ordonnées (règle verticale à
gauche) et la température extérieure de base qui à servit au calcul des
déperditions thermiques, puis la chercher sur l'axe des abscisses (règle horizontale en
bas) il suffit alors de définir le point d'intersection et de voir sur quelle courbe ou à proximité de quelle courbe
il se situe.
Comment adapter
la régulation au logement.
Entre les différents éléments composant une installation économique,
confortable et performante, la régulation en est la pièce maîtresse.
Seulement, il ne suffit pas d’en avoir une sur la chaudière (ou
ailleurs) pour que les coûts d’exploitations soient aussitôt réduits. Il
faut que celle-ci soit adaptée au mieux des besoins.
Quelques précisions :
- 1 Il faut savoir que plus bas sera la température moyenne du
fluide, meilleur sera le rendement de l’installation et donc plus bas
seront les coûts d’exploitations. C’est pour cette raison qu’une
installation avec plancher chauffant est plus performante qu’une
installation avec radiateurs. Bien évidement, avec une température
moyenne du fluide de 35 °C contre 40 ou 45 °C pour le plancher chauffant,
l’installation est encore plus performante. De même pour une
installation avec radiateurs, si ces derniers sont surdimensionnés, la
température moyenne du fluide sera plus basse et le rendement plus
élevé. C’est donc pour cette raison qu'il est conseillé de dimensionner
plus fortement les radiateurs. Pour ceci, il y a plusieurs façons de
faire :
a) augmenter de 20% les déperditions trouvées.
b) choisir un DeltaT (différence entre la température moyenne du
fluide et celle de la pièce) plus bas que 50 °C (70 – 20 °C qui est
actuellement le DeltaT normalisé) ce qui entraînera des émissions
moindres pour les radiateurs et obligera l’augmentation de leurs
dimensions. Pour plus de précisions, voir procédé de calcul à la page "Les
radiateurs" mais voici tout de même un petit exemple : déperditions
nécessaires de la pièce, 1490 Watts, puissance du radiateur choisi
annoncée par le fabricant, 1500 Watts pour un DeltaT de ((75 - 65) /
2) - 20 = 50 °C et une température moyenne du fluide de, (75 - 65) / 2 =
70 °C. En prenant un DeltaT de 40 °C (ce qui donne une température moyenne
du fluide de 60 °C), la puissance du radiateur ne sera plus que de P =
1500 x ((40 / 50)1,287) = 1125 W. Donc, pour couvrir les
déperditions de 1490 W avec un DeltaT de 40 °C, un radiateur d'une
puissance fabricant de 1490 x ((50 / 40)1,287) = 1985
W sera nécessaire (prendre la puissance immédiatement
supérieure).
c) voir les puissances fournies par les radiateurs choisis en
fonction de différents DeltaT, dans ce cas-ci, c’est le fabricant qui
les donne.
- 2 Il faut savoir aussi que ce n’est pas parce qu’un robinet,
thermostatique ou pas, est ouvert en grand qu’il y a gaspillage, bien au
contraire, si il est en partie fermé, cela veut dire que la température
du fluide est trop élevée et plus la température du fluide est élevée,
plus le DeltaT entre elle et l’environnement est grand ce qui entraîne
de plus grandes déperditions donc plus de pertes. Une chaudière a plus
de déperditions avec une eau à 60 °C qu’avec une eau à 45 °C. De même pour
les conduites.
- 3 Pour faire des économies, adapter les plages d’abaissement
(températures réduites pendant les absences ou la nuit) au mieux des
besoins est aussi une très bonne solution car la régulation abaisse la
température du fluide pendant ces périodes ce qui réduit le DeltaT
intérieur/extérieur.
- 4 Il faut savoir que tous les bâtiments ont une inertie plus ou
moins grande selon leur type de construction et donc les réglages
effectués mettront un certain temps avant d’être ressentis. Une attente
de 24 à 48 heures sera nécessaire pour les apprécier. Les différents
réglages vont se faire sur plusieurs jours et pour atteindre un réglage
optimal et ceci quelle que soit la saison (Automne, Hiver, Printemps),
une saison de chauffe et même deux seront probablement nécessaires. Avec une
régulation parfaitement adaptée au logement, aucune intervention devrait
être nécessaire si ce n’est pour des raisons spéciales comme les
réceptions, les périodes d’absences prolongées, etc...
- 5 Selon notre état de santé, fatigue, état grippal ou autre, on
ne perçois pas la température environnante de la même façon, c’est donc
pour cette raison qu’il est nécessaire de se munir de plusieurs
thermomètres lors des différents réglages de la régulation pour la
mesure de la température des différentes pièces et ceci afin d’éviter
des réglages erronés.
- 6 La courbe de régulation devra être choisie en fonction des
températures les plus basses donc en pleine saison hivernale et c’est la
parallèle de courbe qui corrigera les températures du fluide de départ ou
de chaudière pour les basses saisons (Automne et Printemps).
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Réglage de la
courbe de chauffe.
Qu’est ce que la courbe de chauffe ? La courbe de chauffe est une
courbe sur un abaque, où le point de départ est la température
commune de 20 °C pour le fluide, l'intérieur et l’extérieur, qui
définie la température du fluide caloporteur de départ, si
l’installation comporte une vanne mélangeuse, ou de chaudière, en
fonction de la température extérieure (voir explications plus haut). C'est à dire que si la
température extérieure descend, la température de départ ou de
chaudière va augmenter en suivant la courbe de régulation définie et se
positionner sur la température en regard de celle mesurée à
l’extérieur et vice versa. Exemple : à l'aide du croquis ci dessous,
pour une température extérieure de -10°C avec une courbe de 1,2 la
température de départ ou de chaudière sera environ de 58°C.
