La modélisation des comportements dans la simulation énergétique des bâtiments Eric VORGER MINES-ParisTech
SOMMAIRE
ENJEUX - OBJECTIFS| P.1 MODELISATION| P.6 RESULTATS | P.21 CONCLUSION - PERSPECTIVES| P.22
La modélisation des comportements dans la simulation énergétique des bâtiments|
13/11/2014
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Enjeux de la modélisation des comportements dans la simulation énergétique
- Outils d'aide à la décision nécessaires pour la conception et la rénovation de bâtiments à faible consommation énergétique - Utilisation des logiciels de STD pour prévoir les consommations futures - Retours d’expériences : écarts significatifs entre prédictions et mesures - Rôle clé de l’occupation
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Objectifs (1)
- Coupler une modélisation « complète » de l'occupation des bâtiments résidentiels et de bureaux à un outil de STD (Pléiades+COMFIE) • Influence des occupants sur la consommation énergétique -
Présence
-
Ouverture des fenêtres
-
Gestion des dispositifs d’occultation
-
Utilisation de l’éclairage artificiel
-
Utilisation d’appareils électriques
-
Gestion des consignes de chauffage
-
Puisages d’ECS
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Objectifs (2)
- Remplacer les scénarios déterministes actuels
- Analyses de sensibilité des sorties de la STD aux entrées et paramètres des modèles d'occupation - Quantifier l’incertitude sur les prédictions de la STD => GPE - Proposer une méthodologie « fonctionnelle », diffusable aux utilisateurs courants des outils
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Choix de l'approche de modélisation
- Modèles orientés agents basés sur le confort • Maximisation d’une fonction de confort, perception, apprentissage… • Incertitude intrinsèque des modèles de confort • Liens entre inconfort et actions construits par hypothèses • Comportements idéaux - Modèles stochastiques statistiques • Lois de probabilités dérivées de mesures • Saisie implicite de phénomènes adaptatifs • Procédures de validation
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Pré-‐process Créa%on de ménages virtuels pour chaque logement Chaque habitant défini par un jeu de caractéris%ques
Généra%on des scénarios d’ac%vité de chaque occupant (résolu%on de 10 min)
Peuplement en appareils électriques Descrip%on des cycles de fonc%onnement des appareils
Simula%on de l’u%lisa%on des appareils électriques et de l’éclairage ar%ficiel Simula%on des puisages d’eau chaude et froide Généra%on de scénarios des consignes de chauffage Généra%on de scénarios d’occulta%on
Répé%%on de la simula%on complète (Monte Carlo)
Sor%es du Pre-‐process: Pour chaque zone, scénarios annuels de présence et d’apports internes, de chauffage et d’occulta%ons
Simula1on Thermique Dynamique Ges%on fenêtres
Données clima-ques, T°zones Modifica-on des débits d’air
Calcul thermique à chaque pas de temps (Modèle de bâ%ment) 7
Création des ménages (1)
- 21 caractéristiques par individu - Corrélations => Détermination séquentielle - Données du Recensement de la Population Insee (2009)
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Création des ménages (2)
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Génération des scénarios d'activités
- Modèle détaillé basé sur une analyse statistique de l’EET 1999 (Wilke et al., 2013) - Présence: Chaînes de Markov, modèle logit; Activités: modèle logit multinomial - Probabilités de début des activités et durées des activités dépendent des caractéristiques sociodémographiques des individus
0:00
2:00
4:00
6:00
8:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 0:00
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Attribution des appareils électriques (Exemple des lave-vaisselles)
14% 12%
PDF
10% 8%
Modèle
6%
Mesures
4% 2% 0%
Consomma1on d'un cycle de lave-‐vaisselle (Wh) La modélisation des comportements dans la simulation énergétique des bâtiments|
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Probabilités de déclenchement - Hypothèse : déclenchement possible à la fin d’un repas - Objectif: minimiser l’écart entre simulations et mesures sur la courbe de charge journalière moyenne - Calibrage des probabilités de déclenchement en fonction de l’heure
80
Puissance (Wh/h)
70 60 50 40 30 20 10 0
Mesures
Modèle
- Saisonnalité sur la puissance La modélisation des comportements dans la simulation énergétique des bâtiments|
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Vérification/validation des prédictions
Nombre de cycles par semaine
