Modèles de bâtiment pour l'optimisation énergétique et l'effacement

HAL Id: pastel-00935434
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Submitted on 23 Jan 2014
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Développement de modèles de bâtiment pour la
prévision de charge de climatisation et l’élaboration de
stratégies d’optimisation énergétique et d’eacement
Thomas Berthou
To cite this version:
Thomas Berthou. Développement de modèles de bâtiment pour la prévision de charge de climatisation
et l’élaboration de stratégies d’optimisation énergétique et d’eacement. Autre. Ecole Nationale
Supérieure des Mines de Paris, 2013. Français. �NNT : 2013ENMP0030�. �pastel-00935434�

N°: 2009 ENAM XXXX
MINES ParisTech
Centre Efficacité énergétique des Systèmes
60 bd Saint-Michel 75272 PARIS Cedex 06
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École doctorale n° 432-SMI : Science des Métiers de l’Ingénieur
présentée et soutenue publiquement par
Thomas BERTHOU
le 16 décembre 2013
Développement de modèles de bâtiment pour la prévision de charge de
climatisation et l’élaboration de stratégies d’optimisation énergétique et
d’effacement
Doctorat ParisTech
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pour obtenir le grade de docteur délivré par
l’École nationale supérieure des mines de Paris
Spécialité “ Energétique et Procédés ”
Directeur de thèse : Dominique MARCHIO
Co-encadrement de la thèse : Pascal STABAT
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Jury
Mme Nelsie BERTHELOT, Docteur, VERI, Veolia Environnement Examinateur
M. Gilles FRAISSE, Professeur, LOCIE, Université de Savoie Rapporteur
M. Christian GHIAUS, Professeur, CETHIL, INSA Lyon Rapporteur
M. Dominique MARCHIO, Professeur, CES, Mines ParisTech Examinateur
Mme Elena PALOMO DEL BARRIO, Professeur, TREFLE, ENSAM Examinateur
M. Raphaël SALVAZET, Ingénieur de recherche, VERI, Veolia Environnement Invité
M. Pascal STABAT, Docteur, CES, Mines ParisTech Examinateur

Thomas Berthou

Thomas Berthou
Sommaire de la thèse
1 Contexte et objectifs...........................................................................................................3
1.1 Contexte de la thèse.....................................................................................................3
1.1.1 Une volonté de réduire les consommations énergétiques dans le secteur
tertiaire.............................................................................................................3
1.1.2 Le bâtiment comme acteur de la flexibilité offre-demande.............................4
1.1.3 Focus sur le chauffage et le refroidissement....................................................6
1.1.4 Focus sur les bâtiments du parc existant.........................................................8
1.2 Les objectifs de la thèse................................................................................................9
Bibliographie............................................................................................................................12
2 Construction de modèles de bâtiment pour la prévision de charge....................................15
2.1 Modélisation thermique des bâtiments pour la prévision de charge : le choix des
modèles inverses.........................................................................................................15
2.2 Création d’un jeu de données pour l’apprentissage des modèles..............................18
2.3 Définition de critères pour la mesure des performances des modèles......................26
2.4 Analyse et élaboration de modèles inverses « boite noire »......................................27
2.4.1 Modèles paramétriques linéaires « boite noire »..........................................27
2.4.2 Modèle « boite noire » non linéaire : exemple des réseaux de neurones .....37
2.4.3 Bilan sur les modèles « boite noire ».............................................................44
2.5 Elaboration de modèles contraints dits « boite grise »...............................................45
2.5.1 Analyse bibliographique.................................................................................45
2.5.2 Elaboration et test de modèles « boite grise »...............................................46
2.5.3 Validation du modèle R6C2 par une étude de sensibilité..............................58
2.5.4 Validation du modèle avec des stratégies d’effacements..............................62
2.5.5 Bilan de l’étude des modèles « boite grise »..................................................64
2.6 Limites d’utilisation du modèle R6C2..........................................................................65
2.6.1 Validité du modèle dans le temps..................................................................65
2.6.2 Validation du modèle R6C2 sur différents bâtiments et climats....................68
2.7 Obtention des entrées/sorties du modèle R6C2 sur un site réel................................70

Thomas Berthou
2.7.1 Instrumentation d’un bâtiment type et interprétation des mesures.............71
2.7.2 Calcul des gains solaires adapté au modèle R6C2..........................................79
2.7.3 Gestion des prévisions météo........................................................................88
2.7.4 Bilan sur l’obtention des entrées des modèles..............................................90
2.8 Conclusion...................................................................................................................92
Bibliographie............................................................................................................................94
3 Conception de stratégies d’optimisation énergétique et d’effacement ...........................101
3.1 Analyse bibliographique............................................................................................102
3.2 Contraintes sur les stratégies d’optimisation............................................................104
3.2.1 Le confort des occupants..............................................................................104
3.2.2 Contraintes de pilotage................................................................................106
3.3 Présentation des stratégies d’optimisation..............................................................107
3.3.1 Calcul des performances des stratégies de conduite optimale....................107
3.3.2 Stratégie 1 : optimisation de la relance en chauffage..................................108
3.3.3 Stratégie 2 : optimisation tarifaire...............................................................113
3.3.4 Stratégie 3 : effacement en puissance.........................................................119
3.3.5 Bilan sur les stratégies d’optimisation et d’effacement...............................123
3.4 Analyse paramétrique : test de la généricité des potentiels de gain........................123
3.4.1 Variation du climat.......................................................................................124
3.4.2 Variation des caractéristiques du bâti..........................................................127
3.4.3 Variation de la structure de prix de l’énergie...............................................130
3.4.4 Bilan de l’analyse paramétrique...................................................................130
3.5 Conclusion.................................................................................................................132
Bibliographie..........................................................................................................................133
4 Cas d’étude : une école élémentaire à Nancy..................................................................137
4.1 Présentation du bâtiment.........................................................................................138
4.1.1 Information générales..................................................................................138
4.1.2 Relevé des masques.....................................................................................140
4.2 Capteurs et mesures.................................................................................................141