Méthode d'évaluation des performances annuelles d'un régulateur prédictif de PAC géothermiques sur banc d'essai semi-virtuel

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d’essai semi-virtuel

Tristan Salque

To cite this version:

Tristan Salque. Méthode d’évaluation des performances annuelles d’un régulateur prédictif de PAC géothermiques sur banc d’essai semi-virtuel. Energie électrique. Ecole Nationale Supérieure des Mines de Paris, 2013. Français. �NNT : 2013ENMP0095�. �tel-01144416�

MINES ParisTech

Centre Efficacité énergétique des Systèmes

60, Boulevard Saint-Michel 75272 PARIS

présentée et soutenue publiquement par

Tristan SALQUE

le 15 octobre 2013

Méthode d'évaluation des performances annuelles d'un régulateur

prédictif de PAC géothermiques sur banc d'essai semi-virtuel

Doctorat ParisTech

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pour obtenir le grade de docteur délivré par

l’École nationale supérieure des mines de Paris

Spécialité “ Energétique”

Directeur de thèse : Dominique MARCHIO Co-encadrement de la thèse : Peter RIEDERER

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Jury

M. Michel BERNIER, Professeur, Polytechnique Montréal Rapporteur

M. Christian INARD, Professeur, Université de La Rochelle Rapporteur

M. Christian GHIAUS, Professeur, CETHIL, Université Lyon 1 Examinateur

M. Dominique MARCHIO, Professeur, Mines ParisTech Examinateur

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@& 0 C > 4 PX!Q I , E ++ 3 - - 3 6 7 ' ( ) * + , $ 9:; (_{< 4 4 4 4 4 4} & 6#66 6# 6#6 6#87 6#66 # 7 56#6 #7 56#67 #86 56# #88 6#6 6# 6#6 6# 7 6#6 # 6#66 # 56#6 # 6 56# # 8 A 6#6 6# 6 6#6 6# 6#6 6#8 6#6 # 56#6 # 56#6 # 7 A 6#6 6# 6#67 6#8 6# 6 # 6# #86 6#6 #6 6# # & < & < & < & < **** ++++ 3333 .... $(!$(!$(!$(! ! - , + $(! !9$ $ + ++ . , $(! - * M/ G $ 3 & < (+ - - + -- 3 ++ . ++ -- * M/ G P@ Q , /6*1() P@&Q ++ . , . . 'E > 6 / G 3 $(! .

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@E ^ + > (55 (55& (55' - . - -+ (558 . , K (55 \ C &E PX!Q (558 \ C A PX!Q , L ! -- I - , & ++ , - G Ga + , . (%F + , (55 + , , . , E (55 3 + $(! . 8 . 8 > $ , E (55 ++ . 8& > ! , E , E . 8& 3 - 8E J - . ++ B8< GJ B&@ GJ - . , E & O * + . & < ' - + . , ++ -- + K0 0 L + K L $(! K=$ L 20 25 30 35 40 45 50 55 60 20 22 24 26 28 30 32 Temps[h] T e m p é ra tu re s [ °C ] T_f,i à 6h T_f,o à 6h T_f,i réelle T_f,o réelle 20 25 30 35 40 45 50 55 60 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 Temps[h] P u is s a n c e [ W ] P_h à 6h P_h réelle

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@A . 8' > $ , E (55 . 3 + $(! . 88 > $ , E (55 . 3 + $(! , E . 88 3 - '& J - . <BB GJ <B< GJ - . , E O * $(! & < 8 + $(! . ^ + ++ + K!9$L )- . -!/01 !9$ 3 + 3 Z !9$ ` . 8 !9$ \ d0 a d0 a K'CL ( > • 0 3 Z • 0 3 Z • !9$ , + . 8< > * 3 + $(! M - + !9$ 3 Z Z !9$ C !9$ + , 20 25 30 35 40 45 50 55 60 0 5 10 15 Temps[h] T e m p é ra tu re s [ °C ] T_b,i à 6h T_b,o à 6h T_b,i réelle T_b,o réelle 20 25 30 35 40 45 50 55 60 -4000 -3000 -2000 -1000 0 1000 2000 Temps[h] P u is s a n c e [ W ] P_gt à 6h P_gt réelle 0 10 20 30 20 25 30 35 40 45 50 55 0 2 4 6 8 T_{evap moyen} [°C]