18
Nombre de cycles des lave-‐vaisselles
16
Modèle
14 Moyenne
12 10
Mesures
8 6
Moyenne = 4,2
4 2 0 0%
10%
20%
30%
40%
60%
70%
80%
90%
100%
Lave-‐vaisselle
1400 Cosnomma1on annuelle en kWh
50%
Consomma1on annuelle des lave-‐vaisselles
1200
Modèle
1000
Moyenne
800
Mesures
600 400
Moyenne = 280 kWh
200 0 0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
Lave-‐vaisselles La modélisation des comportements dans la simulation énergétique des bâtiments|
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Résultats du modèle d’utilisation des appareils électriques (1) 4000 3500 Puissance (W)
3000 2500 2000 1500 1000 500
Puissance (électrique et thermique) en W
0
Logement 1, 1ère semaine de l'année Residuel Audiovisuel Informa%que Froid Lavage Cuisine Eclairage
4000 3500
Apports internes
3000
Puissance électrique
2500 2000 1500 1000 500 0
14
Résultats du modèle d’utilisation des appareils électriques (2) 4000 3500
Logement 2, 1ère semaine de l'année
Audiovisuel
3000 Puissance (W)
Residuel Informa%que
2500
Froid
2000
Lavage
1500
Cuisine
1000
Eclairage
500 0
4000 3500 Puissance (W)
3000
Logement 3, 1ère semaine de l'année
Residuel Audiovisuel Informa%que
2500
Froid
2000
Lavage
1500
Cuisine
1000
Eclairage
500 0
15
Résultats du modèle d’utilisation des appareils électriques (3) 7000
Puissance (W)
6000
3 logements, 1ère semaine de l'année
Residuel Audiovisuel
5000
Informa%que
4000
Froid Lavage
3000
Cuisine
2000
Eclairage
1000 0
80000
Puissance (W)
70000
100 logements, 1ère semaine de l'année
Residuel Audiovisuel
60000
Informa%que
50000
Froid
40000
Lavage
30000
Cuisine
20000
Eclairage
10000 0
16
Résultats du modèle d’utilisation des appareils électriques (4) 700
Puissance (W)
600
Journée d'été Residuel
500
Audiovisuel
400
Informa%que
300
Froid
200
Lavage Cuisine
100
Eclairage
0
700
Puissance (W)
600 500 400
Journée d'hiver Residuel Audiovisuel Informa%que
300 200 100
Froid Lavage Cuisine Eclairage
0 17
Consignes de chauffage
- Température dans les pièces principales, d’après des mesures : moyenne = 21,1°C ; écart-type = 2°C
PDF
6% 5%
Tcons-‐princ
4%
Tcons-‐princ, Loi normale
3% 2% 1% 0% 16
17
18
19
20 21 22 23 Température (°C)
24
25
26
- Modification en fonction des caractéristiques du ménage (âge, charge des frais, genre) et des types des pièces - Amplitudes et probabilités de réduit variables d’un ménage à l’autre
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Eau chaude sanitaire 70
Volume (L)
60
Répar11on de la consomma1on d'eau journalière moyenne d'un ménage
50
- 50 L ECS/(pers.j) en moyenne, écart-type de 30 L
40 30 20 10 0
% de la consomma1on journalière
14% 12%
Profil journalier moyen de puisage d'eau chaude
10% 8% 6% 4% 2% 0%
La modélisation des comportements dans la simulation énergétique des bâtiments|
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Propagation d’incertitudes (1) La maison I-BB - Maison passive, photovoltaïque, solaire thermique
12%
8%
Incer1tude sur les besoins de chauffage
7%
10%
6%
8%
5% PDF
PDF
Incer1tude sur la consomma1on annuelle d'énergie primaire
4%
6%
3%
4%
2% 2%
1%
0% 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44
0%
kWh/m² (besoins) La modélisation des comportements dans la simulation énergétique des bâtiments|
kWh/m² Energie Primaire 13/11/2014
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Propagation d’incertitudes (2) Immeuble résidentiel rénové à Feyzin - Garantie de performance énergétique (GPE). Objectif : prévoir consommations de chauffage et d’ECS après rénovation avec un intervalle de confiance - Méthode de Monte-Carlo - Facteurs incertains du modèle thermique (enveloppe, systèmes, climat) et incertitude sur l’occupation 35%
Incer1tude sur les consomma1ons de chauffage et d'ECS
30%
PDF
25% 20% 15% 10% 5% 0%
Modèle thermique
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Occupa%on
kWh/m² Modèle thermique + Occupa%on
Mesures
21
Perspectives
- Améliorations, développement des modèles - Resserrer l’intervalle de confiance - Identifier les paramètres qui doivent être mesurés ou relevés au cours d’un audit - Compter avec l’effet rebond 12% 10%
PDF
8% 6% 4% 2% 0% 30
35
40
45 50 55 60 65 Besoins de chauffage annuels en kWh/m²
70
75
Modèle, consigne à 20,2°C
Modèle, consigne à 22,8°C
Valeur garan%e si consigne conservée
Valeur garan%e avec une consigne de 22,8°C
80
Besoins réels La modélisation des comportements dans la simulation énergétique des bâtiments|
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MERCI POUR VOTRE ATTENTION
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