Lors de l’installation d’une pompe à chaleur (PAC) double service (chauffage et eau chaude sanitaire (ECS)) dans le secteur résidentiel, la phase de mise en service est délicate : les paramètres à renseigner sont nombreux et non triviaux. Or, le bon fonctionnement de la PAC est très sensible à la qualité de cette étape. Quelques mauvais réglages peuvent entraîner un fonctionnement non optimal, voire un dysfonctionnement important (confort mal assuré). L’objectif de la thèse est de mettre au point une méthode de paramétrage auto-adaptatif modifiant les valeurs de « sortie d’usine » des paramètres pour les adapter au réseau d'émetteurs, à la réponse thermique du bâtiment et aux habitudes chauffage et de consommation d'ECS des occupants. Les paramètres doivent être adaptés à partir des capteurs déjà en place sur la PAC.Le travail de thèse porte d'abord sur l’identification des paramètres clés de la PAC, ceux qui influencent le plus la consommation. On en déduit quelques fonctions à optimiser : ajustement de la loi d'eau, méthode de choix des meilleures séquences de production d'ECS, anticipation de la relance du chauffage. L'objectif est de maximiser le coefficient de performance et de minimiser le recours aux appoints électriques tout en garantissant le confort. Ces objectifs sont atteints en développant des algorithmes de contrôle optimisé. Des modèles neuronaux de prévision de la réponse thermique du bâtiment, du stock d’ECS et des performances de la PAC ont été développés pour ce contrôle optimisé. Les modèles et algorithmes développés ont été validés numériquement et les performances de la PAC comparées à celles avec contrôle classique sans auto-paramétrage. Les solutions proposées ont été appliquées et testées durant une saison sur une PAC réelle sur un banc d'essai semi-virtuel (climat réel et bâtiment virtuel). / Setting control parameters of residential double service heat pumps at the time of installation and commissioning is a delicate matter. Indeed, some parameters are not trivial, there are many to be adjusted and the heat pump operations are quite sensitive to the parameters' values. Poor parameterization can lead to suboptimal heat pump operation or even to important dysfunction (harming thermal comfort).Hence, this thesis aims to develop a method for the heat pump to self-adapt the value of its control parameters. The heat pump should modify if required the "default" settings in order to adapt them to the heat emitters, to the building thermal response and to the occupancy (in terms of thermal comfort and DHW needs). For industrial reasons, this method should use on-board sensors.First, the thesis focuses on identifying the key parameters of the heat pump control, i.e. those with greatest influence on the consumption. This leads to the functions which have to be optimized: heating curve adjustment, time of DHW generation, heating setback anticipation. The objective is to maximize the coefficient of performance and minimize the use of electrical back-ups while ensuring comfort. This is achieved by developing optimized control algorithms. Thanks to forecasts models, based on neural networks, we are able to predict on a short term horizon the building thermal response, the DHW availability and the heat pump performances. The developed models and algorithms have been validated through numerical simulations, and we have evaluated the heat pump performances in comparison to a classic control. The proposed solutions were applied and tested during a heating season on a real heat pump installed in a semi-virtual test bench (real weather and virtual building).

Le travail présenté ici a pour objectifs d’étudier et d’optimiser les performances énergétiques d’un chauffe-eau thermodynamique couplé à un stockage par chaleur sensible. La ressource utilisée consiste en la récupération de chaleur sur l’air extrait d’un logement de type collectif. L’enjeu est de caractériser les conditions dans lesquelles le système est capable d’assurer les besoins avec des performances requises lorsque les conditions aux limites sont très fluctuantes. Sur le plan fonctionnel, le système doit être le plus simple possible du point de vue de sa configuration hydraulique et de sa stratégie de régulation.Pour cette étude, nous avons développé un modèle physico-corrélatif sur TRNSYS pour simuler et analyser les différents scenarios et les couplages thermohydrauliques entre les composants du système. En parallèle de cette démarche de modélisation, nous avons conçu et mis en œuvre un dispositif expérimental à l’échelle 1 à des fins de validation du modèle sur une large plage de conditions opératoires.L’analyse des résultats, notamment sur la nature des écoulements au sein du ballon de stockage, a mis en évidence l’influence majeure d’un certain nombre de paramètres sur les performances du système. En particulier, la robustesse des performances face à des fluctuations importantes des conditions aux limites peut être assurée grâce à une stratégie de régulation adaptée.Cette étude a finalement conduit à proposer un modèle réduit pour le dimensionnement du système qui prend en compte les paramètres le plus pertinents pour la stratégie de régulation. / The work presented here aims to study and optimize the energy efficiency of a heat pump water heater coupled with a sensible heat storage. The resource used consists of heat recovery from exhaust air of a collective type of housing. The challenge is to characterize the conditions in which the system is capable of ensuring the needs with performance required when the boundary conditions are very volatile. Functionally, the system should be as simple as possible from the viewpoint of its hydraulic configuration and its control strategy.For this study, we developed a TRNSYS numerical model to simulate and analyze different scenarios and thermal hydraulic couplings between the system components. In parallel with this modeling approach, we designed and implemented an experimental set up with realistic scale to validate the model over a wide range of operating conditions.The analysis of the results, including the nature of flows within the storage tank, highlighted the major influence on a number of parameters on the system performance. In particular, the robust performance in the face of significant fluctuations of the boundary conditions can be ensured through appropriate control strategy.This study eventually led to propose a model for the design of the system that takes into account the most relevant parameters for the control strategy.