Modèle analytique de COP

T cond moyen [°C] C O P [ -] 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 7

@B " + , - + + $(! !9$ + > !9$ \ C '<@ 0 C 8 E 0 a@ A&A K' L ! . & < < . 3 $(! . ++ K . 8EL . 8E > ! . 3 $(! . + K$ L K$ L ++ . - - I E + $(! , !9$ I . 8@ !9$ . 8A 3 $(! . 8@ > $ !9$ , E + $(! . 8A > $ , E + $(! 135 140 145 150 0 1 2 3 4 5 Temps[h] C O P [ -] COP estimé COP réel 135 140 145 150 0 200 400 600 800 1000 1200 Temps[h] P u is s a n c e é le c tr iq u e [ W ] P estimé P réel

AC - . @C ' GJ E@ @ GJ - . , E < O !9$ - . + - . 8 8' 8 8B + & E & E & E & E $ $ $ $ + - " - / P@<Q ! & E - " + + + S D > 0 % 3 ++ $ - > . + ^ e $ ++ . 2 = - - . ++ $ , ++ K. L ) ++ > ^ + . 4 + . , ^ ^ , . D ! + , P&< 'EQ > % 3 . I ] 0 ] $ ++ .

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A& C 8 PX!Q , E L ! ++ . , - G & K (55'\ C 8 PX!Q (558\ C 88 PX!Q , E L , - G & . K (558 \ C 88 PX!Q (55< \ C 'E PX!Q , E L 3 &8 ++ , 3 D K (55<\ C 'E PX!Q (55'\ C '' PX!Q , E L (55@ . -+ (%F + ) (55E + 3 3 &8 ++ , D 4 -++ . + - . ++ . $KGL $KG L , E . 8B + , , E + - c X! K . <CL 3 D I E ^ . . + . 8B > % , E (55E < " 1 - > " 1 > 0 50 100 150 200 250 300 18 19 20 21 22 23 24 Temps[h] T i [° C ] Prévision 6h Réel

A' . <C > 4 , E (55E < " 1 - > " 1 > & @ & @ & @ & @ 6666 .... 9 " + & @ - " + - - + . 7 -, . D * & @ & 0 + . + > : + : + : + ! + " D * I + & < : ' + " + , - + 4 - + . & @ ' - - > - , " - ++ + -0 50 100 150 200 250 300 -2 -1 0 1 2 E rr e u r [° C ] Temps[h]

A8 % P@EQ . - - + K L , C * G > K + L - * G " : + . . < . < > 0 @ + " 3 + 8 9 3 + - @ , B @ , && - + , - ++ $ . + . -- + - ++ , - ++ + - " $ P@@Q ++ - ^ . > ( ] : - K0 , L 4 . ] + - " . <& . . - + K . <'L 0 5 10 15 20 0 1 2 3 4 5 Heure [h] O c c u p a n ts a c ti fs [ -] moyenne

A< . <& > $ + " . <'> $ + + ^ ^ / + , ++ ^ D . > qr 3 ' F s $3 F t q $ F 8 uv F t qvms $3 F n qw x vDE K'&L ( > qr 3 ' PJQ . ] s $3 P Q - + ] q $ PJQ . . uv F P Q - ++ - G , - ] qv PJQ . . - G + s $3 qw . . + + K + . L q $ + , BC J " , EC J qv . . " - 3 . . . < JM & _{. 0 ! %0 &CC<} % & @ 8 . <8 - , E + . - - + + Kc C @X!L ( + -5 10 15 20 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Heure [h] P ro b a b il it é [ -] cuisine usages électriques eclairage 0 1 2 3 4 5 6 0 500 1000 1500 Nombre d'occupants [-] P u is s a n c e [ W ] cuisine usages électriques eclairage

