Projet ANR-10-HABI-0011 – SUPERBAT : SimUler pour PilotER les BATiments efficaces
Programme : Habitat Intelligent et Solaire Photovoltaïque  (HABISOL)
Année de financement : 2010
Coordinateur du projet : Monsieur Mathieu Schumann (EDF RECHERCHE ET DEVELOPPEMENT)
Partenaires : Centre scientifique et technique du bâtiment; Laboratoire de Mécanique et Technologie; ELECTRICITE DE FRANCE; Laboratoire G-Scop; Centre d'Energétique et de Thermique de Lyon; Laboratoire de Génie Électrique de Grenoble
Montant : 905421.0 euros
Date de début : 2011
Durée : 48 mois
Résumé : Prendre en compte le comportement humain et les mesures dans la simulation énergétique des bâtiments, application au dimensionnement et au pilotagePour une simulation plus juste des performances des bâtiments BBC et BEPOS, le comportement humain peut être modélisé par des systèmes multi-agents, et lié à la simulation thermique dynamique. L'exploitation de mesures de courbe de charge ou de température interne conduit à l'identification de modèles simplifiés de bâtiments ou d'équipements, permettant une amélioration du dimensionnement et du pilotage des équipements du bâtiment.
Intégrer le comportement de l'occupant et exploiter les mesures physiques dans les modèles de bâtiments pour améliorer la précision de la simulation.Le projet SUPERBAT veut faire émerger de nouvelles approches de modélisation tout en se basant sur l’intégration du comportement stochastique des occupants au sein des outils déterministes d’énergétique des bâtiments et sur l’exploitation des mesures physiques. L’objectif est double : mieux prédire les appels de puissance et implicitement la consommation énergétique. Ces modèles permettront de reconsidérer l’intégration électrique du bâtiment afin qu’il devienne un véritable nœud du réseau et de mieux garantir les performances énergétiques. De plus, ce travail est indispensable pour les nouvelles générations de bâtiments BBC et BEPOS. De par les faibles puissances requises par les systèmes de chauffage dans le neuf, les BBC et BEPOS sont très sensibles aux apports internes (occupants et usages spécifiques). La seule présence des occupants et leurs activités peuvent générer assez de chaleur pour maintenir en température le logement ou même créer une surchauffe, qui peut être source d’inconfort. Jusqu’alors les outils de simulation étaient utilisés pour des besoins de dimensionnement alors qu’un effort est à faire en matière de gestion et de pilotage pour atteindre la sobriété énergétique. Dans ce contexte, les outils de simulation requièrent une modélisation plus précise, en termes de puissances appelées, du comportement énergétique du bâtiment, tous usages confondus et en particulier des usages spécifiques de l’électricité.
Couplage fort des modèles d'occupants et de la simulation thermique. Identification de paramètres de modèles thermiques à partir de données réelles.Le comportement des occupants est modélisé par le biais de systèmes multi-agents. Ceux-ci décrivent les occupants comme des entités partiellement autonomes, et interagissant avec son environnement (le bâtiment et ses équipements) et avec les autres occupants en fonction de ses priorités et de règles édictées au préalable. Les modèles thermiques de bâtients, eux, sont de type techno-explicites : la simulation thermique dynamique se base sur une approche classique en thermique du bâtiment, considérant les noeuds d'air (pièces) à des températures homogènes, et discrétisant les parois afin de caractériser correctement les échanges thermiques. Les systèmes énergétiques sont en général représentés de manière simplifiée par des lois permettant leur contrôle. Le couplage entre ces deux univers est envisagé par l'intégration dans un outil commun, ou par le biais d'un standard d'échange de modèles et de données tel que le FMI (functional mock-up interface). En termes de problème inverse, différentes méthodes d'identification des paramètres thermiques d'un modèle de bâtiment peuvent être exploitées, en fonction de la richesse des données disponibles et de l'objectif visé (détection de dérive de consommation, gestion optimale, estimation du gain d'une action de rénovation ...).
