Modélisation des solutions de micro-cogénération en vue de leur intégration optimale au sein des bâtiments

Modelling micro-CHP solutions towards optimal integration into buildings

• Auteur / Autrice : Romain Bonabe de Rougé
• Direction : Dominique Marchio, Pascal Stabat
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique et procédés
• Date : Soutenance le 21/03/2018
• Etablissement(s) : Paris Sciences et Lettres (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre Efficacité Énergétique des Systèmes. Paris
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : École nationale supérieure des mines (Paris ; 1783-....)
• Jury : Président / Présidente : Monica Siroux
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Dominique Marchio, Pascal Stabat, Pierre Picard
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Vincent Lemort, Patrick Salagnac

Mots clés

Mots clés contrôlés

Constructions -- Économies d'énergie

Énergie -- Stockage

Microcogénération

Mots clés libres

Micro-cogénération

Bâtiment

Stockage d'énergie

Intégration

Modélisation

Expérimentation

Micro-cogeneration

Building

Energy storage

Integration

Modeling

Experimentation

Résumé

La micro-cogénération permet de produire simultanément de la chaleur et de l’électricité avec un bon rendement global et ainsi de réduire la consommation d’énergie primaire d’un bâtiment. Diverses technologies existent telles que les moteurs à combustion interne et externe, les turbines à gaz ou les piles à combustible. Le coût d’investissement élevé et les besoins thermiques et électriques intermittents des bâtiments résidentiels et tertiaires rendent l’adaptation d’un micro-cogénérateur complexe. Les difficultés sont principalement liées au dimensionnement, à l’intégration dans l’installation hydraulique (dont un appoint thermique et des stockages d’énergie) et à son pilotage. L’objectif de cette thèse est de développer des outils méthodologiques pour accompagner le développement de la micro-cogénération dans es bâtiments résidentiels et tertiaires. Ces outils facilitent le choix des appareils les plus adaptés, leur dimensionnement et leur intégration technique au bâtiment. Le travail de thèse s’appuie sur l’étude expérimentale et la modélisation des technologies de micro-cogénération. Deux appareils (moteur à combustion interne et micro-turbine) ont été testés. Des modèles numériques dynamiques ont été développés tenant compte de tous les régimes de fonctionnement pour cinq technologies. Les modèles de cogénérateurs ont été intégrés dans une plateforme logicielle modélisant l’enveloppe du bâtiment, l’installation énergétique, sa régulation et les occupants. Les simulations de la plateforme ont été comparées avec succès à des suivis de terrain de micro-cogénérateurs équipant des bâtiments réels. On a mené des analyses de sensibilité et des études paramétriques pour déterminer les paramètres de conception les plus importants. Par rapport à des outils de dimensionnement plus simples, la plateforme permet la conception des installations en évaluant de manière fine leur fonctionnement (cycles, durée de fonctionnement, dégradation des performances…).

Micro-cogeneration allows simultaneous production of heat and electricity with high total efficiency and can therefore lower primary energy consumption of buildings. Various technologies are available on the market such as internal or external combustion engines, gas turbines or fuel cells. Adaptation of micro-cogeneration units to residential and commercial buildings is difficult due to their high investment cost and intermittent thermal and electrical loads. Difficulties are mainly related to sizing, integration into hydraulic installation (including auxiliary burner and energy storages) and controls. The aim of this thesis is to develop tools to assist in the development of micro-cogeneration in residential and commercial buildings. These tools help to choose the units, its sizing and technical integration into the building. The work achieved in this thesis is based on both experimental and numerical studies of multiple micro-cogeneration technologies. Two units (internal combustion engine and gas turbine) were tested. We developed numerical models computing performances in dynamic and stationary operating conditions for five different technologies. These models take place in a platform modeling building envelop, HVAC installation with regulation and occupants. Simulations from this platform were successfully compared with real data from building integrated micro-cogenerations. We carried out sensitivity analysis and parametric studies to determine most important design parameters. Compared to simpler sizing tools, our platform allows to design installations based on a detailed evaluation of operating conditions (cycles, operating time, performance degradation…).