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Interopérabilité sur les standards Modelica et composant logiciel pour la simulation énergétique des sytèmes de bâtiment

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sytèmes de bâtiment

Sana Gaaloul Chouikh

To cite this version:

Sana Gaaloul Chouikh. Interopérabilité sur les standards Modelica et composant logiciel pour la simulation énergétique des sytèmes de bâtiment. Autre. Université de Grenoble, 2012. Français.

�NNT : 2012GRENT063�. �tel-00864001�

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THÈSE

Pour obtenir le grade de

DOCTEUR DE L’UNIVERSITÉ DE GRENOBLE

Spécialité : Génie électrique

Arrêté ministériel : 7 août 2006 Présentée par

« Sana GAALOUL CHOUIKH »

Thèse dirigée par « Frédéric WURTZ » et codirigée par « Benoit DELINCHANT»

préparée au sein du Laboratoire de Génie Électrique de Grenoble (G2ELAB)

dans l'École Doctorale d’ Électronique, Électrotechnique, Automatique et Traitement de Signal (EEATS)

Interopérabilité basée sur les standards Modelica et

composant logiciel pour la simulation énergétique des systèmes de bâtiment

Thèse soutenue publiquement le «18/10/2012», devant le jury composé de :

Mr Etienne WURTZ

Directeur de recherche au CEA/INES, Président

Mr Claude MARCHAND

Professeur à l’Université de Paris Sud, Rapporteur

Mr Xavier ROBOAM

Directeur de recherche à l’Université de Toulouse, Rapporteur

Mr Micheal WETTER

Chercheur au Laboratoire National de Lawrence Berkeley, Membre

Mr Patrick BEGUERY

Ingénieur R&D de Schneider-electric, Membre

Mr Frédéric WURTZ

Directeur de recherche à l’INP Grenoble, Directeur de thèse

Mr Benoit DELINCHANT

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Tout d’abord, je tiens à remercier mes encadrants qui m’ont offert l’opportunité de travailler sur un sujet aussi transversal que celui-ci. Cette thèse n’aurait pas pu avoir lieu sans un encadrement de très grande qualité que celui de M. Fréderic Wurtz et M. Benoit Delinchant.

J’ai eu beaucoup de chance d’être encadrée par deux personnes aussi complémentaires.

- Fréderic Wurtz, mon directeur de thèse, pour sa passion à la recherche qu’il savait transmettre, son ouverture d’esprit, son esprit de synthèse admirable et surtout sa capacité exceptionnelle de motivation. Il a toujours su trouver les mots pour me remonter le moral même pendant les périodes les plus dures.

Fred, heureusement que tu n’avais pas noté tout ce que tu as dit «rappeler le jour de ma soutenance» 1 .

- Benoit Delinchant, pour son sens critique, pour sa disponibilité et pour son aide précieuse dont j’ai bénéficié durant ces trois années de thèse. Grâce à son soutien et sa confiance, ma thèse s’est déroulée dans des bonnes conditions.

J’ai pris énormément de plaisir en travaillant avec toi sur le niveau professionnel ainsi que personnel.

J’adresse ensuite mes remerciements aux membres de mon jury:

- M. Etienne Wurtz : directeur de recherche

au CEA/INES

et président de l’association IBPSA- France pour m’avoir fait l’honneur de présider mon jury de thèse et pour son investissement dans la communauté de simulation du bâtiment essentiellement à travers l’organisation des conférences et des écoles thématiques.

- M. Xavier Roboam: directeur de recherche à l’Université de Toulouse et M. Claude Marchand: professeur à l’Université de Paris Sud, d’avoir accepté de rapporter ce travail ainsi que pour leurs critiques et remarques intéressantes et enrichissantes.

- M. Micheal Wetter: chercheur au Laboratoire National de Lawrence Berkeley, pour l’intérêt qu’il a porté à mon travail ouvrant des perspectives de collaboration.

- M. Patrick Beguery: ingénieur R&D de Schneider-electric, d’avoir apporté une vision industrielle à ce travail de recherche.