Résumé de la soumission : La mise en œuvre du Grenelle de l’Environnement entraîne une mutation considérablement attendue du secteur du bâtiment. Il apparaît désormais que le monde de l’énergie et celui du bâtiment, qui depuis longtemps s’ignoraient, devront s’inventer un avenir commun. La volonté du Grenelle de l’Environnement est de donner aux différents acteurs du bâtiment les moyens pour concevoir des bâtiments à basse consommation (BBC) et à plus long terme des bâtiments à énergie positive (BEPOS). Cette mutation socio-économique fondée sur des besoins forts de modernisation du monde du bâtiment apportera de nouveaux besoins des outils de simulation et de la modélisation. Des outils de simulation ont été développés essentiellement pour la conception des bâtiments alors que les progrès les plus importants en terme d’économies d’énergie sont à faire en phase d’exploitation et maintenance des bâtiments. La modélisation thermique embarquée dans des produits de gestion et pilotage est un appui prometteur à l’exploitation efficace des bâtiments. Dans ce contexte, les outils de simulation requièrent une modélisation plus précise, en terme de puissances appelées, du comportement énergétique du bâtiment, tous usages confondus et en particulier des usages spécifiques de l’électricité. Des questionnements émergent sur la capacité des méthodes de calcul actuelles de prédire et piloter la courbe de charge du bâtiment. La courbe de charge du bâtiment dépend du climat, de son enveloppe et de ses équipements mais également des interventions de l'occupant. De nature interdisciplinaire, ce projet a comme objectif de dépasser 4 limitations, les plus ardents, des outils actuels de simulation dynamique du comportement énergétique du bâtiment :- La plupart des outils de simulation sont conçus pour la prédiction des consommations énergétiques à des pas de temps de l’ordre de l’heure mais ne permettent pas de représentation infrahoraire (aux pas de temps compris entre 1 et 10 minutes) capitale pour l’estimation pertinente des appels de puissance.- Les occupants qui ont un impact majeur sur les consommations d’énergie et en particulier sur les consommations spécifiques d’électricité sont modélisés de manière extrêmement sommaire à l’aide des scénarios conventionnels par pièces et sur une base de temps horaire.- Les outils de simulation représentent relativement bien les consommations des usages chauffage, ventilation, eau chaude sanitaire, climatisation, auxiliaires à l’échelle du bâtiment mais modélisent mal les usages spécifiques de l’électricité alors même que ceux-ci représentent dans les bâtiments récents plus de la moitie des consommations d’énergie.- Les modèles physiques n’exploitent pas la courbe de charge des bâtiments et d’autres mesures physiques (températures extérieures, intérieures, ensoleillements, …) afin de permettre leur calage en temps réel ou différé par rapport à la réalité du terrain.  Les développements de modèles stochastiques d’occupant/usages intégrés à la simulation dynamique ainsi que ceux par identification à partir de la courbe de charge permettront l’étude de cas d’applications représentatifs des problématiques industrielles dans le domaine de l’énergie dans le bâtiment résidentiel individuel : conception et gestion des BBC et BEPOS.
Résultats : Parmi les résultats marquants du projet, on compte la réalisation effective du couplage entre simulateurs de comportement des occupants et modélisation thermique dynamique des bâtiments. Ce couplage a de nombreuses perspectives, en termes de simulation directe, ou d’élaboration de scénarios d’occupation et d’usages plus proches de la réalité.
Les travaux liés à l’identification de modèles ont eux permis d’établir les limites des différentes méthodes d’identification des modèles thermiques de bâtiments en fonction de la richesse des données disponibles et de l’objectif visé (détection de dérives, contrôle prédictif, caractérisation non-intrusive, préconisation de solutions énergétiques, ...)
Perspectives : Parmi les résultats marquants du projet, on compte la réalisation effective du couplage entre simulateurs de comportement des occupants et modélisation thermique dynamique des bâtiments. Ce couplage a de nombreuses perspectives, en termes de simulation directe, ou d’élaboration de scénarios d’occupation et d’usages plus proches de la réalité.
Les travaux liés à l’identification de modèles ont eux permis d’établir les limites des différentes méthodes d’identification des modèles thermiques de bâtiments en fonction de la richesse des données disponibles et de l’objectif visé (détection de dérives, contrôle prédictif, caractérisation non-intrusive, préconisation de solutions énergétiques, ...)
Publications et brevets : Les résultats du projet ont fait l'objet de nombreuses publications dans des revues et congrès nationaux et internationaux d'horizons variés (comportement humain, intelligence artificielle, thermique du bâtiment, modélisation, équipements électriques). Les travaux de couplage entre modèles thermiques dynamiques de bâtiments et modélisation multi-agent des occupants a fait l'objet d'une valorisation dans le cadre de l'Annexe 60 de l'AIE (Agence Internationale de l'Energie).