A Plage pour les planchers chauffants.
B Plage pour les chauffages basse température.
C Plage pour les chauffages nécessitant une température
élevée.
D Plage pour les chauffages avec radiateurs surdimensionnés.
Comme indiqué plus haut, le réglage définitif de la courbe de
chauffe et sa parallèle se fera sur une saison complète. Afin de
trouver la courbe la mieux adaptée, il est nécessaire de savoir
quelles sont les températures de départ chauffage qui permettent le
confort et ceci en toutes saisons.
Voici une méthode parmi d'autres.
Au préalable, installer le
plus de thermomètres possible dans les différentes pièces (le
ressenti de la température étant subjectif), se munir du graphique
des courbes de chauffe afin de repérer les coordonnées.
Prenons un exemple :
En admettant que la première mise en route de l'installation se
fasse en début de saison de chauffe (octobre), définir une
courbe qui puisse correspondre le plus possible à l'installation en
fonction du type d'émetteurs, pour l'exemple, une courbe de 1,2. Après 2
à 4 jours faire la première
correction et repérer la pièce la plus défavorisée, c'est par
rapport à elle que sera réglée la régulation,
quelle que soit la saison, cette pièce aura son robinet toujours
ouvert en grand.
Si possible laisser les robinets (thermostatiques ou manuels)
ouverts en grand afin d'approcher la température de confort avec la
régulation.
Chaque modification devra permettre la prise en compte de l'inertie
du logement, attendre environ 48 h avant la modification suivante.
A chaque
température extérieure correspond une température de départ
nécessaire :
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Températures
extérieures |
Températures
Départ |
| 15 |
35 |
| 10 |
42 |
| 5 |
47 |
| 0 |
53 |
| -5 |
54 |
| -10 |
59 |
| -15 |
62 |
La température
extérieure à utiliser est la température extérieure moyenne sur la
journée afin de prendre en compte l'inertie du logement.
La température
extérieure est de 15 °C, la température de départ nécessaire est de
35 °C, pour cela, choisir la courbe 2,0.
La température
extérieure est maintenant de 10 °C, la température de départ
nécessaire est de 42 °C, la courbe de 2,0 n'est plus adaptée (risque
de surchauffe), choisir alors la courbe 1,6.
La saison avance et la température extérieure est de 5 °C, la
température de départ nécessaire est maintenant de 47 °C, c'est la
courbe de 1,4 qui convient le mieux.
On approche des températures négatives, 0 °C à l'extérieur, la
température de départ est alors de 51 °C, la courbe de 1,4 est
malgré tout la mieux adaptée, la température de départ sera alors de
53 °C. La légère surchauffe sera momentanément compensée par les
robinets thermostatiques.
La température extérieure est maintenant négative, -5 °C, la
température de départ nécessaire est de 54 °C, ici, c'est la courbe
de base qui correspond le mieux, 1,2. La petite sous chauffe
éventuelle sera compensée durant les réglages fin de la parallèle.
Les températures extérieures continues de descendre, la courbe 1,2
reste inchangée.
Maintenant, nous allons vers le printemps, et les températures
extérieures vont remonter. Ayant pris soins de repérer sur le
graphique des courbes de chauffe les températures de départ
nécessaires par rapport aux températures extérieures, on peut tracer
une courbe de tendance. Ceci fait, on s'aperçoit que la courbe qui
correspond le mieux (la plus parallèle) est la courbe 1,0 mais elle
est trop basse pour les températures de départ nécessaires. C'est
ici qu'entre en jeu la parallèle de courbe. Sur la régulation, on va
régler la courbe 1,0 et on définie une parallèle à cette de courbe
de 7 °C.
La régulation est maintenant adaptée au logement, il ne reste plus
qu'à apporter quelques réglages fins (jouer de plus ou moins 1 °C
sur la parallèle, régler les robinets thermostatiques) sur la
seconde partie de la saison de chauffe et durant la saison suivante.
Graphique
de l'exemple :
Ceci est aussi valable pour le cas où les températures de départ
nécessaires durant l'inter saison seraient inférieures à la courbe
de base, la courbe qui correspondra le mieux à la courbe de tendance
sera une courbe supérieure mais les températures de départ seront
trop importantes pour les besoins d'où la parallèle négative.
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LA REGULATION
Tête thermostatique standard. L'élément sensible est incorporé à la tête qui elle, est
montée sur le corps du robinet en position horizontale où
l'air ambiant peu circuler librement. (évitez les courants d'air).
Tête thermostatique à élément
sensible à distance. La tête se trouve sur le corps du robinet et
l'élément sensible à un endroit où l'air ambiant circule
librement. Convient pour les radiateurs se trouvant sous une
tablette de grande taille, derrière de gros rideaux, là où la
chaleur s'accumule. Convient aussi, si pour des raisons de commodité,
la tête thermostatique doit se trouver en position verticale ce qui
n'est pas possible avec une tête standard car elle subirait la
convection due au tuyau d'alimentation.
Tête à commande à distance. S'utilise
quand le radiateur est habillé par un cache ou lorsqu'il est
difficilement accessible. L'élément sensible et la commande de
réglage constituent un seul bloc et s'installe à un endroit
accessible où l'air ambiant peu circuler librement.