Brevet FR3062478A1 — publié le 20180803

DOMAINE TECHNIQUE L'invention porte sur la gestion énergétique des bâtiments. L'invention vise plus spécifiquement à améliorer l'estimation de la résistance thermique d'un bâtiment afin d'optimiser la régulation thermique dudit bâtiment. ETAT DE LA TECHNIQUE L'ouverture à la concurrence des marchés de l'électricité et du gaz, d'une part, et les prescriptions réglementaires de maîtrise de l'énergie d'autre part, impliquent que les fournisseurs d'énergies soient capables de proposer des solutions fiables de gestion optimisée de la température intérieure d'un bâtiment. Une condition essentielle pour atteindre cette fiabilité est d'être capable de bien estimer la réponse thermique d'un bâtiment vis-à-vis des variations de température extérieure et de l'apport de puissance de chauffage et/ou de climatisation. Pour obtenir cette réponse thermique, un modèle mathématique simple est de considérer un bâtiment comme l'enchaînement d'un gain scalaire (la résistance thermique du bâtiment appelée GV dans la réglementation thermique) et de deux filtres du premier ordre : un premier filtre, avec une constante de temps de l'ordre de quelques heures classiquement, pour représenter l'inertie de la structure du bâtiment, c'est-à-dire le temps qu'il faut à la structure pour réagir à une modification des températures intérieure ou extérieure, et un second filtre, avec une constante de temps de l'ordre de quelques dizaines de minutes pour représenter l'inertie de l'air dans le bâtiment, c'est-à-dire le temps qu'il faut à la masse d'air pour réagir à une modification de la puissance de chauffage. La résistance thermique GV correspond, en fait, à la puissance de chauffage supplémentaire qu'il va falloir fournir pour faire monter la température de l'air dans le bâtiment de 1°C. La relation entre puissance de chauffage P - chau f et les températures intérieure Tint et extérieure Text s'écrit donc : Pchau f = max(0, GV (Tint - Text)) 3062478 2 La détermination des constantes de temps des filtres successifs peut être faite de manière déclarative, en s'appuyant sur le volume du bâtiment et sur la nature et les dimensions des parois. La détermination de la résistance thermique GV peut être aussi faite de manière déclarative, mais il est possible de faire une estimation 5 à partir de mesures effectuées sur le bâtiment. On connaît ainsi du document FR 3 029 306 un procédé de détermination de grandeurs relatives à l'évolution thermique d'un bâtiment en vue d'optimiser la régulation thermique dudit bâtiment. Le procédé comprend notamment une étape d'acquisition de données observables caractérisant sollicitation thermique et 10 réponse thermique d'un bâtiment au cours de l'étape d'acquisition. De plus le procédé comprend une étape de minimisation d'une fonctionnelle fonction d'un écart entre valeurs mesurées lors de l'étape sus décrite, et valeurs calculées au moyen d'un module de simulation apte à fournir une réponse thermique du bâtiment au cours de l'étape d'acquisition, à partir d'un système d'équations 15 impliquant notamment les grandeurs relatives à l'évolution thermique du bâtiment. Le résultat de cette étape de minimisation fournit les valeurs des grandeurs thermiques relatives du bâtiment. Cependant, ce procédé implique une instrumentation de mesure et un algorithme de minimisation complexes. Ceci n'autorise pas beaucoup de marges de manoeuvre dans l'estimation afin de 20 prendre en compte d'autres facteurs intervenant dans la dynamique thermique du bâtiment. On connaît à cet égard une méthode simple et connue d'estimation de la résistance thermique GV, qui repose sur l'acquisition par capteurs des mesures suivantes : 25 une température extérieure au bâtiment Text, une température à l'intérieur du bâtiment Tint, une puissance de chauffage, quelle que soit la source d'énergie Pchau f sur au moins une demi-année incluant l'hiver pour bénéficier de la période de 30 chauffe. La puissance de chauffage dans le cas électrique est obtenue à partir de la puissance électrique totale dont elle représente une part très majoritaire. Les mesures sont ensuite