Brevet FR2866944A1 — publié le 20050902

La présente invention concerne un système de commande des équipements de conditionnement d'ambiance. Les équipements de conditionnement d'ambiance ont pour fonction de conditionner la température et la composition chimique d'une substance, appelée substance ambiante, contenue dans une enceinte ou un ensemble d'enceintes, afin que cette température et cette composition chimique respectent certaines contraintes prédéfinies. Les équipements de conditionnement d'ambiance consistent en les équipements suivants: - des équipements ayant pour fonction de réchauffer ou de refroidir la substance ambiante - des équipements ayant pour fonction de réchauffer ou de refroidir une substance intermédiaire autre que la substance ambiante, de la faire circuler, de la stocker, de la déstocker, ou de transférer de la chaleur ou du froid depuis cette substance intermédiaire vers la substance ambiante ou vers une autre substance intermédiaire - des équipements ayant pour fonction de changer la composition chimique de la substance ambiante à travers, à titre d'exemple non limitatif, l'adjonction ou la suppression d'éléments chimiques donnés, ou le remplacement d'une partie de la substance ambiante par une substance ayant un composition chimique différente - des équipements ayant pour fonction d'homogénéiser la température ou la composition chimique de la substance ambiante - des équipements combinant plusieurs des fonctions définies ci-dessus A titre d'exemple non limitatif, l'enceinte peut être un local dans un bâtiment, la substance ambiante peut être l'air ambiant contenu dans le local, et la contrainte peut être les températures minimales et maximales tolérables à chaque heure de la journée, ainsi que le pourcentage maximum de gaz carbonique contenu dans l'air ambiant. Les équipements de conditionnement d'ambiance peuvent consister alors: - en une chaudière ayant pour fonction de réchauffer une substance intermédiaire (de l'eau) - en un ensemble de pompes et de tuyaux ayant pour fonction de transporter l'eau chaude vers des radiateurs, et de la ramener vers la chaudière en un ensemble de radiateurs ayant pour fonction de transférer la chaleur depuis l'eau vers l'air ambiant en une bouche d'aération avec volet réglable permettant d'assurer le renouvellement de l'air Les équipements de conditionnement d'ambiance utilisent, pour fonctionner, de l'énergie. Le coût de revient de l'énergie dépend de la source d'énergie utilisée, de la quantité d'énergie consommée, du moment où elle est consommée, et d'autres facteurs. Les équipements de conditionnement d'ambiance doivent être commandés afin d'ajuster leur fonctionnement de telle sorte que la température et la composition chimique de la substance ambiante soient conformes aux contraintes prédéfinies. Les systèmes de commande sont traditionnellement de l'un des types suivants: - systèmes de commande manuels, requérant une intervention humaine pour tout ajustement du fonctionnement des équipements de conditionnement d'ambiance. Ces dispositifs ont l'inconvénient d'imposer de nombreuses interventions humaines. - systèmes de commande à base d'automatismes, capables d'ajuster le fonctionnement des équipements de conditionnement d'ambiance sans requérir d'intervention humaine systématique. Avec de tels systèmes, les commandes envoyées aux équipements de conditionnement d'ambiance sont le résultat d'une formule de calcul explicite et prédéfinie appliquée aux valeurs mesurées d'un certain nombre de variables d'environnement. De tels systèmes de commande à base d'automatismes ont l'inconvénient de ne pas permettre de calculer des commandes optimales du point de vue du coût de l'énergie nécessaire au conditionnement d'ambiance. Ceci résulte du caractère explicite et prédéfini de la formule de calcul utilisée pour déterminer les commandes envoyées aux équipements de conditionnement d'ambiance. Le système selon l'invention permet de remédier à cet inconvénient. Il comporte selon une première caractéristique un sous-système de calcul lui permettant (i) de calculer de manière anticipée, par simulation, la température et la composition chimique de l'enceinte ou de l'ensemble d'enceintes, la consommation énergétique des équipements de conditionnement d'ambiance, et le coût de revient de l'énergie consommée, prévus sur une plage de temps donnée, en fonction d'une séquence de commandes envoyées aux équipements de conditionnement