Confort thermique
Dans son rôle d’abri, un bâtiment marque une séparation physique de l’habitat de l’homme entre intérieur (espace de confort et de sécurité) et extérieur (un espace qui peut être parfois rude et inhospitalier). Mais hélas, cette séparation ne donne pas toujours lieu aux ambiances intérieures qui répondent entièrement aux exigences de confort des occupants. C’est pourquoi, la réponse du bâtiment est corrigée par des appareils de climatisation ou de chauffage agissant comme des sources contrôlées de chaleur ou de froid, et ayant d’effet sur le taux d’humidité. La quête de la satisfaction du bien-être exprimée vis-à-vis de l’ambiance thermique du milieu environnant appelée communément confort thermique dépend de plusieurs conditions. trois conditions doivent être réunies pour qu’une personne se sente confortable :
Le corps humain doit maintenir une température interne stable ; La production de sueur ne doit pas être trop abondante et la température moyenne de la peau doit être confortable ; Aucune partie du corps ne doit être trop chaude, ni trop froide.
Le confort thermique est la conséquence des interactions fortes traduisant échanges thermiques entre l’occupant et le bâtiment . Plusieurs configurations des échanges sont possibles :
Le bâtiment influence ; L’occupant agit sur le bâtiment ; Le bâtiment et l’occupant s’influencent mutuellement.
L’investigation des conditions de confort conduit alors à étudier des phénomènes où interagissent multiples facteurs, et où se combinent des principes de régulation et de déséquilibre. les principaux facteurs qui régissent les échanges thermiques entre une personne et son environnement et qui ont une incidence sur le confort sont les suivants :
Pour la personne : Son activité physique (production de chaleur) ; L’habillement qui est un moyen complémentaire d’adoption dont dispose l’homme pour maintenir son équilibre thermique.
Pour l’environnement : Le rayonnement solaire ; L’humidité : les limites de l’humidité relative. Ces limites ont été établies pour prévenir l’assèchement de la peau, l’irritation des yeux et des voies respiratoires ; La vitesse de l’air : aucun mouvement d’air minimum n’est nécessaire pour assurer le confort thermique lorsque les températures se situent dans la zone de confort ; La température des objets avec lesquels la personne est en contact.
Ce concept dont l’appréciation n’est pas assez évidente, relève d’une grande part de subjectivité. En effet pour une même ambiance thermique, une première personne peut ressentir du confort alors qu’une autre peut ressentir de l’inconfort.
Modèles de confort
De nombreuses recherches ont été menées sur le confort thermique aussi bien pour les bâtiments résidentiels que les moyens de transports et les lieux de travail sous des conditions extrêmes. Il en ressort deux approches majeures de modélisation de confort développées dans la littérature que sont les approches analytiques et adaptatives.
L’approche analytique a pour l’objectif de prédire la sensation thermique des occupants et ce, d’identifier les conditions du confort thermique. Elle est caractérisée par le calcul de bilan thermique du corps humain, basé sur des modèles physiques et physiologiques. Ces modèles physiques sont utilisés pour calculer les échanges de chaleur entre l’occupant et son milieu.
Les variables d’entrée de ces modèles sont les grandeurs physiques de l’ambiance thermique (température de l’air, température du rayonnement, humidité de l’air et vitesse d’air) et les caractéristiques de l’individu (taille et poids de l’individu, production de chaleur métabolique, caractéristiques de vêtement, etc.). En sortie, sont proposés de nombreux indices qui prévoient la sensation thermique ou le niveau de confort pour les conditions étudiées.
Tous les modèles se différencient au niveau de la modélisation physique de la thermorégulation. Certains modèles, sous des conditions homogènes et stationnaires déterminent expérimentalement, dans des chambres climatiques avec des individus. D’autres modèles applicables dans les conditions instationnaires, découpent en plusieurs compartiments le corps humain pour le modéliser. Dans les bâtiments, le modèle de Fanger modélise le confort thermique par l’indice de vote moyen prévisible, (PMV- Predicted Mean Vote). Quant’à celui de Gagge utilise le SET (Température Effective Standard). Ce sont les deux modèles les plus utilisés. Le modèle de Fanger sert à la base de la norme internationale ISO 7730 et celui de Gagge pour la norme américain ASHRAE standard .
