Actuellement, l'inconfort intérieur dans les bâtiments est l'une des questions cruciales, ainsi que la consommation énergétique du bâtiment. En effet, les gens passent 60 à 90% de leur vie dans les bâtiments. Le confort intérieur est indispensable en termes de bienfaits sur la santé, la productivité et le bien-être des occupants. C'est pourquoi diverses stratégies d'optimisation fondées sur des règles, anticipatives ou prédictives ont été proposées pour atteindre le confort perçu en tenant compte de la consommation d'énergie. Dans la pratique, il existe un écart entre l'anticipation et la réalité. Habituellement, les plans anticipatifs sont synchronisés avec une période d'anticipation d'une heure et ne tiennent pas compte des différentes sources de conflits ainsi que des configurations d'enveloppes des bâtiments possibles. Il peut en résulter des conséquences négatives sur le coût et le confort. Pour résoudre ce problème, le système de gestion du bâtiment doit être conçu aussi comme réactif, de sorte à ce qu'il puisse répondre à toutes sortes de divergences par rapport au plan anticipatif, de manière réactive. Dans ce but, un système multi-échelle d'analyse de diagnostic réactif anticipatif (ARD- BMS) est proposé dans cette thèse. ARD-BMS est une gestion interne qui effectue trois actions importantes, c'est-à-dire la détection de défaut, l'isolement des causes et, enfin, les actions correctives. ARD-BMS permet ainsi une gestion réactive à court terme, à savoir 10 minutes pour analyser les tendances des défauts et la mise à jour de la dynamique du bâtiment et prendre ainsi les mesures correctives nécessaires pour maintenir le niveau de confort désiré. Cette thèse propose donc un modèle réactif à dynamique rapide simplifiée qui peut être utilisé pour estimer l'état actuel du bâtiment. Les bâtiments modernes sont un système très sophistiqué avec un grand nombre de capteurs, de contrôleurs et de CVC. La plupart des installations de construction utilisent des services prévus de maintenance préventive provenant des opérations périodiques des bâtiments. Ces problèmes imprévus puce causer des répercussions inexplicables sur le confort de l'occupant pendant le cycle de fonctionnement de 24 heures. Ces problèmes ne sont pas inadmissibles tels que les situations imprévues, les pannes de prévisions météorologiques. Le diagnostic des causes d'inconfort à court terme est encore un problème difficile au niveau de l'opération de construction intégrale. En outre, pour analyser cette situation, proposez une méthodologie diagnostique pour la détection et l'isolement des causes (fautes) dans les bâtiments. La méthodologie proposée comprend une HAZOP fondée sur les règles (analyse des risques et de l'optimisation) et une approche basée sur un modèle. / Currently, indoor discomfort in dwellings is one of the crucial issues along with the building energy consumption. Indeed, people spend 60-90% of their lives in buildings. Indoor comfort plays a vital role in occupants health, productivity, and well-being. However, various optimization and rule-based anticipative or predictive building strategies have been proposed to achieve the perceived comfort taking into account the energy consumption. However, in practice, anticipation or plans are far from the reality. Usually, anticipative plans are synchronized with one-hour anticipation period and do not consider the various sources of discrepancies as well as current envelope configurations. Unbeknownst to many, discrepancies from different sources could cause big penalty over cost and comfort. To tackle this issue, building management system needs to be designed as reactive or almost with no planning so that it can respond to all discrepancies re-actively. To address this problem, a multi-scale Anticipative Reactive Diagnosing- Building Management System (ARD-BMS) is proposed in this dissertation. ARD-BMS is an internal management and performs three important actions i.e., Discrepancydetection, Cause isolation, and finally Corrective actions. ARD-BMS follow the short-time resolution i.e., 10-minute to analyze the fault trends and current the building dynamics and take necessary corrective actions to maintain the desired level of comfort. This thesis proposes a fast dynamics simplified reactive model that can be used to estimate the current status of the building. Modern buildings are very sophisticated system with a large number of sensors, controllers, and HVACs. Most of the building facilities are using a scheduled preventive maintenance services derived from periodic operations of the buildings. These preventive actions do not take into account the other inadmissible issues such as unplanned situations, weather prediction failures etc. These unplanned issues could cause unaccountable impacts over occupant’s comfort during the 24-hour operation cycle. Diagnosability of short-term discomfort causes is still a challenging job at whole building operation level. Furthermore, to analyze this situation the thesis proposes a diagnostic methodology for detection and isolation of cause (faults) in buildings. The proposed methodology includes a rule-based HAZOP (Hazard and Operability analysis) and model-based approach. Further, in order to oversee unplanned discomforts, a short-term reactive optimization has been proposed.