d'ambiance pendant cette plage de temps, (ii) d'effectuer ce calcul par simulation pour un nombre arbitrairement grand de séquences de commandes sur une plage de temps donnée, et (iii) de sélectionner la séquence de commandes, appelée séquence de commandes optimale, respectant les contraintes prédéfinies de température et de composition chimique, et correspondant au coût de revient de l'énergie minimal. Selon les modes particuliers de réalisation: - le sous-système de calcul peut disposer de fonctions de télécommunication lui permettant d'acquérir de manière automatique des données relatives aux prévisions météorologiques, des données relatives aux coûts des énergies, ou d'autres données d'origine externe - le sous-système de calcul peut mettre en uvre des algorithmes d'optimisation tel que l'algorithme du simplexe ou d'autres algorithmes similaires, permettant de rendre plus rapide le processus de simulation et de sélection de la séquence de commandes optimale le sous-système de calcul peut disposer de fonctions lui assurant des caractéristiques de tolérance aux pannes et de continuité de service spécifiques le système de commande peut disposer de fonctions lui permettant de commander des équipements de production d'énergie tels que, à titre d'exemples non limitatifs, des groupes électrogènes ou des centrales de cogénération - le sous-système de calcul peut disposer de fonctions lui permettant de calculer par anticipation la quantité d'énergie produite par des équipements de production d'énergie et le coût de revient de production de cette énergie, en fonction des commandes envoyées à ces équipements, et de données externes telles que, à titre d'exemple non limitatif, des prévisions météorologiques ou des données relatives aux coûts d'autres énergies. A titre d'exemples non limitatifs, ces équipements de production d'énergie peuvent être des groupes électrogènes, des centrales de cogénération, des centrales éoliennes, des centrales solaires, ou des centrales de géothermie - le sous-système de calcul peut disposer de fonctions lui permettant (i) de calculer de manière anticipée, par simulation, la température et la composition chimique de l'enceinte ou de l'ensemble d'enceintes, la consommation énergétique des équipements de conditionnement d'ambiance, la production énergétique des équipements de production d'énergie, le coût de revient de l'énergie consommée et de l'énergie produite, prévus sur une plage de temps donnée, en fonction d'une séquence de commandes envoyées aux équipements de conditionnement d'ambiance et aux équipements de production d'énergie, pendant cette plage de temps, (ii) d'effectuer ce calcul par simulation pour un nombre arbitrairement grand de séquences de commandes sur une plage de temps donnée, et (iii) de sélectionner la séquence de commandes, appelée séquence de commandes optimale, respectant les contraintes prédéfinies de température et de composition chimique, et correspondant au coût de revient de l'énergie minimal le sous-système de calcul peut disposer de fonctions de calcul et de télécommunication lui permettant d'engager des transactions automatiques avec des systèmes externes pour l'achat et la revente d'énergie le système de commande peut comprendre, outre le sous-système de calcul, des sous-systèmes de relais permettant de relayer les commandes depuis le sous-système de calcul vers les équipements commandés; le sous-système de calcul et les sous-systèmes de relais disposent alors de fonctions de communication leur permettant d'échanger des données, à travers, à titre d'exemple non limitatif, des réseaux de communication tels que les réseaux téléphoniques, le réseau Internet, des réseaux radio, des réseaux locaux, ou des réseaux par courant porteur - les sous-systèmes de relais peuvent disposer de capacités de calcul permettant de calculer les commandes à envoyer aux équipements de conditionnement d'ambiance ou aux équipements de production d'énergie comme le résultat de formules de calcul explicites appliquées aux valeurs mesurées d'un certain nombre de variables d'environnement le sous-système de calcul et les sous-systèmes de relais peuvent disposer de fonctions permettant, de manière automatique, au sous-système de calcul de charger et de modifier dans les sous-systèmes de relais les formules de calcul explicites utilisées par ces sous-systèmes de relais pour le calcul des commandes à envoyer aux équipements commandés - le