2.1 Description des activités énergétiques gérées
Notre système de gestion d’énergie dans l’habitat prend en entrée un ensemble d’activités énergétiques qui sont appelées des services. On peut distinguer deux types de services : les services fournisseurs d’énergie et les services à l’habitant. Les services fournisseurs produisent les ressources énergétiques. Les panneaux photovoltaïques et le réseau d’électricité appartiennent à ce type par exemple. Les services à l’habitant sont des activités qui répondent directement à une demande des habitants en consommant de l’énergie. Des services tels que le lavage du linge, le chauffage de l’eau, le chauffage, la cuisson, l’éclairage,... peuvent être cités comme les services à l’habitant.
Parmi les services à l’habitant, on peut distinguer plusieurs types de services qui sont définis en fonction du type de contrôle qu’ils impliquent (voir la figure 2.1). Un service est de type permanent si sa consommation énergétique couvre tout l’horizon temporel de planification de l’énergie. Les services de chauffage, de réfrigération en sont des exemples. Les services de type temporaire sont des services dont l’exécution est limitée dans le temps. Une demande spécifique d’exécution est associée à ces services. Le service de type non-supervisé est associé à l’ensemble des activités qui ne sont pas planifiées par le système de gestion d’énergie. Il s’agit des activités dont l’exécution dépend totalement de l’utilisateur, sa présence est requise pour leur exécution, et elles sont nombreuses en terme d’occurrence mais peu consommatrices d’énergie prise une à une. L’éclairage en tant que contrôle de chaque lampe est un exemple typique d’activité que nous intégrons dans le service non-supervisé. On voit bien apparaître ici le positionnement particulier de notre travail par rapport à des systèmes domotiques disponibles pour les bâtiments tertiaires notamment, qui proposent par exemple la gestion de l’éclairage à partir de détecteurs de présence mais dans lesquels aucune notion de planification et d’anticipation n’intervient autre qu’une programmation pendant la nuit.
2. Structuration du système de gestion d’énergie 35
Figure 2.1 – Catégories des services à l’habitant
Une classification des activités dans l’habitat est proposée dans Nathan (2001). Elle s’appuie sur le niveau d’automatisation et le nombre d’activations de l’équipement. Les équipements faiblement automatisés avec beaucoup d’activation correspondent au service non-supervisé alors que les équipements fortement automatisés avec une seule activation correspondent aux services permanents. Les équipements fortement automatisés avec plusieurs activations correspondent aux services temporaires.
2.2 Modélisation des services
Dans toute la suite de ce mémoire, nous identifierons un service par un indice i et nous le noterons SRV (i). H sera l’horizon de planification sur lequel on effectue les affectations d’énergie. 2.2.1 Caractérisation des services fournisseurs
Un service fournisseur (voir figure 2.2) SRV (i) est un service qui met à disposition du système de gestion d’énergie une puissance à un prix donné. Deux paramètres variables dans le temps permettent de caractériser ce type de service :
– P (i, t), la puissance disponible à l’instant t.
– C(i, t), le prix de l’électricité produit par cette source à l’instant t. Ces paramètres sont des données du problème d’optimisation.
2.2.2 Caractérisation des services à l’habitant
Service permanent. Un service permanent SRV (i) (figure 2.3-a) est associé à un équipe-ment qui régule en permanence la grandeur physique à contrôler par rapport à une valeur de consigne. Le plus souvent, la grandeur physique est une température pour les systèmes de chauf-fage, de réfrigération, de congélation, de chauffe-eau. Il est caractérisé par les données suivantes :
– P (i), la puissance consommée par l’équipement en fonctionnement – Topt(i, t), la valeur souhaitée de la grandeur à contrôler à l’instant t
– Tmin(i, t), Tmax(i, t), respectivement les valeurs minimum et maximum de la grandeur à contrôler à l’instant t
36 Chapitre 2. Modélisation du problème de gestion de l’énergie dans les bâtiments
Figure 2.2 – Caractérisation du service fournisseur
Figure 2.3 – Caractérisation des services à l’habitant
– la caractérisation du confort de l’usager par rapport à cette grandeur à contrôler
– l’équation dynamique du comportement de l’équipement qui caractérise la transformation de l’énergie électrique en grandeur contrôlée
Par exemple, l’habitant demande que la température dans sa chambre soit dans l’intervalle [18℃,20℃]. Le système de gestion d’énergie vise à établir la meilleure température, à chaque instant, en minimisant le coût de l’énergie et en maximisant le confort de l’habitant. La capacité à emmagasiner de l’énergie sous forme thermique dans l’enveloppe d’un bâtiment est utilisée pour atteindre cet optimum.
