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Développement d’une plateforme commune
de simulation
Modèles thermiques et électriques
Etienne Wurtz
INES-RDI CNRS, LOCIE, Université de Savoie
DYNASIMUL ET SIMINTHEC
2 Dynasimul et Siminthec
Objectif
Contexte
Objectif:
• Mettre en place une réflexion visant à définir le développement
d’une plateforme de simulation prenant en compte les récentes
évolutions dans le domaine de la thermique du bâtiment.
Contexte:
• Une offre en logiciels disparate
• Pas d’interopérabilité entre environnements
• Développement d’un projet national SIMBIO
• 60000 utilisateurs pour Energy +
• Un intérêt grandissant pour MODELICA
• Des tentatives d’homogénéisation (NMF, IFC)
• La modélisation, un besoin et une nécessité
• Réalisation de plate-formes d’expérimentation INCAS et PREDIS
3 Dynasimul et Siminthec
• Mieux connaître les attentes des utilisateurs
• Favoriser l’interopérabilité entre codes
• Mettre à disposition de la communauté une base de données
• Proposer de nouvelles méthodes de modélisation adaptées aux bâtiments basse consommation
Objectifs
4 Dynasimul et Siminthec
Défis
Résultats attendus
Transferts
Couplages fonctionnels
de logiciels de simulation
Défis scientifiques
et techniques Résultats attendus Transferts
Trnsys-Matlab/Simulink
Modelica-Energy+ Mise à disposition à la
communauté
Base de donnée
fonctionnelle
Conception d’une
base de donnée
Exploration de
nouvelles méthodes
de modélisation
Mise à disposition à la
communauté pour
renseignement
Codyrun-TrnSys etc.
Méthodes de réduction
Méthodes d’optimisation
Modeleur / Mailleur 3D
Publications
5 Dynasimul et Siminthec
Résultats volet 1: Développement de plates-
formes de simulation opérationnelles
État de l’art sur les couplages entre logiciels
Couplages globaux
Couplage de logiciels:
Couplages encapsulés: TrnSys-
Matlab/Simulink, fonctionnel dans les 2
sens (possibilité d’importer un modèle de
TrnSys et de le faire tourner dans
Matlab/Simulink et inversement)
6 Dynasimul et Siminthec
Résultats volet 2: Développement de bases de
données pour la simulation
Champs
couverts
Modèles
Géométrie 3D
Propriétés
physiques
Description
Liens entre
modèles
Famille de
modèle
Saisie et consultation
via serveur web Tests de la base de donnée en cours
Matériaux
Unités
Propriétés
thermo-physiques
Comportements
Valeurs particulières Liens
SIG
7 Dynasimul et Siminthec
Résultats volet 3: Développement d’une
nouvelle approche de modélisation
Fusion/Solidification d’une plaque de paraffine
Modèle complet: 629 e.d.o
Fusion/Solidification d’une plaque de paraffine
Modèle complet: 629 e.d.o
Fusion/Solidification d’une plaque de paraffine
Modèle complet: 629 e.d.o
Enveloppe standard &
couplage avec le sol (chaleur, humidité, polluants)
Enveloppes
nouvelles (ex: MCP intégrés)
Lieux de stockage
(sensible, latente, thermochimique)
Dispositifs passifs/actifs de
chauffage/refroidissement (ex: puit canadien, roue dessicante, ventilation naturelle …)
Réduction de problèmes non
linéaires de diffusion
9 Dynasimul et Siminthec
Tache 1 et 2 : Une plate-
forme pour valider les
outils de simulation
Exploitation des résultats de la plate-forme d’expérimentation
de l’institut national de l’énergie solaire pour valider les
modèles
10 Dynasimul et Siminthec
Tâche 3 : Modélisation
thermique
• Objectifs
– Fournir des modèles thermiques des composants et des systèmes adaptés aux problèmes de gestion de l’énergie dans le bâtiment.
– Participer à l’interopérabilité de ces modèles avec les outils de génie électrique et de contrôle commande.
• Programme de recherche/développement
1. Modèles détaillés des composants et des systèmes :
a. Analyse critique des environnements et modèles existants à la lumière de l’application envisagée : la gestion de l’énergie.
b. Développement de modèles détaillés de composants et systèmes inexistants dans les environnements actuels.
2. Modèles réduits des composants et des systèmes :
a. Développement de méthodes de réduction adaptées.
b. Adapter l’ordre de réduction des modèles à l’horizon de prévision requis par les applications envisagées (gestion anticipée, contrôle/commande).