J'ai eu la chance de travailler au sein d’un grand laboratoire, le G2elab dont je tiens à

remercier tous les permanents qui ont veillé à assurer des bonnes conditions de travail :

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spéciale à Laurent Gerbaud pour ses conseils précieux ainsi qu’à Franck Verdière pour son aide.

J’ai aussi côtoyé des amis formidables dont la liste est bien longue et je veux en citer que quelques uns et j’espère que les autres se reconnaîtront: Mathieu, Didier, Fanny, Ni, Cristophe, Yasmine, Michael, Ando, Ali, Hajer, Manel, Adrien, Bill, Ayesha…, ainsi que mes voisins, habitants de la salle Predis, anciens et nouveaux : Hoang Anh, Ghaith, Jonathan, Shadi, Ardavan, Franky, Kaustav et Mathilde. Merci pour l’ambiance et la convivialité que vous avez crées dans cet espace de travail et d’échange.

Une dédicace spéciale à mes deux copines tunisiennes Rim et Abir, où la mafia tunisienne comme on préfère nous appeler 1 …Rim et sa petite famille, pour les bons moments passés ensemble et Abir pour tout l’échange et partage personnels et professionnels qu’on a eu durant ces trois ans.

A ma chère Sarra (une sœur au vrai sens du terme) de m’avoir supportée depuis plus de 6 ans.

Merci d’être toujours là à mes côtés pendant les périodes difficiles, également pour tous les beaux souvenirs qui resteront à jamais gravés dans ma mémoire.

Les mots m’échappent pour remercier mes deux familles Gaaloul et Chouikh pour leurs soutiens inconditionnels. Merci à ceux qui ont fait le déplacement pour assister à la soutenance, votre présence m’a fait chaud au coeur.

Une pensée particulière à mes trois frères Sami, Hedi et Karim. Du tout profond de mon cœur, je vous souhaite plein, plein de bonheur.

Ces remerciements n’auront pas de valeur sans une très grande pensée à mes chers parents. Ce manuscrit n’est certes pas à la hauteur de ma reconnaissance, mais je tiens à vous le dédier.

Merci pour votre confiance et soutien interminables sans lesquels je ne serais pas arrivée jusque là. Que dieu vous protège et que vous trouvez ici mon amour éternel.

Et pour finir en beauté, je tourne mes pensées vers mon cher époux Mahdi pour lui exprimer

ma gratitude pour sa patience et ses encouragements, particulièrement dans les derniers mois

de cette aventure. Merci d’être toujours à mes côtes pour m’épauler et me donner la force

pour avancer et aller toujours plus loin.

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(25)
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Introduction générale

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(28)

dans les différents secteurs énergivores. Le secteur du bâtiment, premier consommateur mondial d’énergie, représente une charge importante et, par conséquence, une variable d’ajustement à ne pas négliger. Pour mieux maîtriser ses flux énergétiques et respecter les diverses restrictions mises en place, le bâtiment devient de plus en plus complexe. Il par ailleurs soumis à des variations de facteurs extérieurs et internes qu’il est nécessaire de considérer.

Cette complexité « système » demande un changement dans les habitudes de simulation du bâtiment pour la prise en compte de ces évolutions. Une modélisation globale des différents composants de ce système et une simulation efficace des ses sous-systèmes hétérogènes, doivent dorénavant être assurées. Ces objectifs ne pourront être atteints qu'au prix d'un changement de paradigme dans les applications de conception, de simulation et de supervision. Ceci exige en effet d'aller au delà du paradigme actuel d'environnements, d’outils de simulations et des systèmes de gestion technique non inter-opérables, vers un nouveau paradigme orienté « modèle » pour représenter les connaissances des différentes composantes du système. Il va ainsi s’appuyer sur des approches méthodologiques, concepts informatiques et langages de description pour créer, transformer et utiliser facilement des modèles, qui seront conceptuellement dédiés à l’interopérabilité. Nous allons ainsi montrer l’intérêt de ce transfert de paradigme à travers deux approches complémentaires d’interopérabilité : l’approche boite blanche se basant sur le langage Modelica et l’approche boite noire s’appuyant sur le concept de composants logiciels.