Sous les conditions thermiques homogènes et stationnaires, Fanger a déterminé expérimentalement les conditions physiologiques (température cutanée et sudation) nécessaires pour le confort thermique. A partir du bilan thermique, il a exprimé, à l’aide de l’indice PMV, la sensation thermique en fonction de l’ecart du flux de chaleur cédé par le corps à l’environnement par rapport à celui qui correspond aux conditions de confort . Cet indice traduit l’avis de sensation thermique moyenne éprouvée par un groupe important de personnes à l’échelle de sensation thermique de l’ASHRAE. Donc, on considère que la zone de confort thermique s’étale de la sensation de légère froid à la sensation de légèrement chaud, soit de -1 à +1. En plus de cet indice qui n’est pas suffisant pour exprimer le confort, Fanger a défini un autre indice complémentaire, le pourcentage prévisible d’insatisfaits (PPD – Predicted Percentage Dissatisfied). Il prévoit le pourcentage des insatisfaits à une sensation donnée, en fonction de l’indice PMV. Connaissant PMV, Si par exemple, le PMV est de -1 ou +1, l’indice PPD montre que près de 25% de la population n’est pas satisfaite. Pour ramener le PPD à une valeur maximale de 10%, le PMV doit se situer entre -0,5 et +0,5. Et pour une valeur 0 de PMV, soit un état de confort thermique optimal, il y a encore 4% d’insatisfaits.
ENERGIES RENOUVELABLES
Energie solaire photovoltaïque
Très largement minoritaire à l’échelle mondiale, l’énergie solaire facilement exploitable est en nette progression dans les domaines photovoltaïque et thermique. Le photovoltaïque est la principale source d’énergie renouvelable du point de vue électrique pour le bâtiment. En effet, les systèmes de production d’électricité solaire photovoltaïque sont fiables, sans danger et d’une mise en œuvre très aisée. C’est une technologie adaptée aux enjeux énergétiques et environnementaux de l’heure, en ce qui concerne le bâtiment. L’intégration des systèmes photovoltaïques au bâtiment est devenue en 2010, une thématique forte avec deux dimensions connexes que sont le raccordement au réseau et les contraintes liées à l’intégration à l’environnement urbain.
Le photovoltaïque intégré au bâtiment et raccordé au réseau produit de l’électricité sur son lieu de consommation. Cette électricité peut être partiellement ou totalement vendue au gestionnaire du réseau à un prix d’environ 150euro/kWh en France .
Le point de faible des systèmes photovoltaïques est leur rendement de 3 à 12% et leur rapport cout d’investissement/énergie produite. Selon le rapport de BMU en 2006 , les systèmes photovoltaïques ont besoin de 2 à 5ans pour amortir l’énergie consommée pour leur construction, incluant le cout de fabrication et le montage. Pour maximiser le rendement du collecteur d’énergie solaire, des collecteurs multifonctions ou systèmes photovoltaïques hybrides ont été mis au point. Ils consistent à récupérer l’énergie solaire en la transformant simultanément sous forme électrique et sous forme thermique. Cela permet d’améliorer considérablement le rendement du système.
Energie solaire thermique
C’est l’énergie récupérée à partir de la lumière du soleil grâce aux capteurs solaires thermiques vitrés. Le principe des capteurs est de concentrer les radiations solaires à un seul endroit, en l’occurrence l’absorbeur pour transformer ces radiations solaires en une énergie thermique pour assurer le chauffage direct de l’eau et des locaux. Selon les statistiques de l’association professionnelle de l’énergie solaire ENERPLAN 2011, le marché solaire thermique en France métropolitain a connu une forte croissance de 40% par an de 1998 à 2006. 2007 se place en retrait avec seulement 16% de croissance. Cependant, ce marché est évalué en décroissance pour 2011 de 2% par rapport 2010. Le marché est composé de :
Chauffe-Eau Solaire Individuels (CESI) ; Systèmes Solaires Combinés (SSC) ; Des capteurs ont été installés pour des installations d’eau chaude solaire collectives.
