Commande prédictive hybride et apprentissage pour la synthèse de contrôleurs logiques dans un bâtiment

Les usagers méritent leur place au cœur des enjeux de l’efficacité énergétique au sein dubâtiment ! En effet, nous passons de plus en plus de temps dans des espaces « fermés » tels que le logement, les écoles, les lieux de travail, etc. Une étude récente montre que la moyenne du temps passé à l’intérieure, dans des espaces clos est près de 80% chez les Français [1]. C’est pourquoi, un projet d’efficacité énergétique ne peut plus être pensé sans être lié à la notion de confort des occupants. L’importance de la notion de confort des usagers doit être reconnue. Mais comment définissons-nous le confort ? Le confort est défini comme un état de satisfaction, pour un environnement agréable dans lequel nous sommes affectés. Le confort dépend de trois facteurs principaux : physique de l’objectif environnemental ; physiologie du corps humain et psychologie humaine. De là, il faut souligner que le confort est une notion subjective, car elle varie d’une personne à une autre, selon l’état, les habitudes de chaque l’être humain. Assurer le confort correspond donc à satisfaire différents sens du corps humain : visuel, olfactif, auditif et tactile .

Confort thermique

C’est un état de satisfaction à propos de la température du corps humain. Le confort thermique est réalisé lorsqu’il existe un équilibre entre l’homme et l’ambiance, qui dépend de six facteurs liés à l’échange de chaleur entre l’homme et l’environnement.

On montre ces principaux facteurs parmi lesquels deux facteurs sont liés au comportement de l’occupant :
— L’habillement : la résistance thermique de vêtements (isolation des vêtements) qui représente le degré d’isolation entre la surface du corps et l’environnement.
— La physiologie thermique : la chaleur produite à l’intérieur du corps humain pour créer température d’équilibre, la chaleur réfléchie par physiologique (taux métabolique), en fonction de la posture, des activités humaines (assis, debout , marche, …). et quatre facteurs sont liés aux conditions environnementales :
— La température de l’air
— La température des parois
— La vitesse de l’air
— L’humidité .

Qualité de l’air intérieur – QAI 

Le but est d’amener de l’air frais à l’intérieur du bâtiment et d’éliminer des toxines, des polluants. En effet, l’air intérieur du bâtiment peuvent contenir des gaz très toxiques (e.g. CO, CO2,le radon, la fumée, …) ainsi que de la poussière, des moisissures, des bactéries, etc. Faute d’une ventilation adéquate, la qualité d’air sera sérieusement menacée, même nuisible pour la santé de l’occupant (causant de la dyspnée, de la fatigue, des maux de tête etc.).

Confort visuel

La lumière doit être répartie harmonieusement et suffisamment dans le bâtiment afin de créer un sentiment agréable à l’œil. De par une conception d’éclairage appropriée (puissance d’éclairage en conformité avec l’utilisation prévue de sites, distribution de lumière harmonique, …), nous pouvons atteindre le confort visuel. De façon simplifiée, le confort visuel peut être caractérisé par une mesure en lux. Par exemple, la norme NF EN 12464 impose un éclairement minimal de 500 lux dans une salle de conférence, ou de 300 lux dans les salles de classe, etc. Dans une maison résidentielle, le confort visuel correspond en général à un minimum de 300 lux.

Confort acoustique

Il s’agit de créer un espace avec une bonne isolation acoustique pour que l’occupant puisse entendre clairement le son utile et ne pas être dérangé par les bruits provenant de l’extérieur du bâtiment tels que les bruits des véhicules, des bâtiments autour ou même des moteurs des équipements dans la maison (tels que chaufferie, ascenseurs, ventilation mécanique, etc.). En France, la réglementation actuellement en vigueur (arrêté du 30 juin 1999 relatif aux caractéristiques acoustiques des bâtiments d’habitation) fixe des exigences d’isolation acoustique entre logements. Par exemple, en matière d’isolement aux bruits extérieurs en façade, l’exigence minimale est 30 dB et peut en fait atteindre 45 dB en fonction du niveau sonore subi.

Le confort, la consommation énergétique et le contrôle commande des équipements – le lien 

Afin de répondre aux besoins quotidiens des occupants ainsi que d’assurer les conforts que nous venons de détailler, différents systèmes ont été conçus pour être utilisés dans les buts suivants :
— Maintenir la température appropriée en hiver (chauffage) et en été (refroidissement) ;
— Renouveler l’air intérieur ;
— Répondre à la demande d’eau chaude ;
— Répondre aux besoins d’éclairage ;
— Répondre aux besoins des activités humaines (équipements électriques) ;
— etc.