Dans le premier chapitre de ce manuscrit, nous commençons par exposer le contexte énergétique mondial et français en relation avec le secteur du bâtiment pour conclure sur la nécessité d’une modélisation et d’une simulation globale. Cette dernière se trouve confrontée à des problèmes relatifs à l’hétérogénéité des modèles et à la limitation des simulateurs actuels. Un état de l’art des solutions existantes d’interopérabilité dans la filière sera élaboré dans l’objectif de dépasser ces limites et pour conclure sur le manque de standardisation et le besoin de mettre en place des approches plus avancées et plus génériques d’interopérabilité.

Le deuxième chapitre illustrera, en application au système de bâtiment basse

consommation PREDIS (installé dans les locaux du G2ELAB), la diversité des natures et des

typologies des modèles rencontrés dans le bâtiment. Les difficultés relatives à l’élaboration de

(29)

globale d’un système de bâtiment plus délicate nécessitant des solutions efficaces d’interopérabilité.

Dans le troisième chapitre, seront étudiées les deux approches d’interopérabilité proposées dans cette thèse pour palier aux difficultés de modélisation système rencontrées et gérer l’hétérogénéité des divers modèles utilisés. Les intérêts et les limites de la première approche se basant sur le langage Modelica seront ainsi mis en évidence en application au bâtiment PREDIS. Les avantages de l’introduction d’un standard de composant logiciel adapté à ce secteur, en complément de l’approche Modelica, seront montrés à travers la mise en place d’un bus à composant logiciel. Ce bus est enrichi par divers développements depuis et vers des logiciels de simulation spécifiques de certains domaines du bâtiment (thermique, électrique, modélisation du comportement des usagers…).

Le quatrième chapitre se focalise sur les aspects de simulation des sous systèmes hétérogènes (modèles et/ou outils) et les moyens permettant d’assurer une simulation performante tenant compte de leurs spécificités. Cette étude sera établie dans l’objectif de définir les spécifications d’une norme de composant logiciel susceptible d’être générique et adaptée à divers typologies de modèles et de stratégies d’orchestration. L’introduction de cette approche dans le processus de modélisation et simulation sera également présentée à travers des cas d’application tirés de PREDIS.

(30)

Chapitre 1:

Contexte énergétique, problématiques et état de l’art des solutions existantes

d’interopérabilité de la simulation

dynamique du bâtiment

(31)
(32)

I. Introduction

Par rapport au défi de réduction des émissions de CO

2

dans le bâtiment, premier secteur consommateur d’énergie, il est indispensable de limiter sa consommation énergétique en améliorant ses performances à travers une meilleur isolation thermique et des ponts thermiques moins importants, en y intégrant des énergies renouvelables mais aussi en assurant une gestion optimale de sa consommation qui doit prendre en compte tous les acteurs. En effet, dans le cadre d’un nouveau contexte de bâtiments basses consommations qui sont bien isolés grâce à des matériaux et des techniques très avancées, les apports internes (usagers, appareils électriques) deviennent de plus en plus influents et ne peuvent plus être négligés [CHEN 2010]. Ainsi une étude fiable du bâtiment doit pouvoir représenter ses différents acteurs issus de plusieurs domaines et les coordonner de manière à tenir compte de leurs différences et interactions au sein de ce système.

Or les avancées de la simulation dynamique de chaque domaine dans le bâtiment (thermique, électrique, éclairage, aéraulique, contrôle) sont considérables, donnant naissance à des logiciels pertinents dans le domaine qu’ils traitent et dotés souvent de bibliothèques métiers si riches que leurs re-développements dans d'autres environnements de simulation paraît inconcevable. Ainsi le champ d'application de chaque outil de simulation reste restreint au domaine qu'il cible.

A nos jours, le besoin d’utilisation des outils métiers permettant de dimensionner et de valider les systèmes de gestion des flux énergétiques dans le bâtiment en y intégrant tous les aspects allant des énergies renouvelables aux systèmes de contrôle en passant par les aspects électriques et thermiques mais encore par la simulation du comportement des habitants, a nécessité le recours et le développement de diverses solutions d’interopérabilité. Cette interopérabilité peut être réalisée au niveau des données, des modèles ou des simulateurs pour pouvoir réaliser des simulations complètes du système global.

