This thesis presents the design and implementation of control strategies for building energy management systems (BEMS). The controllers considered include the multi PI-loop controllers, state-space designs, constrained input and output MIMO adaptive controllers, fuzzy logic solutions and genetic algorithm techniques. The control performances of the designs developed using the various methods based on aspects such as regulation errors squared, energy consumptions and the settling periods are investigated for different designs. The aim of the control strategy is to regulate the room temperature and the humidity to required comfort levels. In this study the building system under study is a 3 input/ 2 output system subject to external disturbances/effects. The three inputs are heating, cooling and humidification, and the 2 outputs are room air temperature and relative humidity. The external disturbances consist of climatic effects and other stochastic influences. The study is carried out within a simulation environment using the mathematical model of the test room at Loughborough University and the designed control solutions are verified through experimental trials using the full-scale BMS facility at the University of Bradford.

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(エネルギー科学) / 甲第21883号 / エネ博第384号 / 新制||エネ||75(附属図書館) / 京都大学大学院エネルギー科学研究科エネルギー社会・環境科学専攻 / (主査)教授 下田 宏, 教授 手塚 哲央, 教授 中村 裕一 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Energy Science / Kyoto University / DFAM

Ce travail propose un modèle thermique dynamique des appareils électriques dans les bâtiments basse consommation. L'objectif de ce travail est d'étudier l'influence des gains thermiques de ces appareils sur le bâtiment. Cette étude insiste sur la nécessité d'établir un modèle thermique dynamique des appareils électriques pour une meilleure gestion de l'énergie du bâtiment et le confort thermique de ses habitants.Comme il existe des interactions thermiques entre le bâtiment et les appareils électriques, sources de chaleur internes au bâtiment, il est nécessaire de modéliser le bâtiment. Le bâtiment basse consommation est modélisé dans un premier temps par un modèle simple reposantl'étude d'une pièce quasi-adiabatique. Ensuite, dans le but d'établir le modèle des appareils électriques, ceux-ci sont classés en quatre catégories selon leurs propriétés thermiques et électriques. A partir de cette classification et du premier principe de la thermodynamique, un modèle physique générique est établi. Le protocole expérimental et la procédure d'identification des paramètres thermiques des appareils sont ensuite présentés. Afin d'analyser la pertinence du modèle générique appliqué à des cas pratiques, plusieurs appareils électriques utilisés fréquemment dans les résidences – un écran, un ordinateur, un réfrigérateur, un radiateur électrique à convection et un micro-onde – sont choisis pour étudier et valider ce modèle ainsi que les protocoles d'expérimentation et d'identification. Enfin, le modèle proposé est intégré dans le modèle d'un bâtiment résidentiel développé et validé par le CSTB. Ce modèle couplé des appareils et du bâtiment est implémenté dans SIMBAD, un outil de simulation du bâtiment. A travers cette simulation, le comportement thermique du bâtiment et la quantité d'énergie nécessaire à son chauffage sur une période hivernale, ainsi que l'inconfort thermique dû aux appareils électriques durant l'été, sont observés.Ce travail fournit des résultats quantitatifs de l'effet thermique de différents appareils électriques caractérisés dans un bâtiment basse consommation et permet d'observer leur dynamique thermique et leurs interactions. Finalement, cette étude apporte une contribution aux études de gestion de l'énergie des bâtiments à basse consommation énergétique et du confort thermique des habitants. / This work proposes a dynamic thermal model of electrical appliances within low energy buildings. It aims to evaluate the influence of thermal gains of these appliances on the buildings and persuades the necessity of dynamic thermal modeling of electrical appliances for the energy management of low energy buildings and the thermal comfort of inhabitants.Since electrical appliances are one of the free internal heat sources of a building, the building which thermally interact with the appliances has to be modeled. Accordingly, a test room which represents a small scale laboratory set-up of a low energy building is first modeled based on the first thermodynamics principle and the thermal-electrical analogy. Then, in order to establish the thermal modeling of electrical appliances, the appliances are classified into four categories from thermal and electrical points of view. After that, a generic physically driven thermal model of the appliances is derived. It is established based also on the first thermodynamics principle. Along with this modeling, the used experimental protocol and the used identification procedure are presented to estimate the thermal parameters of the appliances. In order to analyze the relevance of the proposed generic model applied to practical cases, several electrical appliances which are widely used in residential buildings, namely a monitor, a computer, a refrigerator, a portable electric convection heater, and microwave are chosen to study and validate the proposed generic model and the measurement and identification protocols. Finally, the proposed dynamic thermal model of electrical appliances is integrated into a residential building model which was developed and validated by the French Technical Research Center for Building (CSTB) on a real building. This coupled model of the appliances and the building is implemented in a building energy simulation tool SIMBAD, which is a specific toolbox of Matlab/Simulink®. Through the simulation, thermal behavior and heating energy use of the building are observed during a winter period. In addition, thermal discomfort owing to usages of electrical appliances during a summer period is also studied and quantified.This work therefore provides the quantitative results of thermal effect of differently characterized electrical appliances within a low energy building and leads to observe their thermal dynamics and interactions. Consequently, it permits the energy management of low energy buildings and the thermal comfort of inhabitants in accordance with the usages of electrical appliances.