Mais leur utilisation consomme de l’énergie. Pourtant, nous pourrions réduire de manière significative le niveau de consommation énergétique des bâtiments en étudiant leur construction (e.g. la forme, la taille, l’orientation des bâtiments, l’utilisation de l’isolation, etc.) Ces derniers points ont été particulièrement traités dans la Règlementation Thermique 2012 (RT2012 [3]). En effet, la performance de l’isolation thermique et l’efficacité de l’étanchéité à l’air deviennent des points centraux pour atteindre l’objectif de basse consommation énergétique imposé par la RT2012. De plus, l’orientation des façades (en priorité au sud) et un taux minimal des surfaces vitrés (1/6 de la surface habitable) ont été aussi imposés afin de profiter au maximum des apports solaire gratuits pour chauffer en hiver. Ces deux éléments permettent bien sûr de minimiser les besoins de chauffage dans les périodes d’hiver, mais génèrent des situations d’inconfort à la mi-saison comme en été à cause de l’inertie du bâtiment et de la difficulté d’évacuer de la chaleur déjà stockée à l’intérieur. De plus, l’étanchéité à l’air du bâtiment étant extrêmement renforcée, assurer un bon confort de la qualité de l’air intérieure devient difficile vu que les besoins de ventilation sont très souvent sous estimés. C’est pourquoi, il est nécessaire de considérer le bâtiment avec ses systèmes thermiques et énergétiques comme un ensemble unique qu’il faut faire fonctionner de façon optimale. L’assistance de stratégie de contrôle « intelligent » assurant la régulation, l’optimisation des consommations devient dès lors indispensable. Pourtant, il ne faut pas oublier le comportement de l’occupant qui sera aussi un élément décisif. En effet, l’ensemble des systèmes présents dans le bâtiment sont là pour satisfaire les besoins de l’occupant, en termes de conforts thermique, acoustique, sanitaire, visuel, avec une bonne qualité de l’air et assurer sa sécurité. En parallèle, les systèmes de contrôle-commande doivent être fiables, faciles à utiliser et adaptables aux différents besoins de l’occupant. Par conséquent, le challenge le plus important est de bien coordonner tous les systèmes installés dans l’habitat et d’optimiser différents objectifs qui sont pourtant antagonistes : réduire la facture énergétique et améliorer le confort. En effet, une utilisation efficace et coordonnée des systèmes installés dans le bâtiment (occultations, ventilation, émetteurs de chauffage, etc.) doit permettre de limiter les apports et gérer des transferts des zones fraîches vers les zones chaudes et ainsi de consommer moins d’énergie et d’améliorer le confort des occupants. Par ailleurs, pour répondre aux enjeux industriels, le problème devrait être résolu non seulement dans une optique d’implémentation simple et peu coûteuse, avec notamment un nombre réduit de capteurs, mais aussi dans un souci de portabilité pour que le contrôleur résultant puisse être implanté dans des bâtiments d’orientation différente et situés dans des lieux géographiques variés.

Contrôleur logique

Il s’agit d’une méthode de contrôle classique largement utilisée au sein de la communauté du contrôle des bâtiments. Elle est essentiellement basée sur un ensemble plus ou moins coordonné de règles logiques du type « si alors « . Les conditions sont généralement définies par un ingénieur expert, avec une bonne connaissance des phénomènes et des comportements du bâtiment. De nombreux brevets et des études scientifiques sur ce dispositif de contrôle avec l’application pour le pilotage des équipements pour l’objectif d’économie énergétique peuvent être trouvés dans [9, 10]. Un des avantages majeurs de cette approche est la simplicité dans sa mise en œuvre et elle est parfaitement adaptée pour être implémentée dans un produit commercial, par exemple dans des automates programmables ou être codée dans un micro processeur. De plus, le fonctionnement du contrôleur logique pourrait être représenté sous forme d’une arbre de décision dont chaque nœud est formé par une règle de décision. Ainsi, cela favorise la compréhension et facilite le travail des programmeurs. En revanche, certains inconvénients de cette approche peuvent être cités comme :

— La définition des règles logiques ainsi que leur paramètres de réglages se fait généralement de façon intuitive. Il est difficile de justifier les valeurs des seuils intervenant dans chaque règle, notamment dans le monde du bâtiment où l’inertie de ce dernier doit être prise en compte et être anticipée.

— La concaténation d’un grand nombre de règles pourrait conduire à un grand arbre de décision et il devient donc difficile d’assurer un bon fonctionnement et une bonne cohérence de la commande.

— La structure du bâtiment devient de plus en plus complexe avec l’intégration de plusieurs systèmes avec des possibilités de production / stockage / revente et dans un contexte de prix de l’énergie variable. Dans ce cas de figure, l’utilisation d’un contrôleur logique atteint des limites.