Cette thèse est consacrée au problème d'ordonnancement de tâches qui consiste à minimiser la somme de l'énergie consommée et le temps d'attente pondéré total, et l'aborde de deux différents points de vue : centralisé et décentralisé. Pour l'approche décentralisée, nous avons défini deux types de jeux qui diffèrent dans les actions proposées aux joueurs et avons cherché des moyens de facturer l'énergie consommée aux utilisateurs pour les inciter à adopter un bon comportement. Concrètement nous nous intéressons à l'existence d'équilibres de Nash purs, au temps de convergence vers ces équilibres, et au rapport entre l'énergie consommée et le montant des factures. Pour l'approche centralisée, nous avons réduit le problème de minimisation à un problème d'ordonnancement plus classique avec une fonction de pénalité de retard polynomiale concave, pour lequel peu résultats ont été connus. Après avoir établi un état de l'art sur la famille de problèmes d'ordonnancement pour plusieurs fonctions de pénalité élémentaires et montré qu'une technique de preuve de NP-complétude classique échoue ici, nous nous sommes intéressés à sa résolution exacte. Pour améliorer les performances de l'algorithme A* dans ce contexte, nous avons montré des résultats de règles de dominance. Concrètement, nous avons cherché à déterminer les conditions sous lesquelles une solution optimale devrait ordonnancer une paire de tâches dans un certain ordre. Ces résultats sont appuyés par une étude expérimentale qui évalue l'impact pratique de ces nouvelles règles, par rapport aux règles existantes. / This thesis focuses on a job scheduling problem with the goal of minimizing the sum of energy consumption and the weighted flow time from two different approaches: centralized and decentralized. In the decentralized setting, we defined two games which differ in the strategies players can choose from and designed cost sharing mechanisms, charging the consumed energy to the users in order to incentive a socially desirable behavior. More precisely we were interested in the existence of pure Nash equilibria, in the convergence time, and the ratio between the consumed energy and the total charged amount. On the other side, for the centralized approach, we reduced the minimization problem to a classical scheduling problem with a polynomial concave penalty function, for which little results were known. We established a state of the art for a family of scheduling problems of this form with different penalty functions and showed that a classical NP-completeness proof technique fails here. Finally we addressed the exact resolution of the problem using the algorithm A*. In this context, we showed new order dominance rules. More precisely, we characterized the conditions under which any optimal solution must schedule a job pair in a certain order. In addition we carried out a computational experience to evaluate the practical impact of these new rules compared to the existing ones.

L’intégration des énergies renouvelables produites par un bâtiment et les réseaux de fourniture, qui sont amenés à proposer des tarifications et des puissances disponibles variables au cours de la journée, entraînent une grande variabilité de la disponibilité de l’énergie. Mais les besoins des utilisateurs ne sont pas forcément en accord avec cette disponibilité. La gestion de l’énergie consiste alors à faire en sorte que les moments de consommation des installations coïncident avec les moments où celle-ci est disponible. Notre objectif a été de proposer une stratégie de commande prédictive, distribuée et hiérarchisée, pour gérer efficacement l’énergie de l’habitat. Les aspects prédictifs de notre approche permettent d’anticiper les besoins et les variations de la tarification énergétique. L’aspect distribué va permettre d’assurer la modularité de la structure de commande, pour pouvoir intégrer différents usages et différentes technologies de manière simple et sans faire exploser la combinatoire du problème d’optimisation résultant. / Electrical system is under a hard constraint: production and consumption must be equal. The production has to integrate non-controllable energy resources and to consider variability of local productions. While buildings are one of the most important energy consumers, the emergence of information and communication technologies (ICT) in the building integrates them in smart-grid as important consumer-actor players. Indeed, they have at their disposal various storage capacities: thermal storage, hot-water tank and also electrical battery. In our work we develop an hierarchical and distributed Building Energy Management Systems based on model predictive control in order to enable to shift, to reduce or even to store energy according to grid informations. The anticipation enables to plan the energy consumption in order to optimize the operating cost values, while the hierarchical architecture enables to treat the high resolution problem complexity and the distributed aspect enables to ensure the control modularity bringing adaptability to the controller.

