Brevet FR3011114A1 — publié le 20150327

Méthode d'optimisation du calcul prévisionnel du comportement énergétique d'un bâtiment et dispositif de régulation utlisant cette méthode. L'invention concerne les moyens de calculer les consommations prévisionnelles d'un bâtiment ou d'un groupe de bâtiments reliés à une même installation de production de calories ou de frigories. Elle s'applique également à l'optimisation du pilotage et de la gestion des installations thermiques. Il existe une forte demande de moyens logiciels permettant aux maîtres d'ouvrages de connaître ce que seront les consommations énergétiques et donc les coûts d'exploitation des bâtiments qu'ils font construire pour un usage donné. Le plus la souvent les maîtres d'ouvrage souhaitent pouvoir responsabiliser les concepteurs, les maîtres d'oeuvre, les installateurs ou les gestionnaires des installations, pris dans leur collectivité ou indépendamment les uns des autres et chacun pour ce qui le concerne, sur les consommations des bâtiments. L'évolution des législations tend à favoriser la responsabilisation de la chaîne des intervenants sur les 15 performances énergétiques des bâtiments ; pour autant, les moyens de calculs prévisionnels actuellement disponibles ne présentent pas un degré de fiabilité suffisant pour que cette responsabilisation soit effective. L'expérience montre qu'il existe de très importants écarts, pour un bâtiment donné implanté dans une zone de climat continental ou tempéré, entre les performances 20 prévues et les performances constatées. Ceci n'est pas compatible avec la bonne évaluation du coût total de fonctionnement d'un bâtiment. Les principaux facteurs de variation son Les variations du climat de la région moyennes / extrêmes décennales et centennales) 25 Les variations du micro climat local (albédo, vent dominent, influence des constructions voisine et des véhicules) Le comportement des gestionnaires et des exploitants des bâtiments, et plus particulièrement l'état des réglages des installations (loi d'eau, marches réduites, consignes) ainsi que l'évolution de ces réglages dans le temps. La fréquentation et le type d'utilisation (production de calories par les occupants, par les systèmes d'éclairage et par les appareils électriques ou électroniques présents dans les volumes habitables). Le comportement des occupants L'inertie de l'enveloppe. Les performances des moyens de production de calories ou de frigories (en ce compris les qualités des combustibles utilisés, combustibles dont le pouvoir calorifique peut varier dans des proportions importantes non seulement en fonction de leur composition chimique et physique mais également en relation avec leur température de stockage). Les performances des installations de stockage intermédiaires de calories ou de frigories. Les performances des moyens de distribution de calories ou de frigories dans les volumes habités (le plus souvent à débit constant et à température 15 variable). Les performances des isolants (tassement, reprise d'humidité lors du passage de la vapeur d'eau, défauts d'étanchéité) On constate que la multiplicité des paramètres et l'ampleur des plages de variations possibles de chacun de ces paramètres n'est pas conciliable avec 20 l'obtention d'un prévisionnel de consommation compatible avec la responsabilisation des différents acteurs de la chaîne de conception, de réalisation et d'exploitation d'un bâtiment donné. La méthode généralement utilisée pour prévoir la consommation d'un bâtiment donné consiste à évaluer son isolation et son inertie thermiques, ainsi que son taux 2.5 de renouvellement d'air intérieur et la consommation prévisionnelle d'eau chaude sanitaire. Après quoi on détermine une température de consigne intérieure ainsi qu'une température de distribution de l'eau chaude sanitaire. La consommation prévisionnelle est évaluée en fonction du gradiant de température intérieure / extérieure, c'est-à-dire de la différence entre la valeur historique (prise au pas 30 horaire sur une année type) de la température extérieure et la température de consigne. Cette méthode de calcul, connue sous le nom de méthode des degrés 3 0 1 1 1 1 4 jours, est utilisée par tous les logiciels de prévision des consommations