Département d'architecture (Laboratoire d'énergie solaire et physique du bâtiment LESO-PB)

Gestion biomimétique de l'énergie dans le bâtiment

Bauer, Manuel ; Scartezzini, Jean-Louis (Dir.)

Thèse Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 1998 ; no 1792.

Ajouter à la liste personnelle
    Summary
    The efficient thermal control of buildings is a complex problem. Non controlled perturbations like user behaviour and meteorological conditions can change much with time and make this task difficult. This work proposes considering the building as a 'living system', with an internal activity (user behaviour and internal gains) and placed in an influencing environment (the solar radiation and the external temperature). As a living system, the building must provide thermal comfort conditions to its inhabitants and minimize its energy consumption. Strategies taken from the behavioural thermo regulation of the human body, as well as biomimetic technologies like artificial neural networks and fuzzy logic (technologies that imitate the behaviour of living systems), were used to reach these objectives. An optimal heating controller is proposed. It uses meteorological short term prediction models (for solar radiation and external temperature), as well as a model to describe the thermal evolution of a building. These models are based on artificial neural networks and have the following objectives: Optimize the prediction performance of adaptive meteorological models based on a limited number of local measurements. Precisely describe the thermal behaviour of buildings including the non-linearities introduced by inhabitants, with a self-adaptive model. Limit as much as possible the commissioning procedure necessary to initialize these models. A fuzzy blind controller is also developed. It can manage the sometimes contradictory goals of blinds: Provide optimal visual comfort for the inhabitants; Optimize the thermal exchanges through the window; Satisfy user wishes. To evaluate and compare different heating and blind control strategies, a correlation method is proposed. It evaluates the sensibility to solar and heating gains of a heated and cooled building. The proposed controllers have been tested in two rooms of a non residential building during three years. These rooms have large solar gains (south orientation and a high window fraction) and a massive structure. Many numerical simulations complete the experimental results. When compared to a conventional but efficient heat controller, equipped with internal temperature, external temperature and solar sensors, self adapting heating curve algorithms and optimal start/stop procedures, the biomimetic controller: reduce thermal energy needs (13% for the heating season); optimize the inhabitants' thermal comfort; make easier the commissioning procedure. When the blind controller is added, simulations show an extra 20% of energy savings (when compared to the case with only the biomimetic heating). This results from a reduced global heat transfer coefficient (due to blind's night closing) and an optimization of the solar gains use. This work shows that the heating consumption of buildings depends largely on the way they are controlled. The energy savings obtained with an efficient control is comparable to those resulting of an improvement of the building's envelope. For example, a window area with an automatic blind control can be a heating source (with the solar gains in a winter period) or a cooling source (with passive cooling in a summer period). Appropriate control can use this property to decrease the building's energy consumption.
    Résumé
    La régulation thermique des bâtiments est un problème complexe. Les variables aléatoires, telles que les occupants et les conditions météorologiques, peuvent fortement varier au cours du temps et rendent cette tâche difficile. Une analogie entre les systèmes 'bâtiment' et 'corps humain' est proposée en introduction à ce travail. Dotés d'une activité interne (le comportement des usagers, les gains internes) et soumis à un environnement extérieur (le rayonnement solaire et la température extérieure), ces deux systèmes doivent assurer des conditions de confort thermique en minimisant la consommation d'énergie. Quelques stratégies issues de la thermorégulation du corps humain sont appliquées au bâtiment. Par ailleurs, des technologies 'biomimétiques' (imitant le comportement des organismes vivants ou leur raisonnement) telles que les réseaux de neurones artificiels et la logique floue ont été appliquées au développement d'une régulation optimale du chauffage et à un contrôleur de stores. La régulation optimale du chauffage fait appel à des modèles permettant de décrire l'évolution à court terme des conditions météorologiques, ainsi que le comportement thermique dynamique du bâtiment. Ces modèles, basés sur des réseaux de neurones artificiels sont élaborés en vue: d'optimiser les performances de prévision de modèles météorologiques classiques (autorégressifs, stochastiques), basés sur un nombre de capteurs limitées (température extérieure et rayonnement solaire); de décrire précisément le comportement thermique dynamique d'un bâtiment, à l'aide d'un modèle adaptatif, tenant compte des non linéarités introduites par les occupants; de limiter aux maximum l'intervention extérieure nécessaire à l'initialisation de ces modèles, en vue de faciliter une application pratique. Le contrôleur de stores, basé sur la logique floue est développé; il permet de gérer les fonctions parfois contradictoires des stores, tels que: assurer un confort visuel optimal pour les occupants; optimiser les échanges thermiques à travers la fenêtre; satisfaire les voeux des utilisateurs. Pour l'évaluation et la comparaison de différents principes de gestions du chauffage et des stores, une méthode de diagnostic est proposée (méthode Eta). Elle permet d'évaluer la sensibilité aux gains gratuits des bâtiments chauffés et refroidis, soumis à différents modes de régulation. Les régulations proposées ont été testées sur deux locaux d'un bâtiment administratif durant trois saisons de chauffage. Ces locaux sont caractérisés par des gains solaires importants (façade sud, indice de vitrage élevé) et une structure massive. De nombreuses simulations numériques ont été effectuées afin de compléter l'expérimentation. Les résultats obtenus montrent que, par rapport à une régulation conventionnelle performante, munie de sondes de température intérieure, extérieure et solaire, d'algorithmes d'adaptation automatique de la courbe de chauffage et d'optimisation de la relance, la régulation biomimétique du chauffage permet: de réduire sensiblement la consommation de chaleur (13% sur la saison de chauffage); d'optimiser le confort thermique des occupants; de faciliter la mise en service. En intégrant la gestion biomimétique des stores à celle du chauffage, les simulations effectuées montrent que l'on réduit encore de 20% la consommation de chaleur du local (par rapport au cas où seule la gestion biomimétique du chauffage est appliquée), tout en améliorant les conditions de confort visuel. Ceci est obtenu en diminuant le coefficient de transfert thermique (par fermeture nocturne du store) et en optimisant l'utilisation des gains solaires. Ce travail démontre que la consommation d'énergie des bâtiments dépend fortement de la manière dont ceux-ci sont régulés et que l'ordre de grandeur des économies obtenu est comparable à celui découlant d'autres améliorations du bâtiment (notamment de l'enveloppe). Ainsi, une paroi vitrée munie d'un store devient, selon les cas, une source de chaleur (à travers les gains solaires en période hivernale) ou une source de froid (par refroidissement passif en période estivale). Un contrôle approprié peut en tirer parti pour abaisser sensiblement la consommation du bâtiment.