AE + + . . c X! . <8> % , E " + 3 . . 0 @ 4 3 - ++ . ! H + - 3 - . - , E 3 C ''X! + C 8&X! + ; - ++ . 0 @> 4 , E + . E D E D E D F 9B < 5606 560 560 $ 9B < 60 60 60 0 50 100 150 200 250 300 0 1 2 3 G a in s i n te rn e s [ k W ]

Constant Escalier Stochastique

0 50 100 150 200 250 300 16 18 20 22 24 T i [° C ] 0 50 100 150 200 250 300 -2 -1 0 1 2 E rr e u r à 6 h [ °C ] Temps [h]

A@ & A & A & A & A % % % % : + ++ -. << , . <B : 9 . -. << > * . <E > * ++ . <@ > * . <A > * . <B > * 3 . I

AA

AB

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45

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45

45

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45

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&C A 3 3 K: C 8& J &_{[ L}

+ K : & 8' J &_{[ L < O +}

> 8C O / &C O D

-B . EC> / 3 $(! . 0%5/N/ 3 &C ++ . 03 <E . K03 CBL 5 3 + * $(! . K03 B&@ R 0 L ++ . $(! . E A GJ < GJ 'CM'<X! @M &X! ++ . $(! Z . + . + ) , K03 @8C R 0 L CCC G.M AC J + ++ . K03 <<@ R 0 L -@< ++ $ P@AQ 3 K \ &CCC 7 G. [ \ & J [ L + . : % 3 + , + . C [ J . + * - 0%5/N/ 03 <<

B& ! . . ' & & $ + . 3 $(! 0%5/N/ . + * . + 03 0%5/N/ << > ( + 0%5/N/ K < L . + # 0%5/N/ ] . * + ++ ] . M ++ $(! E 3 $(! 0%5/N/ 3 << ] 0%5/N/ -+ - + G . + - . . + % . + ' & ' ) . + > . + K1 L ₃ . K19!L ++ . _%&' + . ", ' & . $(! . , . E . E& . E > % . 1 + . E& > % . 19! +

B' . 1 . &CX! 3 c C <X! . 19! ++ . > () /yb + "bz / 3/ y K''L V ₃ ++ . + " . 1 + ^ $(! + . 19! + Z D + ++ ' ' ' ' ' ' ' ' $ +$ +$ +$ + . . . . ++++ ! . + ' ' . + . (55 . * 5 3 + H . + > = + − = 6 1 k el 2 i k 1500 ) k ( Pˆ 5 . 0 20 ) k ( Tˆ 8 . 0 J K'8L , 19≤Tˆ_i(k)≤21 K'<L " + , -- . + , &CX! . " * . E' ^ + + . . 1 19! . . , X! ! . + + ^ > $(! - " D , ^ , ++ - ! + . - .

B8 . E' > ! . ! . + @ * 5 3 . (55 . ) - ) ++ D " . ++ . . E8 , . . V ₃W&C <X! . V ₃Y B <X! . 1 . . 'C O &C O 19! & O (55 . (55 > + B <X! -. E8 > 4 , . . . E< > ! 0 1 2 3 4 5 6 7 19 19.5 20 20.5 21 21.5 22 T i [° C ] BF BOC ANN 0 1 2 3 4 5 6 7 0 400 800 Temps [jours] I [W /m 2 ] I T_o 0 1 2 3 4 5 6 7-5 5 15 T o [ °C ] BF BOC ANN 0 50 100 150 200 250 300 350 E n e rg ie é le c tr iq u e t o ta le [ k W h ] 287 309 256 BF BOC ANN -10 0 10 20 30 D u ré e d 'é c a rt à l a c o n s ig n e [ % ]

