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N° d’ordre 2011 ISAL 0085 Année 2011 Thèse Intégration des systèmes à absorptio

N° d’ordre 2011 ISAL 0085 Année 2011 Thèse Intégration des systèmes à absorption solaire de petites puissances aux bâtiments - approche multifonction solaire : chauffage, ECS et rafraîchissement Présentée devant L’Institut National des Sciences Appliquées de Lyon Pour obtenir Le grade de docteur École doctorale Mécanique, Énergétique, Génie Civil, Acoustique (MEGA) Spécialité Génie Civil (Sols Matériaux, Structures, Physique du bâtiment) Par Noël JABBOUR (Ingénieur) Thèse dirigé par Christian GHIAUS Soutenue le 30 septembre 2011 Rapporteurs : Christian INARD Professeur, Université de La Rochelle Gilles FRAISSE Professeur, Université de Savoie Examinateurs : Gérard KRAUSS Maître de conférences, INSA Lyon Johnny TAKLA Professeur, Université Tichrine Joseph VIRGONE Professeur, Université de Lyon 1 Laboratoire de recherche : Centre de Thermique de Lyon (CETHIL) Cette thèse est accessible à l'adresse : http://theses.insa-lyon.fr/publication/2011ISAL0085/these.pdf © [N. Jabbour], [2011], INSA de Lyon, tous droits réservés Cette thèse est accessible à l'adresse : http://theses.insa-lyon.fr/publication/2011ISAL0085/these.pdf © [N. Jabbour], [2011], INSA de Lyon, tous droits réservés À mes parents et à mon frère Cette thèse est accessible à l'adresse : http://theses.insa-lyon.fr/publication/2011ISAL0085/these.pdf © [N. Jabbour], [2011], INSA de Lyon, tous droits réservés Cette thèse est accessible à l'adresse : http://theses.insa-lyon.fr/publication/2011ISAL0085/these.pdf © [N. Jabbour], [2011], INSA de Lyon, tous droits réservés ÉCOLES DOCTORALES DE L’INSA DE LYON - V - Écoles doctorales de l’INSA de Lyon INSA Direction de la Recherche - Ecoles Doctorales - Quinquennal 2011-2015 SIGLE ECOLE DOCTORALE NOM ET COORDONNEES DU RESPONSABLE CHIMIE CHIMIE DE LYON http://www.edchimie- lyon.fr Insa : R. GOURDON M. Jean Marc LANCELIN Université de Lyon – Collège Doctoral Bât ESCPE 43 bd du 11 novembre 1918 69622 VILLEURBANNE Cedex Tél : 04.72.43 13 95 directeur@edchimie-lyon.fr E.E.A. ELECTRONIQUE, ELECTROTECHNIQUE, AUTOMATIQUE http://edeea.ec-lyon.fr Secrétariat : M.C. HAVGOUDOUKIAN eea@ec-lyon.fr M. Gérard SCORLETTI Ecole Centrale de Lyon 36 avenue Guy de Collongue 69134 ECULLY Tél : 04.72.18 60 97 Fax : 04 78 43 37 17 Gerard.scorletti@ec-lyon.fr E2M2 EVOLUTION, ECOSYSTEME, MICROBIOLOGIE, MODELISATION http://e2m2.universite- lyon.fr Insa : H. CHARLES Mme Gudrun BORNETTE CNRS UMR 5023 LEHNA Université Claude Bernard Lyon 1 Bât Forel 43 bd du 11 novembre 1918 69622 VILLEURBANNE Cédex Tél : 04.72.43.12.94 e2m2@biomserv.univ-lyon1.fr EDISS INTERDISCIPLINAIRE SCIENCES-SANTE http://ww2.ibcp.fr/ediss Sec : Safia AIT CHALAL Insa : M. LAGARDE M. Didier REVEL Hôpital Louis Pradel Bâtiment Central 28 Avenue Doyen Lépine 69677 BRON Tél : 04.72.68 49 09 Fax :04 72 35 49 16 Didier.revel@creatis.uni-lyon1.fr Le tableau continue à la page suivante. Cette thèse est accessible à l'adresse : http://theses.insa-lyon.fr/publication/2011ISAL0085/these.pdf © [N. Jabbour], [2011], INSA de Lyon, tous droits réservés - VI - ÉCOLES DOCTORALES DE L’INSA DE LYON INSA Direction de la Recherche - Ecoles Doctorales - Quinquennal 2011-2015 (continu) SIGLE ECOLE DOCTORALE NOM ET COORDONNEES DU RESPONSABLE INFOMATHS INFORMATIQUE ET MATHEMATIQUES http://infomaths.univ- lyon1.fr M. Johannes KELLENDONK Université Claude Bernard Lyon 1 LIRIS - INFOMATHS Bâtiment Nautibus 43 bd du 11 novembre 1918 69622 VILLEURBANNE Cedex Tél : 04.72. 