Estimations des performances énergétiques des bâtiments par l’identification des paramètres des modèles physiques

Modelling heat transfer for energy effiency assessment of buildings : Identification of physical parameters

• Auteur / Autrice : Ibán Naveros Mesa
• Direction : Christian Ghiaus, Javier Ordoñez Garcia
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie civil - Physique
• Date : Soutenance le 24/10/2016
• Etablissement(s) : Lyon en cotutelle avec Universidad de Granada (España)
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 2011-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Institut national des sciences appliquées (Lyon ; 1957-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : CETHIL - Centre d'Energétique et de Thermique de Lyon (Villeurbanne, Rhône)
• Jury : Président / Présidente : Henrik Madsen
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christian Ghiaus, Javier Ordoñez Garcia, Henrik Madsen, Stéphane Ploix, Paul Strachan, Eulalia Jadraque-Gago
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Stéphane Ploix, Paul Strachan

Mots clés

Mots clés contrôlés

Économies d'énergie

Transfert de chaleur

Mots clés libres

Transfert de chaleur

Efficacité énergétique

Performance énergétique

Thermodynamique

Réseaux thermiques

Systèmes d'équations différentielles et algébriques

Dae

Consommation d'énergie dans les bâtiments

Heat transfert

Energy Efficiency

Energy performance

Thermodynamics

Differential-Algebraic Equation systems

Dae

Energy consumption in buildings

Résumé

La performance énergétique est un pilier pour réduire l'utilisation d'énergie non renouvelable, en plus de l'utilisation des énergies renouvelables. En fait, les bâtiments sont au cœur de la politique des performances énergétiques de l'UE puisque 40% de la consommation finale d'énergie et 36% des émissions de gaz à effet de serre provient des bureaux, magasins et autres bâtiments. Les bâtiments peuvent être considérés comme des systèmes dynamiques et le transfert de la chaleur dans les bâtiments peut être représenté en utilisant des modèles dynamiques. De cette façon, le transfert de la chaleur dans les bâtiments peut être décrit par des réseaux thermiques obtenus en utilisant la théorie des graphes et de la thermodynamique, et peuvent être déduits de l'équation de la chaleur classique. Les réseaux thermiques peuvent être exprimés comme un système d'équations différentielles et algébriques (DAE) qui peut être transformé en représentation d'état et obtenir un fonction de transfert à partir de laquelle un modèle autorégressif avec des variables exogènes (ARX) peut être obtenu. Ces différentes structures de modèle peuvent être utilisées pour identifier les paramètres physiques des réseaux thermiques, ce qui implique que la méthode peut être utilisée pour identifier la performance intrinsèque des bâtiments et aider à la réduction de la consommation d'énergie dans les bâtiments.Cela peut faciliter l'évaluation de la performance énergétique des bâtiments dans un cadre reproductible qui permet la comparaison entre différentes solutions constructives.Les principales contributions originales de cette thèse sont: 1) les réseaux thermiques sont présentées à partir de la théorie des graphes et de la thermodynamique, sans considérer l'analogie thermique-électrique; 2) l'équation classique de la chaleur est reliée explicitement avec un système de DAE (réseau thermique) par les éléments finis; 3) différentes transformations pour déduire des modèles du transfert de la chaleur avec signification physique, à partir de l'équation de la chaleur classique, sont présentées toutes ensemble; 4) les transformations entre les modèles sont effectuées à partir des réseaux thermiques jusqu’aux modèles autorégressifs avec des variables exogènes (ARX) et vice-versa; et 5) un critère de sélection de l'ordre du modèle par une analyse de fréquence des mesures est proposé.

Energy efficiency is one of the two pillars to decrease the use of non-renewable energy besides the use of renewables energies. In fact, buildings are central to the EU's energy efficiency policy, as nearly 40% of the final energy consumption and 36% of greenhouse gas emissions take place in houses, offices, shops and other buildings. Buildings may be considered as dynamic systems and heat transfer in buildings may be represented using dynamic models. In this way, heat transfer in buildings may be described by thermal networks which may be stated considering graph theory and thermodynamics, and may be deduced from the classical heat equation. Thermal networks may be expressed as a system of linear differential algebraic equations (DAE) and the system of linear DAE may be transformed into a state-space representation from which an autoregressive model with exogenous (ARX) can be obtained. These different model structures may be used for identifying the physical parameters of thermal networks which implies that this methodology may be useful for identifying the intrinsic performance of buildings and tackling the reduction of non-renewable energy consumption in buildings. This may facilitate the assessment of energy efficiency of buildings within a reproducible framework which allows the comparison between different constructive solutions.The main original contributions of this dissertation are: 1) thermal networks are stated from graph theory and thermodynamics, leaving back the thermal-electrical analogy; 2) classical heat equation is connected explicitly to a system of DAE (thermal network) by using the finite elements; 3) the transformations for deducing heat transfer models with physical meaning from the classical heat equation are put altogether; 4) transformations between models may are done from thermal networks to autoregressive models with exogenous (ARX) and back; and 5) a criterion for selecting the order of the model by frequency analysis of measurements is proposed.