LES EVOLUTIONS DE TRNSYS – LA VERSION 16
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Journée thématique SFT-IBPSA mars 2005 _________________________________________________________________________________________________________________ LES EVOLUTIONS DE TRNSYS – LA VERSION 16 Werner KEILHOLZ1, Paul SETTE1 1 Centre Scientifique et Technique du Bâtiment 290 Route des Lucioles, BP 209, F-06904 Sophia Antipolis Cedex [email protected], [email protected] 1. CONTEXTE Développé par le CSTB dans le cadre de collaborations internationales, TRNSYS est aujourd'hui un outil de référence au niveau mondial dans le domaine de la simulation dynamique de bâtiments et de systèmes. L'atelier de simulation Trnsys Simulation Studio est un exemple réussi d’une structure d’accueil permettant à la fois le développement de nouveaux modèles numériques et l’exécution d’études de simulations dynamiques. Les modèles numériques issus des travaux de recherche peuvent ainsi facilement être échangés et appliqués, notamment dans les bureaux d’études. La nouvelle version de TRNSYS se présente encore plus ouverte en termes de connexions vers d’autres outils, les langages de programmation, et les outils bureautiques. En même temps, elle tient compte des besoins spécifiques des bureaux d’études dans un contexte d’exploitation commerciale. Cet article présente les évolutions de l’outil, à la fois au niveau du noyau, de son interface graphique et des composants standards. Cet article utilise les synonymes « modèle », « composant » et « TYPE » pour designer des modèles mathématiques de comportements physiques. 2. PRESENTATION DE TRNSYS L'atelier de simulation Trnsys Simulation Studio est une structure d’accueil permettant à la fois le développement de nouveaux modèles numériques et l’exécution d’études de simulations dynamiques. Développé par le CSTB dans le cadre de collaborations internationales, TRNSYS est aujourd'hui la référence au niveau mondial dans le domaine de la simulation dynamique de bâtiments et de systèmes. La simulation dynamique permet, par exemple, de simuler le comportement énergétique d'un bâtiment et de son équipement (chauffage, climatisation), en fonction de l'emplacement, des matériaux de construction utilisés, de l'architecture, du concept énergétique choisi, etc. Journée thématique SFT-IBPSA mars 2005 _________________________________________________________________________________________________________________ La conception modulaire et ouverte de TRNSYS, basée sur une définition d’une interface logicielle rigoureuse (un API, sorte de ‘protocole’ entre le noyau et les modèles numériques) a encouragé un grand nombre d’équipes à intégrer des composants dans cette structure d’accueil. Ces composants sont ensuite directement utilisables et connectables avec tous les composants existants. De nombreuses collaborations multidisciplinaires ont été réalisées grâce à cette infrastructure. Quelques 50 familles de composants, disponibles en standard dans une bibliothèque, permettent de simuler, en régime transitoire, les bâtiments (mono ou multizonaux), les systèmes de chauffage et de climatisation, les plus simples comme les plus complexes, y compris les systèmes solaires innovants. Des composants utilitaires permettent de coupler la simulation avec les conditions météorologiques, des plans d'occupation, d'utilisation de différentes formes d'énergie, et de générer les fichiers de résultats souhaités. 