3 Conception de stratégies d’optimisation énergétique et d’effacement
3.3 Présentation des stratégies d’optimisation
3.3.2 Stratégie 1 : optimisation de la relance en chauffage
Cette stratégie peut être utilisée dans tout bâtiment piloté par la température de consigne intérieure et est adaptée lorsque le prix de l’énergie est constant. Il s’agit de calculer la température de consigne à imposer pendant la nuit pour que la consommation soit la plus faible possible tout en assurant le confort thermique des occupants lors de leur arrivée dans le bâtiment.
Dans les climats français, il est rare de prévoir des périodes de relance pour le refroidissement, car la température baisse pendant la nuit. Les besoins de refroidissement proviennent en majorité des gains internes et de l’ensoleillement qui sont absents en période d’inoccupation du bâtiment (sauf l’ensoleillement le weekend). Ainsi, cette stratégie est uniquement testée en chauffage.
Thomas Berthou
109
3
)
1
)))
(
(
,
0
(max(
)
)
,
(
(
)
(
1x
P
x
t
T
T
8x
S
obj i h t h- Tobj est la température de confort souhaitée à 8h - Ph est la puissance calculée par le modèle
- Ti8h(x) est la température intérieure prévue par le modèle avec les consignes « X »
Variable à optimiser (X5): - Température de consigne de 0h à 8h Contraintes : - Tc peut varier entre 13 °C et 22 °C
Objectifs : - Minimiser la consommation de chauffage sur 24 h - Atteindre une température intérieure de 20 °C à 8h Tableau 4 : Présentation de la stratégie 1
La stratégie est entièrement paramétrable, les périodes d’optimisation et les valeurs des contraintes sont des variables qui peuvent être modifiées en fonction des contraintes ou des besoins spécifiques du site (tableau 4).
Cette stratégie est illustrée par deux exemples : le premier lors d’une période relativement chaude et le second lors d’une période froide. Suite à ces exemples, un test sur 3 mois consécutifs est réalisé pour obtenir un ordre de grandeur des gains réalisables et mieux comprendre les facteurs influents.
Dans ce premier exemple, la température extérieure moyenne est de 9 °C lors de la journée optimisée, ce qui est relativement chaud pour un mois de février. Comme l’explique le tableau 4, la température de consigne est optimisée pour minimiser l’énergie consommée sur 24 h et atteindre une température intérieure de 20 °C à 8h.
5
Thomas Berthou
110
Figure 2 : Exemple d’optimisation de la relance un jour hiver relativement chaud (24 h en février) Cette optimisation permet de retarder la relance du chauffage d’environ 1h30 par rapport à la référence (figure 2). Cela réduit la consommation sur 24 h de 5.8 % (G24) et de 1.7 % (GR) en prenant en compte l’énergie stockée dans le bâtiment. De plus, l’objectif sur le confort est atteint puisque la température intérieure à 8h est de 20 °C.Dans l’exemple suivant, la température extérieure moyenne est de -4.5 °C. Dans ce type de situation, le gestionnaire du bâtiment devrait programmer la relance plus tôt pour assurer le confort lors de l’arrivée des occupants. Pour illustrer l’intérêt de la stratégie, la référence n’est pas modifiée et la relance s’effectue toujours à 6h.
Thomas Berthou
111
Figure 3 : Exemple d’optimisation de la relance un jour d’hiver très froid (24 h en février) L’optimisation impose aux systèmes de chauffer le bâtiment à puissance maximale de minuit à 8h sans interruption (figure 3). Cela conduit à une surconsommation de 8 % (G24) par rapport au scénario de référence. La surconsommation avec recouvrement (GR) est inférieure au G24 et se limite à 2.3%. La température intérieure à 8 h après optimisation est de 19.9 °C au lieu de 19.1 °C sans optimisation. L’objectif de 20 °C est pratiquement atteint, cette stratégie a permis d’augmenter sensiblement le confort des occupants.On remarque une légère baisse de la température intérieure vers 6 heures du matin (figure 3), ceci provient de la mise en route de la ventilation et non pas de la baisse de la température de consigne.
La stratégie 1 répond à deux objectifs : Le premier est de réduire la consommation de chauffage en période relativement chaude tout en assurant le confort des occupants. Le second est de contraindre la mise en marche des systèmes de chauffage lors des jours très froids au cours desquels
Thomas Berthou
112
la température de confort ne sera pas atteinte avec la régulation de référence (température intérieure à 8h dans ces exemples), afin d’améliorer le confort des occupants.Appliquer cette stratégie d’optimisation sur plusieurs semaines consécutives en hiver permet de calculer un ordre de grandeur des gains énergétiques pour ce type de bâtiment avec le climat de Paris. La période choisie débute au cœur de l’hiver et dure jusqu’au début du printemps, ceci pour avoir une évolution des températures extérieures.
Mois Semaines Gain énergétique (%)
Température extérieure moyenne du lundi au vendredi (°C) Février 1 3.5 6.0 2 2.7 1.8 3 2.1 0.78 4 2.3 7.3 Mars 1 4.3 3.8 2 4.2 6.4 3 3.7 8.3 4 12.5 9.5 Avril 1 10.6 8.4 2 46.3 13.2 3 11.2 8.4 4 20.0 10.3
Tableau 5 : Résultats d’optimisation pour 3 mois consécutifs
Les résultats de l’optimisation varient de manière significative d’une semaine à l’autre (tableau 5). Ils augmentent avec la température extérieure. Cette relation n’est pas linéaire avec l’apparition d’un effet de seuil lorsque la moyenne de température extérieure se rapproche de 9°C. Les autres facteurs influençant les gains peuvent être l’ensoleillement, mais aussi les variations de température infra journalière.
Les gains peuvent être élevés lorsque le climat est doux (jusqu’à 46%), mais l’énergie économisée reste minime, car les besoins du bâtiment sont faibles.
Cette stratégie optimise la montée en température du bâtiment à partir des prévisions météo et d’occupation. Elle permet de calculer la température de consigne (au pas de temps de 30 minutes) qui permettra d’atteindre la température intérieure de confort en minimisant l’énergie dépensée. Les gains calculés sont faibles lorsqu’il fait froid, mais cette stratégie permet d’améliorer le confort les jours les plus froids en anticipant les besoins. L’intérêt de cette stratégie est d’améliorer l’autonomie du bâtiment lors de la saison de chauffe. Si un technicien ajuste l’heure de relance en fonction du climat les gains seront faibles, mais si elle est programmée de manière définitive pour
Thomas Berthou