Etude de stratégies de gestion en temps réel pour des bâtiments énergétiquement performants

To reach the objectives of reducing the energy consumption of buildings and decreasing their impact on the electrical grid, it is necessary to elaborate real time control strategies in view of smart grids and demand response programs. In this context, this thesis aims at developing real time control strategies for electric load shifting in energy efficient buildings. First, these strategies require appropriate models regarding weather forecast, occupants' behaviour and building energy simulation. Then, in order to improve the reliability of building energy simulation and to ensure optimal control of facilities, a calibration process of the model based on on-site measurements is recommended. In this way a new methodology was developed , based on a screening technique and a bayesian inference method (approximate bayesian computation). Finally, two optimisation techniques were studied to develop real time control strategies. The first technique was based on offline optimisation methods. The principle is to approximate optimisation results (and more specifically model based predictive controllers results) and to extract simplified control strategies. The second method consisted in using model predictive control and, more precisely, in solving in real time a state and input constrained optimal control problem by interior penalty methods. An actual experimental passive house being part of the INCAS platform built by the National Solar Energy Institute (INES) was used to study by numerical simulation the different strategies developed.Dans l'objectif de réduire les consommations énergétiques des bâtiments et de diminuer leur impact sur le réseau électrique, il est utile de disposer de stratégies de gestion énergétique en temps réel. Il s'agit en effet d'un verrou clé dans la perspective des réseaux intelligents (« smart grids ») et des programmes de gestion de la demande (« demand response »). Cette thèse propose ainsi le développement de stratégies de gestion en temps réel du chauffage électrique d'un bâtiment énergétiquement performant en période de pointe électrique. Tout d'abord, ces stratégies nécessitent l'utilisation et le développement de plusieurs modèles, à savoir un modèle de prévision météorologique, un modèle d'occupation et un modèle énergétique dynamique du bâtiment. Ensuite, dans l'objectif d'un suivi fiable des performances énergétiques et pour un pilotage optimal des installations, le calibrage du modèle de bâtiment à partir de relevés in situ est préférable. Une nouvelle méthodologie, basée sur un criblage des paramètres incertains et sur l'utilisation d'une méthode d'inférence bayésienne (calcul bayésien approché) a ainsi été développée. Enfin, deux méthodes d'optimisation ont été étudiées pour le développement de stratégies de régulation adaptées au temps réel. La première repose sur une méthode d'optimisation hors-ligne dont l'objectif est d'approximer les résultats d'une stratégie optimale calculée par une méthode d'optimisation exacte et ainsi identifier des lois de commandes simplifiées. La deuxième méthode repose quant à elle sur la commande prédictive et l'adaptation au temps réel de la commande optimale sous contraintes d'état et de commande utilisant la pénalisation intérieure. Une maison de la plateforme INCAS de l'Institut National de l'Énergie Solaire (INES) a été utilisée comme cas d'application pour étudier par simulation les différentes stratégies développées

Study of real time control strategies for energy efficient buildings

Dans l'objectif de réduire les consommations énergétiques des bâtiments et de diminuer leur impact sur le réseau électrique, il est utile de disposer de stratégies de gestion énergétique en temps réel. Il s'agit en effet d'un verrou clé dans la perspective des réseaux intelligents (« smart grids ») et des programmes de gestion de la demande (« demand response »). Cette thèse propose ainsi le développement de stratégies de gestion en temps réel du chauffage électrique d'un bâtiment énergétiquement performant en période de pointe électrique. Tout d'abord, ces stratégies nécessitent l'utilisation et le développement de plusieurs modèles, à savoir un modèle de prévision météorologique, un modèle d'occupation et un modèle énergétique dynamique du bâtiment. Ensuite, dans l'objectif d'un suivi fiable des performances énergétiques et pour un pilotage optimal des installations, le calibrage du modèle de bâtiment à partir de relevés in situ est préférable. Une nouvelle méthodologie, basée sur un criblage des paramètres incertains et sur l'utilisation d'une méthode d'inférence bayésienne (calcul bayésien approché) a ainsi été développée. Enfin, deux méthodes d'optimisation ont été étudiées pour le développement de stratégies de régulation adaptées au temps réel. La première repose sur une méthode d'optimisation hors-ligne dont l'objectif est d'approximer les résultats d'une stratégie optimale calculée par une méthode d'optimisation exacte et ainsi identifier des lois de commandes simplifiées. La deuxième méthode repose quant à elle sur la commande prédictive et l'adaptation au temps réel de la commande optimale sous contraintes d'état et de commande utilisant la pénalisation intérieure. Une maison de la plateforme INCAS de l'Institut National de l'Énergie Solaire (INES) a été utilisée comme cas d'application pour étudier par simulation les différentes stratégies développées.To reach the objectives of reducing the energy consumption of buildings and decreasing their impact on the electrical grid, it is necessary to elaborate real time control strategies in view of smart grids and demand response programs. In this context, this thesis aims at developing real time control strategies for electric load shifting in energy efficient buildings. First, these strategies require appropriate models regarding weather forecast, occupants' behaviour and building energy simulation. Then, in order to improve the reliability of building energy simulation and to ensure optimal control of facilities, a calibration process of the model based on on-site measurements is recommended. In this way a new methodology was developed , based on a screening technique and a bayesian inference method (approximate bayesian computation). Finally, two optimisation techniques were studied to develop real time control strategies. The first technique was based on offline optimisation methods. The principle is to approximate optimisation results (and more specifically model based predictive controllers results) and to extract simplified control strategies. The second method consisted in using model predictive control and, more precisely, in solving in real time a state and input constrained optimal control problem by interior penalty methods. An actual experimental passive house being part of the INCAS platform built by the National Solar Energy Institute (INES) was used to study by numerical simulation the different strategies developed