Nos travaux s’inscrivent dans le contexte global de la transition énergétique et de l’émergence des micro-réseaux, et de leur capacité, à terme, d’intégrer la production distribuée d’énergie tout en assurant la stabilité et la qualité du service. Parmi les technologies émergentes, les procédés Power-To-Gaz et en particulier le Power-to-Methane que nous étudions ici (production de CH4 à partir de l’électricité, en passant par H2 et CO2) ont l’avantage : d’absorber le surplus de production électrique, de récupérer et valoriser les émissions de CO2, et d’offrir des capacités de stockage importantes et de longue durée.Notre problématique porte sur la modélisation et la simulation d’un système PtM avec comme objectif d’assurer la continuité d’alimentation en CH4, ainsi que la sécurité du système en fonctionnement.Dans un premier temps nous effectuons le choix de technologies adaptées afin de déterminer la structure d’un système PtM avant de dimensionner ce système. Nous nous appuyons sur la modélisation REM (Représentation Energétique Macroscopique) pour intégrer les comportements physiques des équipements du système en régime stationnaire, mais également en régime transitoire, en prenant en compte des phases comme : le démarrage, le préchauffage…, et ainsi simuler le fonctionnement de ce système.Dans un second temps, nous développons une stratégie de gestion d’énergie multiniveaux afin de garantir le bon fonctionnement des équipements et du système dans sa globalité. Nous choisissons de la mettre en œuvre à travers la proposition d’un système multi-agents (SMA) et nous modélisons chacun des agents. Nous implémentons partiellement ce SMA et nous le simulons en connexion avec le modèle REM du système PtM pour montrer la faisabilité de notre approche. / Our work is concerned with energy transition and the emergence of micro-grids and their ability to integrate distributed power generation while at the same time ensure stability and service quality. Among the emerging technologies, the Power to Gas process and in particular the Power to Methane process which we are addressing here (production of CH4 from electricity, via H2 and CO2), have the advantage of absorbing surplus of electricity production, recovering CO2 emissions, as well as offering significant and long-term storage capacity.Our concern was in relation to the modeling and simulation of a PtM system with the objective of ensuring the continuity of CH4 supply and ensuring the safety of the system in operation.First, we chose the appropriate technologies to determine the structure of a PtM system before sizing this system. We utilised the REM modeling (Energetic Macroscopic Representation) to integrate the physical behaviors of the equipment of the system in a steady state, and in a transient state, taking into account phases like starting, preheating…, and ultimately the simulation of the operation system.In the second phase, we developed a multilevel energy management strategy to ensure the proper working order of each piece of equipment and of the global system. We chose to implement it through a multi-agent system (MAS) and we modeled each one of the agents. We partially implemented the MAS and simulated it with the REM model of the PtM system to show the feasibility of our approach.