Table des matières

I Introduction
1 Contexte
1.1 Contexte
1.1.1 Confort thermique
1.1.2 Qualité de l’air intérieur – QAI
1.1.3 Confort visuel
1.1.4 Confort acoustique
1.1.5 Le confort, la consommation énergétique et le contrôle commande des équipements – le lien
1.2 Objectif de la thèse
1.3 Plan
1.4 Publications
2 Problématique
2.1 Contrôleur logique
2.2 Démarche
2.3 HMPC
2.3.1 Introduction au HMPC pour le batiment
2.3.1.1 Objectif de fonctionnement
2.3.1.2 Modèle
2.3.1.3 Problème d’optimisation
2.3.1.4 Méthode de résolution
2.4 Machine Learning
2.4.1 Petite introduction
2.4.2 La base de données
2.4.3 Décision
2.4.4 Modèle
2.4.4.1 Arbre de décision
2.4.4.2 Boosting – AdaBoost
2.4.4.3 SVM
2.4.5 Over-Fitting
2.4.6 Feature selection
2.4.7 Weka
2.5 Environnement de simulation-Introduction
2.5.1 Présentation SIMBAD
2.5.2 Cadre de travail
2.6 Conclusion du chapite – Synthèse
II Premier cas d’étude simple : Gestion des occultations
3 Développement d’un contrôleur optimal avec la commande prédictive hybride HMPC
3.1 Contexte et motivation
3.2 Développement de la commande prédictive hybride
3.2.1 Modèles
3.2.1.1 Modèle de température intérieure du bâtiment
3.2.1.2 Modèle de la luminosité
3.2.2 Traduction mathématique des critères et des contraintes
3.2.2.1 Critère de confort thermique
3.2.2.2 Critère de confort visuel
3.2.2.3 Critère de confort sonore et de la durée de vie des volets
3.2.3 Problème d’optimisation
3.2.4 Résolution du problème
3.3 Résultats de simulation
3.3.1 Conditions de simulation
3.3.2 Prévisions météorologiques parfaites
3.3.3 Prévisions météorologiques erronées
3.3.4 Comparaison avec un contrôleur classique
3.3.5 Économie sur la consommation énergétique
3.4 Conclusion
4 Développement d’un contrôleur simple grâce à un apprentissage automatique
4.1 Motivation
4.2 Formation d’une base de données
4.3 Développement d’un contrôleur logique
4.3.1 Apprentissage avec Arbre de décision
4.3.2 Apprentissage avec AdaBoost
4.3.3 Apprentissage avec SVM
4.3.4 Comparaison entre différentes méthodes
4.3.5 Etude avec SVM
4.3.5.1 Performance du contrôleur avec différents nombres d’entrées
4.3.5.2 Sensibilité des données
4.3.5.3 Adaptation des seuils en fonction du besoin de l’occupant
4.3.5.4 Simulation pendant une longue période
4.3.5.5 Portabilité de la solution
4.4 Conclusion
III Cas d’application : Gestion des occultations et de la ventilation
5 Commande prédictive pour la gestion de la ventilation et des volets
5.1 Introduction
5.1.1 Contexte
5.1.2 Objectif
5.2 Développement d’un contrôleur optimal MPC
5.2.1 Modèles
5.2.1.1 Modèle thermique correspond au fonctionnement à vitesse 1 de la ventilation mécanique
5.2.1.2 Modèle thermique correspond au fonctionnement à vitesse 2 de la ventilation mécanique
5.2.1.3 Commutation de modèles
5.2.1.4 Modèle de ventilation naturelle
5.2.1.5 Modèle du CO2
5.2.1.6 Modèle de luminosité
5.2.2 Traduction mathématique des critères et des contraintes
5.2.2.1 Critères pour la gestion des occultants
5.2.2.2 Critères pour la gestion de la ventilation
5.2.3 Problème d’optimisation
5.2.4 Résolution du problème
5.3 Résultats de simulation
5.3.1 Conditions de simulation
5.3.2 Période de mi-saison
5.3.2.1 Prévision parfaite
5.3.2.2 Prédictions imparfaites
5.3.2.3 Nombre d’occupants
5.3.3 Période d’été
5.4 Conclusion
6 L’apprentissage du comportement du contrôleur optimal
6.1 Introduction
6.2 Création d’une base de données
6.3 Développement d’un contrôleur logique
6.3.1 Sélection des attributs
6.3.1.1 Pour le système des occultations
6.3.1.2 Pour le système de ventilation
6.3.2 Apprentissage
6.3.2.1 Apprentissage pour les occultations
6.3.2.2 Apprentissage pour la ventilation
6.3.3 Résultats de simulation
6.3.3.1 Mi-saison
6.3.3.2 Eté
6.4 Conclusion
IV Conclusions

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