Gestion thermique optimale d'un bâtiment : contrôle d'un chauffage à faible inertie, contrôle des échanges extérieurs
Institution:
Paris 11Disciplines:
Directors:
Abstract EN:
This thesis evaluates the advantages of a good thermal control of a building during the heating season. The aims nowadays are: 1) to bring down running costs by taking advantage of both solar energy and off-peak energy rates ; 2)to improve comfort by preventing excessive temperature oscillations. "Simple-Zone" and "Simple Energy-Source” cases are studied with the view to minimizing energy costs and discomfort. When control free, the thermal system (the building) is of linear type, but here two kinds of controls are used: a low inertia heater delivering instant power, and a mobile insulation device (shutter); there-fore the thermal system (building + heater + shutter) is modelized by a nonlinear low dimension state equation. In the first part of this work, only the action of the low inertia heater is taken into account. Modelization in this case results in a degenerated linear-quadratic equation with control constraints, whose optimization leads to better quality comfort. With intermittent occupation and off-peak energy rates, running costs can be cut by up to 25 %. In most realistic meteorological situations, optimal heating management does not anticipate on future meteorological inputs and therefore makes little use of the heat storage capacity of the building. The second part of this wok deals with a two dimension optimal control problem (i. E. Heater and shutters), which is a singular non-linear one, with control constraints. The insulation component of the control is shown to be "bang-bang", thus reducing heating optimization to a linear-quadratic type problem. In the case of a low inertia wall, optimal management of shutters, allows trapping of solar energy during mead season, while reducing night energy lasses, whereas thermal walls (i. E. High inertia walls) are efficient even in winter.
Abstract FR:
"Cette thèse évalue les avantages que l'on peut attendre d'une bonne conduite thermique d'un bâtiment pendant la saison de chauffage. L'enjeu actuel et de diminuer les coûts d'exploitation, en francs, en jouant sur les apports gratuits extérieurs et la tarification variable de l'énergie, et de gagner en confort, en évitant les trop grandes oscillations des tempéra ures d'ambiance. L'étude porte sur des cas "monozone" et "monoénergie" et vise à minimiser la somme de la dépense énergétique et de l'inconfort. Le système thermique (bâtiment) est linéaire à l'état libre. Les commandes de ce système agissent sur la puissance délivrée par un chauffage à inertie faible, et sur un terme d'échange thermique entre le bâtiment et le milieu extérieur (volet). Le système "bâtiment à isolation variable + chauffage" est modélisé par une équation d'état de faible dimension. La première partie de ce travail traite du problème où la commande agit sur la puissance de chauffage seule. Il s'agit d'un problème linéaire-quadratique dégénéré avec contraintes sur la commande. L'intérêt essentiel de la commande optimale porte sur la qualité du confort. En cas d'occupation intermittente, et de tarification énergétique variable sur la journée, l'optimisation peut diminuer les coûts d'exploitation jusqu'à 25%. Dans la plupart des situations météorologiques réelles la gestion optimale du chauffage est sans anticipation sur les entrées météorologiques à venir et joue donc peu sur les capacités de stockage du bâtiment. La deuxième partie traite de l'optimisation avec la commande à deux dimensions (chauffage et isolation). Le problème à résoudre est non linéaire singulier, avec contraintes sur la commande. La solution est du type bang-bang pour les volets et ramène ainsi l'optimisation sur le chauffage à un cas linéaire-quadratique. Dans le cas d'une paroi à faible inertie, la gestion optimale d'un volet permet de bénéficier des apports extérieurs gratuits, pendant les mois de demi-saison, tout en réduisant les pertes nocturnes. Les murs thermiques (parois à forte inertie), eux, trouvent leur intérêt en hiver. "