3. EVOLUTIONS DANS LE NOYAU Le noyau de TRNSYS a non seulement évolué au niveau numérique, mais également dans sa capacité à s’interfacer avec des composants externes. Une efficacité et une robustesse accrue ont été obtenuées par l’introduction de la méthode de la relaxation numérique. Cette méthode itérative a été intégrée dans le solveur ‘classique’ de TRNSYS (la substitution successive) et intervient automatiquement si celle-ci ne permet pas de résoudre le problème posé. Un champs d’application typique de la méthode est le couplage entre simulations thermiques de bâtiments et simulations aérauliques. Dans TRNSYS, ce type de couplage est possible par le biais de plusieurs techniques différentes. Une des techniques consiste à représenter l’aspect thermique par un modèle numérique (e.g. TYPE 56), et l’aspect aéraulique par un autre (e.g. COMIS). Les variables des deux composants sont ensuite couplées. Ce couplage posait traditionnellement des problèmes dans la résolution numérique, dus, par exemple, aux évolutions opposées des variables ‘température de l’air’ d’un côté et ‘débit’ de l’autre. Dans des versions antérieures de TRNSYS, ce type de problème numérique devait être adressé par l’utilisateur. Une méthode consistait à introduire des modèles spécifiques de type ‘damper’ (« amortisseur ») : leur unique rôle était d’assurer la convergence, ils ne représentaient pas de phénomène physique. Grâce à l’intégration de la méthode de la relaxation numérique, la plupart des problèmes de cette classe peuvent maintenant être résolus de manière automatique : l’utilisateur peut coupler ces modèles directement, sans se soucier des problèmes numériques. L’ajout d’un nouveau composant à un outil comme TRNSYS revient à ajouter une fonction (dans le sens sous-programme) à l’ensemble des fonctions existantes. Un des avantages décisifs de TRNSYS vient du fait qu’à la fois les conventions et la méthode pour ce faire sont clairement définies et documentées. Grâce à cette rigueur, les modèles numériques développés à travers le monde deviennent inter-opérables. Cependant, l’ajout de composants TRNSYS a longtemps été limité à des programmes écrits en FORTRAN, langage d’origine de TRNSYS. L’ajout d’un nouveau modèle nécessitait la recompilation de TRNSYS avec un compilateur. Avec TRNSYS 15, la possibilité d’utiliser des fonctions écrites dans d’autres langages est apparue. La version 16 de TRNSYS étend cette possibilité à l’architecture même de l’outil, et permet ainsi d’inclure un nombre illimité de modèles écrits dans Journée thématique SFT-IBPSA mars 2005 _________________________________________________________________________________________________________________ n’importe quel langage de programmation capable de générer une librairie à liaison dynamique (ce qui est le cas de la plupart des langages couramment utilisés aujourd’hui). Une librairie à liaison dynamique (ou DLL, pour Dynamic Link Library) est le résultat de la compilation d’un programme (code source) sous forme de bibliothèque (plutôt que d’exécutable). TRNSYS 16 est capable d’utiliser directement des modèles numériques contenus dans des DLL. L’avantage en terme de flexibilité est énorme : il suffit désormais de copier un nouveau modèle sur son disque dur pour pouvoir l’exécuter ! Cela ne permet pas seulement à un utilisateur d’utiliser des modèles d’un collègue sans même posséder un compilateur. Il est surtout possible de combiner plusieurs extensions en même temps, sans se soucier de l’intégration : il suffit de copier les DLLs fournies par l’auteur / les auteurs. Fig. : L’architecture multi-DLL rend l’intégration d’un nouveau composant facile – il suffit de copier un fichier. En même temps, la méthode traditionnelle d’ajout de composants reste disponible pour des raisons de compatibilité descendante. Un grand nombre d’autres améliorations qui dépassent le cadre de cet article ont été apportés au noyau. 4. L’INTERFACE GRAPHIQUE La complexité des outils de simulation a longtemps été un frein à leur utilisation dans l’industrie, et surtout dans les bureaux d’études. Les concepteurs de TRNSYS ont très tôt reconnus l’importance d’une interface graphique performante et moderne. Ainsi, le concept IISiBat (Intelligent Interface for the Simulation of Buildings) à été appliqué à TRNSYS dès la version 14. Cette interface graphique a évolué avec le noyau de TRNSYS, et est, au fil du temps, devenu le point d’entrée privilégié de TRNSYS : dans la version 16, il rassemble tous les composants et outils auxiliaires du package dans un même environnement de travail, le TRNSYS Simulation Studio. On retrouve les