Règles de modélisation des systèmes énergétiques dans les bâtiments basse consommation PDF Download
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La réduction des besoins dans les bâtiments à basse consommation d'énergie (BBC) nécessite un réexamen de l'approche de modélisation des systèmes énergétiques dans les outils de simulation. L'approche proposée repose sur une modélisation plus fine des phénomènes physiques incluant la régulation en boucle fermée du système énergétique couplé au bâtiment. A partir de l'identification des phénomènes propres au comportement énergétique des BBC, des recommandations, ou règles de modélisation, sont établies pour le développement des modèles de leurs systèmes énergétiques. Ces recommandations sont mises en application dans deux études. Tout d'abord, une simulation dynamique d'un bâtiment et de son système conduit à un dimensionnement plus adapté comparé aux méthodes classiques dans le cas de BBC avec des répercussions sur les appels de puissance et la consommation d'énergie. Ensuite, une analyse de sensibilité par la méthode de Morris sur une représentation générique du système énergétique a permis d'identifier les paramètres nécessitant d'être connus avec précision. La différence entre l'approche développée et la simulation horaire avec régulation idéale n'est que de quelques pourcents en besoins énergétiques pour un bâtiment existant mais elle passe à plus de 20% dans un bâtiment BBC. Un écart du même ordre de grandeur peut être identifié pour la détermination de la performance énergétique globale du système par une prise en compte plus détaillée des phénomènes de cyclage, de charge partielle ou de consommation des auxiliaires.
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La réduction des besoins dans les bâtiments à basse consommation d'énergie (BBC) nécessite un réexamen de l'approche de modélisation des systèmes énergétiques dans les outils de simulation. L'approche proposée repose sur une modélisation plus fine des phénomènes physiques incluant la régulation en boucle fermée du système énergétique couplé au bâtiment. A partir de l'identification des phénomènes propres au comportement énergétique des BBC, des recommandations, ou règles de modélisation, sont établies pour le développement des modèles de leurs systèmes énergétiques. Ces recommandations sont mises en application dans deux études. Tout d'abord, une simulation dynamique d'un bâtiment et de son système conduit à un dimensionnement plus adapté comparé aux méthodes classiques dans le cas de BBC avec des répercussions sur les appels de puissance et la consommation d'énergie. Ensuite, une analyse de sensibilité par la méthode de Morris sur une représentation générique du système énergétique a permis d'identifier les paramètres nécessitant d'être connus avec précision. La différence entre l'approche développée et la simulation horaire avec régulation idéale n'est que de quelques pourcents en besoins énergétiques pour un bâtiment existant mais elle passe à plus de 20% dans un bâtiment BBC. Un écart du même ordre de grandeur peut être identifié pour la détermination de la performance énergétique globale du système par une prise en compte plus détaillée des phénomènes de cyclage, de charge partielle ou de consommation des auxiliaires.
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L'objectif des travaux présentés dans ce mémoire concerne le développement d'un modèle global représentant le couplage de l'enveloppe du bâtiment avec les équipements énergétiques. Une approche systémique appelée les Bond Graphs, peu employée jusqu'ici dans la modélisation des systèmes thermiques, est utilisée. Le modèle global du bâtiment, regroupant sous le même environnement de simulation, les modèles de l'enveloppe du bâtiment, les apports solaires, les émetteurs de chauffage et de rafraîchissement et le système de ventilation, est développé pour reconstituer l'ensemble des articulations énergétiques entre l'enveloppe et les environnements intérieur et extérieur. A travers la modélisation d'un bâtiment multizone, le couplage systémique des modèles de l'enveloppe et des apports solaires est présenté. Par ailleurs, un système combinant un plancher chauffant et un plafond rafraîchissant est étudié à l'aide des modèles des émetteurs de chauffage et de rafraîchissement. Le renouvèlement d'air dans le bâtiment est également concerné par la modélisation Bond Graph. Enfin, des éléments de validation expérimentale sont présentés. Pour cela, la plateforme de tri-génération d'énergie ENERBAT est exploitée. L'objectif est d'étudier le couplage optimal enveloppe du bâtiment - équipements énergétiques pour lequel les modèles BG sont développés. Une étude paramétrique tenant compte des interactions entre les paramètres étudiés est menée sur un projet réel de rénovation. Finalement, une combinaison appropriée des paramètres étudiés a été retenue afin de réduire la consommation énergétique selon la réglementation thermique française (RT2012).