énergétique des bâtiments, y compris les logiciels de simulation thermique dynamique. Moyennant l'utilisation de logiciels relativement sophistiqués, effectuant des calculs au pas horaire et intégrant l'inertie de l'enveloppe des bâtiments ainsi que les apports solaires directs à travers les parois vitrées ou opaques, elle donne des résultats globalement satisfaisants. Cette méthode de calcul prévisionnel suppose toutefois de considérer que le rendement des appareils de production de chaleur est une constante ou que ce rendement varie selon une loi simple. Cette méthode suppose en outre que les différents appareils de io production et de distribution d'énergie dans les bâtiments bénéficient en toutes circonstances d'un réglage optimal ou proche de l'optimal. Or on constate, notamment en instrumentant les installations et en comparant les résultats réels avec les résultats prévus au moyen des méthodes et logiciels contenus dans l'état de l'art, que ces conditions ne sont que très rarement réunies 15 Les causes d'erreur sont d'autant plus nombreuses et importantes que l'évolution des techniques de chauffage des bâtiments a permis l'apparition de propositions novatrices, parmi lesquelles - Les chaudières à condensation, dont le rendement sur PCI (pouvoir calorifique inférieur du combustible) varie de 70 % à 110 % selon leurs conditions de fonctionnement, essentiellement selon la température retour du fluide caloporteur circulant dans l'installation de distribution des calories. Les pompes à chaleur dont le rendement varie de moins de 100 % à plus de 600 % selon la différence de température existant à un instant donné entre la source froide (air extérieur, air extrait du bâtiment, eau de nappe ou de 25 forage, eaux usées, glycol sur boucles ou sondes enterrées, etc...) et la source chaude (stockage intermédiaire isolé, échangeurs à plaques, circuits de plancher chauffants, etc...) Les générateurs solaires thermiques dont la productivité est nulle lorsque la température de fonctionnement des capteurs est inférieure à la température 30 relevée en partie inférieure des cuves de stockage (température de l'eau du réseau pour l'Eau Chaude Sanitaire et température de retour du circuit de distribution pour les applications de chauffage solaire) et dont le rendement obéit à une loi simple, fonction de l'éclairement, de la température 3 0 1 1 1 1 4 extérieure, du débit interne des capteurs, des caractéristiques du fluide caloporteur et des performances d'échange au niveau du stockage. Les échangeurs double flux, permettant d'assurer un taux de renouvellement d'air important sans pénaliser le bilan thermique. Il est à noter que ces échangeurs provoquent par construction des pertes de charges significatives, génératrices de consommations d'énergie importantes au niveau des ventilateurs. Or ils ne sont efficaces que pour des différences de températures importantes entre les deux flux d'air traités. Les préparateurs d'eau chaude sanitaire par énergie solaire. 10 Les préparateurs d'eau chaude sanitaire par pompe à chaleur intégrées de type air du local / eau du ballon. La généralisation et la multiplication des appareils électriques ou électroniques dans les volumes habités, en ce compris les appareils communicant par liaisons sans fil (Wifi, Bluetooth, etc...) 15 Dans le but d'améliorer la précision et la fiabilité des moyens logiciels de prévision des consommation d'énergie des bâtiments ainsi que l'efficacité des organes de régulation des appareils et dispositifs de production de stockage et de distribution d'énergie, de nombreuses améliorations aux systèmes de simulation thermiques ont été proposées. On citera par exemple le brevet WO 20 2012040479 publié le 29/03/2012 au nom de HOOZAD Inc. (US) intitulé « Procédé et appareils d'optimisation de systèmes CVCA dans les bâtiments » qui décrit les modalités d'utilisation d'une analogie électrique pour modéliser les flux et les consommations d'énergie. Dans les propositions connues à ce jour, les paramètres de réglages sont considérés comme fixes et calés pour chacun 25 d'eux sur leur valeur optimale. Des améliorations ont été proposées par le brevet Numéro Fr 2964204 publié le 18/05/2012 au nom Schneider Electric « Procédé