Modélisation du contrôle des équipements

Dans la liste d’’opportunités du chapitre 2, nous avons référencé certaines améliorations techniques de l’’exploitation, c'est-à-dire l’’utilisation de stratégies performantes de contrôle :

x La régulation de la température de consigne et des composants du GPEG (voir annexe 1 ECO P2.5)

x Le séquençage central du chauffage et de la climatisation (voir annexe 2, fiche ECO O2.7)

x La modification du système de contrôle pour ajuster la température de consigne intérieure en fonction des conditions extérieures (voir annexe 2, fiche ECO P1.4) x La mise en place d’’un débit d’’eau variable (voir annexe 2, fiche ECO P4.5) x Arrêter les équipements de climatisation quand leur usage est inutile (voir

annexe 2, fiche ECO O2.2)

x Arrêter les auxiliaires quand leur usage est inutile (voir annexe 2, fiche ECO O2.3)

Dans le but d’’évaluer, à l’’aide d’’un outil de modélisation, l’’impact de ces stratégies de contrôle, nous devons rechercher des modèles que l’’inspecteur / l’’auditeur peut utiliser facilement sur ces cas.

5.4.1 Technique de modélisation du contrôle et informations requises pour l’’auditeur

Comme chaque régulateur pilote la puissance appelée d’’un ou plusieurs équipements, l’’évaluation du comportement d’’un régulateur conditionne la consommation de ces équipements.

La plupart des schémas de régulation des systèmes de climatisation ont ainsi une structure à plusieurs boucles hiérarchisées. Cette hiérarchie correspond à des échelles de temps différentes : le changement de consigne s’’effectue par exemple quotidiennement pour une boucle supérieure et toutes les minutes pour une boucle inférieure. Ainsi, le temps de réponse d’’un système de régulation supérieur peut être considéré comme négligeable devant le temps de réponse des boucles inférieures. La modélisation du contrôle peut donc être basée sur des modèles de régulateurs dont le degré de détail et de complexité varie avec le niveau hiérarchique de boucle :

x Au niveau inférieur, les logiciels offrent, pour la plupart, des modèles de régulateurs courants (T.O.R., P., P.I.D., ..). Mais le choix du mode de régulation ainsi que celui des paramètres est laissé aux soins de l’’utilisateur ou du programmeur et donc de l’’inspecteur / auditeur.

x Au niveau supérieur, les logiciels de simulation offrent, pour la plupart, des interfaces dédiées afin de définir les profils d’’occupation, la programmation journalière de la ventilation, de la consigne de température, etc……

5.4.2 Interaction dynamique des régulateurs

Même si des régulateurs sont séparés physiquement, des interactions peuvent exister entre les différentes variables régulées.

Si les temps de réponse au niveau supérieur sont plus longs que ceux au niveau inférieur, les effets interactifs entre les deux niveaux sont donc très faibles. C’’est par exemple le cas entre le contrôle local (régulation locale de la température) et le contrôle central (saison été-hiver).

Toutefois, si les temps de réponse sont du même ordre de grandeur pour chacun des deux niveaux, le contrôle local peut influencer le contrôle central et inversement.

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Il est donc nécessaire d’’examiner ces effets d’’interaction pour l’’évaluation des économies d’’énergie d’’opportunités concernant l’’amélioration technique de l’’exploitation.

5.4.3 Exemple d’’interactivité dynamique

Nous souhaitons illustrer ces effets interactifs à l’’aide d’’un exemple simple entre la régulation locale du débit d’’eau d’’une batterie froide et la régulation du débit d’’eau du réseau.

Dans cet exemple, nous supposons que :

x Les deux régulateurs ont un temps de réponse négligeable devant la période de temps considérée

x La puissance moyenne transférée pour la période de temps considérée ne dépend pas du type de régulateur

L’’influence des deux approches, citées au paragraphe 5.4.1 est représentée : x Dans la Figure 5-5 pour un régulateur Tout Ou Rien (T.O.R.)

x Dans la Figure 5-6 pour un régulateur Proportionnel (P.)

x Dans la Figure 5-7 pour un régulateur Proportionnel Intégral Dérivé (P.I.D.) Dans ces trois figures, nous avons représenté schématiquement la puissance instantanée échangée (traits bleus) et le débit d’’eau traversant la batterie (traits verts) au cours du temps pour ces trois types de régulateur.

