Développement d'une méthode de validation d'outils de simulation de courbes de charges électriques et thermiques à l'échelle de quartiers

Development of a method for validating tools for simulating electrical and thermal load curves at the district level

• Auteur / Autrice : Chunxiao Wang
• Direction : Peter Riederer
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Energétique et génie des procédés
• Date : Inscription en doctorat le 06/02/2023
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Ingénierie des Systèmes, Matériaux, Mécanique, Énergétique
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Energétique et Procédés
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : CES - Centre Efficacité énergétique des Systèmes
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Mines Paris-PSL

Mots clés

Mots clés libres

Modélisation énergétique dynamique

Énergétique du bâtiment

Validation

Échelle quartier

Modélisation urbaine

Dynamic energy modelling

Building energy

Validation

District scale

Urban modelling

Résumé

Contexte Le bâtiment fait l'objet de nombreux travaux scientifiques et techniques visant à modéliser et optimiser les consommations énergétiques. Plus récemment, la compréhension, la modélisation et l'optimisation des consommations énergétiques des bâtiments, de leurs systèmes énergétiques et de leurs usages spécifiques ont été étendus à l'échelle urbaine (du quartier à la ville). Cet élargissement du périmètre d'évaluation vise à prendre en considération l'impact des consommations sur les réseaux électriques et thermiques, des mutualisations potentielles de systèmes énergétiques et l'intégration d'énergies renouvelables et de récupération à l'échelle d'un territoire. L'utilisation d'outils de simulation à cette échelle nécessite d'une part, une adaptation de la modélisation des bâtiments et des systèmes énergétiques considérés (afin de conserver des temps de calcul acceptables), et d'autre part, le traitement statistique de données descriptives des bâtiments ainsi que leurs systèmes énergétiques et leurs usagers afin de paramétrer de manière systématique les modèles. Une première thèse a été lancée par Efficacity (conjointement avec le CSTB et Mines Paris-PSL) pour définir une méthode de validation des outils de simulation énergétique de quartier. Cette thèse a permis de mettre en place, pour un cas d'usage qui est le calcul des consommations énergétiques annuelles, une méthodologie de validation. Objectif L'objectif de cette thèse est de mettre au point une méthode de validation des outils de simulation de quartiers (tel PowerDIS, outil co-développé au sein d'Efficacity avec le CSTB) afin d'assurer la cohérence des résultats de simulations avec les objectifs d'un projet d'aménagement urbain, tout ceci pour des cas d'études nécessitant une validation dynamique des données (profils de puissances électriques et thermiques). Deux cas d'études pressentis sont la flexibilité électrique (gestion de la flexibilité) et les problématiques de réseau de chaleur et de froid (dynamiques des réseaux et systèmes énergétiques). Il est ainsi prévu de travailler sur les aspects suivants afin d'aboutir à une méthodologie générique : • Définir des cas d'usages avec besoin de validation dynamique, • Recherche de sources de données pour la validation (Enedis, opérateurs de réseaux de chaleur et/ou de froid, etc.), • Analyser l'impact du foisonnement et d'autres paramètres sur la validité des simulations, • Définir les indicateurs de validité adaptés, en fonction du cas d'usage et de l'objectif de l'étude numérique. L'application de la méthodologie se fera sur au moins un cas d'étude. Il est prévu de créer un comité de thèse comportant des acteurs clé dans les domaines de cas d'usages envisagés (e.g. opérateurs de réseau, acteurs de la flexibilité …). Résultats attendus Les résultats attendus sont : • L'identification des sources de données pour la validation des outils, • L'élargissement du périmètre de validité des outils en mettant en place des tests automatiques de validation (intégration continue), • L'identification et l'analyse des paramètres les plus sensibles, • La sélection de cas d'études permettant de tester les outils de simulation et de mettre au point une méthode de référence.

Context Buildings are the subject of numerous scientific and technical studies aimed at modelling and optimising energy consumption. More recently, the understanding, modelling and optimisation of the energy consumption of buildings, their energy systems and their specific uses have been extended to the urban scale (from the neighbourhood to the city). This broadening of the evaluation perimeter aims to take into consideration the impact of consumption on the electrical and thermal networks, potential mutualisation of energy systems and the integration of renewable and recovered energy on a territorial scale. The use of simulation tools at this scale requires, on the one hand, an adaptation of the modelling of the buildings and energy systems considered (in order to maintain acceptable calculation times), and on the other hand, the statistical processing of descriptive data of the buildings as well as their energy systems and their users in order to systematically parameterise the models. A first thesis was launched by Efficacity (jointly with the CSTB and Mines Paris-PSL) to define a validation method for district energy simulation tools. This thesis enabled a validation methodology to be set up for a use case which is the calculation of annual energy consumption. Objective The objective of this thesis is to develop a validation method for district simulation tools (such as PowerDIS, a tool co-developed within Efficacity with the CSTB) in order to ensure the consistency of simulation results with the objectives of an urban development project, all this for study cases requiring dynamic validation of data (electrical and thermal power profiles). Two case studies are electrical flexibility (flexibility management) and heat and cold network issues (dynamics of energy networks and systems). It is thus planned to work on the following aspects in order to arrive at a generic methodology - Defining use cases with dynamic validation needs, - Search for data sources for validation (Enedis, heat and/or cold network operators, etc.), - Analysing the impact of expansion and other parameters on the validity of the simulations, - Define the appropriate validity indicators, depending on the use case and the objective of the numerical study. The methodology will be applied to at least one case study. It is planned to create a thesis committee including key actors in the fields of the envisaged use cases (e.g. network operators, flexibility actors ...). Expected results The expected results are : - The identification of data sources for the validation of the tools, - The extension of the validity perimeter of the tools by setting up automatic validation tests (continuous integration), - Identification and analysis of the most sensitive parameters, - Selection of case studies to test the simulation tools and develop a reference method.