sous-système de calcul peut disposer de fonctions permettant (i) de calculer de manière anticipée, par simulation, la température et la composition chimique de l'enceinte ou de l'ensemble d'enceintes, la consommation énergétique des équipements de conditionnement d'ambiance, la production énergétique des équipements de production d'énergie, le coût de revient de l'énergie consommée et de l'énergie produite, prévus sur une plage de temps donnée, en fonction de formules de calcul explicites envoyées aux sous-systèmes de relais au début de cette plage de temps, (ii) d'effectuer ce calcul par simulation pour un nombre arbitrairement grand de formules de calcul explicites, et (iii) de sélectionner les formules de calcul explicites, appelées formules de calcul explicites optimales, respectant les contraintes prédéfinies de température et de composition chimique, et correspondant au coût de revient de l'énergie minimal - le sous-système de calcul peut être localisé à distance des équipements commandés. Dans ce cas, le système de commande comprend, outre le sous- système de calcul, des sous-systèmes de relais permettant de relayer les commandes depuis le sous-système de calcul vers les équipements commandés - le sous-système de calcul peut disposer de fonctions de calcul lui permettant de calculer les séquences de commandes ou les formules de calcul explicites optimales pour des équipements localisés sur des sites géographiques distincts, pour, à titre d'exemple non limitatif, permettre d'optimiser la consommation énergétique dans le cas où le coût de l'énergie dépend de la consommation cumulée de plusieurs sites géographiques distincts - le sous-système de calcul ou les sous-systèmes de relais peuvent comporter des interfaces homme-machine permettant de décrire les caractéristiques des équipements de conditionnement d'ambiance, les caractéristiques de l'enceinte ou de l'ensemble d'enceintes, et les caractéristiques des équipements de production d'énergie, et d'autres données. A titre d'exemple non limitatif, l'interface homme-machine permet de décrire les caractéristiques thermique et énergétiques des équipements de conditionnement d'ambiance et de l'enceinte ou de l'ensemble d'enceintes, et les caractéristiques énergétiques et de coût de revient des équipements de production d'énergie le sous-système de calcul peut disposer de fonctions de calcul lui permettant d'effectuer la sélection de la séquence de commandes ou des formules de calcul explicites sur d'autres critères que la minimisation du coût de revient de l'énergie, et avec d'autres contraintes que les contraintes prédéfinies de température et de composition chimique - à titre d'application non limitative, l'enceinte ou l'ensemble d'enceintes peut être un bâtiment ou un ensemble de bâtiments, les équipements de conditionnement d'ambiance peuvent être les équipements de conditionnement d'ambiance de ces bâtiments, les équipements de production peuvent être des groupes électrogènes, des centrales de cogénération, des centrales éoliennes, des centrales solaires ou des centrales de géothermie, le sous-système de calcul peut être un ordinateur ou un ensemble d'ordinateurs, les sous-systèmes de relais peuvent être des cartes électroniques ou des ensembles de cartes électroniques interconnectées, et les sources d'énergie peuvent être l'électricité, le gaz, le fioul, ou la biomasse - au titre d'une autre application non limitative, l'enceinte ou l'ensemble d'enceintes peut être un entrepôt ou une chambre froide, ou un ensemble d'entrepôts et de chambres froides, et les équipements de conditionnement d'ambiance peuvent être les équipements de production et de distribution du froid La figure 1 illustre un mode de réalisation du système selon l'invention. Ce mode de réalisation met en uvre un ordinateur (1) localisé à distance d'un bâtiment (2) contenant des équipements de conditionnement d'ambiance (3), et une carte électronique d'interface (4) avec les équipements de conditionnement d'ambiance (3). L'ordinateur (1) et la carte électronique d'interface (4) disposent chacun de fonctions leur permettant de communiquer à travers un réseau de communication distant (5). Dans cette réalisation, le soussystème de calcul est l'ordinateur (1), et le sous-système de relais est la carte électronique d'interface (4) L'ordinateur (1) héberge un programme informatique qui dispose des fonctions suivantes: - interface graphique permettant à un