de détermination de paramètres de régulation d'un système HVAC » Ce texte décrit les modalités de détermination de paramètres de régulation d'un système HVAC selon un processus comportant des étapes de simulation en 30 régime permanent du comportement thermique et électrique du système HVAC modélisé, de calcul de la consommation énergétique du système HVAC modélisé pour différentes valeurs de grandeurs physiques et différentes valeurs de points de consigne, de détermination des valeurs de points de consigne pour lesquels la consommation énergétique du système HVAC modélisé est la plus faible, de simulation en régime dynamique du comportement thermique et électrique et enfin de calcul des valeurs de paramètres des boucles de régulation, à partir des valeurs des grandeurs physiques de sortie des éléments thermiques et ce pour chacune des boucles de régulation. Pour autant, ce texte ne prévoit ni ne décrit en aucune façon un étage de simulation intégrant les rendements effectifs des appareils recalculés en fonction de leur conditions réelles de fonctionnement et il ne mentionne pas l'intérêt ni les modalités de déterminer les paramètres de réglage par des moyens logiciels basés sur 10 l'utilisation d'une base de connaissance. Pour remédier aux insuffisances constatées dans l'état de l'art, et dans le but de sécuriser les prévisionnels d'exploitation des bâtiments, l'invention propose : De lister et de hiérarchiser les variables susceptibles d'impacter le bilan énergétique d'un bâtiment donné 15 Pour chaque variable retenue comme significative, de fixer une valeur de consigne ou une loi de consigne ainsi qu'une plage de variation considérée comme acceptable. Les plages de variations acceptables pourront elles-mêmes varier en fonction de la saison, du jour de la semaine, de l'heure du jour ainsi qu'en fonction des paramètres liés à l'utilisation et au taux /0 d'occupation des bâtiments. De traiter l'ensemble des données au moyen d'un logiciel de simulation thermique dynamique qui intégrera, dès le deuxième cycle d'un calcul itératif, le calcul au pas au moins horaire des rendements des dispositifs de production de calories en fonction de leurs conditions de service, lesdites 25 conditions de service résultant de l'évolution de la combinaison des variables significatives telle que déterminées au moment où le calcul est réalisé. De calculer en temps réel, par exemple au pas horaire, les paramètres de réglage représentatifs de l'état de l'installation. Au lieu de déduire ces 30 paramètres de réglage à partir de relevés ou de mesures sur site, on prévoit d'utiliser des moyens logiciels qui vont générer artificiellement ces paramètres en utilisant notamment une base de comportements historiques issue de la mémorisation des réglages opérés, fonction des conditions climatiques et des modalités d'occupation, pour des bâtiments similaires A titre d'exemple, on comprend que les logiciels de calcul actuellement utilisés génèrent des erreurs importantes du fait d'une prise en compte approximative des rendements instantanés des appareils de production de calories ou de frigories ainsi que d'une fixation arbitraire des paramètres de réglage En effet, ces rendements sont assimilés à une constante, par exemple 90 % de l'énergie théoriquement produite par la combustion parfaite d'un mètre cube de gaz ou 80% de l'énergie théoriquement produite par la combustion parfaite d'un litre de fuel 10 domestique. Or la quantité d'énergie produite par les appareils à combustion de type chaudière à partir d'une quantité donnée de carburant dépend : - des caractéristiques de ce carburant, et notamment de la température à laquelle il se trouve au moment de son introduction dans le foyer, - de la température, de la densité, de l'humidité relative et absolue et de 15 composition réelle du comburant (le plus souvent de l'air prélevé dans le loca chaufferie ou à l'extérieur de ce local ou même à l'extérieur des bâtiments) - de l'état et des performances des brûleurs. - de l'efficacité de l'échange thermique entre le corps de chauffe et le fluide caloporteur. 