Modélisation et optimisation d'un système énergétique mixte pour le chauffage et la climatisation d'un bâtiment institutionnel PDF Download

Author: Lucas Gensac
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Pages : 94

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Author: Hugo Viot
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Dans un contexte de raréfaction des énergies à bas coût et de lutte contre le changement climatique, le secteur du bâtiment est contraint à des objectifs de diminution de ses consommations d'énergie. Un contrôle adapté des systèmes énergétiques du bâtiment peut constituer un levier important pour tendre vers cet objectif. Le but premier de ces travaux est la construction de modèles de faibles dimensions afin de pouvoir les embarquer dans un contrôleur pour améliorer la gestion énergétique. Ces modèles doivent être capables de s'enrichir des mesures disponibles sur site. Un bâtiment démonstrateur situé à l'Institut Universitaire de Technologie Génie Civil Construction Durable de Bordeaux sert de support au projet. Ce travail se décline en quatre volets. Le premier concerne la modélisation puisque des modèles légers basés sur l'analogie électrique et la représentation d'état sont proposés afin de décrire la dynamique du bâtiment sur un horizon de contrôle de quelques jours. Le deuxième volet concerne l'instrumentation du bâtiment puisque des campagnes de mesures courtes sont réalisées afin d'identifier les valeurs des paramètres du modèle de façon à minimiser l'écart modèle-mesure. Certains capteurs servent par la suite pour la gestion énergétique du bâtiment ; ces travaux posent donc également la question du jeu minimal de capteurs. Le troisième volet concerne la caractérisation des systèmes servant à piloter l'ambiance puisque dans une logique de contrôle optimal il faut être capable de relier l'effet de la commande sur la grandeur d'intérêt (température de confort). Le bâtiment démonstrateur comprend deux systèmes de chauffage : un plancher chauffant et des ventilo-convecteurs ainsi qu'une centrale de traitement d'air double flux pour le renouvellement d'air. Le dernier volet concerne la gestion énergétique avec l'utilisation d'un contrôleur prédictif embarquant l'un des modèles identifiés. Ainsi l'objectif est de chercher à anticiper le pilotage d'un système capacitif à long temps de réponse, tel que le plancher chauffant, grâce à la connaissance des perturbations futures (occupation, météo) sur un horizon de prédiction de quelques heures. Un contrôle réactif est assuré par les ventilo-convecteurs en appoint. La gestion prédictive est comparée à des stratégies de gestion plus classiques en simulation et in situ avec le bâtiment démonstrateur. L'originalité de ces travaux est de proposer une démarche pour la mise en place d'une boucle de contrôle complète (contrôleur/capteur /actionneurs) et de montrer s'il existe un intérêt à la gestion prédictive de systèmes à long temps de réponse dans le domaine du bâtiment.