Ces différents aspects seront abordés tout au long de ce chapitre pour conclure sur le

manque de standardisation dans le domaine du bâtiment et la nécessité d’introduire un

nouveau standard dédié à l’interopérabilité.

(33)

II. Contexte énergétique et environnemental

II.1. Le bâtiment : un enjeu énergétique majeur

II.1.1. Le bâtiment : un secteur polluant et consommateur d’énergie II.1.1.1. Au niveau mondial

Ces dernières années ont été marquées par une évolution rapide et alarmante de la concentration du gaz à effet de serre (GES) (Figure 1) et essentiellement de l’augmentation du taux de CO

2

dans l’atmosphère. Il est de plus en plus probable que ces taux élevés pourraient induire un réchauffement climatique considérable qui pourrait avoir un fort impact sur la vie humaine. Le réchauffement climatique risque d’induire des conséquences considérables et un changement radical de la configuration actuelle de la planète (remontée du niveau d’eau des océans, la dégradation de la biodiversité…).

Figure 1. Evolution du taux de concentration de différents gaz à effet de serre

Cette croissance des taux de pollution semble être en parfaite corrélation avec l’évolution exponentielle de la consommation mondiale d'énergie primaire depuis 1971 (Figure 2). Elle atteint en 2009 une valeur de 12150 Mtep (soit environ 141.10

12

kWh) [IEA 2011].

Figure 2. Evolution de la consommation d’énergie primaire mondiale (en Mtep) selon la source [IEA 2011].

Cette consommation constamment croissante conduit à l’épuisement accéléré des

(34)

trouve ainsi confronté à des inquiétants défis environnementaux auxquels il doit faire face et prendre des mesures efficaces. Dans cet objectif, le protocole de Kyoto [KYO 1998] a été établi engageant plusieurs nations à réduire leurs émissions de gaz à effet de serre entre 2008 et 2012, de 5,2% par rapport au niveau de 1990. Pour atteindre ces objectifs, il est indispensable d’agir sur les secteurs les plus émetteurs de CO

2

.

Le secteur du bâtiment (résidentiel et tertiaire), est un gros consommateur d’énergie au niveau mondial avec une part de 34% de la consommation globale de l’énergie finale en 2004 [EDD 2004]. Il se positionne donc comme un acteur clé pour parvenir à résoudre les défis environnementaux auxquels les pays doivent faire face et respecter leurs engagements.

II.1.1.2. Au niveau de la France

Au niveau de la France, les mêmes tendances peuvent être retrouvées avec un secteur bâtiment qui présente la partie majoritaire des consommations énergétiques annuelles de 43%

de l’énergie finale en 2010 (Figure 3) provoquant ainsi une émission de CO2 de 21%

[CITEPA 2010].

Figure 3. Répartition de la consommation d’énergie par secteur en France [SOES 2010]

Au cours de ces trente dernières années, la consommation énergétique des bâtiments a connu une remarquables augmentation en passant de 47,4 Mtep en 1970 à 69,4 Mtep en 2008 [ADEME 2009] du fait de l'accroissement des nombre des logements (+ 41% de logements en 30 ans [ADEME 2005]) ainsi que de leurs surfaces moyennes et de l'augmentation des besoins en terme de confort et de nouvelles technologies. Une baisse de cette consommation a été notée en 2009 (-0,9% [ADEME 2010]) et en 2010 (– 1,2% [ADEME 2011]), considérées atypiques, à cause des effets de la crise économique.

