JOURNÉES AUGC – IBPSA CHAMBÉRY 2012

(1)

JOURNÉES AUGC – IBPSA CHAMBÉRY 2012

P r o j e t H O M E S

Mesure et modélisation : une méthode innovante pour l’étude des

algorithmes de gestion énergétique, appliquée au cas d’une maison passive

Julien EYNARD^(1,2) Pierre BERNAUD⁽¹⁾ Dimitri YANCULOVICI⁽³⁾ Véronique BOUTIN⁽³⁾

1CEA-INES, France

2PROMES-CNRS, France

3Schneider Electric, France

• 1323

(2)

Journées AUGC – IBPSA • Chambéry • 6 - 8 juin 2012

• Présentation du projet HOMES

• Plateforme expérimentale CEA INES

• Bâtiment

• Systèmes

• Instrumentation

• Modélisation

• Méthode et généralités

• Modèle thermique du bâtiment

• Modèle thermique de la centrale double-flux

• Modèle thermique du réseau de ventilation

• Simulation globale du bâtiment

• Modèle du système de chauffage hydraulique (en cours)

• Conclusion et perspectives

SOMMAIRE

2

(3)

LE PROJET HOMES

3

(4)

Journées AUGC – IBPSA • Chambéry • 6 - 8 juin 2012 4

• Contexte et leviers

• Raréfaction des ressources naturelle

• Réchauffement climatique

• Contraintes de consommation énergétique (règlementations thermiques)

• Le projet

• 4 ans : 2008-2012

• Piloté par Schneider Electric avec le soutien d’OSEO

• Les partenaires : CEA, CIAT, CSTB, EDF, Delta Dore, INPG, Philips Lighting, Radiall, Somfy, SEI, STMicroelectronics, Watteco, Wieland Electric

• Objectif des solutions développées

• Optimiser l’utilisation de l’énergie dans l’habitat

• Diversifier les sources d’énergie

• Pérenniser la performance énergétique

• Faciliter la mise en œuvre de la gestion énergétique dans le bâtiment (résidentiel, tertiaire, neuf et existant)

• Outils

• Expérimentation et simulation

• Plateformes de validation

PROJET HOMES : Habitat et bâtiment Optimisé pour la Maîtrise de l’Energie

(5)

PLATEFORME EXPÉRIMENTALE

B Â T I M E N T , S Y S T È M E S E T I N S T R U M E N T A T I O N

5

(6)

PLATEFORME EXPÉRIMENTALE CEA INES : bâtiment et systèmes

• Intérêt de l’outil expérimental

• Validation de l’architecture HOMES

• Alimentation des simulations en données expérimentales pour validation des modèles

• Plateforme : maison INCAS Double Mur (IDM)

• Double mur béton avec 20 cm de laine de roche

• 110 m² SHON sur 2 étages

• Inertie importante et forte isolation

• Systèmes

• Volets roulants (gestion des apports solaires)

• VMC double flux avec récupération de chaleur

• Pompe à chaleur air/eau de 3 kW

• Plancher chauffant/rafraichissant alimenté par la PAC

• Éclairage artificiel : ampoules basse consommation

(7)

PLATEFORME EXPÉRIMENTALE CEA INES : systèmes

7

• Architecture de l’installation hydraulique

(8)

PLATEFORME EXPÉRIMENTALE CEA INES : instrumentation

• Architecture HOMES

• MiniPC : HOMEBox

• Passerelle SOMFY (interfaçage avec les volets roulants)

• Contrôleurs TAC (interfaçage avec le système PAC/plancher + VMC DF)

• Capteurs HOMES (autonomes, recharge via PV)

(9)

• Instrumentation LEB en place

• ≈ 200 capteurs (température, humidité, ensoleillement, système PAC + plancher)

• Conditions extérieures (température, humidité, vent, ensoleillement)

• Rapatriement régulier dans une base de données

• Extraction depuis BDD pour comparaison expérimentation/simulation

9

PLATEFORME EXPÉRIMENTALE CEA INES : instrumentation

(10)

MODÉLISATION D’UNE MAISON PASSIVE

M O D É L I S A T I O N , I D E N T I F I C A T I O N E T R É S U L T A T S

10

(11)

• Modélisation du bâtiment général par un simulateur dédié et une connaissance des caractéristiques géométriques, thermiques et structurelles du bâtiment

• Modélisation des sous-systèmes avec des modèles paramétriques nécessitant une identification à partir de mesures expérimentales

• Modèles linéaires et non-linéaires de type boîtes grises ou boîtes noires

• Utilisation d’algorithmes d’optimisation pour l’identification des paramètres

• Comparaison des résultats selon 3 critères (entre la valeur mesurée 𝑌

_𝑟𝑒𝑓

et la valeur simulée 𝑌

_𝑚

) pour valider les modèles identifiés

• Données expérimentales issues de campagnes de mesures (hiver 2011 sans le chauffage hydraulique : PAC + plancher chauffant)