Author: Asmaa Toumi
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"Face au dilemme climatique et à la dépendance énergétique mondiale toujours plus accrue au niveau des ressources fossiles, les pays tentent aujourd'hui de diminuer leurs consommations énergétiques dans les différents secteurs économiques incluant les secteurs du bâtiment et de la construction. Cette étude se focalise sur des bâtiments publics destinés à accueillir des bureaux. L'étude touche une seule phase du processus de construction, soit l'étape de conception. Ces dernières années, on voit émerger de plus en plus des études concernant l'utilisation d'un modèle de conception intégrée (Building Information Modeling, BIM) dans le secteur du bâtiment tout en traitant de la durabilité et de l'impact environnemental des constructions. L'objectif de cette recherche est de démontrer que l'utilisation d'un modèle BIM permet d'anticiper certains changements et influencer certaines décisions prises lors de l'étape de conception telles que le choix des combinaisons de matériaux de construction et du système climatisation, ventilation et chauffage, CVC. Ces derniers peuvent réduire l'impact environnemental du bâtiment tout au long de son cycle de vie. Le BIM est utilisé comme outil de modélisation qui permet d'établir le bilan énergétique pour un bâtiment en amont du projet. Plus précisément, pour évaluer la consommation énergétique annuelle d'un bâtiment, deux modèles ont été créés. Le premier dit «modèle de référence» qui a une composition standard des murs et des toits, tandis que le second modèle lui est nommé « modèle végétalisée » qui est composé en partie de murs et toits végétalisés ainsi que des toitures couvertes de panneaux photovoltaïques. Le logiciel utilisé pour la conception et l'analyse énergétique est Revit AuodeskR. Ce logiciel a l'avantage d'utiliser le modèle BIM pour réaliser une étude de consommation énergétique (Building Energy Modeling, BEM) dès la phase conceptuelle. Le résultat obtenu est un bilan énergétique initial sur la conception primaire, donnant des propositions et scénarios optimaux et économiques. Ces derniers sont générés sur une plate-forme « Cloud » d'Autodesk qui permet d'établir une multitude de scénarios d'apport énergétique d'un bâtiment public. De plus, le programme Can-Quest est utilisé pour confirmer la véracité des résultats obtenus par Revit. Il en résulte que le système CVC, le type éclairage choisi et le taux d'occupation de l'immeuble ont un impact plus considérable en termes de consommation énergétique. Les résultats obtenus montrent que la consommation énergétique peut varier de près de 5.00$/m2/an pour chacun de ces trois paramètres. Une légère différence de prix de consommation fut enregistrée entre le modèle végétalisé et le modèle de référence. Celle-ci est due principalement à une meilleure résistance thermique au niveau des murs verts et de la toiture végétalisée que celle des murs et des toits standards. Même si le modèle végétalisé est plus performant en termes de résistance thermique, celle-ci n'influence pas grandement les résultats puisque la partie végétalisée est faible par rapport à la superficie du bâtiment modélisé. En revanche, les simulations ont confirmé que des panneaux photovoltaïques peuvent être considérés afin de diminuer le coût énergétique global du bâtiment avecune diminution possible de 7.00$/m2/an."--Résumé.

Author: Jean-Baptiste Bouvenot
Publisher: Eyrolles
ISBN: 2212678010
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Languages : fr
Pages : 338

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Le génie climatique et énergétique définit l'ensemble des connaissances et des techniques concernant la conception, la mise en oeuvre et les applications portant sur le chauffage, la ventilation, la climatisation (CVC) mais également l'énergétique du bâtiment, la qualité de l'air intérieur (QAI) et l'efficacité énergétique. Les professionnels de ce secteur du bâtiment et de l'industrie s'efforcent de concevoir et de réaliser des systèmes climatiques économes en énergie et à faible impact environnemental ; ils en pilotent la gestion et la maintenance. Tout ne limitant l'impact environnemental, on peut ainsi maîtriser un climat artificile dans différents types de bâtiments, qu'ils soient à usage d'habitation, tertiaires ou industriels. Dans l'optique de la transition énergétique, cette démarche doit allier sobriété, efficacité énergétique et valorisation des énergies renouvelables. Notion centrale du génie climatique et énergétique, la régulation appliquée des systèmes permet de maintenir des conditions d'ambiance hygrothermiques en fonction de l'usage (confort, process) et d'optimiser la consommation d'énergie. Une fois le dimensionnement d'un système effectué, c'est la régulation qui viendra le piloter pour que son fonctionnement (ouverture de vanne, vitesse de pompe, vitesse de ventilateur, ouverture de volte, ...) soit adapté aux besoins (consignes) comme aux perturbations (conditions climatiques extérieures, occupation, ...) Traitant principalement d'applications en CVC et en QAI, les auteurs veulent faciliter la compréhension des phénomènes physiques et des principes fondamentaux de la régulation de ces systèmes. Destiné aux futurs professionnels de l'industrie et de la construction - étudiants des deux premiers cycles et élèves en écoles d'ingénieurs - ce manuel illustre l'ensemble des connaissances théoriques par es cas d'études issus de l'enseignement délivré à l'INSA de Strasbourg.

Author: Sila Filfli
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Languages : fr
Pages : 182