Le secteur du bâtiment pourrait bien être le seul qui offre des possibilités de progrès

important permettant de répondre aux engagements nationaux et internationaux. Le processus

de concertation du Grenelle de l’Environnement [MEDAD 2006] a proposé des objectifs

ambitieux de réduction des émissions de gaz à effet de serre qui doivent être divisées par

quatre à l’horizon de 2050, conformément aux recommandations du GIEC. Le plan bâtiment à

travers la réglementation thermique [RT 2012] exige la norme de 50 kWh

EP

/m

2

/an alors que la

consommation moyenne annuelle est de 240 kWh

EP

par m

2

chauffé en 2008 (tout bâtiments

confondus : anciens et neufs) [ADEME 2008]. Donc, malgré les efforts réalisés par la France

depuis son engagement dans le protocole de Kyoto (Figure 4), un travail considérable reste

(35)

encore à faire pour améliorer les performances énergétiques des bâtiments actuels et des bâtiments futurs.

Figure 4. Les efforts réalisés par la France depuis 1997 pour améliorer l'efficacité énergétique des bâtiments (directives DPE) [ADEME 2010]

II.1.2. Le bâtiment : une charge électrique importante

II.1.2.1. Le bâtiment est le premier secteur consommateur d’énergie électrique

Le secteur du bâtiment, avec ces deux composantes résidentielle et tertiaire, est de loin le premier poste de consommation électrique en France avec 65 % de la consommation électrique globale de 442 TWh (Figure 5). Cette consommation est en constante augmentation depuis 1970 (Figure 6).

Figure 5. Répartition de la consommation électrique en France par secteur en 2010 [CGDD 2010]

(36)

Figure 6. L’évolution de la consommation électrique en France corrigée des variations climatiques par secteur [CGDD 2010]

II.1.2.2. L’électricité est le premier vecteur d’énergie consommé dans le secteur du bâtiment

L’électricité est classée comme la première énergie consommée dans le secteur résidentiel-tertiaire en France avec 38% de l’énergie globale consommée des 68,1 Mtep en 2010 (Figure 7) et une croissance de 4,3% [ADEME 2011].

Figure 7. Répartition des sources d’énergie consommée dans le secteur résidentiel- tertiaire français en 2010 [ADEME 2011]

Cette part importante est due principalement à:

- La hausse de la part du chauffage électrique dans les maisons résidentielles (essentiellement dans les maisons neuves car moins cher à l’installation) qui a passé de 32,5% en 2009 [ADEME 2010] à 33% en 2010 [ADEME 2011]. Cette hausse est observée malgré une tendance globale de la baisse des consommations dues au chauffage (baisse de 55% depuis 1973 [ADEME 2010]) grâce à l’amélioration de l’isolation des bâtiments et la maîtrise des déperditions thermiques. Mais le chauffage reste le premier poste de consommation de l’énergie avec 62,7% des consommations des résidences principales [ADEME 2011].

- L’installation de nouveaux systèmes de chauffages dans le secteur tertiaire (pompe

à chaleur, VMC, …) nécessitant l’utilisation de l’énergie électrique.

(37)

- La multiplication des « appareillages électriques spécifiques

1

». La consommation unitaire moyenne d’électricité spécifique est passée de 13 kWh/m2 en 1973 à 30 kWh/m2 en 2008 [ADEME 2010] (Figure 8). Ce phénomène s’explique notamment par la progression de l’équipement en appareils électroménagers, hi-fi et bureautique.

Figure 8. Evolution des consommations unitaires des résidences principales par usage [ADEME 2010]

II.1.2.3. Conséquences de cette charge importante

Cette consommation importante de l’énergie électrique entraîne non seulement des émissions importantes de CO

2

, des coûts élevés, mais aussi des sources thermiques non négligeables causant l’élévation des températures essentiellement dans des bâtiments thermiquement isolés [CHEN 2012]. Cet effet peut être exploité en hiver pour aider au chauffage du bâtiment, bien qu’il nécessite une gestion plus complexe du fait de la non maîtrise de ses sources. Mais cet effet nuit principalement au « confort d’été » venant accroître la consommation des systèmes de rafraîchissement.

Les acteurs électriques deviennent ainsi indispensables pour assurer le bon choix de la structure architecturale ainsi qu’au bon dimensionnement et fonctionnement des équipements dès la phase de conception.