représentées dans un diagramme où P - chau f figure en ordonnées et (Text - Tint) en abscisse. On obtient ainsi un nuage de points au travers duquel on trace une droite, qui passe entre ces points. Enfin, on recherche 3062478 3 par moindres carrés le coefficient de proportionnalité reliant la puissance de chauffage à la différence des températures citées, les valeurs étant moyennées sur un jour pour atténuer les effets d'inertie du bâtiment. De là on déduit le coefficient de proportionnalité qui représente la résistance thermique GV. 5 Cependant, cette méthode, quoique simple à mettre en oeuvre, possède des limites : des limites physiques : - l'influence de la température extérieure sur la structure est sensée être instantanée à l'échelle de la journée, alors qu'il 10 est connu que la structure possède une inertie de deux à trois jours, - la mesure de température intérieure est une température locale qui peut entraîner des biais de représentativité, la température intérieure qui est utile dans la formule étant une 15 valeur moyenne sur l'ensemble du volume d'air qui n'est pas directement mesurable, - les bâtiments peuvent comporter des zones de températures intérieures différentes du fait du réglage des consignes de température selon les zones, il faut donc 20 pouvoir prendre en compte différentes mesures de température pour avoir une bonne représentativité du bâtiment global, - les bâtiments peuvent avoir deux sources d'énergie, comme l'électricité et le gaz, qui contribuent aux échanges 25 thermiques, il est alors intéressant de pouvoir estimer une résistance thermique GV vis-à-vis de chaque source d'énergie, une limite de mesure : - la mesure de température est assez souvent quantifiée, 30 c'est-à-dire que l'on n'a pas de variations plus forte qu'une valeur donnée, de 0.1 à 0.3°C selon les systèmes de mesure, ceci entraînant une dispersion supplémentaire par rapport à la droite de moindres carrés dont le coefficient directeur est la résistance thermique GV. 3062478 4 Il existe donc un besoin d'estimation de la résistance thermique du bâtiment au moyen d'un procédé simple et efficace, qui permette d'intégrer des facteurs supplémentaires d'influence sur la dynamique thermique du bâtiment. 5 BASE DE L'INVENTION Par rapport à la dernière méthode précédemment décrite, l'invention vise donc à répondre à deux objectifs : réduire l'épaisseur du nuage de points obtenus dans le diagramme 10 reliant la puissance de chauffage à la différence entre température extérieur et intérieur, par la prise en compte de l'inertie thermique du bâtiment, apporter une correction sur la mesure brute de la température intérieure qui peut être décalée par rapport à la température intérieure 15 réelle, et ainsi influer sur la pente de la droite dudit diagramme. Un autre but de l'invention est de permettre d'intégrer des paramètres additionnels, régissant la dynamique thermique du bâtiment, à l'estimation de la résistance thermique du bâtiment. 20 A cet égard, l'invention propose un procédé d'estimation de la résistance thermique d'un bâtiment comprenant les étapes de : a) mesurer une température intérieure du bâtiment au moyen d'un capteur configuré pour mesurer une température intérieure du bâtiment, 25 b) mesurer une température extérieure au bâtiment au moyen d'un capteur configuré pour mesurer une température extérieure au bâtiment, c) mesurer une puissance de chauffage du bâtiment au moyen d'un capteur configuré pour mesurer une puissance de chauffage du 30 bâtiment, d) répéter les étapes a), b) et c) à un pas de temps P sur un intervalle de temps total T, e) synchroniser les mesures des étapes a), b) et c) au même pas de temps de sorte à obtenir un ensemble de N triplets (N étant égale à T divisé par P) de valeurs de température intérieures du bâtiment, de 3062478 5 température extérieure au bâtiment et de puissance de chauffage du bâtiment à tous les temps de mesure des étapes a), b) et c), f) estimer la résistance thermique du bâtiment, l'étape f) comprenant une étape de minimisation d'une fonctionnelle sous 5 contrainte de la relation physique entre la puissance de chauffage, la