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No d’ordre 2013-ISAL-xxxx Année 2013 THÈSE Présentée devant L’Institut National

No d’ordre 2013-ISAL-xxxx Année 2013 THÈSE Présentée devant L’Institut National des Sciences Appliquées de Lyon Pour obtenir LE GRADE DE DOCTEUR École doctorale : Électronique, Électrotechnique et Automatique (E.E.A.) Spécialité : Énergie et Systèmes Soutenue par Etienne ARNAL Ingénieur ISEN en Signaux et Systèmes Modélisation et commande hiérarchisées du bâtiment pour l’amélioration des performances énergétiques, thermiques et optiques Soutenue le 11 Janvier 2013 devant la commission composée de Rapporteurs : Pr Rachid Outbib COSI, LSIS, Marseille Pr Hervé Gueguen IETR, Supélec, Rennes Examinateurs : Dr Nicolas Morel LESO-PB, EPFL, Lausanne Pr Joseph Virgone CETHIL, UCBL, Lyon M Philippe Fiani Sherpa Engineering, La Garenne-Colombes Mme Véronique Boutin Schneider Electric, Grenoble Directeurs : Pr Eric Bideaux AMPERE, INSA, Lyon Dr Cédric Anthierens ISM, SUPMECA, Toulon Cette thèse est accessible à l'adresse : http://theses.insa-lyon.fr/publication/2013ISAL0002/these.pdf © [E. Arnal], [2013], INSA de Lyon, tous droits réservés 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 INFOMATHS INFORMATIQUE ET MATHEMATIQUES http://infomaths.univ-lyon1.fr M. Johannes KELLENDONK Université Claude Bernard Lyon 1 INFOMATHS Bâtiment Braconnier 43 bd du 11 novembre 1918 69622 VILLEURBANNE Cedex Tél : 04.72. 44.82.94 Fax 04 72 43 16 87 infomaths@univ-lyon1.fr Matériaux MATERIAUX DE LYON Secrétariat : M. LABOUNE PM : 71.70 –Fax : 87.12 Bat. Saint Exupéry Ed.materiaux@insa-lyon.fr M. Jean-Yves BUFFIERE INSA de Lyon MATEIS Bâtiment Saint Exupéry 7 avenue Jean Capelle 69621 VILLEURBANNE Cédex Tél : 04.72.43 83 18 Fax 04 72 43 85 28 Jean-yves.buffiere@insa-lyon.fr MEGA MECANIQUE, ENERGETIQUE, GENIE CIVIL, ACOUSTIQUE Secrétariat : M. LABOUNE PM : 71.70 –Fax : 87.12 Bat. Saint Exupéry mega@insa-lyon.fr M. Philippe BOISSE INSA de Lyon Laboratoire LAMCOS Bâtiment Jacquard 25 bis avenue Jean Capelle 69621 VILLEURBANNE Cedex Tél :04.72.43.71.70 Fax : 04 72 43 72 37 Philippe.boisse@insa-lyon.fr 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, Geographie, Aménagement, Urbanisme, Archéologie, Science politique, Sociologie, Anthropologie Cette thèse est accessible à l'adresse : http://theses.insa-lyon.fr/publication/2013ISAL0002/these.pdf © [E. Arnal], [2013], INSA de Lyon, tous droits réservés Résumé A notre époque, la maîtrise des consommations énergétiques est un enjeu très im- portant pour la préservation des ressources naturelles terrestres. Face au réchauﬀement climatique et à la diminution des gisements d’énergies fossiles, les états se sont enga- gés à réduire leur consommation en encourageant, en autre, le renouvellement de leur parc immobilier. Les eﬀorts se concentrent donc sur la construction de nouveaux bâti- ments à faible consommation et sur la rénovation des bâtiments anciens. Alors que la construction basse consommation est aujourd’hui une réalité, la rénovation n’est que très rarement mise en pratique. 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. 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 sera réalisée en simulation sur un bâtiment ancien équipé d’un chauﬀage cen- tral, de luminaires et de stores vénitiens intérieurs pilotés. L’architecture de contrôle présentée est issue d’une analyse systémique du bâti- ment et se base sur une approche hiérarchique en adéquation avec les exigences des utilisateurs et les diﬀérentes échelles de représentation. Aﬁn d’expérimenter cette ar- chitecture 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 éﬀectuée 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 radia- teurs, 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 du système 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. Cette thèse est accessible à l'adresse : http://theses.insa-lyon.fr/publication/2013ISAL0002/these.pdf © [E. Arnal], [2013], INSA de Lyon, tous droits réservés Abstract In our time, the control of energy consumption is a very important issue for the preservation of the natural resources. With the global warming and the reduction of fossil energy sources, states have committed to reduce their consumption by encou- raging the renewal of their buildings. Eﬀorts are focused on construction of new low consumption buildings and renovation of old buildings. And 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. Speciﬁcally focusing on automatic and the interest of designing control laws for global cooperation to all home automation. Our approach is to design a hierarchical control architecture and to simulate it in 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 dynamics. The synthesis of actuators control laws was then performed by 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 system. The results showed that the implementation of predictive control on the central heating leads to reduce more than 20% of its energy consumption. Moreover, the optimal control in rooms increase thermal comfort around of 20% and the visual comfort of 75%. Cette thèse est accessible à l'adresse : http://theses.insa-lyon.fr/publication/2013ISAL0002/these.pdf © [E. Arnal], [2013], INSA de Lyon, tous droits réservés Avant-propos Je voudrais avant tout remercier ceux qui m’ont aidé, guidé et supporté tout au long de mes trois années de thèse. Leur présence m’a permis d’achever cette thèse dans de très bonnes conditions : N M. Eric Bideaux, Professeur, mon directeur de thèse, pour m’avoir donné la possibilité de réaliser cette thèse au sein du laboratoire AMPERE de l’INSA Lyon, pour sa rigeur scientiﬁque et pour ses bons conseils. N M. Cédric Anthierens, Maître de Conférence, mon encadrant de thèse, pour son savoir faire technique et sa grande disponibilité. Il a su porter une attention quotidienne à l’avancement de mes recherches. N M. Jean Brunet, Président Directeur Général de Sherpa Engineering, pour m’avoir oﬀert l’opportunité de réaliser cette thèse en relation avec son entreprise. N M. Pierrick Der-Arslanian, Philippe Fiani et Michel Guérin, employés de Sherpa Engineering, pour leurs connaissances en thermique du bâtiment et pour leurs conseils en analyse système. N Et tous les employés de Sherpa Engineering, de SUPMECA Toulon et du labo- ratoire AMPERE pour m’avoir accueilli dans un environnement de travail convi- vial et studieux. Enﬁn, je souhaiterais remercier ma grande famille et mes nombreux amis pour leur présence et leurs encouragements. Ils ont uploads/Ingenierie_Lourd/ modelisation-et-commande-hierarchisees-du-batiment-pour-l-x27-amelioration-des-performances-energetiques-thermiques-et-optiques.pdf