Etude des stratégies d’optimisation de contrôle commande d’un système énergétique valorisant l’inertie du bâtiment

Study of optimal control strategies for an energy system using thermal mass of buildings

• Auteur / Autrice : Charbel Salameh
• Direction : Bruno Peuportier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique et génie des procédés
• Date : Soutenance le 30/09/2022
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Ingénierie des Systèmes, Matériaux, Mécanique, Énergétique (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre Efficacité Énergétique des Systèmes. Paris
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : École nationale supérieure des mines (Paris ; 1783-....)
• Jury : Président / Présidente : Monika Woloszyn
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Bruno Peuportier, Vincent Lemort, Frédéric Wurtz, Patrick Schalbart, Minh Hoang Hong, Nicolas Petit, Jérémie Decock
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Vincent Lemort, Frédéric Wurtz

Mots clés

Mots clés contrôlés

Isolation thermique

Économies d'énergie

Transfert de chaleur

Conversion énergétique

Mots clés libres

Contrôle-Commande

Temps réel

Pompes à chaleur

Énergétique

Bâtiment

Optimisation

Control

Real time

Heat pumps

Energy

Building

Optimisation

Résumé

L’étude de stratégies optimisées de contrôle-commande d'un système énergétique valorisant l'inertie thermique d’un bâtiment a pour objet d’exploiter la masse thermique de l’enveloppe et d’implémenter une stratégie optimale pour des applications de chauffage, de climatisation et d’eau chaude sanitaire. La méthode développée permet de réaliser l’optimisation de la commande en intégrant à la fois l’enveloppe du bâtiment, une pompe à chaleur et un champ de sondes. La présente thèse intègre donc, en complément de la simulation thermique dynamique de l’enveloppe, des modèles liées au champ de sonde et à la pompe à chaleur géothermique. Un outil d’optimisation des stratégies de commande, en temps réel, est élaboré en prenant en compte des objectifs en termes de précision et de temps de calcul. Cet outil permet de déterminer un profil de commande optimisé relatif au bâtiment, qui permet de réduire le coût électrique et/ou les émissions de CO2, ceci en fonction des différents paramètres relatifs au bâtiment, à son contexte climatique et aux systèmes (site, météo, enveloppe, tarifs, efficacité des systèmes…). Les algorithmes développés sont basés sur deux méthodes de résolution du problème d’optimisation : la méthode directe et la méthode indirecte. Ces deux méthodes fournissent des résultats prometteurs au niveau du temps de calcul et de la précision. La méthode directe est plus pertinente pour l’application en temps réel : elle est plus rapide, et plus simple et nécessite un temps de développement inférieur à la méthode indirecte. De plus, une étude a permis de comparer, pour une maison individuelle, les pourcentages de gain en fonction des zones climatiques considérées et du niveau d’isolation de l’enveloppe.

The study of optimised control strategies of an energy system leveraging the thermal inertia of a building aims at exploiting the thermal mass of the envelope and implementing an optimal strategy for heating, air conditioning and domestic hot water applications. The developed method makes it possible to optimise the control integrating the envelope, a heat pump and a vertical ground heat exchanger. This thesis incorporates therefore, in addition to building energy simulation, models related to the geothermal borehole field and the heat pump. A control strategy optimisation tool, in real time, is elaborated taking into account objectives in terms of precision and computation time. This tool makes it possible to determine an optimised control profile relating to the building, which makes it possible to reduce the electrical cost and/or GHG emissions, according to the various parameters related to the building, its context and the systems (site, weather, envelope, tariffs, system efficiency, etc.). The developed algorithms are based on two methods of solving the optimisation problem: the direct method and the indirect method. These two methods provide promising results in terms of computation time and accuracy. The direct method is more relevant for the real-time application, as it is faster, and simpler, and requires less development time than the indirect method. In addition, a study made it possible to compare the percentages of gain according to various climate zones and level of insulation of the envelope.