température extérieure et la température intérieure du bâtiment, relativement à la résistance thermique du bâtiment, caractérisé en ce que la minimisation de la fonctionnelle se fait également relativement à une estimation de la température intérieure du bâtiment et à X scalaires constituant les paramètres d'un filtre d'ordre X à gain 10 unitaire de la température extérieure au bâtiment, et en ce qu'il comprend de plus une étape g) de fourniture de données relatives à la valeur de la résistance thermique du bâtiment estimée au cours de l'étape f). Avantageusement, mais facultativement, le procédé selon l'invention peut en 15 outre comprendre l'une des caractéristiques suivantes : la minimisation de la fonctionnelle se fait également relativement à un biais de représentativité de la température intérieure du bâtiment, l'étape a) est effectuée simultanément dans M zones différentes du bâtiment, M étant strictement supérieur à 1, l'étape e) permettant ainsi 20 d'obtenir un ensemble de N M+2-uplets de valeurs de température intérieures du bâtiment, de température extérieure au bâtiment et de puissance de chauffage du bâtiment à tous les temps de mesure des étapes a), b) et c), et la minimisation de la fonctionnelle se fait également sous contrainte d'une moyenne des M températures intérieures respectives 25 des M dites zones différentes du bâtiment, mesurées au cours de l'étape a), et relativement à M coefficients relatifs aux M températures intérieures mesurées au cours de l'étape a) dans le calcul de la moyenne, l'étape c) comprend de plus une étape consistant à mesurer une seconde puissance de chauffage du bâtiment, et la minimisation de la fonctionnelle 30 se fait également sous contrainte de la relation physique entre la seconde puissance de chauffage, la température extérieure et la température intérieure du bâtiment, et relativement à une seconde résistance thermique du bâtiment ainsi qu'à un différentiel de température, 3062478 6 l'étape c) comprend de plus une étape consistant à mesurer au moins une autre puissance de chauffage du bâtiment, et la minimisation de la fonctionnelle se fait également sous contrainte de la relation physique entre la somme de différentes puissances de chauffage, la température 5 extérieure et la température intérieure du bâtiment, l'étape de minimisation de la fonctionnelle est effectuée par l'exécution d'un code source dans un environnement informatique de langage interprétable ou au moyen d'un exécutable informatique indépendant, l'étape g) est effectuée au moyen d'une interface de communication avec 10 un utilisateur, le pas de temps de l'étape d) est compris entre 0 et 3 jours, la durée totale de l'étape d) est supérieure ou égale à 6 mois, et l'étape d) comprend au moins une période de chauffage du bâtiment, le pas de temps P de l'étape d) est compris entre 0 et 3 minutes, et 15 la durée totale T de l'étape d) est de l'ordre d'une heure. L'invention porte également sur un système de détermination de la résistance thermique d'un bâtiment comprenant : des moyens de mesure d'une température intérieure du bâtiment, 20 des moyens de mesure d'une température extérieure au bâtiment, des moyens de mesure d'une puissance de chauffage du bâtiment, des moyens de synchronisation des mesures acquises, des moyens pour estimer la résistance thermique du bâtiment à partir des mesures acquises, et 25 les moyens pour estimer la résistance thermique du bâtiment comprenant des moyens pour minimiser une fonctionnelle sous contrainte de la relation physique entre la puissance de chauffage, la température extérieure et la température intérieure du bâtiment, relativement à la résistance thermique du bâtiment, le système étant caractérisé en ce que la minimisation de la 30 fonctionnelle se fait également relativement à une estimation de la température intérieure du bâtiment et à X scalaires constituant les paramètres d'un filtre d'ordre X à gain unitaire de la température extérieure au bâtiment, et en ce qu'il 3062478 7 comprend des moyens pour fournir des données relatives à la valeur de la résistance thermique estimée. Enfin l'invention porte