Author: Roberto Gonzalo Publisher: Springer Science & Business Media ISBN: 3764384514 Category : Architecture Languages : fr Pages : 222
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Comment construire un bâtiment énergétiquement performant? Quels sont les critères déterminants pour la planification urbaine et la conception des plans ? Quelles proportions le bâtiment doit-il respecter pour être conforme à la gestion de l’énergie et au type d’utilisation ? Quels sont les éléments et systèmes de construction adaptés aux objectifs? Autant de questions auxquelles répond cet ouvrage qui, reprenant les étapes de la planification, décrit tous les critères et paramètres à prendre en compte dans la planification urbaine, les projets et la construction durable. Il présente aussi les grands potentiels d’économie d’énergie dans la rénovation de l’ancien. Des réalisations classées par type d’utilisation sont étudiées et évaluées à l’aune de ces critères. De nombreux plans et informations techniques permettent d’expliciter le "profil énergétique" de chaque bâtiment. L’accent est également mis sur l’importance d’une programmation détaillée et minutieuse. Un index commenté ainsi que la liste des principales institutions compétentes complètent utilement l’ouvrage.
Author: Pierre Tittelein Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 186
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En France, à partir de 2012, tous les bâtiments neufs devront répondre aux critères de basse consommation, c'est-à-dire qu'ils devront consommer moins de 50 kW.h/(m2.an) en énergie primaire pour le chauffage, le refroidissement, la ventilation, la production d'eau chaude sanitaire et l'éclairage (à moduler selon la région et l'altitude). La simulation numérique a un rôle important à jouer pour atteindre cet objectif. Les environnements de simulation énergétique existants ont été conçus pour des bâtiments classiques pour lesquels les consommations sont beaucoup plus importantes que celles fixées pour 2012, il faut donc voir si les modèles mais aussi les méthodes de simulations utilisés correspondent toujours aux spécificités de ces nouveaux bâtiments. L'objectif de ce travail est de montrer l'intérêt d'utiliser un environnement de simulation basé sur les systèmes d'équations pour étudier le comportement énergétique des bâtiments basse consommation. Pour cela, plusieurs modèles ont été implémentés dans l'environnement SIMSPARK. Il s'agit d'un modèle de matériau à changement de phase, d'un modèle de prise en compte du rayonnement de courtes longueurs d'onde par calcul de la tache solaire et d'un modèle d'échangeur air-sol. Ils ont été intégrés dans un modèle global de bâtiment basse consommation ce qui a permis de montrer les avantages de l'environnement de simulation utilisé. Le fait qu'il soit orienté objet permet de valider indépendamment les nouveaux modèles puis de les intégrer facilement à un modèle de niveau hiérarchique supérieur. Le fait qu'il soit basé sur les systèmes d'équations a permis grâce à la non orientation a priori du modèle d'inverser le sens de résolution de plusieurs problèmes dans une simulation dynamique. Enfin, la robustesse des méthodes de résolution utilisées a été éprouvée.
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En France, le secteur du bâtiment est le plus gros consommateur d’énergie parmi les secteurs économique, avec 46% de l’énergie finale totale et 25% des émissions de CO2. Il s’avère donc nécessaire de réduire l’impact environnemental de ce secteur en promouvant le concept des bâtiments à basse consommation d’énergie. Ce travail vise à développer une méthodologie pour réaliser des études de conception de bâtiments à basse consommation d’énergie. La méthodologie consiste à déterminer des modèles polynômiaux pour l’évaluation des performances énergétique et du confort thermique d’été des bâtiments, à l’aide de la méthode des plans d’expériences et des outils de simulation numérique. Ces modèles polynômiaux simplifient les études paramétriques, en apportant une réponse alternative aux outils de simulations numériques pour la recherche de solutions afin de concevoir des bâtiments à basse consommation d’énergie. La méthodologie est appliquée sur un bâtiment tertiaire à savoir un immeuble de bureaux. La méthodologie constitue une base robuste pour le développement d’outils d’aide à la décision, pour la conception de bâtiments à basse consommation d’énergie. Les solutions pour la conception sont choisies de manière simple et rapide, à l’aide d’abaques définis avec les modèles polynomiaux développés. Le niveau de précision constaté par rapport à la simulation numérique est appréciable. Le choix des solutions est effectué parmi des millions de configurations de facteurs, dont la détermination serait difficile à réaliser directement à l’aide de la simulation numérique, d’où l’avantage d’une telle méthodologie.
Author: Hugo Viot Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 0
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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.
