Evaluation sur modèle de simulation thermique dynamique calibré des performances d’un contrôleur prédictif basé sur l’utilisation de réseaux de neurones

Study of innovative control systems of building comfort and equipments to evaluate the building's global energetic performances.

• Auteur / Autrice : Dimitri Guyot
• Direction : Christophe Marvillet, Florine Giraud
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique, génie des procédés. Energétique
• Date : Soutenance le 02/10/2020
• Etablissement(s) : Paris, HESAM
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire du froid et des systèmes énergétiques et thermiques (Paris) - Laboratoire du froid et des systèmes énergétiques et thermiques
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Energétique des systèmes pour l’industrie et le bâtiment
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : Conservatoire national des arts et métiers (France ; 1794-....)
• Jury : Président / Présidente : Mohamed El Mankibi
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Tarek Raissi
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Christian Ghiaus, Frédéric Wurtz

Mots clés

Mots clés contrôlés

Réseaux neuronaux (informatique)

Prévision

Constructions -- Économies d'énergie

Mots clés libres

Réseaux de neurones

Contrôle prédictif

Bâtiment

Energétique

Calibration

Simulation thermique dynamique

Neural networks

Predictive control

Building

Energy

Calibration

Building thermal modeling

Résumé

Le développement des techniques d’apprentissage automatique, et plus particulièrement des réseaux de neurones, associé à celui des nouvelles technologies de l’information et de la communication, bouleverse nos sociétés à travers des avancées technologiques dans une variété de secteurs d’activité. Le secteur du bâtiment n’est pas épargné, si bien que ces techniques peuvent constituer une opportunité intéressante dans un contexte où les émissions de gaz à effet de serre doivent être drastiquement réduites. L’objectif de ces travaux est d’évaluer l’intérêt de ces techniques appliquées à l’énergétique du bâtiment, dans une optique de réduction des consommations énergétiques et d’amélioration du confort thermique. Nous veillons par ailleurs à garder lors de cette évaluation une vision globale, en plaçant les éventuels avantages en face des différents besoins relatifs au développement de ces technologies. Ce travail de thèse s’organise en trois parties précédées d’une introduction détaillée visant à donner au lecteur une vue d’ensemble des différents éléments de contexte, permettant ainsi la mise en perspective du travail de thèse. Nous donnons ensuite dans la première partie le cadre théorique nécessaire à la compréhension des problématiques rencontrées lors de l’élaboration et de la création des réseaux de neurones pour des applications à l’énergétique du bâtiment. Dans un second temps, une étude bibliographique donnant au lecteur un large aperçu des diverses applications des réseaux de neurones au domaine de l’énergétique du bâtiment est présentée. La seconde partie est consacrée à la calibration du modèle de bâtiment utilisé ensuite pour tester et évaluer un contrôleur prédictif mettant en œuvre des réseaux de neurones. Après une explication de la méthode utilisée puis une présentation détaillée du modèle, une analyse complète des résultats de calibration est menée. Nous terminons cette partie par des observations et recommandations concernant les méthodes classiques de calibration préconisées par différents organismes internationaux. Enfin, une application concrète mettant en œuvre des réseaux de neurones pour le contrôle prédictif de la température intérieure est présentée au cours de la troisième partie. Après un point théorique concernant le contrôle prédictif, nous détaillons la méthode développée pour l’entraînement des réseaux de neurones utilisés. Les résultats obtenus en simulation avec un contrôleur prédictif sont ensuite analysés et comparés à ceux obtenus en présence de deux contrôleurs de référence pour diverses hypothèses de simulation. Le contrôleur prédictif est ainsi testé dans plusieurs cas de figures, allant d’une situation idéale à des conditions de fonctionnement plus réalistes, en passant par deux types d’émetteurs de chaleur différents, à savoir des plafonds rayonnants et un plancher chauffant.

The development of machine learning techniques, particularly neural networks, combined with the development of new information and communication technologies, is shaking up our societies through technological advances in a variety of sectors. The building sector is not spared, so these techniques may represent an interesting opportunity in a context where greenhouse gas emissions must be drastically reduced. The objective of this work is to assess the interest of these techniques in the field of building energy, with the aim of reducing energy consumption and improving thermal comfort. In addition, we ensure that this evaluation is carried out with a global vision, by placing the possible advantages in front of the different needs relating to the development of these technologies. This thesis work is organized in three parts preceded by a detailed introduction intended to give the reader an overview of the various contextual elements, thus allowing the thesis work to be placed in perspective. We then give in the first part the theoretical framework needed to understand the problems encountered during the elaboration and creation of neural networks for building energy applications. Then, a bibliographical study giving the reader a broad overview of the various applications of neural networks in the field of building energy is presented. The second part is devoted to the calibration of the building model that is then used to test and evaluate a predictive controller implementing neural networks. After an explanation of the method used and a detailed presentation of the model, a complete analysis of the calibration results is carried out. We conclude this part with observations and recommendations regarding the standard calibration guidelines recommended by three international organizations. Finally, a practical application using neural networks for the predictive control of indoor temperature is presented in the third part. After a theoretical introduction concerning predictive control, we detail the method employed to train the neural networks used. The results obtained in simulation with a predictive controller are then analyzed and compared with those obtained with two reference controllers for various simulation hypothesis. The predictive controller is thus tested in several scenarios, ranging from an ideal situation to more realistic operating conditions, including two different types of heat emitters, namely radiant ceilings and underfloor heating.