43.19.05 Fax 04 72 43 13 10 infomaths@bat710.univ-lyon1.fr Matériaux MATERIAUX DE LYON M. Jean-Yves BUFFIERE Secrétaire : Mériem LABOUNE INSA de Lyon École Doctorale Matériaux Mériem LABOUNE Bâtiment Antoine de Saint-Exupéry 25bis Avenue Jean Capelle 69621 VILLEURBANNE Tel : 04 72 43 71 70 Fax : 04 72 43 72 37 ed.materiaux@insa-lyon.fr MEGA MECANIQUE, ENERGETIQUE, GENIE CIVIL, ACOUSTIQUE (ED n°162) M. Philippe BOISSE Secrétaire : Mériem LABOUNE Adresse : INSA de Lyon École Doctorale MEGA Mériem LABOUNE Bâtiment Antoine de Saint-Exupéry 25bis Avenue Jean Capelle 69621 VILLEURBANNE Tel : 04 72 43 71 70 Fax : 04 72 43 72 37 mega@insa-lyon.fr Site web : http://www.ed-mega.com ScSo ScSo* M. OBADIA Lionel Sec : Viviane POLSINELLI Insa : J.Y. TOUSSAINT M. OBADIA Lionel Université Lyon 2 86 rue Pasteur 69365 LYON Cedex 07 Tél : 04.78.69.72.76 Fax : 04.37.28.04.48 Lionel.Obadia@univ-lyon2.fr *ScSo : Histoire, Géographie, Aménagement, Urbanisme, Archéologie, Science politique, Sociologie, Anthropologie Cette thèse est accessible à l'adresse : http://theses.insa-lyon.fr/publication/2011ISAL0085/these.pdf © [N. Jabbour], [2011], INSA de Lyon, tous droits réservés RESUME - VII - Résumé L’introduction des nouvelles machines frigorifiques à absorption de petites puissances ouvre des nouvelles perspectives pour les systèmes solaires multifonction multi-source (SYSMFS) qui exploitent le potentiel de l’énergie solaire pour le chauffage, le refroidissement et la préparation de l’eau chaude sanitaire (ECS). Les systèmes solaires combinés (SSC), qui ont précédé les SYSMFS, manquaient néanmoins d’une procédure adaptée pour le dimensionnement de leurs composants principaux : le panneau solaire et le ballon solaire de stockage thermique. Du point de vue de l’énergie et du coût d’investissement et d’exploitation, une méthode de dimensionnement basée sur le pic de charge ne conviendrait pas si la stabilité de la source d’énergie n’est pas garantie dans le temps. Une optimisation des composants principaux par la simulation peut être alors une solution clef pour le dimensionnement optimal des SYSMFS. À partir des informations sur les SSC trouvées dans la littérature et celles du fabricant de la machine frigorifique, un schéma hydraulique initial a été élaboré pour un SYSMFS. La modélisation de ce schéma est complexe, des simulations et des modifications répétitives ont été nécessaires pour éliminer les problèmes de convergence vers la solution. A partir de cette expérience, une méthodologie de conception assistée par simulation a été élaborée afin d’en profiter pour des modélisations similaires. En tant que tel, le modèle devrait être prêt pour la phase l’optimisation. Une étude paramétrique a été menée sur le modèle SYSMFS ; elle offre les données requises pour la comparaison des algorithmes d’optimisation qui sont testés par la suite. Le résultat de cette étude est une surface de réponse qui représente un coût du système étudié en fonction de ces paramètres à optimiser ; à savoir la surface du panneau solaire et le volume du stockage thermique. Pour réduire le nombre des simulations requis par une étude paramétrique complète, l’utilisation d’un algorithme d’optimisation est nécessaire. Un algorithme basé sur les plans d’expériences (OptDOE) a été développé et sa performance est testée avec celles d’un algorithme d’optimisation hybride sur une fonction de référence de Rosenbrock et sur le modèle SYSMFS. Comparé à l’algorithme