Modélisation des systèmes multi énergies dans les bâtiments

Numéro d’ordre 05ISAL Année 2008
Thèse
Modélisation des systèmes multi énergies
dans les bâtiments
Résumé en français
présentée devant le
Politecnico di Torino
et
L’Institut National des Sciences Appliquées de Lyon
pour obtenir le
grade de docteur
Ecole Doctorale : SCUDO et MEGA
Spécialité : Energetica et Génie Civil
par
Enrico FABRIZIO
Soutenue le 2 juillet 2008
Jury
FILIPPI Marco Professeur Directeur de thèse
VIRGONE Joseph Maître de conférences Directeur de thèse
BECCALI Marco Professeur associé Examinateur
ROUX Jean-Jacques Professeur Examinateur
SCORLETTI Gérard Professeur Rapporteur
ZECCHIN Roberto Professeur Rapporteur

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Résumé
Avec le terme systèmes multi énergies on entend les systèmes énergétiques hybrides qui
sont à même de faire face aux charges thermiques, frigorifiques et électriques d’un
bâtiment par la mise en service de convertisseurs d’énergie divers, activés par des sources
d’énergies primaires et secondaires, renouvelables ou non. Ces systèmes sont caractérisés
par un grand potentiel d’amélioration de l’efficacité énergétique dans la transformation
des énergies et dans la production des fluides énergétiques lorsqu’ils sont correctement
conçus et gérés même lorsqu’ils fonctionnent à charge partielle (une condition dans
laquelle ils se trouvent opérer la plupart du temps à cause de la variabilité de la demande
d’énergie des bâtiments).
Plusieurs exemples de systèmes multi énergies peuvent être tirés de la littérature, et
comprennent, diversement associés, les convertisseurs pour l’exploitation de l’énergie
solaire à des fins thermiques, frigorifiques et électriques, les systèmes à biomasses, les
micro-cogénérateurs, les pompes à chaleur géothermiques, les piles à combustible, les
éoliennes, etc.
Le projet d’un système multi énergies, en terme de dimensionnement et de gestion,
consiste à définir les dynamiques de la demande d’énergie et à optimiser l’offre d’énergie
par l’emploi de convertisseurs divers, des stockages, des systèmes de back-up. Dans la
littérature ce problème est traité en se référant à des configurations spécifiques, dont on
fournit des exemples, mais non à travers des outils intégrés qui permettent la comparaison
entre plusieurs configurations. Ce travail est donc principalement un travail de synthèse
qui comble cette lacune.
La thèse propose l’avancement des connaissances relatives aux critères de sélection des
convertisseurs d’énergie à utiliser, des sources d’énergie à exploiter, des logiques de
fonctionnement et des systèmes techniques à utiliser afin de poursuivre les objectifs
d’une meilleure efficacité dans l’usage des énergies renouvelables ou non, et de réduire
les émissions de CO2 du secteur du bâtiment, dont la consommation représente 40% de la
consommation en énergie primaire en Europe.
A la base de la recherche c’est la définition d’une méthodologie originale pour la
modélisation des configurations des systèmes multi énergies basée sur la méthode

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d’analyse du energy hub qui permet de prendre en compte, d’une manière synthétique, le
couplage entre demande et offre d’énergie dans un bâtiment. Cette méthode permet aussi
de prendre en compte la qualité des énergies, la variabilité des rendements de conversion
en fonction des conditions de fonctionnement des systèmes et la variabilité des conditions
de fonctionnement.
Pour quelques catégories de convertisseurs d’énergie, un ensemble de données de
référence sur la performance et les coûts a été ressemblé qu’il convient d’utiliser
lorsqu’on vérifie la performance d’un système multi énergie complet par rapport au profil
de demande d’énergie qui le concerne. A partir de cette base de données, nous avons
déterminé les coefficients numériques des fonctions qui décrivent la performance de
chaque famille de convertisseurs d’énergie.
Les approfondissements qui en découlent, soit théoriques, soit applicatifs, concernent la
définition des critères d’évaluation et les procédures de sélection de ces systèmes, en
prenant particulièrement en compte toutes les spécificités de ces systèmes.
Par rapport aux procédures couramment disponibles, cette recherche a visé à configurer
un outil de modélisation des systèmes multi énergies pour les bâtiments qui prenne en
compte tous les flux d’énergies dans le bâtiment et qui puisse se référer à une
configuration ouverte et non pas à une unique typologie de système en particulier.
Les potentiels des applications de cette recherche apparaissent nombreux, étant donné le
nombre de systèmes multi énergies dans les bâtiments et qui va certainement augmenter
dans un futur proche, en considération de la constante diffusion de systèmes exploitant les
énergies renouvelables. Les connaissances théoriques et applicatives que cette thèse
apporte, pourront aussi servir de support aux administrations, usagers, installateurs et
fabricants de systèmes, du moment où elles concourent au mûrissement d’une plus grande
conscience énergétique et environnementale dans le couplage de différentes sources
d’énergies, convertisseurs et systèmes pour le bâtiment.

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Table des matières
1- INTRODUCTION 8
1-1 Exemples 9
1-2 Discussion 10
1-3 Position du problème et objectifs de la thèse 11
1-4 Aperçu de la thèse 12
2- TECHNIQUES DE MODELISATION ET LOGICIELS POUR L’ANALYSE DES
SYSTEMES MULTI ENERGIES 14
2-1 Techniques de modélisation 14
2-1-1 Modèles de séries chronologiques 14
2-1-2 Modèles statistiques 15
2-2 Logiciels pour l’analyse des systèmes multi énergies 15
2-2-1 EnergyPlus 16
2-2-2 HOMER 16
2-2-3 RETScreen International 17
2-2-4 DER-CAM 17
2-2-5 HYBRIDS 18
2-2-6 Hybrid2 18
2-2-7 FACES 18
2-2-8 Discussion 19
3- LA CARACTERISATION DE LA DEMANDE D’ENERGIE 20
3-1 Paramètres 20
3-2 Facteurs d’influence 23
3-2-1 Limites du système 23
3-2-2 Fluides et températures 23
3-2-3 Qualité de l’ambiance intérieure 24
4- LA CARACTERISATION DE L’OFFRE D’ENERGIE 25
5- LA CARACTERISATION DES CONVERTISSEURS D’ENERGIE 27
6- LA MODELISATION DE L’ENERGY HUB 29
7- APPLICATIONS DU ENERGY HUB ET ETUDES DE CAS 33
7-1 Les applications de l’algorithme de couplage 33
7-2 La méthode saisonnière 33
7-2-1 Objet de la méthode 33
7-2-2 Spécifications du modèle 34
7-2-3 Données d’entrée 35
7-2-4 Sorties du modèle et résultats 36
7-2-5 Maison Mozart 36
7-2-5-1 Description de l’étude de cas 36
7-2-5-2 La description de l’energy hub 37
7-2-5-3 Les fonctions objectives 40
7-2-5-4 Contraintes liées aux sources renouvelables 40
7-2-5-5 Conception du système 41
8- CONCLUSIONS 44
REFERENCES ET BIBLIOGRAPHIE 46