sur une utilisation du procédé d'estimation de la résistance thermique d'un bâtiment selon l'invention pour réguler la température 5 intérieure d'un bâtiment au moyen d'un module de régulation de température. Le procédé selon l'invention est donc plus simple que les procédés de l'art antérieur puisqu'il met en oeuvre des minimisations d'une seule équation. Cette simplification permet d'intégrer des paramètres additionnels comme différentes 10 sources de chauffages ou des bâtiments multizones. De plus le procédé selon l'invention est plus précis que les procédés de l'art antérieur en prenant en compte l'inertie thermique du bâtiment par rapport à la température extérieure. 15 DESCRIPTIF RAPIDE DE LA FIGURE D'autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention apparaitront à la lecture de la description détaillée qui va suivre et en regard du dessin annexé donné à titre d'exemple non limitatif et sur lequel : 20 - La figure 1 représente un diagramme fonctionnel des étapes du procédé selon l'invention. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION 25 Le procédé selon l'invention vise à estimer la résistance thermique GV d'un bâtiment à partir d'au moins trois données mesurées à l'aide de capteurs configurés à cet effet : une température extérieure Text au bâtiment, 30 une température intérieure Tint au bâtiment, une puissance de chauffage P - chauf du bâtiment, quelle que soit la source d'énergie, La résistance thermique GV correspond à la puissance de chauffage supplémentaire qu'il va falloir fournir pour faire monter la température de l'air dans 3062478 8 le bâtiment de 1°C. De plus, dans tout ce qui suit, le terme « mesure de température intérieure » peut correspondre soit à une mesure réelle, soit à une valeur de consigne supposée récupérable, et le terme « capteur » aux appareils de relevé correspondants. 5 On rappelle enfin que la relation entre puissance de chauffage P - chauf et les températures intérieure Tint et extérieure Text d'un bâtiment s'écrit : - max(0, GV (Tint - Text)) Pchauf Le procédé selon l'invention met en oeuvre trois étapes principales : la 10 collecte de données mesurables (a, b, c), puis l'estimation de la résistance thermique GV à partir des données collectées (f), et enfin la fourniture (g) de données relatives à la résistance thermique estimée. Le procédé selon l'invention va maintenant être décrit en détaillant chacune de ces étapes. 15 Collecte des données mesurées Le bâtiment dont on cherche à estimer la résistance thermique GV est muni de capteurs configurés pour fournir une mesure de température intérieure et une mesure de puissance de chauffage. Avantageusement, le 20 bâtiment est muni de capteurs configurés pour fournir une mesure de température extérieure au bâtiment. Dans un autre mode de réalisation, une mesure de température extérieure peut être fournie par Météo France. En référence à la figure 1, Le procédé selon l'invention met alors en oeuvre les étapes suivantes sur une durée totale T: 25 enregistrement (a) de données de température intérieure à un pas de temps P, enregistrement (b) de données de température extérieure au même pas de temps P, enregistrement (c) de données de puissance de chauffage au 30 même pas de temps P, répétition des étapes (a, b, c) tant que le temps (j) de mesure est plus petit que N (N étant égale à T divisé par P), synchronisation (e) des mesures des étapes (a, b, c) au même pas 3062478 9 de temps de sorte à obtenir un ensemble de N triplets de valeurs de température intérieures du bâtiment, de température extérieure au bâtiment et de puissance de chauffage du bâtiment à tous les temps (j) de mesure des étapes (a, b, c) par interpolation linéaire, et 5 application de la méthode d'estimation de la résistance thermique GV (f), o soit par l'exécution d'un code source dans un environnement informatique de langage interprétable de type Matlab ou Python, 10 o soit par exécutable informatique indépendant, application des résultats pour le réglage de la régulation selon les méthodes présentées ci- dessous. Avantageusement, le pas de temps P est compris entre 0 et 3 heures. 