Service temporaire.Un service temporaire SRV (i), illustré dans la figure 2.3-b, est carac-térisé par les données suivantes :
– P (i), la puissance consommée pendant que le service est exécuté. – d(i), la durée d’exécution
– fopt(i), la date de fin souhaitée
– fmin(i), fmax(i), respectivement les dates de fin au plus tôt et au plus tard acceptables pour l’habitant
2. Structuration du système de gestion d’énergie 37 Le système d’optimisation calcule une date d’exécution optimale du service par rapport à la demande exprimée par l’utilisateur et au prix de l’énergie. Les services temporaires sont des tâches à ordonnancer avec des contraintes de fenêtre de temps et de ressource.
Service non-supervisé. Le fonctionnement (consommation, durée et date de démarrage) de chaque équipement dans cette catégorie (le four micro-onde ou l’éclairage,. . .) est très difficile à prévoir. Dans tous les cas, aucun modèle ne permettrait de résoudre efficacement la prévision de tous les équipements non-supervisés. Il n’est par exemple guère envisageable de prédire les éclairages de toutes les lampes d’une maison. Et même si on arrivait à le calculer le résultat ne présenterait que très peu d’intérêt car l’énergie consommée par chaque lampe individuellement est très faible par rapport à la programmation, forcément inexacte, de tous ces équipements très dépendants de l’action de l’usager. La courbe de charge globale prévue du service non-supervisé suffit. La consommation globale de l’ensemble de ces équipements, est définie par la puissance Pu(t)consommée à chaque l’instant t. Elle sera considérée comme une contrainte pour le système d’optimisation.
2.3 Mécanisme de pilotage multi-couche
Le problème majeur dans la gestion des flux énergétiques est l’incertitude. Son origine est multiple : incertitudes sur le modèle de comportement des services, incertitudes sur les conditions extérieures mais aussi, incertitudes liées au comportement et aux demandes des habitants. Pour permettre de résoudre le problème de gestion des flux énergétiques, nous nous appuyons sur une structure de contrôle en trois couches proposée dans (Ha, 2007) : une couche locale, une couche réactive et une couche anticipative. Chacune de ces couches se différencie par l’échelle de temps sur laquelle elle opère (voir figure 2.4). Typiquement, la couche locale opère en temps réel, la couche réactive opère à l’échelle de la minute et la couche anticipative opère à l’échelle de l’heure sur un horizon d’une journée. Les phénomènes pris en compte par chacune de ces couches sont en cohérence avec ces échelles de façon similaire à ce qui a été développé dans les systèmes manufacturiers dans l’architecture CIM. La couche anticipative remplit la fonction planification, la couche réactive est proche des fonctions MES et la couche locale contient la commande des équipements.
2.3.1 La couche anticipative
Cette couche vise à planifier la consommation et la production d’énergie de plusieurs heures (typiquement 24h) à l’avance selon les prévisions disponibles : les prévisions météorologiques, la prévision des demandes des usagers et aussi les prévisions de disponibilité et de coût des ressources énergétiques (voir figure 2.4). Le temps d’échantillonnage de cette couche est noté ∆ et vaut typiquement 30 à 60 minutes. Les modèles utilisés sont donc les plus synthétiques. Les travaux réalisés dans cette thèse proposent d’étendre les fonctionnalités de la couche anticipative. 2.3.2 La couche réactive
Elle reçoit comme entrée les consignes calculées par la couche anticipative. Elle ajuste les allocations d’énergie correspondantes aux conditions réelles d’exécution. Cette couche travaille avec un temps d’échantillonnage ∆r. S’il n’y a aucun événement imprévu, cette couche n’inter-vient pas : son seul rôle est de transmettre les consignes à la couche locale. Cette couche effectue
38 Chapitre 2. Modélisation du problème de gestion de l’énergie dans les bâtiments
Figure 2.4 – Mécanisme de pilotage multi-couche pour la gestion d’énergie dans l’habitat des arbitrages en cas de violations de contraintes liées aux ressources énergétiques disponibles et aux exigences de confort des habitants. Pratiquement, en cas de violation de contraintes sur l’énergie disponible, la couche réactive va intervenir en délestant certains services pour équilibrer la consommation et la production d’énergie. Mais cette fonction de délestage s’adapte aux si-tuations rencontrées contrairement aux mécanismes de délestage déjà existants qui agissent avec des systèmes de priorités statiques. Nous utilisons cette couche dans nos simulations mais nous ne travaillons pas dessus.
2.3.3 La couche locale
Elle est liée aux systèmes de régulation embarqués dans les équipements conçus par les fabricants. Elle réalise la commande des équipements pour atteindre des valeurs de consigne générées par la couche anticipative, éventuellement ajustées par la couche réactive. Cette couche, constituée de systèmes de contrôle/commande existants, nous permet de faire abstraction du comportement des équipements dans les couches d’optimisation sur lesquelles nous travaillons.