L’énergie solaire thermique est déterminante pour les objectifs du Grenelle d’environnement pour 2020 qui fixe au moins 23% la part des énergies renouvelables dans la consommation énergétique. Dans ce cadre, le solaire thermique passera de 27.000 Tep (Tonne équivalent pétrole) en 2006 à 900.000Tep en 2020, soit au total plus de 4millions de logements équipés.
Energie éolienne
L’énergie éolienne est l’énergie cinétique de la masse d’air déplacé dans l’atmosphère. Elle est induite de la chaleur du rayonnement du soleil.
L’une des plus anciennes formes d’énergies connues depuis l’antiquité, l’énergie éolienne peut être convertie en énergie mécanique pour déplacer des navires à voiles ou pomper de l’eau. Elle peut être également transformée en force motrice pour le pompage, la compression, etc. Elle est surtout convertie en énergie électrique par le biais d’un dispositif aérogénérateur ou éolienne. Dans ces cas, l’éolienne peut être reliée à un réseau électrique ou fonctionné d’une manière autonome en se couplant à un système d’appoint (générateur diesel, unités de stockage ou panneaux photovoltaïques).
Entre 1996 et 2011, le parc éolien mondial n’a cessé de progresser . Cette progression s’est vue renforcée en 2014, d’une puissance de 51,473MW faisant un total des installations cumulées qui s’élèvent à 369 597MW .
A la manière du photovoltaïque, l’intégration d’éoliennes aux bâtiments est possible et permet, d’ailleurs de décentraliser la production d’énergie en se rapprochant des consommateurs. Cependant, ces petites éoliennes en milieu urbain sont des produits particulièrement nouveaux sur le marché. La structure du bâtiment peut remplacer le mat de l’éolienne dans le cas d’une installation urbaine. Il y a toutefois deux problèmes : la vitesse des vents réduite en milieu urbain, du fait de nombreux obstacles d’une part, les dimensions modestes de ces éoliennes d’autre part.
MODELISATION DU BATIMENT
Les besoins énergétiques d’un bâtiment dépendent fortement des déperditions thermiques à travers les parois, le plancher et le plafond. L’enveloppe est donc l’un des composants les plus influents sur l’efficacité énergetique du bâtiment. Par conséquent, la modélisation énergetique nécessite une description exacte du comportement thermique de l’enveloppe en vue de prédire la réponse du bâtiment face aux différentes sollicitations intérieures et extérieures.
Modèle RC du bâtiment :La modélisation thermique du bâtiment s’intéresse à la représentation des températures de ce dernier. Malgré son inertie thermique, il subit l’impact de l’environnement extérieur à cause de la circulation de l’air et de l’échange thermique avec les parois et les façades. Le modèle thermique a pour mission de prédéterminer le comportement thermique d’un bâtiment. Il résulte de l’état de l’art qu’un modèle d’ordre deux est largement suffisant pour prédire le comportement d’un bâtiment lors de chauffage. Deux nœuds de température liées aux capacités sont considérés à savoir, la température de l’air ambiant intérieur du bâtiment et la température des murs. Le modèle développé découle du modèle de référence élaboré par Louis Laret.
Afin de développer notre modèle, un modèle de référence R3C2 est choisi dans la littérature. C’est un modèle d’ordre 2 et à cinq paramètres qui décrit le comportement thermique du bâtiment ne tenant pas compte de la régulation du système de chauffage. Ce modèle comprend des entrées constituées de données météorologiques (température extérieure et flux solaire) et de la courbe de charge électrique (chauffage et apports internes) et la sortie est la température intérieure du bâtiment.
Le choix de ce modèle de référence se justifie par l’ordre deux du modèle, c’est-à-dire le nombre de nœuds de températures capacitives est deux. Ensuite, il prend en compte quelques données d’entrées similaires à celles qui seront prises en compte dans notre système d’étude.