15 De plus, l'enregistrement des données se fait sur une durée totale T de 6 mois minimum incluant une période de chauffage. Avantageusement la puissance de chauffage est une puissance électrique. Dans un autre mode de réalisation, la puissance de chauffage peut également venir d'autres sources d'énergie. 20 On va maintenant décrire plus en détail la méthode d'estimation de la résistance thermique GV. Estimation de la résistance thermique GV à partir des données collectées 25 Afin de répondre aux deux objectifs exposés dans la partie intitulée « Base de l'invention », le procédé selon l'invention s'appuie sur des principes de type assimilation de données en cherchant le minimum d'une fonctionnelle (ou fonction-coût) J obtenue en utilisant les données collectées 30 au pas de temps P. Le problème est double, et la fonctionnelle va être minimisée relativement à deux paramètres principaux. En effet, il faut tout d'abord considérer explicitement que les mesures de la puissance et des températures sont affectées d'incertitudes sur la mesure. 35 De plus, la relation linéaire entre la puissance de chauffage et la différence 3062478 10 des températures intérieure et extérieure s'appuie sur une valeur de température extérieure instantanée. Or la structure du bâtiment induit une inertie qui fait que la température extérieure perçue à l'intérieur du bâtiment n'est pas la valeur instantanée. 5 Pour répondre à ces deux aspects du même problème, la méthode d'estimation selon l'invention propose d'une part de corriger les mesures collectées en s'appuyant sur la relation linéaire entre la puissance de chauffage et la différence des températures intérieure et extérieure, via la 10 résistance thermique GV à estimer. D'autre part, en vue d'intégrer le phénomène d'inertie, la méthode selon l'invention se propose de déterminer les paramètres d'un filtre d'ordre X discret de gain unitaire à un pas journalier. En termes mathématiques, cela signifie que l'on va rechercher X coefficients (C11)1=1...N positifs tels que ri(_1 ai REVENDICATIONS1. Procédé de détermination de la résistance thermique (GV) d'un bâtiment comprenant les étapes de : a) mesurer une température intérieure (Tirds) du bâtiment au moyen d'un capteur configuré pour mesurer une température intérieure (Tire) du bâtiment, b) mesurer une température extérieure (Text) au bâtiment au moyen d'un capteur configuré pour mesurer une température extérieure (Text) au bâtiment, c) mesurer une puissance de chauffage (Pmes) du bâtiment au moyen d'un capteur configuré pour mesurer une puissance de chauffage (Pmes) du bâtiment, d) répéter les étapes a), b) et c) à un pas de temps (P) sur un intervalle de temps total (T), e) synchroniser les mesures des étapes a), b) et c) au même pas de temps de sorte à obtenir un ensemble (Tire (j),T ( P (In mesjJ^j=0...N de N triplets (N étant égale à T divisé par P) de valeurs de température intérieures du bâtiment, de température extérieure au bâtiment et de puissance de chauffage du bâtiment à tous les temps (j) de mesure des étapes a), b) et c), f) estimer la résistance thermique (GV) du bâtiment, l'étape f) comprenant une étape de minimisation d'une fonctionnelle (J) sous contrainte de la relation physique entre la puissance de chauffage, la température extérieure et la température intérieure du bâtiment, relativement à la résistance thermique (GV) du bâtiment, caractérisé en ce que la minimisation de la fonctionnelle (J) se fait également relativement à une estimation (T iens tt) de la température intérieure du bâtiment et à X scalaires (at)t=1...x constituant les paramètres d'un filtre d'ordre X à gain unitaire de la température extérieure (Text) au bâtiment, et en ce qu'il comprend de plus une étape g) de fourniture de données relatives à la valeur de la résistance thermique (GV) du bâtiment estimée au cours de l'étape f). 3062478 21 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la minimisation de la fonctionnelle (J) se fait également relativement à un biais de représentativité STint de la température intérieure du bâtiment. 5 3. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'étape a) est effectuée simultanément dans M zones différentes du bâtiment, M étant strictement supérieur à 1, l'étape e) permettant ainsi d'obtenir un ensemble de N M+2-uplets de valeurs de température intérieures du bâtiment, de température extérieure au bâtiment et de puissance de chauffage du bâtiment 10 à tous les temps (j) de mesure des étapes a), b) et c), et dans lequel la minimisation de la fonctionnelle (J) se fait également sous contrainte d'une moyenne (Tir) des M températures intérieures respectives des M dites zones différentes du bâtiment, mesurées au cours de l'étape a), et relativement à M coefficients (vi)i=1...14 relatifs aux M températures intérieures 15 mesurées au cours de l'étape a) dans le calcul de la moyenne (Tirer'). 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'étape c) comprend de plus une étape consistant à mesurer une seconde puissance (Pies) de chauffage du bâtiment, et dans lequel la minimisation de la 20 fonctionnelle (J) se fait également sous contrainte de la relation physique entre la seconde puissance de chauffage, la température extérieure et la température intérieure du bâtiment, et relativement à une seconde résistance thermique (GV2) du bâtiment ainsi qu'à un différentiel de température (STest). 25 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel l'étape c) comprend de plus une étape consistant à mesurer au moins une autre puissance de chauffage du bâtiment, et dans lequel la minimisation de la fonctionnelle (J) se fait également sous contrainte de la relation physique entre la somme de différentes puissances de chauffage, la température extérieure et la 30 température intérieure du bâtiment. 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'étape de minimisation de la fonctionnelle (J) est effectuée par l'exécution d'un code source dans un environnement informatique de langage interprétable ou au moyen d'un exécutable informatique indépendant. 3062478 22 7. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'étape g) est effectuée au moyen d'une interface de communication avec un utilisateur. 5 8. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le pas de temps P de l'étape d) est compris entre 0 et 3 jours. 9. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la durée totale T de l'étape d) est supérieure ou égale à 6 mois, et dans lequel l'étape 10 d) comprend au moins une période de chauffage du bâtiment. 10. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, dans lequel le pas de temps P de l'étape d) est compris entre 0 et 3 minutes. 15 11. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7 ou selon la revendication 10, dans lequel la durée totale T de l'étape d) est de l'ordre d'une heure. 12. Système de détermination de la résistance thermique (GV) d'un bâtiment comprenant : 20 a) des moyens de mesure d'une température intérieure (Tininfe) du bâtiment, b) des moyens de mesure d'une température extérieure (Text) au bâtiment, c) des moyens de mesure d'une puissance de chauffage (Pm') du 25 bâtiment, d) des moyens de synchronisation des mesures acquises, e) des moyens pour estimer la résistance thermique (GV) du bâtiment à partir des mesures acquises, et les moyens pour estimer la résistance thermique (GV) du bâtiment comprenant des 30 moyens pour minimiser une fonctionnelle (J) sous contrainte de la relation physique entre la puissance de chauffage, la température extérieure et la température intérieure du bâtiment, relativement à la résistance thermique (GV) du bâtiment, le système étant caractérisé en ce que la minimisation de la fonctionnelle (J) se fait également relativement à une estimation (Tria) de la 35 température intérieure du bâtiment et à X scalaires (adi=1...x constituant les 3062478 23 paramètres d'un filtre d'ordre X à gain unitaire de la température extérieure (Text) au bâtiment, et en ce qu'il comprend des moyens pour fournir des données relatives à la valeur de la résistance thermique (GV) estimée. 5 13. Utilisation du procédé selon l'une des revendications 1 à 11 pour réguler la température intérieure d'un bâtiment au moyen d'un module de régulation de température.