L'objectif de la thèse a été l'étude de l'hybridation d'un groupe électrogène à pile à combustible (GE à PAC) dans le cas d'une application embarquée. Une partie importante du travail a consisté à tester en simulation diverses architectures de sources hybrides GE à PAC / supercondensateurs. Plusieurs modèles ont été mis au point et utilisés suivant l'objectif envisagé. Le modèle du GE à PAC quasi-statique permet de prédire de manière rapide et qualitative les grandeurs électriques mises en jeu dans la chaîne sur des profils de mission temps - vitesse avec des stratégies de gestion de l'énergie plus ou moins complexes ; un modèle dynamique plus élaboré a été introduit pour étudier certains phénomènes transitoires. Une étude expérimentale met en œuvre le concept d'hybridation du GE à PAC. Le démonstrateur réalisé doit permettre la validation des modèles et des stratégies de gestion de l'énergie élaborés dans la première partie du travail. Il constitue aussi un dispositif médiatique.

Avec la convergence de plusieurs tendances profondes du secteur énergétique, lesréseaux électriques intelligents (smart grids) émergent comme le paradigme principal pourla modernisation des réseaux électriques. Les smart grids doivent notamment permettred'intégrer de larges proportions d'énergie renouvelable intermittente, de stockage et devéhicules électriques, ainsi que donner aux consommateurs plus de contrôle sur leur consommationénergétique. L'atteinte de ces objectifs repose sur l'adoption de nombreusestechnologies, et en particulier des technologies de l'information et de la communication.Ces changements transforment les réseaux en des systèmes de plus en plus complexes,nécessitant des outils adaptés pour modéliser, contrôler et simuler leur comportement.Dans cette thèse, l'utilisation des systèmes multi-agents (SMA) permet une approchesystémique de la gestion de l'énergie, ainsi que la définition d'architectures et d'algorithmesbénéficiant des propriétés des SMA. Cette approche permet de prendre en compte lacomplexité d'un tel système cyber-physique, en intégrant de multiples aspects commele réseau en lui-même, les infrastructures de communication, les marchés ou encore lecomportement des utilisateurs. L'approche est mise en valeur à travers deux applications.Dans une première application, un système de gestion de l'énergie pour centrales àturbines à gaz est conçu avec l'objectif de minimiser les coûts de fonctionnement et lesémissions de gaz à effet de serre pour des profils de charge variables. Un modèle de turbineà gaz basé sur des données réelles est proposé et utilisé dans un simulateur spécifiquementdéveloppé. Une métaheuristique optimise dynamiquement le dispatching entre les turbinesen fonction de leurs caractéristiques propres. Les résultats montrent que le systèmeest capable d'atteindre ses objectifs initiaux. Les besoins en puissance de calcul et encommunication sont également évalués.Avec d'autres mesures de gestion de la demande, l'effacement diffus permet de réduiretemporairement la charge électrique, par exemple dans la cas d'une congestion du réseaude transport. Dans cette seconde application, un système d'effacement diffus est proposéet utilise les ressources disponibles chez les particuliers (véhicules électriques, climatisation,chauffe-eau) pour maintenir la demande sous une valeur limite. Des aggrégateursde capacité de réduction de charge servent d'interface entre les opérateurs du réseau etun marché de l'effacement. Un simulateur est également développé pour évaluer la performancedu système. Les résultats de simulations montrent que le système réussit àatteindre ses objectifs sans compromettre la stabilité du réseau de distribution en régimecontinu.

