Modélisation des installations de génie climatique en environnement de simulation graphique Méthodologie de description et réalisation d'une bibliothèque de modèles composants

Nowadays simulation tools are extensively used in studies related to building physics by scientists. The need of an optimal energy design of buildings, which results from the depletion of energy resources and environment conservation issues, have made their use more and more important. These tools, though popular within the research community, have not yet found their way to practitioners. One of the major concerns now is the transfer of these tools as well as the required expertise and training to practitioners. Various actions, through associations of engineers or manufacturers, European projects or the International Energy Agency, are currently carried out to facilitate this transfer of simulation tools. The work presented in this dissertation lies within this framework. It is primarily intended for studies of control systems involved in HVAC plants. The first target users are manufacturers of control equipment for the design of new products and also for the definition of innovative control strategies. The traditional modelling methodologies focus in most cases, on the description of a problem, its mathematical representation and its numerical resolution. The method described here integrates the concept of comprehension of the model by a user in the modelling process. The modeller must be conscious of the information that needs to be provided to the potential users of his model of system or component and evaluate their level of competency. The General System theory is used for the description of the thermal behaviour of the building and technical plants. A "generic" Building System adapted to control studies results from this description. The interactions between the elements of the Building System are defined by using technological terms to be closer to the world of practitioners. Thus cooling/heating fluids (air or water), communication networks or weather data are used to characterise the interactions instead of using only heat and mass transfer or information flow. This "Building System" has the advantage of being adapted for implementation in a graphical simulation environment. It can be readily used. Extensive use of graphical programming techniques is made to emphasise the semantic nature inherent in these environments for the assembly of virtual systems identical to the real installations. This descriptive method is applied in a widespread graphical simulation environment that adopts the modular concept. The graphical environment is also used to improve the comprehension of the models of elements in the Building System. This work proposes a structuring method of models to highlight the functional schema. The concept of modularity, usually used for the description of system, is introduced at the level of each element. The problems of parameterisation of models are also tackled in this work. Practitioners often bring forward the complexity to parameterise a model as a major hindrance to the use of simulation tools. The models must have a version with parameters that are "easily available". The model must be "easy to use" even if it is not most complete one. In some cases, data of typological or "expertise" sources are provided. The graphical environment makes it possible to provide various levels of abstractions for the user interface. It is thus possible to define a hierarchy among the parameters according to their complexity. The open architecture of the graphical programming environment enables the user to go through the models according to its needs and its competence. This can be done both on the system level and on the component level. To derive a maximum of benefit from this characteristic, the modeller must include the structuring process in the development phase of the model in the graphical environment. At the same time it is necessary to be conscious that an excessive use of the graphic programming can complicate comprehension. The modeller must constantly determine the utility of graphical programming and the shift to textual programming where required. This dissertation ends with the presentation of a library of models of HVAC component developed in this work as a toolbox of an existing simulation environment (MATLAB/ SIMULINK). The use of simulation for thermal issues in buildings by control specialists is enhanced by the fact that the chosen environment is well known in the Control Engineering field.Les outils de simulation numérique occupent une place prépondérante dans les études en physique du bâtiment. La démarche de conception énergétique optimale des bâtiments, qui résulte de l'épuisement des ressources énergétiques et du souci de préservation de l'environnement, n'a fait qu'amplifier leur utilisation. Ces outils, si répandus dans la communauté scientifique, n'ont pas encore trouvé leur place parmi les professionnels. L'enjeu est donc de transférer ces outils vers les praticiens. En parallèle, il faut s'assurer de leur formation dans le domaine de la simulation. Diverses actions, à travers des associations d'ingénieurs ou d'industriels, des projets européens ou de l'Agence Internationale de l'Énergie, sont actuellement menées pour faciliter ce transfert d'outils de simulation. Le travail présenté dans ce mémoire se positionne dans ce cadre. Il cherche à faciliter l'utilisation de la simulation pour les études des systèmes de régulation associés aux installations de génie climatique. Il s'adresse dans un premier temps aux industriels de matériels de régulation pour la conception de nouveaux produits et aussi pour définir des stratégies de régulation. La démarche de modélisation classique se focalise dans la plupart des cas, sur la description d'un problème, sa représentation mathématique et sa résolution numérique. La méthode décrite ici intègre la notion de compréhension du modèle par un utilisateur dans cette démarche de modélisation. Le modélisateur doit garder à l'esprit le profil des utilisateurs potentiels de son modèle de système ou de composant et évaluer leur niveau de compétence. La théorie du Système Général est utilisée pour la description globale du comportement thermique dans le bâtiment. Un Système Bâtiment "générique" adapté aux études sur la régulation résulte de cette description. Dans ce souci de compréhension, les interactions entre les éléments du Système Bâtiment sont définies en utilisant des terminologies technologiques. Ainsi on fait intervenir de fluides caloporteurs (air ou eau), de bus de communication ou de données météorologiques au lieu de caractériser les interactions uniquement en transfert de chaleur et de masse ou en informations. La description accorde une grande importance à l'implémentation informatique de ce Système Bâtiment. Elle fait appel aux techniques de la programmation graphique pour mettre en valeur le caractère sémantique inhérent aux environnements graphiques pour les assemblages de systèmes virtuels identiques aux installations réelles. Il est appliqué dans un environnement de simulation graphique du commerce qui utilise le concept de modularité. L'environnement graphique sert aussi à améliorer la compréhension des modèles des éléments du Système Bâtiment. Le travail propose une méthode de structuration des modèles pour mettre en évidence le schéma fonctionnel. La notion de modularité, couramment utilisée pour la description de système, est introduite au niveau de chaque élément. Le problème du paramétrage des modèles est aussi abordée. La complexité du paramétrage est souvent soulevée comme un obstacle à l'utilisation des outils de simulation par des praticiens. Les modèles proposés doivent avoir une version avec des paramètres "facilement disponibles". Le modèle doit être utilisable même s'il n'est pas le plus performant. Dans certains cas, des données de sources typologiques ou conventionnelles sont proposées. L'environnement graphique permet de fournir différents niveaux d'interface utilisateur. Il est ainsi possible de hiérarchiser les paramètres selon leur complexité. De manière générale, l'architecture ouverte de la programmation graphique permet à un utilisateur de parcourir les modèles selon ses besoins et ses compétences. Il peut le faire tant au niveau du système qu'au niveau des composants. Pour tirer un maximum de profit de cette caractéristique, le modélisateur doit structurer son modèle au cours de son développement dans l'environnement graphique. En même temps il faut être conscient qu'un usage excessif de la programmation graphique peut compliquer la compréhension. Le modélisateur doit constamment déterminer l'utilité de la programmation graphique et le passage à une programmation textuelle. Ce travail se termine par la réalisation d'une bibliothèque de modèles de composants de génie climatique dans un environnement de simulation existant (MATLAB/SIMULINK). Le transfert de la simulation en thermique du bâtiment vers des spécialistes de la régulation et des automatismes se fait aussi par le biais de cet environnement qui est très connu par cette catégorie de professionnels