Modélisation de la Physique Atomique et du Transfert Radiatif pour le laser X-UV

The X-UV laser sources have been experiencing important development for about ten years. In this spectral range, we are now able to produce highly coherent and intense collimated sources which could have applications in medical imaging, photolithography, or for the diagnostic of dense plasmas... This thesis was dedicated to the modeling of the "OFI" X-UV laser, studied in the LOA (ENSTA, Palaiseau). This type of X-ray laser is generated following the ionization of a gas (Kr, Xe) by a high power infrared laser. The plasma generated by this interaction constitutes the X-UV source. The work produced during the thesis was about the amplification of an X-UV radiation injected in the plasma. Its purpose was to provide a more detailled analysis of spatio-temporal profile of the signal. Hence a new 3D numeric code has been developed. It uses a radiative transfer model including the Maxwell-Bloch equations. On the first hand, the results show that the temporal profile of the X-UV signal changes significantly during the amplification. For example, it can reveal very short intensity peaks (<100fs) at high saturation. As the latter can only be obtained with a plasma of several centimeters long, the experimental scheme using the guiding of the infrared laser has to be considered because it leads to the creation of such plasmas. On the other hand, the analysis of the transverse profile of the X-UV signal at the exit of the plasma demonstrated that the plasma amplifier acts as spatial filter of the injected X-UV laser pulse.Les sources X-UV sont l'objet d'un développement important depuis une dizaine d'années. Dans cette gamme spectrale, nous sommes maintenant capables de produire des sources cohérentes, collimatées et de forte brillance. De telles sources ont des applications dans l'imagerie médicale, la photolithographie, ou encore le diagnostic de plasmas denses... Cette thèse a été consacrée à la modélisation du laser X-UV "OFI", source X-UV étudiée au LOA (ENSTA, Palaiseau). Ce type de laser X-UV est généré suite à l'ionisation d'un gaz (Kr, Xe) par un laser infrarouge de forte puissance. Le plasma créé par cette interaction constitue la source X-UV. Le travail produit au cours de la thèse a porté sur l'amplification d'un signal X-UV injecté dans ce plasma. L'objectif était d'obtenir une analyse plus détaillée du profil spatio-temporel du signal. Un nouveau code numérique 3D a alors été élaboré. Il utilise un modèle de transfert radiatif décrit par les équations de Maxwell-Bloch. Les résultats du code ont d'une part montré que le profil temporel du signal X-UV changeait considérablement au cours de l'amplification. Notamment il peut, à forte saturation, révéler des pics d'intensité de très courte durée (<100fs). La forte saturation ne pouvant être obtenue qu'avec un plasma de plusieurs centimètres de long, ceci nous amène à considérer avec intérêt les expériences utilisant le guidage du laser infrarouge, permettant la création de tels plasmas. D'autre part, l'analyse de la structure du profil transverse du signal X-UV en sortie calculé à partir de ce même code, nous a permis de mettre en évidence que le plasma amplificateur agissait comme un filtre spatial sur l'impulsion X-UV injectée