• FIT (coefficient de ressemblance) : 𝐹𝐼𝑇 = 100 × 1 − _𝑌^𝑌^𝑟𝑒𝑓^−𝑌^{𝑚 2}

𝑟𝑒𝑓− 𝑌_{𝑟𝑒𝑓 2}

• ERM (Erreur relative moyenne) : 𝐸𝑅𝑀 = 100 × ^𝑌^𝑟𝑒𝑓^−𝑌^𝑚

max 𝑌_𝑟𝑒𝑓 −min 𝑌_𝑟𝑒𝑓

• EAM (Erreur absolue moyenne) : 𝐸𝐴𝑀 = 𝑌_𝑟𝑒𝑓 − 𝑌_𝑚

MODÉLISATION : méthodes et généralités

11

(12)

• Modèle thermique du bâtiment (modèle de connaissance)

• Utilisation de la toolbox Simbad 6.0 beta pour Matlab-Simulink (collaboration avec le CSTB)

• 10 zones sur 2 niveaux + vide sanitaire et combles

• Volume chauffé : 𝑉_{𝑐ℎ𝑎𝑢𝑓𝑓𝑒} = 286 m³

• Infiltration globale mesurée : 𝐼_𝑡𝑜𝑡 = 0,04 vol/h

• Modèle dynamique discret : échantillonnage avec ∆𝑇𝑒 = 60 s

MODÉLISATION : modèle thermique du bâtiment

12

Cellier

Cuisine

Séjour salon

Hall Escalier 1

5

55 % 55 %

30 %

35 % 25 %

20 % 20 %

20 %

Chambre 1

Chambre 2

Chambre 3

Salle de bain Escalier 2

15 %

15 % 15 %

15 %

45 %

15 %

45 % 20 %

Rez-de-chaussée 1^er étage

(13)

• Échangeur thermique et chauffage électrique

• Modèle de connaissance avec identification paramétrique du coefficient d’échange

• Identification de paramètres selon le critère :

• Optimisation non-linéaire à recherche directe utilisant la méthode de Nelder-Mead (généralisation de la méthode du simplexe)

• Résultats

Variable FIT [%] ERM [%] EAM [°C]

Air neuf (T_SAN) 92,7 1,35 0,137

Air vicié (T_SAV) 96,1 0,561 0,0935

Sortie chauffage (T_SANR) 73,3 3,06 1,17

MODÉLISATION : modèle thermique de la centrale double-flux

13

min𝑈𝐴 𝜎 𝑇_𝑆𝐴𝑁^𝑠𝑖𝑚 − 𝑇_𝑆𝐴𝑁^𝑚𝑒𝑠 ₂²+ 𝑇_𝑆𝐴𝑉^𝑠𝑖𝑚 − 𝑇_𝑆𝐴𝑉^𝑚𝑒𝑠 ₂² avec 𝑈𝐴 = 𝐵_𝑈𝐴_𝐴𝑁 × 𝐷𝑒𝑏𝑖𝑡_{𝑆𝑜𝑢𝑓} + 𝐵_𝑈𝐴_𝐴𝑉 × 𝐷𝑒𝑏𝑖𝑡_𝐴𝑠𝑝

Modèle épingle électrique 𝑇_𝑆𝐴𝑁

𝐷𝑒𝑏𝑖𝑡_{𝑠𝑜𝑢𝑓} 𝑇_{𝑆𝐴𝑁𝑅}

𝑃_{𝑡ℎ_𝑃𝐸}

Modèle Echangeur thermique 𝑇_𝐴𝐴𝑉

𝑇_𝐴𝐴𝑁

𝐷𝑒𝑏𝑖𝑡_𝑎𝑠𝑝 𝐷𝑒𝑏𝑖𝑡_{𝑠𝑜𝑢𝑓}

𝑇_𝑆𝐴𝑁 𝑇_𝑆𝐴𝑉 𝑄_𝐻𝐸

(14)

• Échangeur thermique et chauffage électrique

• Résultats de l’identification

MODÉLISATION : modèle thermique de la centrale double-flux

14

06/02/11 11/02/11 16/02/11 21/02/11 26/02/11 03/03/11 08/03/11 13/03/11 18/03/11 10

12 14 16 18 20 22 24

Date

°C

T_SAN^sim T_SAN^mes

Température air neuf sortie échangeur thermique / entrée épingle électrique

Température air neuf réchauffé sortie épingle électrique

(15)

• Réseau de ventilation

• Aspiration de l’air vicié : modèle linéaire paramétrique (représentation d’état)