B< K L . E< . + (55 . O , 1 @ O , 19! . 0 A : , 3 3 $(! ^ . *^ 3 . . 3 3 'C . + ++ K . + 3 . + . - ' L ! . 19! Z D + 0 A > ! . R ! . + 9 :; < 9 :; < 9 = 9 > 60 ; : < 9 = 9 ? 80 ; : < @ -"-" : < 2 " :AB < 2 " :AB < 2 "0 :AB < C : < .D 0 80 8 0 6 7 7 .E 0 80 8 60 07 668 8 68 7 FF 0 80 60 87 7 5 % ' ' & + ++ ++ -++ . !-3 $(! ++ : . . + - -, @X! && @ - ++ . + , ' . 3 - . &CX! , @ . (55 . + - D + H . + . - - δ(k)> = + − × δ = 6 1 k el 2 i k 1500 ) k ( Pˆ 5 . 0 20 ) k ( Tˆ ) k ( 8 . 0 J K'EL @WGW&& > δ(k)\ 19≤Tˆ_i(k)≤21 > δ(k)\ C 17≤Tˆ_i(k) K'@L

BE $ S . . EE . @X! - " D 9 . . (55 ! - & 'C < 'C K . E@L . EA - , . K&CX!L . + - . - E 'C @ 'C . Z . EE > ! . % @ * 5 3 . E@ > ) ++ . (55 . EA > ) - , . K9 " + > @ L 0 1 2 3 4 5 6 7 18 20 22 T i [° C ]

BF BOC ANN Consigne

0 1 2 3 4 5 6 7 OFF ON Temps [jours] H P o n [ -] BF BOC ANN 2:30 3:00 3:30 4:00 4:30 5:00 5:30 0 2 4 6 8 10 12

Heure de relance du chauffage [h]

O c c u re n c e s [ -] ANN 5 5:30 6 6:30 7 7:30 8 8:30 0 10 20 30 40 50

Heure à laquelle la consigne est atteinte [h]

D is tr ib u ti o n [ % ] BF BOC ANN

B@ 0 B 3 3 . (55 K8A L . . B O 1 A O 19! < O , . + 3 . K + 0 A . L 0 B > ! . R % @ -"-" : < 2 " :AB < 2 " :AB < 2 "0 :AB < C : < .D 0 6 76 8 .E 0 8 8 8 FF 60 8 7 5 % ' ' ' - ++ . : + S - . . D - A &C ^ + $ " + + . + + > = + − = 6 1 k el 2 i k 1500 ) k ( Pˆ ) k ( p 5 . 0 20 ) k ( Tˆ 8 . 0 J K'AL , 19≤Tˆ_i(k)≤21 K'BL ) k ( p + ) p(k) + , & , ^ - . , . (55 " . EB . (55 + ++ D @ A $(! I +

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Oct Nov Dec Jan Fev Mar Avr Saison

-20 0 20 40 E c a rt à l a c o n s ig n e [ % ]

Régulateur BF Lyon Nancy Nice

Oct Nov Dec Jan Fev Mar Avr Saison

-20 0 20 40 E c a rt à l a c o n s ig n e [ % ]

Régulateur ANN Lyon Nancy Nice

Oct Nov Dec Jan Fev Mar Avr Saison

0 5 10 15 20 25 30 G a in é n e rg ie c h a u ff a g e [ % ]

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Oct Nov Dec Jan Fev Mar Avr Saison

-40 -20 0 20 40 60 80 E c a rt à l a c o n s ig n e [ % ] Régulateur BF HI HS HI LS LI HS LI LS

Oct Nov Dec Jan Fev Mar Avr Saison

-40 -20 0 20 40 60 80 E c a rt à l a c o n s ig n e [ % ] Régulateur ANN HI HS HI LS LI HS LI LS

C , . . . @B . AC V 0 W&C <X! . 0 Y B <X! ^ + > . D . =6 / 6 / ( . 1 . 8< O D . &< O D . (55 . + . , C O D . ' O D ! , - + . . + ! + D , + . =6 =/ 6 =/ + . ! . D =6 =/ 6 =/ . . > 3 D @ O 1 A O (55 ] . . (55 - > + . . . ++ . . + (55 3 D . A . @ O & O ) . ++ . " -, &' O D 6 =/ . . + > - D + . D =6 =/ =6 / ++ ^ . . - + . . . 1 + 4 + D 6 / . . - ++ . . A > ; . ++ . ++ . (55

Oct Nov Dec Jan Fev Mar Avr Saison

0 5 10 15 20 25 30 G a in é n e rg ie c h a u ff a g e [ % ] HI HS HI LS LI HS LI LS

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