Vers des archétypes de modèles auto-configurables pour le bâtiment connecté

214 Pages·2017·10.21 MB·French

by  Vincent Reinbold

THÈSE
Pour obtenir le grade de
DOCTEUR DE LA COMMUNAUTE UNIVERSITE
GRENOBLE ALPES
Spécialité : Indiquer la spécialité qui figure sur votre carte
d’étudiant
Arrêté ministériel : 25 mai 2016

Présentée par
Lisa SCANU

Thèse dirigée par Stéphane PLOIX, Professeur, Université
Grenoble-Alpes, et
codirigée par Etienne WURTZ, Directeur de recherche, CEA

préparée au sein du Laboratoire de Sciences pour la
Conception, l'Optimisation et la Production de Grenoble
dans l'École Doctorale Electronique, Electrotechnique,
Automatique, Traitement du Signal (EEATS)

Vers des archétypes de
modèles auto-configurables
pour le bâtiment connecté

Thèse soutenue publiquement le 10 novembre 2017,
devant le jury composé de :
Madame Elena Palomo del Barrio
Professeur, CIC Energigune, Présidente
Monsieur Christian Ghiaus
Professeur, INSA de Lyon, Rapporteur
Monsieur Christian Inard
Professeur, Université de La Rochelle, Rapporteur
Monsieur Dirk Saelens
Professeur, Faculty of Engineering Science, KU Leuven, Examinateur
Monsieur Stéphane Ploix
Professeur, Université Grenoble-Alpes, Directeur de thèse
Monsieur Etienne Wurtz
Directeur de recherche, CEA, Co-Directeur de thèse