A notre époque, la maîtrise des consommations énergétiques est un enjeu très important pour la préservation des ressources naturelles terrestres. Outre le domaine des transports, des gains énergétiques significatifs existent dans le domaine des bâtiments résidentiels ou tertiaires. Alors que la construction basse consommation est aujourd'hui une réalité, la rénovation n'est que très rarement mise en pratique. Ainsi, l'objectif de cette thèse est d'évaluer les gains énergétiques potentiels issus de la rénovation d'un bâtiment ancien pour être en cohérence avec son environnement et ses modes d'exploitation. Au coeur de ce travail se trouvent les problématiques du système bâtiment, et du confort des occupants. Au regard de ces connaissances, nous proposons une architecture globale de contrôle du bâtiment répondant à des missions de confort optique et thermique, et de réduction des consommations énergétiques. Pour cela nous nous appuyons sur l'approche systémique et l'Automatique qui permettent depuis la modélisation jusqu'à l'élaboration de lois de commande de faire coopérer toutes les installations domotiques. L'évaluation du contrôle est réalisée en simulation sur un bâtiment ancien équipé d'un chauffage central, de luminaires et de stores vénitiens intérieurs pilotés. L'architecture de contrôle présentée est issue d'une analyse systémique du bâtiment et se base sur une approche hiérarchique en adéquation avec les exigences des utilisateurs et les différentes échelles de représentation. Afin d'expérimenter cette architecture de contrôle, un modèle physique de bâtiment multi-échelle a été réalisé en utilisant une approche Bond-Graph et permet d'estimer le comportement optique et thermique du bâtiment en séparant les dynamiques lentes et rapides. La synthèse des lois de commande a ensuite été effectuée en réduisant ce modèle de simulation et a permis d'implémenter deux lois de commandes. La première s'exprime à l'échelle du bâtiment par une commande prédictive du chauffage central et considère l'évolution future de la température extérieure et de la puissance radiative solaire. La seconde prend place au niveau des pièces sous la forme d'une commande optimale des radiateurs, des stores et des luminaires afin d'assurer la température opérative moyenne et l'éclairement moyen souhaité par les occupants. L'étude des gains énergétiques offerts par la rénovation du système de contrôle a permis de mettre en valeur l'intérêt de l'architecture de contrôle présenté. Les résultats ont montré que l'implantation d'une commande prédictive sur le chauffage central permet de réduire de plus de 20% ses consommations énergétiques. Par ailleurs, le contrôle optimal dans les pièces offre un gain d'environ 20% sur le confort thermique et de 75% sur le confort optique.

Le développement des réseaux de capteurs sans fil (WSN) profite des progrès récents en consommation énergétique dans les systèmes électroniques et des progrès en technologies de récupération d'énergie pour construire des entités de contrôle intelligentes utilisées dans des domaines variés comme la santé ou l'agriculture. Grâce aux consommations toujours plus faibles des circuits de communication radiofréquence, il est possible de créer des réseaux de systèmes de capteurs capables d'extraire des données de l'environnement et de les transmettre à une entité maîtresse. Les durées de vie limitées des batteries sont un frein au développement de tels réseaux pour des raisons de coût et de difficulté de maintenance. Grâce à la récupération d'énergie dans l'environnement, qu'elle soit solaire, thermique ou mécanique, il est alors envisageable d'alimenter un système de capteurs et sa communication sans fil afin d'accroitre l'autonomie globale du réseau. Les travaux réalisés dans le cadre de cette thèse visent à étudier la gestion d'énergie au sein d'un nœud de capteurs communicant sans fil. Grâce à l'utilisation d'une architecture d'alimentation avancée à chemins de puissance multiples, basée notamment sur un chemin direct à haut rendement entre les récupérateurs d'énergie et les charges consommantes, le système peut optimiser son rendement énergétique lorsque l'énergie est récupérée dans l'environnement. Cette architecture d'alimentation requiert néanmoins un contrôle numérique fin afin de déterminer à tout moment le chemin de puissance optimal entre les récupérateurs, les capacités et batterie de stockage, et les charges consommantes. Un contrôleur intégré asynchrone réalise une gestion événementielle de ces chemins de puissance et permet au système d'être robuste face aux variations énergétiques environnementales. Après une modélisation et une analyse des gains de l'architecture avancée de gestion de puissance, un contrôleur événementiel adapté aux systèmes de capteurs communicants est proposé. Ce contrôleur est implémenté en logique asynchrone quasi insensible aux délais (QDI) et offre au système une robustesse intrinsèque forte aux variations environnementales en addition à sa très faible consommation. Un circuit de gestion d'alimentation pour nœud de capteurs communicant est ainsi fabriqué en technologie CMOS 180nm et intègre des innovations tant architecturales que de gestion numérique applicative. Sa consommation globale proche d'1µW permet ainsi la réalisation de systèmes de capteurs fonctionnels pour des applications mettant en jeu des puissances de l'ordre du microwatt, autorisant en conséquence la mise en place de réseaux de capteurs ultra faible consommation.