L’utilisation de matériels performants tels que des éclairages LFC (lampe fluorescente compacte) ou à LED, des alimentations à découpage au lieu de transformateurs… peut nettement réduire la consommation d’électricité. Mais malgré leurs faibles puissances, ces appareils peuvent, quand même, consommer une quantité conséquente d’électricité du fait des mauvais usages tel que l’éclairage inutile, les mises en veilles plutôt que l’extinction totale [POQU 2008].

Outre la quantité d’électricité consommée, la période de consommation demeure

également importante. Il serait judicieux, par exemple, de programmer la charge des batteries

(38)

(ordinateurs portables, véhicules électriques…) pendant des heures creuses … Donc la bonne gestion des ces équipements s’avèrent indispensable pour une meilleur maîtrise de leurs consommations énergétiques.

II.1.3. Le bâtiment : une variable d’ajustement du réseau électrique II.1.3.1. Le bâtiment est un acteur du réseau électrique

L’énergie électrique est acheminée depuis son lieu de production (essentiellement des centrales nucléaires en France avec 63,1 GW en 2010 ce qui correspond à 80% de la production globale) jusqu’aux postes de consommations à travers le réseau électrique : réseau de transport haute tension et réseau de distribution moyenne et basse tension. Ainsi, au dernier nœud de distribution, l’énergie est acheminée aux différents utilisateurs : le secteur résidentiel- tertiaire, le secteur industriel, et le secteur du transport avec une part respective de 64%, 30% et 3% (Figure 9).

Le bâtiment est donc un acteur majeur du réseau électrique qui peut jouer un rôle primordial dans la résolution des problèmes liés à l’exploitation des réseaux électriques comme les pics de consommations et les black-outs.

30%

64% 3%

Figure 9. Les acteurs du réseau électrique Français

II.1.3.2. Lisser les courbes de consommations et réduire les pics de consommations

Un pic de consommation est un record de consommation d’électricité. Il s’agit d’un dépassement des seuils d’appels de courant pour lesquels les installations électriques du réseau ont été dimensionnées. La répétition fréquente de ce phénomène, lié à une plus ou moins longue durée, peut entraîner l’effondrement d’une partie du réseau électrique.

Ce phénomène est la conséquence des conditions météorologique extrêmes (grand froid : chauffage ou grande chaleur : climatisation). Pour la France, les pics ont généralement eu lieu en hiver lors des saisons où les températures sont inférieures à 5°C et proches de 0°C en moyenne (Figure 10). En effet, la baisse d’un seul degré de température est compensée par une augmentation instantanée de 2300 MW sur toute la France [RTE].

La valeur des pics de consommations électriques en France suit une tendance

croissante depuis une dizaine d’année (Figure 10). Cette croissance est directement liée à la

multiplication des équipements électriques des bâtiments, dont le chauffage électrique. Au

(39)

cours de l’année 2012, un nouveau pic de consommation électrique a été établi le 8 Février vers 19 heures à plus de 100 000 mégawatts suite à une vague de froid qui a envahi la France.

Figure 10. L’évolution des puissances électriques maximales consommées depuis 2001 en fonction des températures [RTE 2011]

La consommation électrique typique journalière varie d’une saison à une autre (Figure 11). Le pic de consommation journalier hivernal est détecté typiquement vers 19h ce qui correspond au retour du travail et la mise en route des équipements dont essentiellement le chauffage. Ce pic est également détecté en été, à la même période de la journée même si cela est avec une valeur plus faible de la consommation, et un autre pic est atteint vers 13h.

Figure 11. Consommations typiques journalières en été, en demi-saison (DS) et en hiver [RTE 2011]

La variation entre le minimum et le maximum de consommation dans une journée typique hivernale est de l’ordre de 22 GW, soit 22 tranches nucléaires (environ 1000 MW par tranche) (Figure 11). Ces pics sont donc très polluants et la réduction de leur fréquence et de leur puissance permettraient d’optimiser le dimensionnement de la production, en supprimant éventuellement des centrales inutiles et polluantes, ainsi que celui du transport et de la distribution.

Outre la baisse des consommations globales, la réduction des pics de consommation

pourra passer par le lissage des courbes de consommations journalières à travers des actions

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