évolutions du noyau dans les fonctionnalités de l’interface : gestion de composants, création de nouveaux composants (on trouve par exemple des assistants pour créer des composants en C/C++ en plus du FORTRAN traditionnel), etc. Le concept des bibliothèques à liaison dynamique se reflète dans une technologie similaire au niveau de l’interface graphique : les ‘Plug-in’. Un Plug-in est une interface graphique spécifique pour un composant (modèle). Par exemple, un utilisateur qui créé un nouveau composant ‘éolienne’ pourrait fournir une interface représentant le schéma technique de l’objet modélisé, et offrir une saisie plus claire et confortable à l’utilisateur de son modèle que la fenêtre par défaut de TRNSYS, qui liste Journée thématique SFT-IBPSA mars 2005 _________________________________________________________________________________________________________________ simplement les paramètres du modèle avec valeurs par défaut, unités et dimensions. Comme pour la création des composants eux-mêmes, le ‘protocole d’échange’ avec l’interface graphique de TRNSYS est rigoureusement défini, permettant aux utilisateurs d’échanger facilement les Plug-in par simple copie de fichiers. Le contact avec les bureaux d’études nous a motivé pour ajouter un nouveau mode d’interaction à l’environnement de simulation : les assistants. Connu des applications bureautiques, telles que les éditeurs de texte, ce concept permet d’accompagner un utilisateur dans la création d’un projet de simulation. Un des avantages de cette méthode est le fait que l’assistant permet de dialoguer avec l’utilisateur de manière très simplifiée (et par conséquent efficace), en utilisant des modes d’interaction adaptés à chaque étape. Ce dialogue mène à la création d’un projet « classique », compatible avec un projet de simulation créé « à la main ». Cette approche permet de donner une vue simplifiée d’un projet de simulation, tout en conservant la possibilité de modifier tous les paramètres (après la création automatique du projet). Ceci évite également de « cacher » complètement la complexité du processus de modélisation – un piège dangereux (mais maintenant généralement reconnu) dans une démarche visant à généraliser l’usage des outils avancés. Ce concept d’assistant (« wizard » en anglais) est appliqué aux projets de bâtiments multi- zonaux dans TRNSYS 16. L’assistant permet de créer un projet complet en 10 étapes, partant du zonage et menant à un projet complet et exécutable. De nombreuses autres améliorations ont été réalisées dans l’interface graphique, ainsi que dans le générateur d’applications autonomes (TRNEdit), visant une utilisation toujours plus efficace. Fig. : Création d’un projet de simulation de bâtiment à partir de l’assistant 5. LA BIBLIOTHEQUE DE COMPOSANTS De nombreuses bibliothèques de modèles TRNSYS sont aujourd’hui disponibles dans le domaine publique, couvrant un large spectre d’applications. (Energie solaire, Eoliennes, Hydraulique, Microcontrôleurs, Photovoltaïque, Piles à combustibles, Piscines, Plafond rayonnant, Planchers chauffants, Pompes à chaleur, Régulation, Stockage d’énergie intersaison, Systèmes de climatisation, Thermique du bâtiment, Tours de refroidissements, Turbines à gaz, Matériaux à changement de phase, piles à combustible, …). Ces bibliothèques peuvent être connectées pour effectuer des études pluridisciplinaires. Journée thématique SFT-IBPSA mars 2005 _________________________________________________________________________________________________________________ La disponibilité de ces modules libres sous forme de code source et en tant que module bien structuré (car exigé par la structure d’accueil de TRNSYS), permet une intégration facile dans d’autres environnements de simulation ou programmes de calcul. TRNSYS est ainsi à la base de nombreux développements spécifiques, allant d’applications simplifiées (e.g. SimSol, outil de prédiction des performances thermiques des installations de production d’eau chaude solaire collective) aux outils de simulations complexes (e.g. outil CA-SIS / EDF). Les développements de modèles à travers le monde alimentent régulièrement la version standard de TRNSYS, et assurent ainsi son évolution et son actualité. La qualité de ces modèles est, en général, mise à l’épreuve pendant une phase exploratoire, dans le cadre de la bibliothèque de modèles gratuits, TRNLIB. Les composants jugés aptes à être intégrés dans la version standard sont ensuite vérifiés et adaptés pour s’assurer qu’il sont conformes aux standards de TRNSYS. Dans la version 16, on trouve, entre autres, une nouvelle bibliothèque de systèmes énergétiques utilisant l’hydrogène (les HYDROGEMS), un composant combiné lecteur de données – processeur de radiations solaires, et des améliorations du modèle de bâtiment multi-zonal (type 56). Un autre ensemble de nouveaux composants permet à TRNSYS 16 de mieux communiquer avec des applications externes, telles que MATLAB / Simulink, le solveur d’équations EES et Excel. Tous ces logiciels peuvent ainsi être utilisés pour définir des modèles numériques. Bien que cette possibilité existait théoriquement depuis la version 15 de TRNSYS, la mise en œuvre de ce type de connexion était compliquée à programmer. Les nouveaux composants gèrent la communication via le système d’exploitation (en utilisant la technologie COM) – il suffit de spécifier le nom du fichier à exécuter (e.g. une feuille Excel) et de respecter certaines conventions (e.g., fournir une case Excel avec un nom prédéfini ou une fonction VBA nommé « TRNSYS »). Les liens vers des simulateurs aérauliques tels que COMIS sont toujours maintenus. Fig. : Création d’un composant dans Excel En France, une action visant à mieux adapter TRNSYS aux besoins des bureaux d’études français à été menée en collaboration avec l’ADEME et l’association ICO. Un certain nombre de composants spécifiques a été développé dans ce contexte. Ces composants sont disponibles gratuitement sur le site Web des logiciels du CSTB, http://software.cstb.fr 6. CONCLUSION Cet article a passé en revue les principales évolutions de l’environnement de simulation TRNSYS 16 depuis sa dernière mise à jour majeure. De nouveaux concepts introduits à la fois dans le noyau, Journée thématique SFT-IBPSA mars 2005 _________________________________________________________________________________________________________________ l’interface graphique et les modèles visent à rendre l’outil toujours plus adaptable, flexible et simple à utiliser. Ces améliorations mènent également à une meilleure interopérabilité entre TRNSYS et d’autres outils numériques, voir des outils bureautiques. Une attention particulière a été accordée à l’utilisation dans les bureaux d’études, où la disponibilité de composants adaptés aux spécificités françaises ainsi que la liaison avec d’autres outils (bureautique, mais aussi d’autres outils de calcul) sont un facteur important. 7. REMERCIEMENTS Les auteurs souhaitent remercier les membres du groupe TRNSYS – le Laboratoire de l’énergie solaire de l’Université de Wisconsin Madison, Transsolar Energietechnik à Stuttgart, ainsi que TESS, Wisconsin. Ces travaux ont été réalisés avec l’appui de l'Agence de l'Environnement et de la Maîtrise de l'Energie (ADEME). 8. REFERENCES Klein, S. 2004. EES – Engineering Equation Solver. F-Chart Software. Didier FOUQUET et Sylvie HUC, « Les bureaux d’études face à la simulation dynamique », Conférence IBPSA-France 18/10/2002 Klein, S. 2000. TRNSYS – A transient system simulation program. Engineering Experiment Station Report 38-13. Solar Energy Laboratory, University of Wisconsin-Madison. The Mathworks, Inc, 2003 – MATLAB et Simulink sont des marques déposées Microsoft Corporation, 2004 – Microsoft Excel est une marque déposée Feustel, H. 1998. COMIS – An International Multizone Air-Flow and Contaminant Transport Model. LBNL Technical Report LBNL-42182. Lawrence Berkeley National Laboratory. Keilholz, W., « Applications of the ISE Concept », La lettre de l'IA, numéro 123 / actes de la conférence Interfaces 97 , Montpellier, mai 1997