MODELISATION ENERGETIQUE DE SOURCES
L’ensemble hétérogène complexe constituant le système étudié de cette thèse, outre la partie thermique captage, stockage, production et diffusion de l’énergie calorifique pour le confort thermique, comprend une partie électrique assurant le confort fonctionnel et l’alimentation de la pompe à chaleur. La partie électrique constitue en elle un système hybride de production d’énergie, combinant et exploitant plusieurs sources disponibles facilement mobilisables. Le système qui nous intéresse dans ce chapitre, regroupe deux parties : la production de l’énergie électrique et le stockage électrochimique . Dans notre cas précis, on s’intéresse au système de petite puissance produisant du courant continu facilement convertible en courant alternatif grâce à l’intégration des convertisseurs, onduleurs.
Le système étudié comprend : Un générateur photovoltaïque ; Un générateur éolien ; Un dispositif de stockage d’énergie, les batteries ; Un bus alternatif de connexion aux charges ; Des convertisseurs permettant d’ajuster les tensions à celle du bus alternatif ; Des charges, supposé être dans notre cas que la PAC .
Tous les composants, excepté les charges sont connectés au bus alternatif par l’intermédiaire de convertisseurs (CC/CC pour le photovoltaïque et l’éolien et bidirectionnel pour le pack de batteries). Pour la gestion du système, on considère l’algorithme réalisé pour alimenter sur le bus AC.
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Table des matières
INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE I : ENJEUX ENERGETIQUES ET CLIMATIQUES DES BATIMENTS
I.1 – INTRODUCTION
I.2 – CONTEXTE ENERGETIQUE ET ENJEUX CLIMATIQUES
I.2.1 – Contexte énergétique mondial
I.2.2 – Impact de consommations énergétiques
I.2.3 – Contexte énergétique en France
I.2.4 – Engagements internationaux et nationaux
I.3 – BATIMENT
I.3.1 – Confort thermique
I.3.2 – Modèles de confort
I.3.3 – Incidences énergétiques du confort
I.4 – REGLEMENTATION THERMIQUE
I.4.1 – Règlementation thermique 2005
I.4.2 – Règlementation thermique 2012
I.4.2.1 – Principaux critères
I.4.2.2 – Quantifications de principaux critères
I.4.2.3 – Critères de moyens
I.5 – ENERGIES RENOUVELABLES
I.5.1 – Energie solaire photovoltaïque
I.5.2 – Energie solaire thermique
I.5.3 – Energie éolienne
I.6 – EXEMPLES D’APPLICATIONS
I.7 – SYNTHESE ET CONCLUSION
CHAPITRE II : MODELISATION ET SIMULATION DU SYSTEME ENERGETIQUE D’UN
BATIMENT
II.1 – INTRODUCTION
II.2 – FACTEURS DE LA PERFORMANCE DU BATIMENT
II.2.1 – Environnement extérieur
II.2.2 – Enveloppe, parois et inertie
II.2.3 – Renouvellement d’air
II.2.4 – Gestion des apports énergétiques
II.2.5 – Confort hydrothermique
II.3 – CHOIX DE LA METHODE DE MODELISATION DU BATIMENT
II.4 – ETAT DE L’ART DE MODELE RC
II.5 – MODELISATION DU BATIMENT
II.5.1 – Modèle RC du bâtiment
II.5.2 – Formulation mathématique
II.5.3 – Présentation du bâtiment d’application
II.6 – MODELISATION DES SYSTEMES ENERGETIQUES
II.6.1 – Modèle de capteur solaire thermique
II.6.2 – Modèle d’un réservoir de stockage
II.6.3 – Modèle d’une Pompe à Chaleur
II.6.4 – Modèle de radiateur à eau chaude