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Les collectivités locales des pays européens, notamment de nombreuses villes au Danemark, se sont fixé des objectifs ambitieux de réduction de leur consommation d'énergie et de leurs émissions de gaz à effet de serre ; cependant, le choix et la mise en oeuvre d'actions concrètes s'avèrent complexes. Le récent projet Class 1 (Cost-effective Low-energy Advanced Sustainable Solutions), financé par la Commission européenne dans le cadre du programme Concerto, illustre cet engagement. Il a porté sur un projet d'écoquartier de la ville d'Egedal au Danemark ; ce projet comprend la mise au point de 6 technologies ou produits (planchers bas isolants, réseau de chaleur biomasse et canalisations adaptés aux faibles consommations, systèmes de gestion énergétique, etc.), l'élaboration d'un guide de conception à destination des particuliers, la construction de bâtiments résidentiels et tertiaires à ultrabasse consommation d'énergie, la réhabilitation énergétique exemplaire de bâtiments publics, la pose de panneaux photovoltaïques... Cette étude en présente les résultats à travers un retour sur expérience enrichissant. Outil de travail et de référence à la fois conceptuel, méthodologique et opérationnel, elle dresse un panorama des aspects techniques, sociaux et économiques reproductibles en France. Scindée en quatre parties, elle traite successivement de : - la démarche mise en oeuvre (objectifs énergétiques, partenaires industriels et produits développés pour le projet) ainsi que son contexte (réglementation thermique nationale, programme européen Concerto, labels et certifications, Directive européenne sur la performance énergétique, etc.) ainsi que des étapes du projet d'écoquartier ; - la construction de bâtiments à énergie proche de zéro (école, logements sociaux, maisons individuelles, etc.) ainsi que le suivi et l'évaluation des consommations et du niveau de confort ; - la production locale d'énergie ; - la réhabilitation énergétique exemplaire de bâtiments publics et l'élaboration d'une stratégie énergétique territoriale. Chaque partie débute par la présentation des résultats de chaque projet puis se conclut sur des recommandations opérationnelles et des propositions d'actions de transition énergétique à destination des professionnels et des collectivités.
Author: Nils Artiges Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 0
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Face aux forts besoins de réduction de la consommation énergétique et de l'impact environnemental,le bâtiment d'aujourd'hui vise la performance en s'appuyant sur des sourcesd'énergie de plus en plus diversifiées (énergies renouvelables), une enveloppe mieux conçue(isolation) et des systèmes de gestion plus avancés. Plus la conception vise la basse consommation,plus les interactions entre ses composants sont complexes et peu intuitives. Seule unerégulation plus intégrée permettrait de prendre en compte cette complexité et d'optimiser lefonctionnement pour atteindre la basse consommation sans sacrifier le confort.Les techniques de commande prédictive, fondées sur l'utilisation de modèles dynamiqueset de techniques d'optimisation, promettent une réduction des consommations et de l'inconfort.Elles permettent en effet d'anticiper l'évolution des sources et des besoins intermittentstout en tirant parti de l'inertie thermique du bâtiment, de ses systèmes et autres élémentsde stockage. Cependant, dans le cas du bâtiment, l'obtention d'un modèle dynamique suffisammentprécis présente des difficultés du fait d'incertitudes importantes sur les paramètresdu modèle et les sollicitations du système. Les avancées récentes dans le domaine de l'instrumentationdomotique constituent une opportunité prometteuse pour la réduction de cesincertitudes, mais la conception d'un tel système pour une telle application n'est pas triviale.De fait, il devient nécessaire de pouvoir considérer les problématiques de monitoring énergétique,d'instrumentation, de commande prédictive et de modélisation de façon conjointe.Cette thèse vise à identifier les liens entre commande prédictive et instrumentation dansle bâtiment, en proposant puis exploitant une méthode générique de modélisation du bâtiment,de simulation thermique et de résolution de problèmes d'optimisation. Cette méthodologiemet en oeuvre une modélisation thermique multizone du bâtiment, et des algorithmesd'optimisation reposant sur un modèle adjoint et les outils du contrôle optimal. Elle a étéconcrétisée dans un outil de calcul permettant de mettre en place une stratégie de commandeprédictive comportant des phases de commande optimale, d'estimation d'état et decalibration.En premier lieu, nous étudions la formulation et la résolution d'un problème de commandeoptimale. Nous abordons les différences entre un tel contrôle et une stratégie de régulationclassique, entre autres sur la prise en compte d'indices de performance et de contraintes. Nousprésentons ensuite une méthode d'estimation d'état basée sur l'identification de gains thermiquesinternes inconnus. Cette méthode d'estimation est couplée au calcul de commandeoptimale pour former une stratégie de commande prédictive.Les valeurs des paramètres d'un modèle de bâtiment sont souvent très incertaines. Lacalibration paramétrique du modèle est incontournable pour réduire les erreurs de prédictionet garantir la performance d'une commande optimale. Nous appliquons alors notreméthodologie à une technique de calibration basée sur des mesures de températures in situ.Nous ouvrons ensuite sur des méthodes permettant d'orienter le choix des capteurs à utiliser(nombre, positionnement) et des paramètres à calibrer en exploitant les gradients calculéspar la méthode adjointe.La stratégie de commande prédictive a été mise en oeuvre sur un bâtiment expérimentalprès de Chambéry. Dans le cadre de cette étude, l'intégralité du bâtiment a été modélisé,et les différentes étapes de notre commande prédictive ont été ensuite déployées de mainière séquentielle. Cette mise en oeuvre permet d'étudier les enjeux et les difficultés liées àl'implémentation d'une commande prédictive sur un bâtiment réel.Cette thèse est issue d'une collaboration entre le CEA Leti, l'IFSTTAR de Nantes et leG2ELab, et s'inscrit dans le cadre du projet ANR PRECCISION.