20 - de la composition et des niveaux de température « départ » et « retour » du fluide caloporteur. De même, le scénario de pilotage idéal, c'est-à-dire de réglage optimal à tous moments des paramètres de conduite de l'installation (lois d'eau, pilotage des vannes trois voies, consignes) s'analyse comme le comportement d'un conducteur 25 fictif qui aboutit aux consommations normalisées des véhicules automobiles. On sait que ces consommations normalisées sont sensiblement plus favorables que les consommations relevées dans la réalité sur les véhicules concernés. L'écart est le plus souvent de l'ordre de 20% mais il peut être faible ou nul dans certains cas. Dans le domaine de la thermique des bâtiments, l'invention propose non pas 30 d'appliquer un coefficient forfaitaire censé rendre compte des comportements imparfaits des gestionnaires et opérateurs pilotant les installations mais de modéliser les paramètres de réglages par des moyens logiciels dédiés intégrant l'historique de la conduite d'installations similaires dans des conditions climatiques comparables. Ainsi, afin d'éviter les écarts induits par les comportements souvent inadaptés des gestionnaires des installations la méthode prévoit que le premier niveau de simulation thermique dynamique prenne en compte des paramètres de réglages des installations dont l'état sera déterminé au moyen de calculs réalisés par des moyens logiciels basés sur l'utilisation d'une base de connaissances, la dite base de connaissances comportant une mémorisation hiérarchisée de mesures en continu réalisés sur des installations similaires. On comprend que la prise en compte de ces différents paramètres ne puisse pas io être réalisée au moyen d'une loi simple ni d'une simulation statistique. Pour résoudre cette difficulté, l'invention propose une méthode de calcul itérative au pas au moins horaire à deux niveaux. Le premier niveau consiste en une simulation thermique dynamique qui prend en compte les paramètres classiques comme les conditions météorologiques telles qu'elles ressortent des bases de données 15 climatiques, la géométrie et la composition des parois des bâtiments, leur exposition au rayonnement solaire et au vent ainsi que les variables d'occupation et de pilotage. Ce calcul au premier niveau permet de déterminer la valeur probable de chacune des différentes variables susceptibles d'impacter les conditions de fonctionnement donc le rendement des appareils de production de 20 calories ou de frigories. Ces conditions de fonctionnement dépendent en effet principalement de la température « retour » du fluide caloporteur. La valeur instantanée de cette variable « Tr » s'avère déterminante pour les appareils de production de calories de type chaudières à condensation utilisant du gaz ou du fuel comme carburant : la récupération complémentaire de calories qui s'opère sur 25 les fumées en amont du brûleur est d'autant plus importante que cette température « Tr » est plus basse. Cette récupération de calories est nulle à chaque fois que « Tr » est supérieure à une certaine valeur, caractéristique de la chaudière utilisée. De façon subsidiaire, le rendement des générateurs de chaleur dépend également des caractéristiques du carburant (température, densité) ainsi que de celles du 30 comburant (température à son point de prélèvement, hygrométrie, densité). Enfin, l'état réel des appareils de production de calories ou de frigories impacte également leurs performances, notamment du fait de l'encrassement des gicleurs et des échangeurs de chaleur. Cet état peut être estimé par une courbe prévisionnelle intégrant la durée de vie et les échéances de maintenance et de nettoyage programmés de chaque appareil La prise en compte de la valeur probable de la variable « Tr » telle qu'elle résulte du premier niveau de calculs itératifs sous forme de simulation thermique dynamique permet également de déterminer avec précision le niveau de performance réelle des moyens de production de calories ou frigories de type Pompes à chaleur utilisés dans les bâtiments. On sait en effet que les coefficients de performances de ce type d'appareils dépendent non seulement du niveau et du différentiel de température de leur source froide mais aussi du niveau et du Io différentiel de température de leur source chaude. Les modes de calcul et de pilotage des appareils de ce type sont actuellement