Production-consumption system coordination by hybrid predictive approaches : application to a solar cooling system for buildings

par Eunice Herrera Santisbon

Thèse de doctorat en Automatique (STIC)

Sous la direction de Hervé Guéguen.

Le président du jury était Jean Buisson.

Le jury était composé de Romain Bourdais, Rudy R. Negenborn.

Les rapporteurs étaient Christian Ghiaus, Stéphane Grieu.

  • Titre traduit

    Coordination Producteur-Consommateur par des approches prédictives hybrides : application au rafraîchissement solaire des bâtiments


  • Résumé

    Garantir le confort thermique des bâtiments est directement lié à la consommation d'énergie. Dans les zones tropicales, les systèmes de refroidissement représentent l'un des postes les plus gourmands en énergie. Afin de réduire la consommation d'énergie mondiale, il est primordial d'améliorer l'efficacité de ces systèmes ou bien de développer de nouvelles méthodes de production de froid. Une installation de refroidissement solaire basé sur le cycle à absorption est une alternative pour réduire les émissions de gaz à effet de serre et la consommation d'électricité. Contrairement aux systèmes classiques de refroidissement à compression mécanique, la production de froid par absorption est un système complexe composé de plusieurs composants comme des panneaux solaires, un ballon de stockage, une tour de refroidissement et une machine à absorption. Outre le dimensionnement des composants, ce système complexe nécessite des actions de contrôle pour être efficace parce que la coordination entre le stockage d'eau chaude, la production et la consommation du froid est nécessaire. Le but de cette thèse est de proposer une structure producteur-consommateur d'énergie basée sur la commande prédictive (MPC). Le système de refroidissement par absorption solaire est considéré comme faisant partie de ce système de production-consommation d'énergie, le système de stockage d'eau chaude est le producteur et la machine à absorption qui distribue de l'eau froide au bâtiment est l'un des consommateurs. Pour que la structure de commande soit modulaire, la coordination entre les sous-systèmes est réalisée en utilisant une approche de partitionnement où des contrôleurs prédictifs locaux sont conçus pour chacun des sous-systèmes. Les contrôleurs des consommateurs calculent un ensemble de profils de demande d'énergie. Ces profils sont ensuite envoyés au contrôleur du producteur qui sélectionne le profil qui minimise le coût global. Dans une première partie, l'approche proposée est testée sur un modèle linéaire simplifié composé d'un producteur et plusieurs consommateurs. Dans une deuxième partie, un cas plus complexe est étudié. Un modèle simplifié d'un système de refroidissement à absorption est évaluée en utilisant l'outil de simulation TRNSYS. Le modèle de production n'est plus linéaire, il est décrit par un modèle non linéaire hybride qui augmente la complexité du problème d'optimisation. Les résultats des simulations montrent que la sous-optimalité induite par la méthode est faible. De plus, la performance de l'approche atteint les objectifs de commande tout en respectant les contraintes.


  • Résumé

    To guarantee thermal comfort in buildings is directly related to energy consumption. In tropical climates, cooling systems for buildings represent one of the largest energy consumers. Therefore, as energy consumption is a major concern around the world, it is important to improve the systems efficiency or seeking new methods of cooling production. A solar cooling installation based on the absorption cycle is an alternative to mitigate greenhouse gas emissions and electricity consumption. In contrast to conventional vapor-compression based cooling systems, the absorption cooling production involves a complex system composed of several components as collector panel, storage tank, cooling tower and absorption chiller. Besides the sizing of the components, this complex system requires control actions to be efficient as a coordination between hot water storage, cooling water production and consumption is necessary. The aim of this research is to propose a management approach for a production-consumption energy system based on Model Predictive Control (MPC). The solar absorption cooling system is seen as part of this production-consumption energy system where the hot water storage system is the producer and the chiller-building system is one of the consumers. In order to provide modularity to the control structure, the coordination between the subsystems is achieved by using a partitioning approach where local predictive controllers are developed for each of the subsystems. The consumer controllers compute a set of energy demand profiles sent to the producer controller which selects the profile that better minimize the global optimization cost. In a first part, the proposed approach is tested on a simplified linear model composed of one producer and several consumers. In a second part, a more complex case is studied. A simplified model of an absorption cooling system is evaluated using the simulation tool TRNSYS. The producer model is no longer linear, instead it is described by a nonlinear hybrid model which increases the complexity of the optimization problem. The simulations results show that the suboptimality induced by the method is low and the control strategy fulfills the objectives and constraints while giving good performances.


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