Mesure de la performance énergétique : Analyse de la méthode QUB

Measurement of energy performance : Analysis of QUB method

• Auteur / Autrice : Naveed Ahmad
• Direction : Christian Ghiaus
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Heat Transfer and Energy Processes in Buildings and their Environement (TEBE)
• Date : Soutenance le 08/07/2020
• Etablissement(s) : Lyon
• 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) - Centre d'Energétique et de Thermique de Lyon / CETHIL
• Jury : Président / Présidente : Dirk Saelens
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christian Ghiaus, Dirk Saelens, Laurent Ibos, Maria-José Jimenez
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Laurent Ibos, Maria-José Jimenez

Mots clés

Mots clés contrôlés

Thermique

Habitations -- Chauffage et ventilation

Mots clés libres

Génie civil

Transfert de chaleur

Comportement thermique

Chauffage des bâtiments

Transfert de chaleur

Température

Caractérisation thermique

Modélisation informatique

Bâtiment

Modélisation énergétique

Essai in situ

Efficacité énergétique

Performance énergétique

Radiation solaire

Condition météorologique

Régulation thermique

Energétique du bâtiment

Civil engineering

Heat transfer

Heating

Temperature

Thermal caracterisation

Computer modeling

Building

Energy modeling

Test in situ

Energy Efficiency

Energy performance

Solar radiation

Building energy saving

Weather condition

Thermal regulation

Building energy

Résumé

QUB est une méthode d'essai de caractérisation thermique in situ dynamique qui a le potentiel d'être menée sur une courte durée d'une à deux nuits. La robustesse de la méthode QUB avec l'incertitude du niveau de puissance (pendant la phase de chauffage QUB), l'incertitude du coefficient de transfert de chaleur global à l'état d'équilibre, H_ref, et les températures extérieures en fonction des saisons doivent être établies pour les bâtiments réels. Un modèle dynamique d'état-espace est développé dans cette thèse pour simuler des expériences QUB. La modélisation espace-état consiste à générer un circuit thermique pour chaque composant du bâtiment (murs, fenestration, système de ventilation, etc.). Les circuits thermiques sont ensuite assemblés pour générer un seul circuit pour l'ensemble du bâtiment. Le modèle d'espace d'état développé, est validé à l'aide des caractéristiques thermiques et des données mesurées d'une maison à grande échelle (la maison jumelle) fournies par l'annexe 58 de l'IEA EBC. Les simulations numériques des expériences QUB sur une maison montrent que la méthode ne présente que de légères variations avec une incertitude de puissance; par exemple, une erreur de 30% de la puissance optimale peut provoquer une erreur à moins de 3% de la valeur de référence. Une analyse d'erreur a posteriori est effectuée en simulant des expériences QUB dans des situations où l'enveloppe réelle a des caractéristiques différentes de celles supposées dans la conception de l'expérience pour la méthode QUB. Ces résultats sont ensuite comparés à des erreurs a priori, une situation dans laquelle des expériences QUB sont effectuées avec la connaissance de l'enveloppe réelle. L'analyse des erreurs montre qu'avec une erreur de 50% du coefficient de transfert de chaleur global (c'est-à-dire une situation d'isolation de paroi manquante), la méthode QUB entraîne une erreur accrue de seulement 3¬¬%. La précision de la méthode QUB a également été testée avec la variation du rayonnement solaire. Les résultats QUB les jours nuageux montrent une variation moindre par rapport aux jours ensoleillés. Il a été démontré que le transfert de chaleur des radiations solaires retardées pénétrant à travers les murs du bâtiment a un effet sur l'évolution de la température au cours de l'expérience QUB. Cela peut entraîner une augmentation de l'erreur dans la méthode QUB. Les expériences QUB sont simulées pendant l'été et l'hiver pour déterminer l'impact des saisons sur la précision de la méthode. La saison d'hiver montre des résultats plus robustes que les mois d'été. Les mois d'été montrent une plus grande variation des résultats. Il est vérifié que la grande variation est due à une petite différence de température entre les conditions intérieures et extérieures pendant certaines des nuits d'été. Les expériences en saison estivale peuvent être améliorées en augmentant la température de consigne avant l'expérience QUB.

QUB is a dynamic in-situ thermal characterization test method that has the potential to be conducted in a short duration of one to two nights. The robustness of QUB method with uncertainty in power level (during QUB heating phase), uncertainty in overall heat transfer coefficient at steady state, H_ref, and the outdoor temperatures a function of seasons needs to be established for real buildings.A dynamic state-space model is developed in this thesis to simulate QUB experiments. The state-space modelling involves generating a thermal circuit for each component of the building (walls, fenestration, ventilation system, etc.). The thermal circuits are then assembled to generate a single circuit for the entire building. The state-space model developed, is validated using thermal characteristics and measured data of a full-scale house (the twin house) provided by IEA EBC Annex 58. The numerical simulations of the QUB experiments on a house show that the method has only slight variation with uncertainty in power; for example, 30% error in optimum power can cause an error within 3 % of the reference value. A posteriori error analysis is performed by simulating QUB experiments in situations in which the real envelope has different characteristics than those assumed in the design of the experiment for QUB method. These results are then compared with a priori errors, a situation in which QUB experiments are performed with the knowledge of the real envelope. The error analysis shows that with 50 % error in the overall heat transfer coefficient (i.e. missing wall insulation situation), the QUB method results in an increased error of only 3¬¬ %. The precision of QUB method was tested also with the variation of solar radiation. QUB results on cloudy days show lesser variation as compared to sunny days. It was shown that the heat transfer from the delayed solar radiations entering through the walls of the building has an effect on the temperature evolution during the QUB experiment. This can lead to an increased error in QUB method. The QUB experiments are simulated during summer and winter to determine the impact of seasons on the accuracy of the method. The winter season shows more robust results as compared to summer months. The summer months show larger variation of results. It is verified that the large variation are due to small temperature difference between indoor and outdoor conditions during some of the summer nights. The experiments in summer season can be improved by increasing the set point temperature before the QUB experiment.