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Avec la généralisation de la construction des bâtiments basse consommation, passifs et à énergie positive, mais aussi la rénovation du parc existant, il est indispensable d'avoir recours à la simulation pour évaluer, entre autres, les performances énergétique et environnementale atteintes par ces nouveaux bâtiments. Les attentes en termes de garantie de performance énergétique étant de plus en plus importantes, il est primordial de s'assurer de la fiabilité des outils de simulation utilisés. En effet, les codes de simulation doivent être capables de représenter le comportement de ces nouveaux types de bâtiments de la façon la plus juste et fidèle possible. De plus, les incertitudes liées aussi bien aux paramètres de conception qu'aux différentes sollicitations ainsi qu'aux usages des bâtiments doivent être prises en compte pour pouvoir garantir la performance du bâtiment sur sa durée de vie.Cette thèse s'est intéressée à la validation expérimentale de modèles appliquée à un bâtiment de type cellule test. Cette méthodologie de validation se déroule en plusieurs étapes au cours desquelles on évalue la qualité du modèle en termes de justesse et de fidélité. Plusieurs cas d'études ont été menés sur lesquels nous avons pu identifier les paramètres les plus influents sur la sortie du modèle, examiner l'influence du pas de temps sur le processus de validation expérimentale, analyser l'influence de l'initialisation et confirmer l'aptitude de la méthodologie à tester le modèle.
Author: Issa Jaffal Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 172
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Le secteur du bâtiment possède un grand potentiel de réduction de la consommation d’énergie. Un choix rationnel parmi les nombreuses solutions possibles s’avère être un problème essentiel mais complexe, nécessitant une évaluation des impacts des très nombreuses options sur les aspects performantiels du bâtiment. Ce travail propose une méthodologie d’évaluation des performances thermiques adaptée à une conception rationnelle des bâtiments. Les modèles développés allient plusieurs exigences, notamment la rapidité et la précision. Le choix des paramètres est issu d’étude des flux thermiques dans le bâtiment. La méthode est appliquée à l’évaluation des besoins de chauffage d’une maison individuelle pour trois types de climat français. Les coefficients des modèles sont identifiés avec un nombre limité de simulations dynamiques l’aide de la méthode des plans d’expériences. La meilleure précision obtenue est de l’ordre d’un dixième de kWh/m2an. Les modèles permettent d’analyser les effets des paramètres sur les besoins de chauffage et d’avoir une meilleure compréhension de l’influence des flux thermiques dans le bâtiment. L’application de la méthode à l’évaluation des besoins de climatisation et du confort thermique d’été dans un logement montre une précision du même ordre que celle obtenue avec les besoins de chauffage. Enfin, un outil prototype de choix de solutions, basé sur les modèles étudiés, est proposé. Il permet de guider le choix des solutions d’une manière évolutive à partir des performances souhaitées par les concepteurs.
Author: Hubert Blervaque
Author: Hubert Blervaque
Author: Abdelatif Merabtine
Author: Roberto Gonzalo
Author: Pierre Tittelein
Author: Fadi Chlela
Author: Hugo Viot
Author: Catherine Charlot-Valdieu
Author: Nils Artiges
Author: Stéphanie Bontemps
Author: Issa Jaffal