opérateur humain de décrire les caractéristiques des équipements de conditionnement d'ambiance (3) et du bâtiment (2) accès automatique par le réseau de communication distant (5) avec un serveur de données externe (6) pour le téléchargement de prix horaires de l'électricité pour les 24 heures à venir, et de prévisions météorologiques pour les 24 heures à venir calcul automatique de la température du bâtiment (2) sur une plage de temps donnée, en fonction de la séquence de commandes des équipements de conditionnement d'ambiance (3) sur cette plage de temps - sélection automatique, par itération et simulation sur un grand nombre de séquences de commandes, de la séquence de commandes respectant les températures de consignes minimales et maximales, et correspondant au coût énergétique minimal transmission automatique vers les équipements de conditionnement d'ambiance (3), à tout moment de la plage de temps, des commandes correspondant à la séquence sélectionnée, à travers le réseau de communication distant (5) et la carte électronique d'interface (4) A titre d'exemple non limitatif, l'invention peut être utilisée pour la gestion énergétique des bâtiments tertiaires, en particulier centres commerciaux et bureaux. -9-REVENDICATIONS 1) Système de commande d'équipements de conditionnement d'ambiance pour une enceinte ou un ensemble d'enceintes, caractérisé en ce qu'il comporte un sous-système de calcul lui permettant (i) de calculer de manière anticipée, par simulation, la température et la composition chimique de l'enceinte ou de l'ensemble d'enceintes, la consommation énergétique des équipements de conditionnement d'ambiance, et le coût de revient de l'énergie consommée, prévus sur une plage de temps donnée, en fonction d'une séquence de commandes envoyées aux équipements de conditionnement d'ambiance pendant cette plage de temps, (ii) d'effectuer ce calcul par simulation pour un nombre arbitrairement grand de séquences de commandes sur une plage de temps donnée, et (iii) de sélectionner la séquence de commandes, appelée séquence de commandes optimale, respectant les contraintes prédéfinies de température et de composition chimique, et correspondant au coût de revient de l'énergie minimal 2) Système selon la revendication 1) caractérisé en ce que le sous- système de calcul comporte des moyens de communication pour l'acquisition de données externes, par exemple mais non nécessairement des données de prévisions météorologiques ou des données relatives aux conditions de disponibilités des énergies 3) Système selon la revendication 1) ou 2), caractérisé en ce que le soussystème de calcul met en oeuvre des algorithmes d'optimisation tel que l'algorithme du simplexe ou d'autres algorithmes similaires, permettant de rendre plus rapide le processus de simulation et de sélection de la séquence de commandes optimale 4) Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le sous-système de calcul dispose de fonctions lui assurant des caractéristiques de tolérance aux pannes et de continuité de service spécifiques 5) Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il dispose de fonctions lui permettant de commander des équipements de production d'énergie 6) Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le sous-système de calcul dispose de fonctions lui permettant de calculer par anticipation la quantité d'énergie produite par des équipements de production d'énergie et le coût de revient de production de cette énergie, en fonction des commandes envoyées à ces équipements, et de données externes 7) Système selon la revendication 5) et la revendication 6), caractérisé en ce que le sous-système de calcul dispose de fonctions lui permettant (i) de calculer de manière anticipée, par simulation, la température et la composition chimique de l'enceinte ou de l'ensemble d'enceintes, la consommation énergétique des équipements de conditionnement d'ambiance, la production énergétique des équipements de production d'énergie, le coût de revient de l'énergie consommée et de l'énergie produite, prévus sur une plage de temps donnée, en fonction d'une séquence de commandes envoyées aux équipements de conditionnement d'ambiance et aux équipements de production d'énergie, pendant cette plage de temps, (ii) d'effectuer ce calcul par simulation pour un nombre arbitrairement grand de séquences de commandes sur une plage de temps donnée, et (iii) de sélectionner la séquence de commandes, appelée séquence