Développement d'une approche d'ingénierie holistique pour l'amélioration de l'efficacité énergétique des constructions en climat désertique

Development of a holistic engineering approach for improved AC performance and energy efficiency in buildings under harsh desert climate conditions

• Auteur / Autrice : Mohammed Al-Azba
• Direction : Yves Rémond, Saïd Ahzi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Énergétique
• Date : Soutenance le 12/11/2020
• Etablissement(s) : Strasbourg
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, sciences de l'information et de l'ingénieur (Strasbourg ; 1997-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des sciences de l'ingénieur, de l'informatique et de l'imagerie (Strasbourg ; 2013-....)
• Jury : Président / Présidente : Abdallah Ougazzaden
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Abdelilah Slaoui
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Mohamed Boutayeb, Alain Dollet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Énergie

Air

Climatisation

Refroidissement

Mots clés libres

Efficacité énergétique

Batiments

Performances de refroidissement et de climatisation

Réduction de la charge de pointe

Filtration de l'air

Energy efficiency buildings

Coolig & HVAC performance

Peak-load shaving

Air filtration

Résumé

La civilisation mondiale est entièrement dépendante de l'accès à de grandes quantités d'énergie tandis que la demande d'énergie continue de croître à un rythme rapide avec la croissance de la population mondiale. Les pays aux conditions météorologiques extrêmes ont tendance à avoir des demandes énergétiques plus élevées, où les principaux consommateurs d'énergie sont les systèmes de chauffage et de refroidissement. Dans les pays du Moyen-Orient et du Golfe en particulier (Qatar par exemple), il existe une forte demande pour les applications de refroidissement en raison de l'environnement désertique (chaleur, humidité et poussière), qui représente environ 60 à 70% de la consommation totale d'énergie. L'électricité en tant que forme d'énergie secondaire est principalement utilisée pour les applications de refroidissement dans ces régions, qui est générée par des processus de production d'électricité standard à base de combustibles fossiles associés à des émissions massives de carbone. La consommation typique des ménages au Qatar est dix fois plus élevée que la moyenne des ménages aux États-Unis et en Europe. De nombreuses études et techniques ont été proposées pour relever ces défis énergétiques grâce aux technologies de pointe, à l'efficacité énergétique et aux énergies renouvelables. Cependant, ils ne sont pas entièrement couronnés de succès, car beaucoup d'entre eux sont spécifiques à une région ou même à un pays, ce qui signifie que les politiques énergétiques, les concepts et la culture locaux peuvent avoir un impact sur le résultat attendu. Cette étude examine les problèmes de consommation d'énergie et d'efficacité associés aux applications de refroidissement des bâtiments et leurs implications environnementales et sanitaires dans les régions désertiques. Pour relever ces défis, une approche d'ingénierie pragmatique est proposée pour aider à résoudre les problèmes persistants de gestion de l'énergie et de charge de pointe associés aux applications de refroidissement dans les bâtiments où l'accent est mis sur la demande afin de développer des techniques de gestion de l'énergie pour plusieurs équipements de climatisation. Des schémas de contrôle optimaux et adaptatifs ont été développés avec succès pour les bâtiments afin de répondre aux demandes de refroidissement des locaux d'une manière équilibrée et harmonisée qui minimise la demande de pointe. Un autre aspect de ce travail étudie comment la poussière de l'environnement désertique environnant peut avoir un impact négatif sur les performances de la climatisation, l'efficacité énergétique et la qualité de l'air intérieur. Un algorithme d'optimisation a été développé avec succès pour guider la conception et la sélection appropriée des filtres à air pour des performances optimales du climatiseur.

As the world’s civilization is entirely dependent on access to large amounts of energy, the energy demand continues to increase along with the rapid growth in the world’s population. Countries with extreme climate conditions tend to have greater energy demand where most aggressive energy consumers are heating and cooling systems. In the middle east and Gulf countries in particular (like Qatar), there is a huge demand for Heating Ventilation & Air conditioning (HVAC) applications due to the harsh desert environment (heat, humidity & dust), which approximately accounts for 60 – 70 % of total energy consumption. Electricity as a secondary form of energy is dominantly used for cooling applications in such regions, which is usually produced via standard fossil fuel based power generation processes that are associated with massive loads of carbon emission. Typical household consumption in Qatar is ten times higher than average houses in the USA and Europe. There have been numerous studies and techniques proposed to address such energy challenges through state-of-the-art technology, energy efficiency, and renewable energy. However, they are not entirely successful, as many of which are region or even country-specific, meaning that local energy policies, regulations, and culture can always impact the expected results. This study investigates the energy consumption and efficiency challenges related to buildings’ cooling applications and their environmental and health implications within areas of harsh arid climate conditions. To address these challenges, a pragmatic engineering approach is proposed to assist in tackling persistent power management and peak load issues associated with cooling applications in buildings where the focus is on demand-side to develop suitable power management techniques for multiple AC units. Optimal and adaptive control schemes were successfully developed for buildings to respond to space cooling demands in a balanced and harmonized way that significantly minimizes power peaks. Another aspect of this work investigates how dust from the surrounding desert environment can negatively impact HVAC performance, energy efficiency, and indoor air quality. An optimization algorithm was successfully developed to guide the design and proper selection of air filters for optimal HVAC performance.