La thèse présente un modèle d’optimisation mathématique ainsi qu’une méthodologie d’étude pour la conception optimale de réseaux de chaleur et de froid flexibles et intégrant des technologies innovantes (les smart réseaux ou réseaux 4e génération). Dans ce modèle, différentes contraintes énergétiques, économiques et environnementales sont alors considérées. Le modèle considère des réseaux de chaud (ou de froid) à différents niveaux de température, ainsi que différents sites de production et demande d’énergie. Le tracé du réseau ainsi que la configuration de l’ensemble des systèmes de production sont obtenus en minimisant soit l'exergie totale consommée soit le coût total pour l’investissement et l’opération des systèmes. Le modèle mathématique développé est formulé en un problème MINLP multi-période. Les contraintes du modèle sont présentées dans plusieurs modèles imbriqués. Le premier modèle M1 est multi-période et inclut les contraintes d’échanges avec le réseau et un moyen de stockage thermique. Le deuxième modèle, appelé M2, contient l’ensemble du modèle M1 ainsi que des nouvelles contraintes permettant de dimensionner des pompes à chaleur à COP variable. Le troisième modèle M3 inclut le modèle M2 ainsi que de nouvelles contraintes pour le tracé géographique des réseaux et la prise en compte des flux d’électricité. Une méthodologie d’étude est aussi présentée, permettant, à l’aide du modèle M3 développé, de traiter des cas d’étude complexes et réalistes. La méthodologie propose une décomposition du problème selon trois étapes consécutives. Cette méthodologie est alors utilisée et illustrée pour un cas d’étude complexe : l’optimisation d’un nouveau quartier, considérant des PAC, un stockage de chaleur saisonnier et de la production PV. / This thesis presents a mathematical optimization model and a methodology for the optimal design of district heating and cooling networks. The various constraints in energy balances, costs and environmental criteria can be considered in order to propose structures of flexible and innovative networks.The model allows the consideration of heating (or cooling) networks at different temperature levels, as well as different production sites and heat demands. The network’s layout as well as the optimal architecture of the heat production systems are achieved by minimizing either the total exergy consumed or the total cost for the investment and operation of the systems.The developed mathematical model is formulated into a multi-period MINLP problem. The constraints of the model are presented in nested models. The first model M1 considers the multi-period aspect and includes the constraints related to the heat exchanges between production/demand streams with the network and a thermal storage. The second model, called M2, contains the entire model M1 as well as new constraints for sizing heat pumps with variable COP. The model M3 includes the model M2 as well as new constraints for the geographical layout of the networks and the consideration of electricity balance in the problem.A methodology is also presented making it possible, using the model M3, to deal with complex and realistic case studies. The methodology proposes a decomposition of the problem following three consecutive steps. This methodology is then used for the optimization of a new district, considering heat pumps, seasonal heat storage and PV production.

Dans cette thèse nous développons des structures de supervision permettant de définir des consignes optimales pour des actionneurs thermiques, ainsi que des stratégies de commande appropriées pour le pilotage d’une pompe à chaleur (PAC). Pour répondre à ces objectifs, plusieurs étapes ont été réalisées :- Modélisation orientée commande d’une PAC réversible, des thermistances, et de l’environnement permettant de les lier à l’intérieur de l’habitacle. Des modèles physiques ont été définis et intégrés dans une plateforme du type Model-in-the-Loop pour permettre a posteriori la validation des stratégies de commande et d’optimisation. - Commande d’une PAC. La linéarisation du modèle de PAC autour de certains points de fonctionnement a permis le développement de la commande de l’actionneur principal. La structure de commande proposée permet de prendre en compte, en boucle fermée, des contraintes d’état et d’entrée du système. Les performances de cette structure ont été analysées en considérant successivement des régulateurs principaux de type PI et Hinf. Enfin, des algorithmes réalisant le pilotage d’un actionneur secondaire du système ont été également proposés. - Optimisation des actionneurs thermiques. L’utilisation combinée de thermistances et de la PAC présente des avantages en termes de réduction de la consommation énergétique et/ou du maintien de la puissance thermique demandée dans des conditions aux limites de fonctionnement. Le problème d’optimisation a été résolu en deux temps : des solutions hors-ligne ont été obtenues par résolution d’un problème mixte en nombre entier avec modèle prédictif, puis utilisées pour déduire des stratégies embarquables sur le véhicule. / Through this thesis we develop some strategies to define the optimal set points for thermal actuators, as well as an adequate control strategy for a heat pump. To this extent, different steps were carried out:- Control-oriented modeling of a reversible heat pump, thermistors, and the environment connecting these elements to the interior of the car’s cabin. Simplified but non-linear physical models were defined and used to build a Model-in-the-Loop platform, which would later be considered for the validation of the control and optimization strategies. - Control of a heat pump. The linearization of the heat pump model around some operating points was used to develop the control of the electric compressor, being the main actuator. The proposed control structure takes into account, in closed loop, input and state constraints. The performance of the structure was analyzed by using main controllers of PI and Hinf type. Lastly, some control algorithms were also proposed to control a second actuator of the system. - Thermal actuators optimization. Despite the high efficiency of the heat pump, the use of thermistors can be advantageous both for reducing the energetic consumption and/or to ensure the thermal power requests in extreme conditions. The optimization problem was carried out in two steps: offline solutions were firstly obtained solving a mixed-integer problem with predictive model, then used to derive some strategies that could be embedded in the vehicle.

