CRAN - Campus Sciences
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Sujet de Thèse : Maîtrise de la demande en énergie des bâtiments : élaboration de solutions optimales d’intégration et de conduite des installations énergétiques
Dates : 2017/10/01 - 2020/09/30
Directeur(s) CRAN : Frédéric HAMELIN
Autre(s) Directeur(s) : Nathalie Sauer (nathalie.sauer@univ-lorraine)
Description : Contexte général
La problématique de l'optimisation énergétique du bâtiment est l'un des grands défis des décennies à venir, comme le prouve l'objectif récent de limiter les rejets de carbone dans l'atmosphère de la COP21. En France, le secteur résidentiel et tertiaire consomme 46% de la consommation de l'énergie finale nationale. En construction neuve, la consommation énergétique des logements a été divisée par 4 depuis 1974 grâce aux réglementations successives. Cependant, les 2/3 des logements construits avant 1975 nécessitent un véritable assainissement énergétique. C'est seulement par ce moyen qu'il sera possible de parvenir à diviser par 4 d'ici 2050 nos émissions de gaz à effet de serre. Une optimisation de la consommation d'énergie en intégrant celle produite par le bâtiment constitue donc un enjeu fondamental pour l’efficacité énergétique globale.
Le développement des techniques de l’information et de la communication a permis l’émergence de bâtiments dits intelligents, capables de gérer au mieux leur consommation électrique, parfois à travers l’utilisation d’éléments de production (photovoltaïque généralement), de stockage éventuel, et dans certains cas, d’appareils dits intelligents. Cependant, la coordination des différents moyens de production, stockage et consommation résidentiels en est encore à ses balbutiements, et rend très complexe la gestion de ces éléments par l’utilisateur.
À l’heure actuelle, les stratégies de gestion de l’énergie pour les bâtiments sont principalement basées sur une concaténation de règles logiques. Bien que cette approche offre des avantages certains, particulièrement lors de sa mise en œuvre sur des automates programmables, elle peine à traiter la diversité de situations complexes qui peuvent être rencontrées (prix de l’énergie variable, limitations de puissance, capacité de stockage d’énergie, bâtiments de grandes dimension).

Sujet de thèse
Parmi les voies envisagées (rénovation des enveloppes, nouveaux modes de production d'énergie, etc), cette thèse s’inscrit dans le développement d’une méthodologie en temps réel de simulation et de contrôle de l’efficacité énergétique afin de réduire la consommation dans la phase opérationnelle d’exploitation de bâtiments existants. L’objectif global consiste à développer de nouvelles techniques de suivi en continu et de contrôle adaptatif fondées sur la prédiction des conditions de confort intérieur, du comportement des utilisateurs, des prévisions météorologiques, voire de la source d’énergie à privilégier à un instant donné. Il s'agit de minimiser l'énergie consommée en tenant compte de la manière dont elle a été produite (par exemple via des sources renouvelables ou locales) et en respectant les exigences de l'habitant (confort hygrothermique, lumineux, sonore, contraintes de sécurité,..).
Pour répondre à cet objectif, le but de cette thèse sera de mettre en œuvre une méthodologie permettant de modéliser et de simuler la consommation énergétique d’un bâtiment à l’aide des différents signaux mesurés (capteurs de plus en plus facilement déployables et actionneurs de plus en plus flexibles et communicants). Les outils utilisés s’appuieront sur l’étude des tendances/séries temporelles à moyen et long termes des indicateurs de performances énergétiques et sur l’analyse des historiques d’exploitation du bâtiment. Ils pourront également se baser sur la modélisation théorique des processus de transfert de chaleur et de l’évaluation des pertes énergétiques. Cette modélisation servirait de base à l’élaboration d’une stratégie de commande qui soit à même d'assurer le confort hygrothermique d'un bâtiment tout en minimisant sa consommation énergétique.
Les méthodes de modélisation à développer s’appuieront sur trois principales catégories pour décrire des bâtiments :
• les modèles physiques obtenus avec des logiciels de programmation en énergie sont souvent très complexes. Bien que ces modèles soient très précis, ils ne sont pas directement appropriés pour la synthèse de lois de commande à cause de leur grande complexité,
• les modèles de type boîte grise (réseaux RC, …),
• les modèles de type boîte noire basés sur les données d'entrées/sorties.
Parmi les stratégies de commande potentielles, la commande prédictive semble très intéressante pour satisfaire les objectifs évoqués plus haut. Cette dernière est très utilisée dans le cadre de la commande dédiée aux bâtiments intelligents. A titre d’exemple, l'utilisation d’une pompe à chaleur (PAC), d’une VMC, l'ouverture d'ouvrants, etc…, induisent une modification du modèle du système. De plus, d'un point de vue pratique, il est irréaliste d'utiliser une PAC pendant 5mn en mode froid puis 5mn plus tard en mode chaud. Il serait intéressant d'intégrer ce type de contraintes (ou de souhait) directement au niveau de la fonction coût. Le cadre de la commande prédictive devrait permettre de formaliser une stratégie de commande intégrant ce genre de problématique.
Les travaux s’inscriront dans la modélisation unitaire et globale des composants énergétiques des plateformes Éco-Sûr et Eco-chalets du CRAN se situant respectivement à Nancy et à Longwy. Les différentes lois de commande obtenues seront testées sur les deux plateformes pour étudier leur efficacité. L’intérêt de travailler en synergie entre les deux plateformes est évident car elles sont complémentaires pour nos travaux de recherche.
En effet, du fait qu’elle soit constituée de plusieurs salles d’utilisation et d’exposition différentes, la plateforme Éco-Sûr nous permettra de prendre en compte différents paramètres variants comme les taux d’occupation, les comportements des utilisateurs que nous comptons modéliser pour les intégrer à une plateforme à intelligence logicielle pour la gestion de l’énergie. Le fait de disposer de plusieurs salles nous permettra d’avoir des éléments de comparaison immédiate. Ces comportements ont déjà été pris en compte dans des travaux récents, mais il reste à affiner ceux-ci afin de déduire des modèles plus pertinents.
L’aspect modulaire de la plateforme de Longwy permettra de tester à l’échelle 1 différents types de matériau de construction et de configurations d’utilisation. De plus des capteurs et actionneurs de dernière génération, ainsi que plusieurs sources d’énergie, pourront être testés de par la configuration compacte et intégrée de cette plateforme.
Mots clés : batiment intelligent, commande prédictive, modélisation, efficacité énergétique, plateforme
Département(s) :
Contrôle Identification Diagnostic
Financement : Financement sur fonds propres (50% CRAN, 50% LGIPM)