II.7 – MODELISATION DE DONNEES METEOROLOGIQUES
II.7.1 – Modèle de radiation solaire
II.7.2 – Modèle de température ambiante
II.8 – SYSTEMES DE REGULATION
II.8.1 – Présentation générale de la régulation utilisée
II.8.1.1 – Régulation de la température du bâtiment
II.8.1.2 – Régulation de la température du réservoir
II.8.2 – Diagrammes synthétiques
II.9 – SIMULATION THERMIQUE DYNAMIQUE
II.9.1 – Description du simulateur
II.9.2 – Principe de fonctionnement du simulateur
II.10 – RESULTATS ET DISCUSSIONS
II.10.1 – Scenarios de l’outil
II.10.2 – Données utilisées
II.10.3 – Résultats des simulations
II.10.3.1 – Etude du cas des apports extérieurs
II.10.3.2 – Etude du cas des apports thermiques intérieurs
II.10.3.2.1 – Cas du chauffage C1 (lumière & présence humaine)
II.10.3.2.2 – Cas du chauffage C2 (éclairage uniquement)
II.10.3.2.3 – Cas du chauffage C3 (pas d’apports internes)
II.10.3.2.4 – Cas du chauffage C4 (uniquement présence humaine)
II.10.4 – Analyse de la synthèse des résultats
II.11 – CONCLUSION
CHAPITRE III : OPTIMISATION MULTICRITERE DU DIMENSIONNEMENT D’UN SYSTEME DE CHAUFFAGE
III.1 – INTRODUCTION
III.2 – REVUE DES LOGICIELS UTILISES EN THERMIQUE
III.3 – ANALYSE DES METHODES D’OPTIMISATION MULTICRITERE
III.4 – OPTIMISATION DU DIMENSIONNEMENT
III.4.1 – Critères d’optimisation
III.4.1.1 – Température moyenne ambiante de l’air
III.4.1.2 – Ecart-type de températures ambiantes
III.4.1.3 – Energie consommée
III.4.2 – Formulation du problème
III.4.3 – Description de la procédure d’optimisation
III.4.3.1 – Principe
III.4.3.2 – Choix d’une méthode d’optimisation adaptée au problème
III.4.3.2.1 – Caractéristiques du problème à traiter
III.4.3.2.2 – Choix de la méthode d’optimisation
III.4.4 – Définition des variables d’optimisation
III.4.5 – Taille de l’échantillon
III.5 – RESULTATS D’OPTIMISATION
III.5.1 – Hypothèses de dimensionnement
III.5.2 – Démarche d’analyse des résultats
III.5.3 – Résultats de simulation
III.5.3.1 – Solutions optimales
III.5.3.2 – Solution unique retenue
III.6 – EVALUATION DE LA SOLUTION RETENUE
III.7 – SYNTHESE ET CONCLUSION
CHAPITRE IV : GESTION DES SOURCES D’ENERGIE DU BATIMENT PAR LA LOGIQUE FLOUE
IV.1 – INTRODUCTION
IV.2 – GENERALITES SUR LES SYSTEMES MULTI-SOURCES
IV.3 – MODELISATION ENERGETIQUE DE SOURCES
IV.3.1 – Modèle du générateur photovoltaïque
IV.3.2 – Modèle de l’éolienne
IV.3.3 – Modèle du dispositif de stockage
IV.3.4 – Charges domestiques
IV.4 – METHODE DE GESTION PAR LA LOGIQUE FLOUE
IV.4.1 – Etat de l’art sur la gestion floue
IV.4.2 – Introduction au formalisme flou
IV.4.2.1 – Eléments de base du formalisme
IV.4.2.2 – Fuzzification
IV.4.2.3 – Inférence floue
IV.4.2.4 – Défuzzication
IV.4.3 – Développement d’un contrôleur
IV.4.3.1 – Stratégie de gestion
IV.4.3.2 – Algorithme flou de gestion
IV.4.3.2.1 – Base de connaissance
IV.4.3.2.2 – Fuzzification
IV.4.3.2.3 – Règles d’inférence
IV.4.3.2.4 – Défuzzification
IV.5 – APPLICATION DU CONTROLEUR A LA PAC
IV.6 – TESTS EXPERIMENTAUX
IV.7 – CONCLUSION
CONCLUSION GENERALE
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES
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