de commandes optimale, respectant les contraintes prédéfinies de température et de composition chimique, et correspondant au coût de revient de l'énergie minimal 8) Système selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que ledit sous-système de calcul comporte des moyens de calcul et de communication pour la mise en oeuvre de sous-procédés automatiques transactionnels vers et/ou depuis des systèmes externes 9) Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend, outre le sous-système de calcul, des sous-systèmes de relais permettant de relayer les commandes depuis le sous-système de calcul vers les équipements commandés; le sous-système de calcul et les sous-systèmes de relais disposent alors de fonctions de communication leur permettant d'échanger des données 10) Système selon la revendication 9), caractérisé en ce que les sous- systèmes de relais disposent de capacités de calcul permettant de calculer les commandes à envoyer aux équipements de conditionnement d'ambiance ou aux équipements de production d'énergie comme le résultat de formules de calcul explicites appliquées aux valeurs mesurées d'un certain nombre de variables d'environnement 11) Système selon la revendication 10), caractérisé en ce que le sous- système de calcul et les sous-systèmes de relais disposent de fonctions permettant, de manière automatique, au sous-système de calcul de charger et de modifier dans les sous-systèmes de relais les formules de calcul explicites utilisées par ces sous-systèmes de relais pour le calcul des commandes à envoyer aux équipements commandés 12) Système selon la revendication 10) ou la revendication 11), caractérisé en ce que le sous-système de calcul dispose de fonctions permettant (i) de calculer de manière anticipée, par simulation, la température et la composition chimique de l'enceinte ou de l'ensemble d'enceintes, la consommation énergétique des équipements de conditionnement d'ambiance, la production énergétique des équipements de production d'énergie, le coût de revient de l'énergie consommée et de l'énergie produite, prévus sur une plage de temps donnée, en fonction de formules de calcul explicites envoyées aux sous-systèmes de relais au début de cette plage de temps, (ii) d'effectuer ce calcul par simulation pour un nombre arbitrairement grand de formules de calcul explicites, et (iii) de sélectionner les formules de calcul explicites, appelées formules de calcul explicites optimales, respectant les contraintes prédéfinies de température et de composition chimique, et correspondant au coût de revient de l'énergie minimal 13) Système selon les revendications 9), 10), 11) ou 12), caractérisé en ce que le sous-système de calcul est localisé à distance des équipements commandés 14) Système selon la revendication 13), caractérisé en ce que le soussystème de calcul dispose de fonctions de calcul lui permettant de calculer les séquences de commandes ou les formules de calcul explicites optimales pour des équipements localisés sur des sites géographiques distincts 15) Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le sous-système de calcul ou les sous-systèmes de relais comportent des interfaces homme-machine permettant de décrire les caractéristiques des équipements de conditionnement d'ambiance, les caractéristiques de l'enceinte ou de l'ensemble d'enceintes, et les caractéristiques des équipements de production d'énergie, et d'autres données 16) Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'enceinte ou l'ensemble d'enceintes est un bâtiment ou un ensemble de bâtiments, les équipements de conditionnement d'ambiance sont les équipements de conditionnement d'ambiance de ces bâtiments, les équipements de production sont des groupes électrogènes, des centrales de cogénération, des centrales éoliennes, des centrales solaires ou des centrales de géothermie, le soussystème de calcul est un ordinateur ou un ensemble d'ordinateurs, les sous-systèmes de relais sont des cartes électroniques ou des ensembles de cartes électroniques interconnectées, et les sources d'énergie sont l'électricité, le gaz, le fioul, ou la biomasse 17) Système selon l'une quelconque des revendications 1) à 15) précédentes, caractérisé en ce que l'enceinte ou l'ensemble d'enceintes est un entrepôt ou une chambre froide, ou un ensemble d'entrepôts et de chambres froides, et les équipements de conditionnement d'ambiance sont les équipements de production et de distribution du froid