Évaluation des défauts de fonctionnement de pompe à chaleur couplée à la simulation énergétique du bâtiment, à l'aide d'un modèle de réseau de Pétri

Assessment of heat pump operating faults coupled with building energy simulation using Petri net model

• Auteur / Autrice : Minh Toàn Vo
• Direction : Emmanuel Bozonnet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie civil
• Date : Soutenance le 29/09/2021
• Etablissement(s) : La Rochelle
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Euclide (La Rochelle ; 2018-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des Sciences de l’Ingénieur pour l’Environnement (La Rochelle)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Centre scientifique et technique du bâtiment (1953-... ; France)
• Jury : Président / Présidente : Christian Inard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Emmanuel Bozonnet, Christian Inard, Monica Siroux, Gilles Fraisse, Cong-Toan Tran, Charles Pele
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Monica Siroux, Gilles Fraisse

Mots clés

Mots clés contrôlés

Simulation, Méthodes de

Habitations -- Consommation d'énergie

Petri, Réseaux de

Défauts

Pompes à chaleur

Mots clés libres

Modélisation des défauts

Réseau de Pétri

Pompe à chaleur

Fault modelling

Petri net

Heat pump

Résumé

Les pompes à chaleur offrent une solution efficace et durable pour le chauffage et le refroidissement des bâtiments. Cependant, ces systèmes fonctionnent parfois avec une faible efficacité, en raison des défauts. Dans cette recherche, nous nous concentrons sur trois défauts de fonctionnement : les fuites de réfrigérant, l'encrassement du condenseur et l'encrassement de l'évaporateur. Ce sont les défauts de fonctionnement les plus fréquents et les plus impactés. Nous proposons de développer une méthode pour modéliser ces défauts de fonctionnement et les associer à un modèle de simulation de bâtiment. En premier lieu, nous avons développé des modèles physiques d'une pompe à chaleur résidentielle air-air afin d’estimer le coefficient de performance (COP/EER) de la pompe à chaleur, en fonction de l'intensité d'utilisation, et du défaut de fonctionnement. Ensuite, un modèle de réseau de Petri a été proposé pour déterminer a priori la structure de l'évolution des défauts. Dans un deuxième temps, nous appliquons une notion d'incertitude de la base de données des défauts pour prendre en compte différents cas de travail et généraliser le modèle d'occurrence des défauts. Nous l'avons associé à l'outil de simulation énergétique dynamique COMETh, pour simuler la consommation énergétique annuelle. Cette méthode nous permet d'analyser et de déterminer l'incertitude globale des impacts des défauts sur les performances de la pompe à chaleur et sur la consommation énergétique totale du bâtiment. La méthode a été appliquée à un cas d’étude sur un bâtiment résidentiel à Paris sur une période de 15 ans. Les résultats soulignent la possibilité de la méthodologie proposée.

Heat pumps give an efficient and sustainable solution for both heating and cooling. However, these systems sometimes operate with a lower efficiency, because of the faults. In this research, we focus on three operating faults : refrigerant leakage, condenser fouling, and evaporator fouling. They are the most frequent and most impacted operating faults. They evolve undetectably over time until they start to create the energy and comfort problems. We propose to develop a method to model these operating faults and to associate them with a building simulation model. In the first place, we developed physical models of an air-to-air residential heat pump in order to predict the coefficient of performance (COP/EER) of the heat pump, as a function of the use intensity, and operating fault. Then, a Petri net model was proposed to determine a priori structure of fault evolution. In the second step, we apply a notion of uncertainty of fault database to take into account different working cases and generalize the fault occurrence model. We associated it with the dynamic energy simulation tool COMETh, a building simulation model developed by CSTB, to simulate the annual energy consumption. This method helps us to analyze and determine the global uncertainty of fault impacts on the heat pump performance and on the whole energy consumption of the building. The method was applied to a case study of residential building in Paris over 15 years. With three heat pump operating faults, the building consumption remarkably increased from the third year. At the 15th year, the building consumption is double than the standard value. The results underline the possibility of the proposed methodology.