Nous pouvons analyser l’’impact du modèle de régulateur local de température sur le régulateur de débit de la pompe et donc indirectement l’’impact en termes de consommation de la pompe.

Figure 5-5 Comportement temporel schématisé d’’un régulateur T.O.R.

Pour un régulateur TOR, la puissance échangée varie selon un créneau donc le débit également. Dans ce cas, le temps à puissance échangée maximale est égal au temps de fonctionnement à plein débit. Notons que la puissance moyenne échangée pour la période représentée est égale à la somme des aires notées P1, P2 et P3.

Figure 5-6 Comportement temporel schématisé d’’un régulateur T.O.R. T.O.R. Débitrelatifd’’eau Temps 100% 0% %time@fullpower/hour P3 P2 P1 Puissancetransféréeparunéchangeur Temps 100% 0% %tempsàpuissancemaximum Débit moyen Puissance moyenne P. P2 P3 P1 100% 0% Puissance moyenne 100% 0% Débitrelatifd’’eau Puissancetransféréeparunéchangeur Débit moyen Temps Temps

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Pour un régulateur P., des déviations s’’opèrent en fonction du signal fournie par la sonde de température. Le débit traversant l’’échangeur n’’est pas strictement proportionnel à la puissance échangée, le débit moyen relatif sera inférieur à celui d’’un régulateur TOR.

Figure 5-7 Comportement temporel schématisé d’’un régulateur T.O.R.

De même, pour un régulateur P.I.D., le débit moyen relatif sera inférieur à celui d’’un régulateur TOR.

Pour ces trois régulateurs et l’’intervalle de temps considéré, la puissance moyenne échangée reste identique (traits pointillés violets). Toutefois, comme la puissance échangée par la batterie n’’est pas proportionnelle au débit (chapitre 2, paragraphe 2.3.1 et chapitre 5 paragraphe 5.7), les débits moyens seront différents. Donc la consommation moyenne de la pompe sera différente pour chacun de ces régulateurs. Nous nous baserons sur cet exemple pour formuler plusieurs propositions de modélisation pour le contrôle local.

5.4.4 Modélisation du contrôle inférieur

Deux approches peuvent être utilisées afin d’’évaluer le comportement du système de régulation du niveau inférieur :

x L’’estimation d’’un signal moyen pour une période considérée

x Une évaluation du comportement dynamique du signal de contrôle pendant la période considérée

La sélection d’’une de ces approches doit être examinée par rapport à la dynamique du phénomène à observer.

Toutefois, il nous semble nécessaire de proposer des modèles simples d’’utilisation pour permettre à l’’inspecteur / l’’auditeur d’’effectuer plus rapidement des estimations et ce sans calibrage.

Nous proposons dans les paragraphes suivants deux techniques de modélisation : x Une approche moyenne à un paramètre. Cette approche est par exemple utilisée

dans l’’outil SimAudit [SimAudit].

x Une approche idéalisée dynamique, sans paramètre, qui peut être utilisée pour effectuer un post traitement. Nous appliquons ce modèle au chapitre 6.

Le choix d’’un de ces deux techniques requiert l’’examen de l’’interaction dynamique des régulateurs à modéliser.

5.4.4.1 Approche moyenne : régulateur proportionnel idéal

Afin de modéliser un signal moyen pendant une période considérée, les consignes d’’exploitation du chauffage et de la climatisation, nous proposons d’’utiliser un régulateur proportionnel de gain Cchaud pour le chauffage et Cfroid pour la climatisation en fonction

P.I.D. Temps 100% 0% Débit moyen P2 P3 P1 100% 0% Débitrelatifd’’eau Puissancetransféréeparunéchangeur Puissance moyenne Temps

Caillet Julien Page 124 Mines de Paris

de la température intérieure (T ). La logique de contrôle est représentée sur le in

diagramme ci-dessous.

Figure 5-8 Loi de consigne en chauffage et en climatisation en fonction de la température intérieure à un instant t.

Il existe une température intérieure limite Tlimchaud à partir de laquelle le transfert

thermique peut s’’effectué (ouverture de la vanne) proportionnellement au gain du régulateur. La bande proportionnelle du régulateur d’’une vanne utilisée pour le contrôle local de la température en chauffage est exprimée à l’’aide de l’’expression ci-dessous :

chaud chaud set chaud C T Tlim 1

Avec Cchaud le gain du régulateur (ܭିଵ)

Cette relation s’’applique également pour le contrôle de la climatisation.