Les nouveaux bâtiments sont sujets à un renforcement de l'isolation thermique, à une augmentation des surfaces vitrées et à un accroissement des apports internes dus à des appareils électriques de plus en plus nombreux (ordinateurs, électroménager...). Cette tendance conduit à une diminution des demandes de chauffage mais peut engendrer des demandes de rafraîchissement en mi-saison et en période estivale. Les besoins en chauffage et en rafraîchissement deviennent plus équilibrés sur une journée et sur l'année en général. De plus, l'eau chaude sanitaire (ECS) occupe une place de moins en moins négligeable dans les besoins énergétiques totaux, ce qui provoque une simultanéité partielle des besoins en chaud et en froid dès que des demandes de rafraîchissement apparaissent. Une thermofrigopompe (TFP), machine frigorifique produisant de l'énergie calorifique et frigorifique de manière simultanée, associée à un stockage tampon d'énergie devient alors une solution intéressante. La TFP de petite à moyenne puissance est un système de production d'eau chaude et d'eau froide utilisant l'air comme source gratuite, destiné au chauffage, au rafraîchissement et à la production d'ECS pour des bâtiments du secteur résidentiel et du petit tertiaire. Elle présente plusieurs spécificités techniques dans la conception du circuit frigorifique, dans la gestion des modes de fonctionnement et des séquences de dégivrage. L'ajustement des productions de chaud et de froid aux charges du bâtiment s'effectue grâce à l'utilisation d'un échangeur d'équilibrage sur air extérieur fonctionnant soit en condenseur, soit en évaporateur. En période de chauffage, cette TFP offre également la possibilité de stocker une certaine quantité d'énergie sur la boucle d'eau froide à l'aide d'un sousrefroidisseur. Cette énergie stockée est utilisée en temps différé à l'évaporateur à eau afin d'améliorer les performances par un relèvement de la température d'évaporation et éventuellement de dégivrer l'évaporateur à air sans arrêter la production de chaleur. L'énergie de dégivrage est apportée par un thermosiphon diphasique formé entre les deux évaporateurs à des températures différentes. La présence d'un sous-refroidisseur impose le contrôle de la haute pression pour assurer une condensation totale du réfrigérant dans le condenseur utile. Le système de contrôle de pression est constitué d'une bouteille contenant du réfrigérant à l'équilibre liquide / vapeur connectée en partie basse à la ligne liquide et en partie haute au refoulement du compresseur et à un point en basse pression du circuit. Une injection de gaz provenant du refoulement du compresseur entraîne une augmentation de la haute pression. Une chasse vers la basse pression provoque une diminution de la haute pression du système. Une étude expérimentale a été menée sur une machine prototype de TFP au R407C pour des conditions variables de fonctionnement en températures d'air et d'eau et pour les différents modes possibles (chauffage, rafraîchissement et production simultanée). Les performances obtenues expérimentalement sont en accord avec celles annoncées par le logiciel de sélection développé par le constructeur du compresseur. L'étude expérimentale a également permis d'observer le dégivrage par thermosiphon, de vérifier le bon fonctionnement du système de gestion de la pression de condensation et des séquences alternées en période hivernale (1 : mode chauffage avec stockage de chaleur sur la boucle d'eau froide par sous-refroidissement. 2 : mode équilibré utilisant une évaporation par l'énergie stockée sur la boucle d'eau froide, plus performant, avec dégivrage éventuel). Le fonctionnement de la TFP a été modélisé avec deux réfrigérants : le HFC R407C et le CO2. Dans le contexte actuel animé par d'éventuelles décisions politiques concernant l'impact des gaz à effet de serre sur le réchauffement climatique, le dioxyde de carbone est un fluide intéressant d'abord pour son faible impact environnemental (ODP nul et GWP100ans = 1) et pour les caractéristiques particulières du cycle thermodynamique utilisé (cycle transcritique). En effet, une grande quantité d'énergie est récupérable par sous-refroidissement du fluide frigorigène et de l'ECS à haute température peut être produite de manière performante. Dans des simulations annuelles, les TFP au R407C et au CO2 sont comparées à des pompes à chaleur réversibles sur les critères de performance, d'économie d'énergie et d'impact environnemental. Le concept de cette TFP offre clairement une amélioration des performances par rapport à une pompe à chaleur réversible classique et l'utilisation du dioxyde de carbone présente de bonnes perspectives de développement.