basés sur le fait que les débits des circuits primaires et secondaires des pompes à chaleur fonctionnent en tout ou rien. Ces appareils permettent d'extraire une certaine quantité d'énergie de la source froide (dont la température est susceptible d'évoluer fortement en fonction 15 des conditions climatiques et des prélèvements opérés, jusqu'à devenir dans certaines circonstances incompatibles avec le fonctionnement de l'appareil) pour la transférer à la source chaude. Compte tenu des caractéristiques de fonctionnement des pompes à chaleur, caractéristiques qui sont bien connues et peuvent être introduites dans le programme de calcul, l'invention prévoit de munir 20 les deux circuits d'échange de circulateurs à vitesses variables et d'adapter en temps réel les débits dans chacun de ces deux circuits de façon à ce que l'ensemble des résultats suivants soit obtenus : Apports de calories ou de frigories dans le bâtiment calculés et ajustés en fonction des besoins tels qu'ils résultent du premier niveau de simulation thermique dynamique. Fonctionnement de la pompe à chaleur au niveau de performance optimal, c'est-à-dire sur les paliers de température adaptés aux différents échangeurs, le débit étant traité comme une variable d'adaptation. Prélèvement de calories ou de frigories dans la source froide strictement 30 compatible avec l'état et les capacités de régénération de ladite source froide, le débit de fluide de transfert entre l'échangeur primaire de la pompe à chaleur et la source froide étant là encore traité comme une variable d'adaptation. La méthode de calcul selon l'invention prendra en compte de façon classique l'évolution des stockages intermédiaires (2) en fonction de leur masse et inertie, de leur géométrie, de la composition et de la résistance thermique de leurs parois ainsi que de la compétition (simulée en temps réel et au pas au moins horaire) entre les apports par les appareils de production (1) de calories ou de frigories et les prélèvements par les systèmes de distribution (3) auxquels les dits stockages intermédiaires (2) sont connectés. Dans le cas où les stockages intermédiaires (2) sont affectés à la préparation d'eau chaude sanitaire, les scénarii de puisage tiendront compte de la température réelle de l'eau du réseau, telle qu'elle résulte To de l'historique des températures du sol à la profondeur moyenne d'enfouissement des réseaux et non pas d'une valeur fixée arbitrairement. Les écarts entre la température de l'eau pénétrant dans les dispositifs de stockage en remplacement de l'eau chaude puisée représentent en effet environ 15°C entre la période la plus chaude et la période la plus froide, pour des profondeurs d'enfouissement 15 d'environ 80 cm en climat tempéré, ce qui a une incidence significative sur les quantités d'énergie nécessaires à la préparation d'une quantité donnée d'eau chaude sanitaire. La méthode de calcul selon l'invention prendra également en compte les performances en temps réel des systèmes (3) de distribution de calories ou de 20 frigories dans les bâtiments, en ce compris l'incidence des dits systèmes de distribution sur la température retour « Tr » du fluide caloporteur. Fonction des écarts constaté sur la valeur de « Tr » après un cycle de simulation thermique dynamique de deuxième niveau intégrant le rendement effectif des générateurs (1) de calories ou de frigories, une itération pourra être réalisée jusqu'à obtention de 25 valeurs de température « Tr » constantes qui pourront être considérées comme fiables. Ainsi, la valeur de « Tr » est calculée selon un pas au moins horaire en fonction de la diffusion de calories ou de frigories dans les systèmes de distribution d'énergie (3), de l'inertie thermique du bâtiment, des températures de consignes et des 30 conditions climatiques extérieures en temps réel. Dans un mode de réalisation avantageux, la méthode de calcul itérative selon l'invention pourra prendre en compte les performances réelles des isolants. Ces performances ne seront pas considérées comme des constantes mais il sera simulé leur évolution dans le temps, et ce de deux façons différentes : il sera intégré leur éventuelle dégradation dans le temps due à des phénomènes de tassement ou d'oxydation ainsi