3. Granularité et sémantique :
a. Assurer l’interopérabilité des modèles pour leur projection dans MODELICA ou leur encapsulation dans un composant logiciel.
11 Dynasimul et Siminthec
Tache 4 : Modèles
électriques
• VMC double flux: les moteurs de
ventilation, les variateurs de vitesse,
l'échangeur rotatif
• Panneaux photovoltaïques
• Pompe à chaleur: le moteur du
compresseur
• Batterie électrique
• PC portable
• Sources d'éclairage
VS
RS X Rr
Rr(1-g)/gRm XmVS
RS X Rr
Rr(1-g)/gRm Xm
Objectifs
- fournir des modèles des composants et des systèmes électriques utilisables
dans un bâtiment.
- projeter ces modèles dans les standards d’inter-operabilité
-Vers MODELICA -> Lot 6 -Vers BOITE Noire -> Lot 7
Les dispositifs visés Exemple: Moteur VMC double flux
MODELICA Boite Noire
Modèle
électrique
12 Dynasimul et Siminthec
Tache 5 : Occupants
et climat
• Climat : modèle stochastique et/ou prévisions météo
– Modèles ARMA (Box & Jenkins,1976)
– Time-dependent, Autoregressive Gaussian model (Aguiar & Collares-
Pereira,1992)
– Réseaux de neurones, utilisation des prévisions min/max (Abdel-Aal, 2004)
– Indicateur d’incertitude : 1 – écart quadratique / variation normale saisonnière
(Priestley forecasting skill score )
– Chaînes de Markov pour l’indice de clarté (rayonnement solaire) et l’écart à la
normale saisonnière (température)
• Occupants – Modélisation des actions
– Aspects stochastiques : chaîne de Markov
12
13 Dynasimul et Siminthec
tache 6 : Intégration
de modèles
- Maîtrise du standard et du langage
- Identification des solveurs
- Identification des spécificités de chacun dans le traitement des formes des
équations
- (directionnelles), besoins des inverses ou génération automatique
- Traitement des variables discrètes et des variables booléennes
- Traitement des équations implicites qui
découlent de la connections des ports
Objectifs
- réaliser la simulation électrique – thermique – contrôle en MODELICA
- approche d’inter-opérabilite dite boite blanche
- intérêt de MODELICA:
-avoir un langage commun&standardise entre logiciels de simulation thermique – électrique – contrôle/commande
Les tâches: Modèle
thermique
sous forme
de schéma
électrique
équivalent
Projection
en langage
MODELICA
Illustration:
14 Dynasimul et Siminthec
tâche 7 :
Interopérabilité
- Définition du standard de composant logiciel
- Réalisation d’un « co-simulation Service Bus » permettant de faire co-simuler les
modèles
Lot 3: Thermique
Lot 4: Electrique
Lot 5: Occupant & Climat
- Réalisation d’un forge:
Site Internet permet de spécifier en
commun les composants logiciels
Objectifs
- élaboration d’une norme de composants logiciels
- approche d’inter-opérabilité dit « boite noire »
- permettre l’échange de composants directement échangeables/executables
entre logiciels électrique/thermiques/contrôle-commande/modélisation usager (Composant dits « Plug&Play »)
Les tâches:
1 Réalisation visée:
Composant
logiciel
Électrique
Composant
logiciel
thermique
Composant
Logiciel
Occupant&climat
Orchestration
des composants logiciels sur bus
logiciel
-> Simulation globale
15 Dynasimul et Siminthec
Tâche 8 : Gestion
optimisée
• Exemple de couplage thermique-électricité, collaboration CEP-G2ELab
• Modèle thermique bâtiment (généré par COMFIE)
– Système matriciel initial pour chaque zone thermique
T : températures, Y : sorties
U : Sollicitations (Text, flux solaires,
puissances internes, etc.)
– Système après réduction et intégration
• Exportation du modèle par fichiers textes, pour échange avec autres solveurs
(Matlab, solveur Modelica)
• Possibilité d’adapter le pas de temps
• Couplage avec équipements, apports
Internes, ventilation…
15
n
g
n
g
n
g
n
g
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g
n
gg
n
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16 Dynasimul et Siminthec
Perspectives
• Considérer les développements d’energy+ et le couplage avec MODELICA
• Valider les résultats des outils sur les bâtiments BBC et 0-energie
• Adapter capacité des outils et besoins
• Coupler modèles thermiques et électriques
• Résoudre les problèmes thermo-aérauliques