Modélisation de la physique atomique et du transfert radiatif pour le laser X-UV

Les sources X-UV sont l'objet d'un développement important depuis une dizaine d'années. Dans cette gamme spectrale, nous sommes maintenant capables de produire des sources cohérentes, collimatées et de forte brillance. De telles sources ont des applications dans l'imagerie médicale, la photolithographie, ou encore le diagnostic de plasmas denses... Cette thèse a été consacrée à la modélisation du laser X-UV "OFI", source X-UV étudiée au LOA (ENSTA, Palaiseau). Ce type de laser X-UV est généré suite à l'ionisation d'un gaz (Kr, Xe) par un laser infrarouge de forte puissance. Le plasma créé par cette interaction constitue la source X-UV. Le travail produit au cours de la thèse a porté sur l'amplification d'un signal X-UV injecté dans ce plasma. L'objectif était d'obtenir une analyse plus détaillée du profil spatio-temporel du signal. Un nouveau code numérique 3D a alors été élaboré. Il utilise un modèle de transfert radiatif décrit par les équations de Maxwell-Bloch. Les résultats du code ont d'une part montré que le profil temporel du signal X-UV changeait considérablement au cours de l'amplification. Notamment il peut, à forte saturation, révéler des pics d'intensité de très courte durée (<100fs). La forte saturation ne pouvant être obtenue qu'avec un plasma de plusieurs centimètres de long, ceci nous amène à considérer avec intérêt les expériences utilisant le guidage du laser infrarouge, permettant la création de tels plasmas. D'autre part, l'analyse de la structure du profil transverse du signal X-UV en sortie calculé à partir de ce même code, nous a permis de mettre en évidence que le plasma amplificateur agissait comme un filtre spatial sur l'impulsion X-UV injectée.The X-UV laser sources have been experiencing important development for about ten years. ln this spectral range, we are now able to produce highly coherent and intense collimated sources which could have applications in medical imaging, photolithography, or for the diagnostic of dense plasmas... This thesis was dedicated to the modeling of the "OFI" X-UV laser, studied in the LOA (ENSTA, Palaiseau). This type of X-ray laser is generated following the ionization of a gas (Kr, Xe) by a high power infrared laser. The plasma generated by this interaction constitutes the X-UV source. The work produced during the thesis was about the amplification of an X-UV radiation injected in the plasma. Its purpose was to provide a more detailled analysis of spatio-temporal profile of the signal. Hence a new 3D numeric code has been developed. It uses a radiative transfer model including the Maxwell-Bloch equations. On the first hand, the results show that the temporal profile of the X-UV signal changes significantly during the amplification. For example, it can reveal very short intensity peaks (<100fs) at high saturation. As the latter can only be obtained with a plasma of several centimeters long, the experimental scheme using the guiding of the infrared laser has to be considered because it leads to the creation of such plasmas. On the other hand, the analysis of the transverse profile of the X-UV signal at the exit of the plasma demonstrated that the plasma amplifier acts as spatial filter of the injected X-UV laser pulse.ORSAY-PARIS 11-BU Sciences (914712101) / SudocSudocFranceF

Derivation of simplified control rules from an optimal strategy for electrical heating in a residential building

International audienceIn France, 40 % of buildings are heated with electrical devices causing high peak load in winter. In this context, advanced control systems could improve buildings energy management. More specifically, optimal strategies have been developed using a dynamic programming method in order to shift heating load, taking advantage of the building thermal mass. However, this optimisation method is computationally intensive and can hardly be applied to real-time control. Statistical techniques can be used to derive near-optimal laws from the optimal control results. These rule extraction techniques model the relationship between explanatory variables and a response variable. This paper investigates the use of Beta regression model to identify near-optimal control rules. This regression-based strategy was able to mimic the general characteristics of the optimisation results with a small mean bias error (-6 %) and greatly reduce computational effort (150 times faster than the dynamic programming method). Given its simple mathematical formulation, it could be implemented in real-time building systems control

Elaboration de lois heuristiques à partir de la programmation dynamique : application à l'effacement de la consommation électrique de pointe dans les bâtiments performants

International audienceIn France, 40 % of buildings are heated with electrical devices causing high peak loads in winter. In this context, optimal strategies (under constraints related to comfort and maximum heating power) have been developed with the dynamic programming method to shift electricity consumption used for heating taking advantage of the building thermal mass. However, this exact optimisation method is time-consuming and can hardly be applied to real-time control. Complementary statistical techniques exist that allow for the " extraction " of logistic decision models from the optimal control simulation results. These rule extraction techniques model the relationship between a response variable and explanatory variables. In this study, a generalised linear model was used because it is able to mimic the general characteristics of the dynamic programming results with a small computational expense.En France, 40 % des bâtiments sont chauffés avec des équipements électriques, entraînant des pointes hivernales importantes. Dans cette optique, des stratégies optimales, prenant en compte différentes contraintes (de confort et de puissance maximale du chauffage) et visant à décaler une partie de la consommation du chauffage en utilisant la masse thermique du bâtiment, ont été élaborées grâce à la programmation dynamique. Cependant, cette méthode d'optimisation est coûteuse en temps de calcul et difficilement applicable à la régulation en temps réel. Pour ce faire, il existe des techniques statistiques permettant d'établir des lois heuristiques à partir des résultats de la programmation dynamique. Elles donnent lieu à l'identification de lois reliant le choix d'une action à des variables explicatives. Dans cette étude, la loi heuristique choisie est un modèle linéaire généralisé car il est capable de reproduire les caractéristiques générales des résultats de l'optimisation, avec un coût de calcul très faible