que la variation de leur résistance thermique en fonction du taux d'humidité prévisionnel dans les parois du bâtiment à l'instant ou le calcul est réalisé. L'invention sera mieux comprise si on se réfère à la figure jointe (FIGURE Planche unique) dans laquelle : La méthode de calcul logicielle du comportement énergétique d'un bâtiment comportera deux niveaux de simulation thermique dynamique, le premier niveau prenant en compte les conditions climatiques, les caractéristiques de l'enveloppe Io du bâtiment et celles des appareils de production (1) de calories ou de frigories et permettant de calculer au pas au moins horaire les valeurs instantanées probables des variables de fonctionnement des dits appareils de production (1) tandis que le deuxième niveau de simulation thermique dynamique s'opère également au pas au moins horaire et permet la prise en compte des rendements effectifs des 15 appareils ;le deuxième niveau de simulation thermique dynamique s'opère également au pas au moins horaire et permet la prise en compte des rendements effectifs des appareils de production (1) et de stockage (2) de calories ou de frigories, les dits rendements effectifs étant calculés en fonction des caractéristiques propres de ces appareils de production (1) et de stockage (2) ainsi 20 que de la température « Tr » à laquelle se trouve le fluide caloporteur juste avant son traitement par les dits appareils de production (1). Cette méthode prévoit également que le premier niveau de simulation thermique dynamique prenne en compte des paramètres de réglages des appareils de production (1) de calories ou de frigories dont l'état sera déterminé au moyen de 25 calculs réalisés par des moyens logiciels basés sur l'utilisation d'une base de connaissances, la dite base de connaissances comportant une mémorisation hiérarchisée de mesures en continu réalisées sur des installations similaires. Selon la méthode, la température « Tr » est calculée selon un pas au moins horaire en fonction de la diffusion de calories ou de frigories dans les systèmes de 30 distribution d'énergie (3), de l'inertie thermique du bâtiment, des températures de consignes et des conditions climatiques extérieures. Pour améliorer sa précision, ta méthode comporte une optimisation, dans la plage de variations admissibles prédéfinie pour une valeur de consigne, du couple (température, débit) délivré par les appareils de production (1) de calories ou de frigories, la dite optimisation permettant d'ajuster la température de retour « Tr » du fluide caloporteur à une valeur proche de celle correspondant au rendement optimal des appareils (1) de production de calories ou de frigories. Cette méthode de calcul logicielle du comportement thermique d'un bâtiment de type simulation thermique dynamique est également remarquable en ce que les quantités d'énergie nécessaires à la préparation de l'eau chaude sanitaire sont calculées en tenant compte de la température réelle de l'eau du réseau, telle qu'elle résulte de l'historique des températures du sol à la profondeur moyenne Io d'enfouissement des réseaux et non pas d'une valeur fixée arbitrairement. Selon la méthode, les caractéristiques de l'enveloppe du bâtiment prises en compte lors de la simulation thermique dynamique de premier niveau intègrent la variation prévisionnelle de la résistance thermique des matériaux isolants placés en parois en fonction du taux d'humidité prévisionnel dans les parois du bâtiment à 15 l' instant où le calcul est réalisé. Les dispositions et spécificités décrites dans le cadre de l'invention s'appliquent également aux moyens de pilotage ou de régulation d'installations de production de calories ou de frigories sous réserve que ces installations soient programmées et/ou pilotées selon les dites dispositions et spécificités. Dans un mode d'exécution 20 préféré, les moyens de régulation agiront sur le couple (température + débit) de chaque circuit de production ou de distribution de calories ou de frigories, la variable température étant déterminée en fonction des caractéristiques et contraintes de fonctionnement optimales des appareils de production (1) de calories ou de frigories et la variable débit étant traitée comme variable 25 d'ajustement.