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La consommation annuelle totale moyenne en France dans le secteur tertiaire varie entre 300 et 380 kWh/m2. Cette consommation se rapporte à l’ensemble des usages énergétiques du bâtiment : chauffage, climatisation, ventilation, éclairage, bureautique, auxiliaires et ECS. Ce travail a donné une méthode pour déterminer les meilleures combinaisons de solutions techniques existantes ou émergentes permettant de réduire les consommations énergétiques dans les bâtiments climatisés du secteur tertiaire. La réduction obtenue est d’un facteur 4 à 5. Une typologie représentative a été mise en place pour chaque secteur et les scénarios nécessaires pour effectuer les simulations définis. Une matrice de sélection du type de système par type de bâtiment a été fixée. Un niveau simplifié de modélisation des systèmes compatible avec les outils de prévision d’énergie a été employé. Vu le très grand nombre de variables à étudier, le nombre de simulations à effectuer et le traitement des résultats nécessite un temps énorme. Ce problème a été résolu par l’emploi de plans d’expériences fractionnaires. Cette méthode est nouvelle dans le domaine du bâtiment et répond à la question fréquente de réduction du nombre de simulation. Un modèle paramétrique de consommation a ainsi été élaboré. Il permet d’évaluer l’effet de chaque paramètre étudié sur les différentes postes consommateurs et la consommation annuelle totale. Ce modèle pourra servir à déduire la rentabilité des solutions et contribuer à une optimisation économique. La thèse traite la question d’un effet contradictoire possible de l’isolation sur la minimisation des consommations de refroidissement et de chauffage. Deux secteurs principaux du tertiaire sont étudiés : bâtiments de bureaux et bâtiments de santé. Le premier secteur est présenté dans l’intégralité de ses aspects tandis que le deuxième est traité brièvement. Le travail a permis d’élaborer une méthodologie complète pour minimiser les consommations énergétiques annuelles et pour étudier l’effet de chaque paramètre sur cette consommation.

Author: Adrien Gros
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Depuis 2007, plus de la moitié de la population mondiale vit en ville. La forte densité de population et d'activité entraîne une augmentation des besoins en climatisation des bâtiments en été. L'augmentation des températures due à l'effet d'îlot de chaleur urbain est principalement liée à l'aménagement urbain et aux flux de chaleurs anthropiques causés par l'utilisation des systèmes de chauffage et de climatisation. En agissant sur l'aménagement urbain, comme la densité de construction, l'albédo de surface ou les espaces verts, le microclimat urbain peut être amélioré ; ce qui permet ainsi de réduire les besoins énergétiques des bâtiments. Nous proposons dans ce manuscrit un modèle pour calculer les besoins énergétiques des bâtiments à l'échelle d'un quartier en prenant en compte l'interaction entre le microclimat urbain et les bâtiments. L'objectif est de décrire d'une part les ambiances intérieures du bâtiment, telles qu'elles sont modélisées dans les codes de thermique dynamique du bâtiment, et d'autre part, l'environnement extérieur tel qu'il est modélisé dans les codes de micro-météorologie. Pour travailler à cette échelle,la description détaillée de tous les transferts thermiques à l'intérieur et à l'extérieur de chaque bâtiment n'est pas appropriée. Ainsi, un modèle réduit de bâtiment est couplé avec un modèle simplifié de microclimat urbain. Le modèle de bâtiment est basé sur la méthode des facteurs de pondération et permet de prendre en compte les gains internes, l'inertie de l'enveloppe et les échanges radiatifs et convectifs à l'intérieur du bâtiment. Il est couplé à un modèle radiatif en milieu urbain, basé sur la méthode des radiosités, et un modèle zonal tridimensionnel de la canopée urbaine. Après avoir présenté ces modèles, ils sont appliqués sur un cas d'application, à savoir le quartier Pin Sec de la ville de Nantes. Différents scénarios d'aménagement urbain sont simulés sur une année afin d'analyser l'influence de l'aménagement urbain sur les besoins énergétiques des bâtiments.

Author: Farah Gabsi
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Dans le cadre de cette thèse, nous proposons une méthodologie complète pour simuler le comportement hygrothermique et surveiller en continu l'efficacité énergétique des bâtiments. Le modèle multizone développé est de type boîte grise et est fondé sur des processus de transfert de chaleur et d'humidité. Il intègre le rayonnement solaire comme source d'énergie ainsi que des systèmes de chauffage, ventilation et climatisation tels que les pompes à chaleur ou les VMC. Ce modèle hygrothermique permet d'estimer et de prédire des données microclimatiques telles que la température opérative, la température radiante et le taux d'humidité qui sont essentielles pour la qualification du confort thermique. Le modèle généré est utilisé pour développer de nouvelles stratégies de commande prédictive économique permettant d'assurer le confort hygrothermique dans les zones occupées du bâtiment tout en minimisant sa consommation d'énergie. Les indicateurs de confort thermique sont pris en compte dans la définition d'un critère de performance et le coût d'utilisation des différents équipements est utilisé pour définir un critère économique. Les spécifications liées à l'utilisation des différents équipements sont prises en compte par un terme de régularisation. Le stress causé par les démarrages/arrêts successifs et trop fréquents de certains équipements est pris en considération. Ces changements d'état sont généralement néfastes à la durée de vie des équipements et représentent, à tout le moins, un mode de fonctionnement inefficace sur le plan énergétique. La solution présentée permet également de contrôler à tout moment le nombre d'entrées de commande actives et d'éviter des scénarios de commande inappropriés. En réponse au problème d'optimisation, les avantages d'une stratégie de commande parcimonieuse sont soulignés. La tolérance des scénarios de commande optimale à l'apparition de certains défauts d'actionneurs est également une propriété qui est prise en considération.