Extraction of heating control rules from the dynamic programming method for load shifting in energy-efficient building

International audienceIn France, 40 % of buildings are heated with electrical devices causing high peak load in winter. In this context, optimal strategies (under constraints related to comfort and maximum heating power) have been developed using the dynamic programming method in order to shift electricity consumption used for heating, taking advantage of the building thermal mass. However, this exact optimisation method is computationally intensive and can hardly be applied to real-time control. Complementary statistical techniques exist that allow for the extraction of logistic decision models from the optimal control simulation results. These rule extraction techniques model the relationship between explanatory variables and a response variable. In this study, a generalised linear model was used because it is able to mimic the general characteristics of the dynamic programming results with good precision and greatly reduced computational effort (150 times faster than the dynamic programming method)

Collecte de données multi-paramètres dans des logements : une base de données exhaustive pour l'évaluation du confort intérieur

National audienceAssessing indoor comfort in housing is becoming increasingly important to ensure healthy and pleasant environments. However, data collected in real-life situations are required to perform such assessment. This article presents a database, collected since June 2022, in three houses and six apartments of volunteer participants, located in two French geographical areas. The database provides a detailed overview of environmental parameters (temperature, humidity, CO2 and noise levels) and occupant behavior (management of window openings) over an extended period. Thermal feedback was also collected over a short period. The possibilities offered by this database are manifold, and the article uses examples to illustrate its relevance to the study of indoor comfort. The conclusions are aimed at identifying current practices, shedding light on more or less optimal ventilation practices and formulating recommendations for improved indoor comfort, taking into account occupant preferences and environmental quality.L'évaluation du confort intérieur dans les logements revêt une importance croissante pour garantir des environnements sains et agréables. Toutefois, ce type d’évaluation dépend de la disponibilité de données collectées en situation réelle. Cet article présente une base de données, recueillie depuis juin 2022, dans trois maisons et six appartements de participants volontaires, situés dans deux zones géographiques françaises. La base de données offre un aperçu détaillé des paramètres environnementaux (température, humidité, taux de CO2, niveau sonore) et du comportement des occupants (gestion des ouvertures de fenêtres) sur une période étendue. Le ressenti thermique a aussi été collecté pendant une courte période. Les possibilités offertes par cette base sont multiples et l’article expose son intérêt pour l’étude du confort au travers d’exemples. Les conclusions visent à identifier les usages actuels, éclairer sur les pratiques plus ou moins optimales et à formuler des recommandations pour un confort intérieur amélioré, tenant compte des préférences des occupants et de la qualité environnementale

Vers le développement de modèles prédictifs individualisés du confort thermique pour les logements connectés

National audienceThe rise of connected building is an opportunity to carry out individualized and more precise diagnoses of thermal comfort in various usage situations. Recently, several studies have collected data from connected ambient sensors and feelings of occupants exposed to different ambient conditions. Processing the results by statistical analyzes or with artificial intelligence methods makes it possible to consider developing personalized models to detect discomfort, to evaluate thermal preferences or to predict comfort with the aim of improving energy management buildings. This article proposes a state of the art of the techniques implemented to develop these models of comfort and is particularly interested in their application in the case of housing with collective heating.L'essor du bâtiment connecté constitue une opportunité pour réaliser des diagnostics individualisés et plus précis du confort thermique dans diverses situations d'usage. Récemment, plusieurs études ont ainsi collecté des données de capteurs d'ambiance connectés et des ressentis d'occupants exposés à différentes conditions d'ambiance. Le traitement des résultats par analyses statistiques ou avec des méthodes d'intelligence artificielle permet d'envisager de développer des modèles personnalisés pour détecter des inconforts, d'évaluer les préférences thermiques ou de prédire le confort dans l'objectif d'améliorer la gestion énergétique des bâtiments. Cet article propose un état de l'art des techniques mises en œuvre pour développer ces modèles de confort et s'intéresse tout particulièrement à l'application de ces techniques au cas des logements en chauffage collectif

Energy Performance Contracting Methodology Based upon Simulation and Measurement

International audienceDiscrepancies between ex-ante energy performance assessment and actual consumption of buildings hinder the development of energy performance contracting (EPC). To address this issue, uncertainty integration in simulation as well as measurement and verification (M&V) strategies have been studied. In this article, we propose a methodology, combining detailed energy performance simulation and M&V anticipation. Statistical studies using Monte-Carlo analysis allow a guaranteed consumption limit to be evaluated according to a given risk. Adjustment and verification procedures are also derived from the simulation results in relation to an optimised measurement plan. The complete process has been tested on a refurbishment project allowing the decrease of the difference between the guaranteed consumption limit and the reference energy consumption from 25 % to 15 % of reference consumption