hybride, OptDOE a montré une bonne performance. Le nombre de simulations est réduit et les valeurs optimales trouvées, par cette méthode, sont proches de celles de l’étude paramétrique L’OptDOE permet également de décrire le comportement du modèle SYSMFS au voisinage de l’optimum avec une fonction coût approximée. Cette information est importante surtout dans le cas où la fonction coût a la forme de vallée. Dans cette situation, des valeurs différentes de l’optimum donnent presque le même coût global. Mots-clefs : bâtiment, capteur solaire, modélisation, optimisation, plans d’expériences. Cette thèse est accessible à l'adresse : http://theses.insa-lyon.fr/publication/2011ISAL0085/these.pdf © [N. Jabbour], [2011], INSA de Lyon, tous droits réservés - VIII - RESUME Cette thèse est accessible à l'adresse : http://theses.insa-lyon.fr/publication/2011ISAL0085/these.pdf © [N. Jabbour], [2011], INSA de Lyon, tous droits réservés ABSTRACT - IX - Abstract The introduction of new low capacity absorption chillers opens new prospects for the multifunction multisource solar systems (MFSSYS) which exploit the full potential of the solar energy for heating, cooling and production of domestic hot water (DHW) purposes. The solar combisystems (SCS), which preceded the MFSSYS, lacked an adapted procedure for the sizing of their main components: the solar collector and the solar thermal storage tank. From the point of view of the energy and investment cost, a sizing method based on the peak load may fail if the energy source is not guaranteed to be stable. An optimization of the main components by simulation may be then a key solution for an optimal sizing of the MFSSYS. An initial hydraulic schematic is elaborated for the MFSSYS based on information found in the literature about the SCS and the data made available by the chiller manufacture. The modeling of this schematic is complex as redundant simulation and modification were necessary in order to eliminate the potential problems of solution convergence. From this experience, a method of simulation aided design is elaborated. Parametric runs were carried out on the MFSSYS model. They offer needed information for the comparison of the optimization algorithms which are tested later on. The outcome of these parametric runs is a response surface which represents the cost of the MFSSYS as a function of the solar collector surface area and the volume of the solar thermal storage tank. In order to reduce the number of simulations required by a complete parametric runs method, the use of optimization algorithm become a necessity. An optimization algorithm based on the design of experiments (OptDOE) is developed; its performance is compared with the one of a hybrid optimization algorithm in two cases: a reference function of Rosenbrock and the model of the MFSSYS. Compared to the hybrid optimization algorithm, OptDOE has showed good performance. The number of simulations is reduced and the optimized values, found by this method, are close to those of the parametric runs. The main advantage of OptDOE is to describe the behavior of the cost function in the neighborhood of the optimum. This information is valuable especially when the cost function has a valley-like form, which is the case for the systems we studied. In this case, the cost has approximately uploads/Ingenierie_Lourd/ integration-des-systemes-a-absorption-solaire-de-petites-puissances-aux-batiments-approche-multifonction-solaire-chauffage-ecs-et-rafraichissement.pdf