• 𝑋 𝑘 + 1 = 𝐴 ∙ 𝑋 𝑘 + 𝐵 ∙ 𝑈 𝑘 𝑌 𝑘 = 𝐶 ∙ 𝑋 𝑘 + 𝐷 ∙ 𝑈 𝑘

• Identification par la méthode des sous-espaces pour l’estimation de modèles sous forme de représentation d’état

• Soufflage de l’air neuf : modèle non-linéaire de Hammerstein-Wiener

• Identification utilisant l’algorithme des moindres carrés non-linéaires par la méthode de la région de confiance de Newton

MODÉLISATION : modèle thermique du réseau de ventilation

15

Variable FIT [%] ERM [%] EAM [°C]

Air vicié aspiré (T_AAV) 87,3 2,16 0,382

Air soufflé rez-de-chaussée (T_SRDC) 92,2 1,31 0,231

Air soufflé chambre 1 (T_SCH1) 88,1 1,45 0,207

Modèle aspiration air

vicié

… ^𝑇^𝐴𝐴𝑉

Températures d’air des différentes

zones

Modèle soufflage air

neuf 𝑇_{𝑆_𝐶𝐻2}

𝑇_{𝑆𝐴𝑁𝑅}

𝑇_{𝑆_𝐶𝐻3} 𝑇_{𝑆_𝐶𝐻1} 𝑇_{𝑆_𝑅𝐷𝐶}

(16)

• Réseau de ventilation

MODÉLISATION : modèle thermique du réseau de ventilation

16

800 1000 1200 1400 1600 1800 2000

10 15 20 25 30 35

Temps [h]

Température [°C]

TSCH2

mes

sim 2 HW avec FIT = 92.6945 %

800 1000 1200 1400 1600 1800 2000

10 15 20 25 30

Temps [h]

Température [°C]

TSCH3

mes

sim 2 HW avec FIT = 90.5516 %

800 1000 1200 1400 1600 1800 2000

10 20 30 40 50 60

Temps [h]

Température [°C]

TSANR

mes

06/02/11 16/02/11 26/02/11 08/03/11 18/03/11 28/03/11

12 14 16 18 20 22 24 26

Date

°C

TAAV_mesure TAAV_modele

Température de l’air vicié aspiré

Température de l’air soufflé dans les chambres 2 et 3

(17)

• Intégration des modèles des systèmes au modèle Simbad du bâtiment

• Test en simulation et comparaison de la température de l’air

MODÉLISATION : simulation globale du bâtiment

17

Zone FIT [%] ERM [%] EAM [°C]

Cuisine 72.4 6.36 0.321

Séjour 69.6 6.62 0.338

Cellier 74 6.12 0.313

Escalier 1 72 7.24 0.347

Hall 71.8 6.87 0.332

Chambre 1 56.7 9.79 0.592

Chambre 2 47.9 12.3 0.753

Chambre 3 50.5 11.7 0.707

Escalier 2 73.5 6.17 0.349

Salle de bain 77.1 5.34 0.297

(18)

• Système de chauffage hydraulique (modèles à intégrer à celui de la maison)

• Pompe à chaleur CIAT

• Travail en collaboration avec le G2ELab

• Modèle statique paramétrique identifié (forme polynomiale)

• Nécessite une validation expérimentale (en cours)

• Bouteille casse-pression

• Modèle statique classique

• Ballon de stockage thermique

• Modélisation dynamique avec stratification verticale

• Nécessite une validation expérimentale (en cours)

• Plancher chauffant

• Modèle Simbad spécifique

• Validation du modèle (en cours) à partir d’essais expérimentaux

MODÉLISATION : modèle du système de chauffage hydraulique

18 Plancher chauffant

Bouteille casse- pression

Pompe à chaleur

(ON) Ballon

de stockage

(19)

CONCLUSION ET PERSPECTIVES

19

(20)

• Conclusion

• Développement d’un modèle de simulation de la maison IDM de l’INES

• Identification de modèles des systèmes aérauliques de la maison

• Utilisation conjointe de techniques de modélisation de connaissance et de techniques d’identification type boîtes grises

• Intégration et validation de ces modèles au modèle global du bâtiment

• Perspectives

• Modélisation

• Valider les modèles du réseau hydraulique du chauffage (PAC, ballon de stockage, plancher chauffant)

• Implémenter les stratégies de contrôle utilisées pour le contrôle du chauffage hydraulique

• Intégrer ces modèles au modèle global de la maison

• Valider le comportement du modèle global de la maison avec le système hydraulique

• Contrôle

• Développer des stratégies de contrôle avancé pour la gestion des systèmes (commande prédictive…) en utilisant le simulateur développé et en identifiant des modèles de commande

• Utiliser les stratégies de régulation développées dans les contrôleurs réels pour réaliser quelques essais pour valider le fonctionnement dans la maison

CONCLUSION ET PERSPECTIVES

20

(21)

FIN

M E R C I P O U R V O T R E A T T E N T I O N

21