Author: Stéphane Moinard
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Pages : 281

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CE TRAVAIL PORTE SUR LA CREATION D'UNE BIBLIOTHEQUE DE MODELES DE CLIMATISATION ET TRAITEMENT D'AIR UTILISABLES POUR LA SIMULATION DU CONFORT, L'OPTIMISATION ET L'EVALUATION ECONOMIQUE DE GRAND SYSTEMES EN THERMIQUE BATIMENT. LA THESE REPOSE SUR L'ETUDE D'UN SYSTEME REEL, COMPORTANT UN CLIMATISEUR A ABSORPTION. DANS LA PREMIERE ETUDE, L'INSTALLATION ENTIERE EST MODELISEE, ET LE SUIVI SUR SITE A PERMIS DE VALIDER LES MODELES A PARTIR DES DONNEES RECUEILLIES. PLUSIEURS DEFAUTS DU SYSTEME ONT ETE MIS EN EVIDENCE. UN CALCUL COMPLET DES CHARGES D'ETE ET D'HIVER A ETE EFFECTUE, PERMETTANT DE CONCLURE SUR LE DIMENSIONNEMENT EN DYNAMIQUE DU SYSTEME. TROIS SIMULATEURS ONT ETE CONSTRUITS, REPRESENTANT LE SYSTEME REEL, LE SYSTEME REPONDANT AU CAHIER DES CHARGES INITIAL, ET UN SYSTEME AMELIORE. NOUS EVALUONS PAR SIMULATION LES GAINS SUR LES CONSOMMATIONS QUE DIVERSES PROPOSITIONS PEUVENT APPORTER, SUR UNE ANNEE ENTIERE. EN SECONDE PARTIE, NOUS PROCEDONS A LA MODELISATION EN DYNAMIQUE D'UNE MACHINE A ABSORPTION. DIFFERENTES CONFIGURATIONS DE REGULATION ET DE RESEAU HYDRAULIQUE SONT ETUDIEES PAR SIMULATION EN VUE DE L'OPTIMISATION ECONOMIQUE. LEUR IMPACT SUR LES PERFORMANCES EST EVALUE, ET NOUS FAISONS DES PROPOSITIONS SUR LA CONDUITE A SUIVRE EN CAS DE SURDIMENSIONNEMENT DE LA MACHINE. LE VOLUME OPTIMAL D'UN BALLON DE STOCKAGE A AJOUTER AU RESEAU HYDRAULIQUE A ETE DETERMINE, PERMETTANT LA STABILISATION ET UN MEILLEUR FONCTIONNEMENT DE LA MACHINE. ON PROPOSE EGALEMENT LA MODIFICATION DE LA REGULATION DE LA MACHINE A ABSORPTION POUR MODULER SA PUISSANCE FRIGORIFIQUE ET L'ADAPTER AINSI A LA CHARGE THERMIQUE. LA MODULATION DE PUISSANCE EST COMPAREE A LA REGULATION TOUT-OU-RIEN INITIALE, MONTRANT CLAIREMENT LES GAINS POSSIBLES. LA FAISABILITE DE LA MODELISATION DE GRANDS SYSTEMES COMPLEXES ET LES APPLICATIONS DE LA SIMULATION SONT CLAIREMENT MONTREES, TANT AU NIVEAU DU DIAGNOSTIC D'ERRERS OU DE DEFAUTS, QUE DE LA CONCEPTION OU LA MODIFICATION DE L'EXISTANT.

