Modélisation Bond Graphs en vue de l'Efficacité Énergétique du Bâtiment

Bond Graphs modeling in order to improve the energy efficiency in buildings

• Auteur / Autrice : Abdelatif Merabtine
• Direction : Riad Benelmir, Najib Laraqi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des Procédés et des Produits
• Date : Soutenance le 19/11/2012
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : RP2E - Ecole Doctorale Sciences et Ingénierie des Ressources, Procédés, Produits, Environnement
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LERMAB - Laboratoire d'Études et de Recherche sur le MAtériau Bois (Vandoeuvre-lès-Nancy)
• Jury : Président / Présidente : Hervé Combeau
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Lounes Tadrist, Jean-Louis Tanguier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Mohammed Lachi, Lingai Luo

Mots clés

Mots clés contrôlés

Habitations -- Chauffage et ventilation

Habitations -- Économies d'énergie

Simulation, Méthodes de

Thermique

Mots clés libres

Interactions énergétiques

Couplage optimal

Enveloppe du bâtiment

Équipements énergétiques

Approche systémique

Bond Graphs

Modélisation

Validation expérimentale

Régime dynamique

Tri-génération d'énergie

Efficacité énergétique du bâtiment

Energy Interactions

Building Envelope

HVAC Systems

Graphical Language

Bond Graphs

Modeling

Experimental Validation

Transient Mode

Energy Tri-Generation

Energy Efficiency In Buildings

Résumé

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)

Our works focus on the setting of reliable tools able to analyze the interaction between the building envelope and HVAC systems. The developed approach is based on Bond Graphs methodology, a graphical modeling language which is particularly suitable for energy exchanges. A numerical model gathering, under the same simulation environment, sub-models representing the building envelope, the solar gains, the floor heating, the chilled ceiling and the ventilation system, is developed in order to predict the energy interactions between these sub-systems. The multi-zone building model is developed in order to simulate and analyze the overall building thermal behavior. Then, the solar gains model is also included to predict the solar radiation exchanges in a way close to reality. The model of the heating and cooling system, combining the floor heating and the chilled ceiling, is developed in order to improve the thermal comfort of the building. Afterwards, the ventilation system is modeled in order to represent the air exchange inside the building. The experimental validation is carried out on the tri-generation unit integrated with a thermal solar system (platform ENERBAT). Furthermore, the parametrical study was realized in order to gain a better understanding according to the impact of some factors in the energy performance of the single-family building located in Meurthe-et-Moselle region (France). Optimization of several measures, such as insulation of the building envelope, type of glazing, building orientation and ventilation system, is performed to respond to the requirements of the French thermal standard (RT2012)