Yoann RAFFENEL soutiendra sa thèse le 18 novembre 2008 à L’Ecole Centrale de Lyon, bâtiment W1, amphi 202.
Titre de la thèse : "Optimisation du contrôle thermique dans une habitation multi source"
Jury composé de :
Marco Filippi, professeur au Politecnico de Torino
Mohammed M’Saad, Professeur à l’ ENSICaen
Philippe Neveux, Maitre de Conférence à l’université d’ Avignon
Pierre Michel, Professeur à l’ENTPE
Gerard Thomas, Professeur à l’Ecole Centrale de Lyon
Joseph Virgone, Maitre de conférence à HDR à l’ENTPE
Eric Blanco, Matre de conférence à l’Ecole Centrale de Lyon
Spécialité : EEA
Résumé :
Un consensus scientifique et politique s’est dégagé ces dernières années sur l’existence d’un réchauffement climatique et la nécessité de le réduire en limitant l’émission des gaz à effet de serre. Ces réductions passent par la diminution des consommations énergétiques.
En France, le secteur du bâtiment est responsable d’un cinquième de la consommation énergétique nationale. Les différentes Réglementations Thermiques (RT 2000, RT 2005, RT 2010), visent à réduire la consommation énergétique globale du secteur du bâtiment de 40% par rapport au niveau de 1990. La Recherche s’est emparé du thème de la réduction de la consommation énergétique depuis longtemps déjà, et la communauté de la thermique du bâtiment a déjà développé un grand nombre de solutions.
Deux grandes familles de solutions peuvent être distinguées : les solutions sur l’architecture des habitats, les matériaux qui le composent, l’isolation, afin de diminuer les besoins énergétiques du bâtiment, et les solutions sur le développement des énergies renouvelables, ces systèmes capables de produire localement tout ou partie de l’énergie nécessaire au bâtiment sans émettre de gaz à effet de serre.
Le but de ce travail est d’étudier les apports de l’automatique sur la réduction de la consommation énergétique dans le bâtiment, en particularité lorsque celui-ci se complexifie en intégrant un grand nombre de solutions évoquées précédemment. Dans l’objectif à long terme de parvenir à l’élaboration d’une intelligence artificielle capable de gérer l’ensemble des flux énergétiques dans un bâtiment, l’étude s’est particulièrement concentré sur la dépense énergétique importante que constitue le chauffage du bâtiment. Celle-ci demeure encore en moyenne la principale dépense énergétique.
Nous avons ainsi conçu un contrôleur de chauffage basé sur des techniques basées sur la modélisation du procédé, ce qui est totalement différent des méthodes commercialisées, même les plus avancées.
La première étape du travail consiste à choisir les modèles utilisés pour le bâtiment et ses systèmes énergétiques. Il existe un grand nombre de solutions de modélisation du bâtiment, la tâche consiste à choisir les modèles les plus appropriés dans le compromis entre précision et simplicité d’utilisation. Une modélisation de différents appareils électriques a également été développée pour l’occasion.
La seconde étape est la conception du contrôleur en lui-même. Son objectif est double : assurer le confort thermique et minimiser la consommation énergétique. Après avoir défini plus clairement la notion de confort thermique et la façon dont celui-ci serait considéré par le contrôleur, la conception est effectuée en quatre sous-étapes. Durant la première, une trajectoire idéale de température est calculée afin de minimiser la consommation énergétique pendant les périodes d’inoccupation dans le bâtiment. Une fois la consigne calculée, une structure de commande intégrale est calculée au moyen d’une méthode de calcul de type « commande optimale ». Troisièmement, une méthode basée sur la résolution d’un problème de déconvolution est introduite pour estimer les différentes contributions non contrôlées auxquelles est soumis le bâtiment afin d’en compenser plus efficacement les effets. Enfin, un compensateur anti windup est ajouté afin de prendre en compte les spécificités que comportent les actionneurs de chauffage.
La dernière étape de ce travail a été le test et la validation du contrôleur développé en simulation sur quatre bâtiments différents de par leur architecture, leur comportement thermique et les systèmes énergétiques contenus. Les résultats se sont montrés très intéressants, puisque comparé à des solutions classiques de régulation fournissant des qualité de confort équivalentes, les économies d’énergies sont au moins égales à 10 %.
Mots clé : régulation thermique, optimisation, habitat multi-source, consommation énergétique, commande optimale.
Abstract
A scientific and political consensus occurred during the last years about global warming and the necessity to reduce it by decreasing the greenhouse gases emissions. This goal can only be achieved by decreasing the energy consumptions.
In France, the building sector is responsible for a fifth of the national energy consumption. A serial of successive official thermal rules are adopted every five years in order to achieve in 2020 the reduction by 40% of the consumption level of 1990. Research has already started working on the reduction of energy consumption in buildings for a long time and many solutions have already been designed.
These solutions can be separated in two categories. The first one regroups the solutions based on the improvement of the architecture, the structure, the insulation or the materials in the building. The goal of these solutions is to reduce the energy need of the building. The second category regroups the design and improvement of renewable energies. These systems allow the local production of a part of the energy needed by the building without greenhouse gases emissions.
The goal of this work is to design new solutions based on automatic control, especially when buildings are getting even more complex integrating the mentioned solutions. With the final goal of designing a global artificial intelligence able to control and optimize each energy flux in a building, the study focused on the regulation of the space heating process. This energy consumption remains indeed the main consumption in most of the French residential buildings.
We designed a space heating controller using model based automatic control methods, which differs from the usual commercialized controllers.
The first step of the work consists in choosing the right model for the building and its energy systems among the numerous modelling method designed by the thermal science community. The model will be a trade-off between accuracy and using easiness. A modelling of several electric appliances was realized for the occasion.
The second step is the design of the controller itself. Its objective is to ensure the thermal comfort while minimizing the energy consumption. Once we had more exactly defined the comfort concept and the way it is taken into account by the controller, this one was designed in four stages. First, an ideal temperature set point trajectory is calculated using optimal control in order to minimize the energy consumption when the building is unoccupied. Second, an integral control structure is calculated also with optimal control techniques. Third, the uncontrolled contributions to the building (solar radiations, external temperature…) are estimated with the introduction of a deconvolution problem solved by stochastic methods. Finally, an anti windup compensator is added in order to take into account the specifications of space heating actuators.
The last step of this work was the testing of the controller in simulation. It was tested in four buildings, all different in their architecture, their inertia and the energy system they were using. The results were very interesting since in comparison with usual methods providing the same comfort level, the energy saving obtained is at least 10%.
Key words: thermal control, optimization, multi energy housing, energy consumption, optimal control.