|i
link
A Couga

|iii
Remerciements
link
3 ans, ou plus exactement 2 ans 11 mois et 2 jours, c’est le temps qu’aura duré cette
aventure. Aventure oui, parce qu’une thèse ce n’est ni un travail, ni des études ;
c’est un entre-deux. On garde des études l’apprentissage permanent, l’encadrement
et le statut d’étudiant. Mais encore faut-il y ajouter la régularité, l’autonomie, la
gestion des délais et du projet de thèse dans sa globalité plus propre au domaine
professionnel ”classique”. Le tout assaisonné de beaucoup de remise en question
tant professionnelle que personnelle. Une thèse rien qu’à expliquer ce n’est déjà pas
simple. Et pourtant c’est essentiel, parce qu’une thèse on le l’achève pas seul, cela
est avant tout un travail d’équipe, une collaboration étroite, impliquant collègues,
amis et famille. Et c’est donc cette grande équipe que je tiens ici à remercier pour
m’avoir encouragée, défiée, boostée, enrichie tout au long de ces trois ans!
Tout d’abord un immense merci à Fred sans qui cette aventure n’aurait jamais
commencée. Merci pour ton enthousiasme sans borne parfois teintée d’utopisme,
merci pour la confiance que tu m’as accordée il y a maintenant plusieurs années et
pour la foi indéfectible que tu as en tes étudiants! Ce fut un plaisir de travailler avec
toi et j’espère qu’on aura de nouvelles occasions d’imaginer le monde de demain!
Je tiens également à adresser mes remerciements à mes deux directeurs de thèse :
Stéphane Ploix et Etienne Wurtz. Stéphane, merci pour ta présence et ta créativité
bouillonnante. Etienne, merci pour ta confiance et pour avoir su doser avec subtilité
exigeance et tolérance. Mais aussi un grand merci à Pierre qui m’a encadré au jour
le jour pendant ces trois ans. Pierre, merci pour ton écoute et ton soutien.
Merci à mon jury de thèse de m’avoir fait l’honneur d’évaluer mes travaux. Merci
à Monsieur Christian GHIAUS, Professeur à l’INSA Lyon et à Monsieur Christian
INARD, Professeur à l’université de la Rochelle d’avoir rapporté mes travaux. Merci
pour vos retours et vos questions constructives qui ont contribué à la version finale
de ce manuscrit. Merci à eux, à Dirk Saelens, pour m’avoir de surcroît accueillie
iv|Remerciements
6 mois à Leuven, et à Elena Palomo, ma présidente de jury, pour les discussions
pertinentes durant la soutenance et pour l’intérêt qu’ils ont porté à mon travail.
Un grand merci maintenant aux membres de mes deux laboratoires d’accueil qui
ont été présents au jour le jour et qui ont su, tour à tour, m’épauler, me faire grandir,
me faire rire. Côté GSCOP, merci Gricha pour le soutien inconditionnel que tu m’as
témoigné et pour ta ”théorie des graphes pour les nuls” qui m’a permis d’entrer en
contact avec le reste du labo, merci Lucie pour ton écoute et ta patience mais aussi
pour nos mythiques soirées karaoké, merci Lucas pour ton humour inégalable et tes
conseils avisés, merci Matthieu pour ta bonne humeur contagieuse et pour les soirées
passées à refaire le monde, merci Amr pour les nombreux échanges et ton optimisme,
merci Manar pour ta gentillesse. Plus globalement, un grand merci à Clément, Tom,
Franck, Alexandre, Florence, Hugo, Nicolas, Aurélie, Mahendra pour les nombreux
fous rires, tournois de coinche, apéroscop, échanges qui ont largement contribué à ma
motivation et ma bonne humeur au quotidien! Merci également à Marie-Jo et Fadila
pour votre aide sur le plan administratif et vos encouragements répétés. Côté CEA,
un merci tout particulier à mes co-bureaux du début et accolytes de thèse : Rozenn
et Clément. Rozenn, merci pour les nombreuses sessions papotage, squash défouloirs
et soirées bar déjantées; tu as été une vraie valve de décompression sans laquelle
j’aurai très certainement explosée en vol! Clément, merci pour les heures passées à
refaire le monde, tes dons de chocolat aux pauses café, ton écoute et ton empathie!
Merci Ana, Patricia, Thomas, Léa pour avoir participé à la très bonne ambiance du
labo et avoir su instaurer un climat de confiance et d’entraide. Merci Sarah pour ces
nombreuses heures penchées sur le concept d’identifiabilité et pour m’avoir sauvée
du naufrage au milieu de cet océan d’équations, merci Jeanne pour ton aide sur les
analyses de sensibilité et ta réactivité. Merci Arnaud pour ton soutien et ton regard
extérieur, merci Aurélie pour ta disponibilité, ton aide précieuse sur tout un tas
de sujets techniques et humains, merci Nico pour ta confiance inébranlable, merci
Franck pour m’avoir supportée pendant ces derniers mois en tant que co-bureau,
merci Timea pour être toujours venue aux nouvelles et m’avoir encouragée.
Jesouhaiteégalementremercierleprogrammeeuropéen”PhDSchool”d’InnoEnergy
quim’aoffertl’opportunitédem’ouvriraumondedel’entreprenariatetdel’innovation
via tout un panel de formations à Cracovie, Barcelone, Grenoble, Leuven ou encore
Amsterdam. Un immense merci à Isabelle Schuster, Marion Decquick, Christine
Dominjon, Fabien Gauthier et Richard Biaggionni pour leur investissement et leur
énergieàdévelopperceprogramme. Ungrandmerciàtousceuxqui, audétourd’une
|v
formation, ont attisé ma curiosité scientifique, m’ont enrichie de leurs expériences
et m’ont apporté une vraie ouverture culturelle : Ivan, Rasha, Arthur, Trang Thu,
Lucio, Arpit, et bien d’autres que j’oublie sûrement!
D’autres petites mains ont également contribuées au bon déroulement de la ré-
daction, soutenance et pot de thèse. Merci donc à Claude pour son aide précieuse
sur les subtilités de la langue anglaise. Merci à Céd pour ses innombrables relectures,
skype et commentaires lors de la préparation de la soutenance! Merci à Rémy, Léa
et Claire pour l’aide pour le pot de thèse.
Merci également aux copains grenoblois qui ont su me sortir de ma tour d’ivoire
pendant les moments de gros rush et qui ont été là pour partager succès et déconfi-
tures, bières et sushis, sorties ski et après-midi jeux, travaux de peinture et cinés...
Merci Elo pour ta bonne humeur permanente, tes projets de refaire le monde, ta
présence et ton empathie. Merci Ju pour nos sessions squash aussi vite contrebal-
ancées par nos soirées sushis et/ou bar. Merci Guegue, Carole, Damsou, Minouche,
Pauline, Léa, Sophie, Djoj, Maëlle, Tim, Cécile, Dago pour les innombrables soirées
bar et/ou repas partagés qui ont ponctués ces trois ans et souvent compliqués les
réveils matinaux !
Unimmensemerciauxcopainsdetoujours(oupresque)dispersésdeparlemonde
qui ont su être là malgré les kilomètres : Coco, Doudou, Céd, Fanny, Pompon,
Chalague, Claire, Momo, Ben, Vital, Tim, Clemmy, Laurie, Boubou, Florent, Auré,
Florian Julie, Francis, Rémy! Merci pour vos petits mots, vos encouragements,
votre connerie, votre sens de la fête, nos discussions interminables. Merci de m’avoir
permis de prendre le large lors des nombreux weekends plus ou moins intelligents
(mais souvent moins quand même) mais aussi vacances loin de la thèse. Merci de
m’avoir fourni le carburant nécessaire à l’accomplissement de cette thèse, merci de
m’avoir supportée (et je reconnais que ça n’a pas du toujours être très simple)! Juste
merci!
Enfin, un grand merci à ma famille, qui a toujours cru en moi, quelque soit mon
projet.Merci pour votre soutien matériel et immatériel.
vi|Remerciements
|vii
Contents
link
Listofsymbols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xiii
Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
I Sociologyofenergyandmodelsfornewenergyservices . . . . . . . . . . . . . . 3
1 Context:Sociologyofenergy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2 Energymanagementservices. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.1 Objective. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.2 Descriptionoftheservices. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.3 Inherentconstraints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
3 Literaturereviewonmodels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
3.1 Black-boxmodels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
3.2 Physicalmodels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
3.3 Parameterestimation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
4 Identifiability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
4.1 Literaturereview. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
4.2 Tools . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
5 Problemstatement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
II Studycasesandcandidateself-tuningmodelstructures . . . . . . . . . . . . . . 25
1 Presentationofthecasestudy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
1.1 Architectureandinstrumentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
1.2 Solargains . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
viii|CONTENTS
1.3 Estimators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2 Descriptionofmodelstructures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.1 Structuraldescription. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.2 Buildingblocks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.3 Referencemodel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.4 Modelwithnocapacitor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.5 Modelwithtwocapacitors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.6 Modelswith3capacitors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.7 Modelwith4capacitors. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.8 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3 Acceptabilityandselectioncriterion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.1 Tools . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.2 Testofacceptability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.3 Selectionmethod . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.4 Sensitivityanalysisoftheparameters . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
III Learningbehaviouralmodelsforonedaytimehorizon . . . . . . . . . . . . . . . 51
1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
2 End-userenergyservicesrequirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3 Multi-regressionmodelsforenergyservices . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
3.1 Implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
3.2 ThecaseofJune. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
3.3 Multi-regressioninspiredfromphysics . . . . . . . . . . . . . . . . 62
3.4 Limits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
3.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67