Le bâtiment est un noeud énergétique important et un support idéal pour développer etanalyser les effets d’un système de gestion optimisée d’énergie (SGEB) tant son impactpotentiel sur la demande énergétique globale est important. Cependant, pour que ces objectifssoient atteints, plusieurs verrous doivent être levés. Au-delà des problématiques liées àl’architecture de distribution, aux modèles (y compris ceux relatifs au comportement desusagers), aux outils de dimensionnement, à la formalisation des paramètres, contraintes etcritères, aux systèmes de production et aux modes de connexions au réseau de distribution, lesproblèmes liés à la mise en oeuvre d’un outil de gestion décentralisée et à sa validation sontcentraux centrale. Ces travaux s’inscrivent directement dans cette optique. Ils portent enparticulier sur l’élaboration de modèles énergétiques, de stratégies de gestion d’énergie dansune configuration multi-sources et multi-charges et surtout de mise en oeuvre de méthodes etd’outils de validation au travers de bancs tests variés où certains composants peuvent êtreréels.Ce travail analyse le gestionnaire énergétique « G-homeTech » comprenant plusieursfonctionnalités de gestion testées sur des bancs d’essai virtuels et hybrides qui permettent decombiner à la fois des composants matériels et logiciels dans les simulations. Cela a permisd'insérer des actionneurs communicants pour tester leur pertinence. Les validations menéesmontrent que le gestionnaire énergétique permet l'effacement de pointes de consommation etdes économies sur la facture énergétique globale tout en respectant les contraintes techniqueset réglementaires.Les évènements prédits ne sont pas toujours ceux qui se produisent. Nous avons alorssimulé de telles situations. La radiation solaire et la consommation totale des services noncontrôlables sont différentes de celles prédites. Cette différence a conduit à des dépassementsde puissance électrique souscrite qui a activé le mécanisme de gestion réactive du gestionnaireénergétique. Des ordres de délestage sont alors dynamiquement envoyés à certainséquipements. Ces ordres alimentent directement les modèles des équipements électriques.Selon les importances relatives données au coût et au confort, nous avons montré que legestionnaire énergétique permet de faire des économies substantielles en évitant lesconsommations durant les pics de prix et évitant les dépassements de souscription pareffacement, par modulation du fonctionnement des systèmes de chauffage et par décalage defonctionnement des services temporaires dans les périodes plus intéressante énergétiquement. / The building is an important energy node and an ideal support to develop and analyzethe effects of an Energy Management System (EMS). Because of its potential impact, such amanagement of global energy demand is important. However, to achieve these goals, severallocks must be removed. Beyond issues related to the distribution architecture, to models(including those relating to user behavior), sizing tools, the formalization of parameters,constraints and criteria, production systems and methods of connection to the grid, problemrelated to implementation of decentralized management tool and its validation are central. Mywork is part of this context. It focuses in particular on the development of energy models,strategies for energy management in a multi-source and multi-load configuration, andespecially, the implementation methods and the validation tools through various test bencheswhere some components are real.This paper analyzes the energy manager “G-homeTech” including several managementfeatures tested on virtual and hybrid test benches that combine both hardware and softwarecomponents in the simulations. This has put communicating actuators to test their relevance.The validations show that the energy manager allows the deletion of peak demand andsavings on the overall energy bill while respecting the technical and regulatory constraints.Predicted events are not always those that occur. We then simulated such situations.Solar radiation and the total consumption of uncontrollable services are different from thosepredicted. This difference has led to over-subscribed electric power which has enabled themanagement mechanism of reactive energy manager. Load shedding orders are thendynamically sent to certain equipement. These orders directly supply models of electricalequipment.According to the relative importance given to cost and comfort, we have shown that theenergy manager can make substantial savings avoiding consumption during price peaks andavoiding over-subscription by erasure, by modulation of heating system operation and byshefting the timed service operation in the most interesting periods in energy.

This thesis presents the design and implementation of control strategies for building energy management systems (BEMS). The controllers considered include the multi PI-loop controllers, state-space designs, constrained input and output MIMO adaptive controllers, fuzzy logic solutions and genetic algorithm techniques. The control performances of the designs developed using the various methods based on aspects such as regulation errors squared, energy consumptions and the settling periods are investigated for different designs. The aim of the control strategy is to regulate the room temperature and the humidity to required comfort levels. In this study the building system under study is a 3 input/ 2 output system subject to external disturbances/effects. The three inputs are heating, cooling and humidification, and the 2 outputs are room air temperature and relative humidity. The external disturbances consist of climatic effects and other stochastic influences. The study is carried out within a simulation environment using the mathematical model of the test room at Loughborough University and the designed control solutions are verified through experimental trials using the full-scale BMS facility at the University of Bradford.