Efficacité énergétique des bâtiments : modélisation hygrothermique et commande prédictive économique régularisée

Energy efficiency of buildings : hygrothermal modeling and regularized economic model predictive control

• Auteur / Autrice : Farah Gabsi
• Direction : Frédéric Hamelin, Nathalie Sauer
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Automatique, Traitement du signal et des images, Génie informatique
• Date : Soutenance le 17/12/2020
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale IAEM Lorraine - Informatique, Automatique, Électronique - Électrotechnique, Mathématiques de Lorraine (1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de recherche en automatique (Nancy)
• Jury : Président / Présidente : Dominique Sauter
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Frédéric Hamelin, Nathalie Sauer, Laurent Autrique, Nicolas Heraud, Stéphane Thil
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Laurent Autrique, Nicolas Heraud

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modèles mathématiques

Transfert de chaleur

Commande prédictive

Modèles économétriques

Économies d'énergie

Constructions -- Économies d'énergie

Mots clés libres

Modélisation hygrothermique

Commande prédictive économique

Régularisation

Hygrothermal modeling

Economic model predictive control

Regularization

Résumé

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.

In this thesis, we propose a comprehensive methodology to simulate the hygrothermal behaviour and continuously monitor the energy efficiency of buildings. The multi-zone model developed is of the grey box type and is based on heat and moisture transfer processes. It integrates solar radiation as an energy source as well as heating, ventilation and air conditioning systems such as heat pumps or VMCs. This hygrothermal model allows the estimation and prediction of microclimatic data such as operative temperature, radiant temperature and humidity rate which are essential for the qualification of thermal comfort. The generated model is used to develop new economic model predictive control strategy to ensure hygrothermal comfort in occupied areas of the building while minimizing its energy consumption. Thermal comfort indicators are taken into account in the definition of a performance criterion and the cost induced by the use of the different equipments is used to define an economic criterion. The specifications related to the use of the different equipment are taken into account by a regularization term. The stress caused by the successive and too frequent start/stop of certain equipment is taken into account. These changes of state are generally detrimental to the lifetime of the equipment and represent, at the very least, an energy inefficient mode of operation. The solution presented also allows the number of active control inputs to be monitored at any time and inappropriate control scenarios to be avoided. In response to the optimization problem, the advantage of a sparse control strategy is highlighted. The fault-tolerance of optimal control scenarios to the occurrence of certain actuator faults is also a property that is taken into consideration.