Hierarchical modeling and control of buildings for enhanced energetical, thermal and optical performances
Modélisation et commande hiérarchisées du bâtiment pour l'amélioration des performances énergétiques, thermiques et optiques
Résumé
Today, the control of energy consumption is a very important issue for the preservation of the natural resources. Besides transportation domain, substancial energetic gains exist in residential and office buildings. While low energy building is now a reality, the renovation is rarely put into practice. The objective of this thesis is to evaluate the potential energy savings resulting from the renovation of old buildings. In the core of this work are the problematics of the building system and of the household comfort. Based on this knowledge, we propose here a global control architecture of the building, which accomodates thermal and optical confort, and reduction of energy consumption. Specifically, we focus on automatic control and systemic approach, which enable, from modelling to control law synthesis, a global cooperation of all home automation equipments. Our approach is to design a hierarchical control architecture and simulate it in the case of an old building with central heating, lighting and interior Venetian blinds. The control architecture is designed from a systemic analysis of buildings. It is based on a hierarchical approach in order to adapt to user requirements and to different scales of spatial representation (from the building to the room). To experiment this control architecture, a physical multi-scale model of building was developed using a Bond-Graph approach. This model allows to estimate the optical and thermal behavior of the building separating the slow dynamics of the fast ones. The synthesis of actuators control laws was then performed after reducing the simulation model. It helped to implement two control laws : The first is expressed throughout the building by a predictive control of central heating system and considers the future behaviour of the outdoor temperature and solar radiative power. The second takes place at the rooms level as an optimal control of radiators, Venetian blinds and lighting to ensure the operative temperature and illumination desired by the occupants. The study of energy savings offered by the renovation of the control system helped to highlight the interest of the presented control architecture. The results showed that the implementation of predictive control on the central heating leads to reduce more than 20% of the energy consumption. Moreover, the optimal control in rooms increase thermal comfort around 20% and the visual comfort by 75%.
A notre époque, la maîtrise des consommations énergétiques est un enjeu très important pour la préservation des ressources naturelles terrestres. Outre le domaine des transports, des gains énergétiques significatifs existent dans le domaine des bâtiments résidentiels ou tertiaires. Alors que la construction basse consommation est aujourd'hui une réalité, la rénovation n'est que très rarement mise en pratique. Ainsi, l'objectif de cette thèse est d'évaluer les gains énergétiques potentiels issus de la rénovation d'un bâtiment ancien pour être en cohérence avec son environnement et ses modes d'exploitation. Au coeur de ce travail se trouvent les problématiques du système bâtiment, et du confort des occupants. Au regard de ces connaissances, nous proposons une architecture globale de contrôle du bâtiment répondant à des missions de confort optique et thermique, et de réduction des consommations énergétiques. Pour cela nous nous appuyons sur l'approche systémique et l'Automatique qui permettent depuis la modélisation jusqu'à l'élaboration de lois de commande de faire coopérer toutes les installations domotiques. L'évaluation du contrôle est réalisée en simulation sur un bâtiment ancien équipé d'un chauffage central, de luminaires et de stores vénitiens intérieurs pilotés. L'architecture de contrôle présentée est issue d'une analyse systémique du bâtiment et se base sur une approche hiérarchique en adéquation avec les exigences des utilisateurs et les différentes échelles de représentation. Afin d'expérimenter cette architecture de contrôle, un modèle physique de bâtiment multi-échelle a été réalisé en utilisant une approche Bond-Graph et permet d'estimer le comportement optique et thermique du bâtiment en séparant les dynamiques lentes et rapides. La synthèse des lois de commande a ensuite été effectuée en réduisant ce modèle de simulation et a permis d'implémenter deux lois de commandes. La première s'exprime à l'échelle du bâtiment par une commande prédictive du chauffage central et considère l'évolution future de la température extérieure et de la puissance radiative solaire. La seconde prend place au niveau des pièces sous la forme d'une commande optimale des radiateurs, des stores et des luminaires afin d'assurer la température opérative moyenne et l'éclairement moyen souhaité par les occupants. L'étude des gains énergétiques offerts par la rénovation du système de contrôle a permis de mettre en valeur l'intérêt de l’architecture de contrôle présenté. Les résultats ont montré que l'implantation d'une commande prédictive sur le chauffage central permet de réduire de plus de 20% ses consommations énergétiques. Par ailleurs, le contrôle optimal dans les pièces offre un gain d'environ 20% sur le confort thermique et de 75% sur le confort optique.
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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