Author: Mala Endravadan
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Pages : 161

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Le confort thermique d'un individu dépend des conditions thermiques environnementales, contrôlables et mesurables, mais également de son activité et de sa tenue vestimentaire, qui sont des paramètres difficiles à évaluer dans la réalité quotidienne. Les comportements que les sujets adoptent pour faire face à un éventuel inconfort peuvent être variés et ils ont des conséquences diverses, parfois bénéfiques mais souvent désastreuses sur les installations ou sur la facture énergétique. Nous nous sommes intéressé à l'influence réciproque entre le comportement humain et la thermique du bâtiment. La création de modèles numériques de régulation comportementale prenant en compte l'adaptabilité de l'être humain permet de mettre en évidence ce couplage, en d'évaluant les effets de cette régulation sur le confort de l'individu et la consommation d'énergie. La simulation de l'ensemble ; bâtiment, être humain et modèles de régulation comportementale est réalisée avec le logiciel TRNSYS.

Author: Mathieu Rivallain
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Sous nos latitudes, l'usage des bâtiments existants et les consommations énergétiques associées (chauffage, climatisation, ventilation, eau chaude sanitaire, éclairage et autres usages) sont responsables d'impacts considérables sur l'Environnement. De plus, le renouvellement du parc existant étant inférieur à 1% par an, dans la plupart des pays développés, la réhabilitation des bâtiments constitue un levier majeur de réduction des consommations d'énergie et des émissions de gaz à effet de serre. Cependant, l'identification de stratégies optimales de réhabilitation énergétique, incluant la planification des actions dans le temps, demeure une problématique complexe pour les acteurs de la Construction. Ces travaux de thèse visent à produire des connaissances afin de contribuer à l'aide à la décision pour l'identification de programmes efficaces de réhabilitation énergétique, à partir de méthodes d'optimisation multicritères. Les solutions (programmes séquentiels de réhabilitation énergétique) sont optimisées en termes de composition et de phasage. La composition est définie par la combinaison de mesures de réhabilitation mise en oeuvre. Celles-ci concernent l'enveloppe des bâtiments (isolation thermique, remplacement des fenêtres, surfaces de fenêtres) et le remplacement des équipements de chauffage, ventilation et production d'ECS. Pour chacune des mesures, plusieurs alternatives sont envisagées. Le phasage correspond à la permutation de ces mesures, définissant la séquence de mise en oeuvre. Les solutions sont évaluées sur une base multicritère et sur le cycle de vie. Les fonctions objectifs ciblent les impacts environnementaux de l'ACV (Analyse de Cycle de Vie), des indicateurs économiques, le bien-être des occupants par le confort thermique adaptatif en été. Des modèles d'ACV et d'analyse du coût du cycle de vie, utilisant la simulation thermique dynamique pour le calcul des besoins de chauffage et des températures intérieures, ont été développés pour l'évaluation des performances des solutions. Etant donnée la nature mathématique du problème (multicritère, combinatoire, à variables discrètes et à fonctions objectifs implicites non-linéaires), deux méthodes d'optimisation multicritères sont étudiées : les algorithmes génétiques (NSGA II) et la programmation dynamique. Dans l'approche génétique, la modélisation des solutions, sous la forme d'un couple de chromosomes, permet d'identifier des programmes séquentiels efficaces de réhabilitation énergétique et d'analyser les surfaces de compromis, en termes de définition et performances des solutions, de compromis entre les critères de décision. A partir de la représentation du problème par un graphe séquentiel, la programmation dynamique permet alors de comparer les solutions approchées issues de l'algorithme génétique, ou d'approches court-termistes, au front de Pareto exact. L'optimisation exacte a également été exploitée pour analyser la sensibilité des solutions à différents paramètres de modélisation dont le comportement des occupants, l'évolution des prix de l'énergie, la durée de vie des composants de réhabilitation. Les contraintes budgétaires s'appliquant au projet de réhabilitation ont été ensuite intégrées dans un algorithme génétique multicritère sous contraintes, adapté à l'étude des stratégies de réhabilitation sous la contrainte d'un plan de financement. Enfin, l'approche génétique a été étendue depuis l'échelle du bâtiment à celle du par cet l'optimisation exacte a été utilisée pour caractériser les typologies de bâtiment en réhabilitation. L'intérêt des différentes méthodes est illustré sur une étude de cas (...).