Notons que les températures de consignes (ܶ_{௦௘௧௖௛௔௨ௗ} et ܶ_{௦௘௧௙௥௢௜ௗ}) ne sont pas forcément fixes, elles peuvent dépendre du profil d’’occupation, et donc du pas de temps considéré.

Notons que la charge thermique transférée au bâtiment en chaud comme en froid est calculé à partir de cette loi proportionnelle. Toutefois dans le cas de la [RT2005] ou bien encore dans le logiciel [ConsoClim], une loi binaire est appliquée pour calculer cette charge. Pour obtenir un résultat équivalent, il est donc nécessaire de prendre le gain des régulateurs à une valeur infinie. On voit ainsi l’’influence que peut avoir l’’utilisateur sur l’’estimation des besoins.

5.4.4.2 Approche dynamique idéale sans paramètre

Afin de modéliser le comportement dynamique de la boucle de contrôle local du débit d’’eau pendant une période donnée, nous proposons de borner ce comportement par deux types de réponse de boucle fermée :

x Une action T.O.R. : la vanne est soit complètement fermée soit complètement ouverte. Ce type de régulateur peut être considéré comme la moins chère et la moins performante des solutions.

x Une action P.I.D. idéale : la position de la vanne est régulée pour assurer une réponse immédiate pour chaque charge thermique. Ce type de contrôle peut être considéré comme la méthode la plus chère et la plus précise. Cependant dans la réalité, ce régulateur demande un réglage précis pour fonctionner efficacement. Nous notons que dans cette approche, l’’auditeur peut se baser sur un examen qualitatif du contrôle pour affiner son évaluation.

5.4.5 Modélisation du contrôle du niveau supérieur

Dans ce paragraphe, nous proposons un moyen simple pour intégrer le contrôle supérieur à un outil de modélisation.

100%

0%

Température intérieure chaud

T

lim

T

setchaud

T

setfroid

T

limfroid

X (%) 100% 0% Température intérieure chaud

T

lim

T

setchaud

T

setfroid

T

limfroid

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Nous nous appuyons sur deux exemples :

x Le contrôle de l’’arrêt des équipements en nous appuyant sur une définition de la saison de chauffage et de climatisation

x Le contrôle de la consigne de température intérieure en nous appuyant sur la définition d’’un scenario d’’occupation.

Ces deux exemples peuvent être facilement transposés aux autres régulateurs utilisés pour le contrôle de niveau supérieur.

Les périodes de chauffage et de climatisation sont limités grâce à la prise en compte de température maximale (pour le chauffage) et minimale (pour la climatisation). La fonction binaire ci-dessous est intégrée au modèle. Nous avons représenté à la Figure 5-9 l’’algorithme permettant de réguler les vannes d’’eau chaude et les vannes d’’eau glacée. Dans cet algorithme, des températures extérieures limites servent à définir les saisons de chauffage et de climatisation. Puis la régulation de niveau local intervient pour effectuer la régulation des vannes. Finalement, un test conditionnel, représenté par la fonction de la Figure 5-10, modélise le contrôle supérieur utilisé pour la période été / hiver.

Figure 5-9 Exemple de principe de la loi de consigne pour la saison hiver / été

Figure 5-10 Température d’’inversion

De la même manière, la période d’’inoccupation des locaux (profil hebdomadaire et journalier) est utilisée pour définir une température de consigne variable, par exemple le week-end et la nuit. Les profils utilisés pour cette fonction sont binaires.

chaud out

T

T

d

max in chaud set

T

T

t

T

setfroid

dT

in froid out

T

T

t

min

oui

oui

Régulation

vanne

eau

chaude

Régulation

vanne

eau

glacée

oui

oui

Chauffage

Climatisation

chaud out

T

T

d

max in chaud set

T

T

t

T

setfroid

dT

in froid out

T

T

t

min

oui

oui

Régulation

vanne

eau

chaude

Régulation

vanne

eau

glacée

oui

oui

Chauffage

Climatisation

1 0 Température extérieure chaud

T

max

T

minfroid

1

0

Température extérieure chaud

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Dans le document Méthodologies d'identification d'économies d'énergie : application aux systèmes de climatisation à eau glacée (Page 122-127)