Le travail présenté dans ce mémoire de thèse concerne la gestion de la consommation et de la production d'énergie électrique dans les bâtiments. Le problème de gestion d'énergie est modélisé sous forme de programme linéaire mixte. Le travail présenté dans ce mémoire propose des outils qui permettent de prendre en compte les incertitudes dans l'optimisation des flux d'énergie dans l'habitat. Dans un premier temps les incertitudes à prendre en compte sont étudiées. Nous distinguons 2 types d'incertitudes : les incertitudes paramétriques qui concernent le caractère imprécis des coefficients du modèle (prévisions météorologiques, paramètres des modèles, demande prévisionnelle d'énergie...) et les incertitudes d'occurrence qui sont liées aux actions directes de l'usager sur sa consommation d'énergie. Une approche d'optimisation robuste s'appuyant sur une formulation présentée par Bertsimas et Sim pour la programmation linéaire robuste est proposée pour prendre en compte les incertitudes paramétriques. Une procédure d'optimisation en deux étapes, basée sur la programmation stochastique, est proposée pour anticiper les possibilités de démarrage des services pilotés par l'usager. Cette procédure apporte une réponse aux incertitudes d'occurrence en permettant de prendre en compte les consommations d'énergie qui ne sont pas pilotées par le système d'optimisation. Différents exemples d'appartements sont utilisés pour illustrer la validité des méthodes proposées. Différents scénarios de tarification de l'énergie sont également étudiés.

Augmenter la durée de vie d'une pile, voire s'en passer est aujourd'hui devenu une obligation pour les microsystèmes. En effet, à cette échelle, le remplacement des piles et leur rejet dans l'environnement sont problématiques. La voie préconisée pour répondre à cet enjeu est d'utiliser des sources d'énergie renouvelables (solaire, thermique et mécanique). Pour cela, nous proposons de développer une plateforme de récupération d'énergie multi-sources/multi-charges (MANAGY) capable de s'adapter à son environnement pour en extraire le maximum d'énergie et répondre à des applications diverses. L'architecture est constituée de chemins directs et de chemins indirects où l'énergie provenant des sources est d'abord transférée dans une unité de stockage avant d'être réutilisée par les charges du microsystème. L'utilisation de cette nouvelle architecture permet d'optimiser le transfert d'énergie entre sources et charges et améliore le rendement du système de 33%. Avant de développer une architecture multi-sources, nous avons cherché à améliorer le rendement de la source photovoltaïque (PV) qui, au vu de l'état de l'art, a la densité de puissance la plus élevée. La recherche du rendement maximum de la source PV revient à la recherche du point de puissance maximum (MPPT). Il existe pour chaque condition d'irradiance, de température, et d'énergie extraites un couple tension-courant permettant à la source de fournir un maximum de puissance (MPP). Grâce à l'utilisation de deux chemins de puissance, nous arrivons simultanément à créer une boucle de régulation faible puissance agissant sur le rapport cyclique du système de gestion d'énergie (MPPT) et une boucle de régulation de la tension de sortie agissant sur le transfert de l'énergie. La modélisation du système nous a permis de spécifier ses performances. Pour atteindre les performances requises, des architectures innovantes ont été réalisées qui ont fait l'objet de trois brevets. De plus, des blocs ne sont activés qu'aux instants de changement d'état du système et sont conçus, quand cela a été possible, avec des transistors fonctionnant en mode faible inversion. Toutes ces optimisations permettent au système de fonctionner sur une large plage de variation de l'éclairement (de conditions intérieures supérieures à 500 lux à extérieures) avec un rendement proche de 90%. / Enhancing the life time of battery or being able to work without it is today mandatory for microsystems. Most of systems are nowadays limited by the capacity of the embedded battery. Moreover the replacement and waste of baterries is no more possible at this scale. One way to achieve longer life time is the use of renewable energy sources (solar, thermal, or kinetic). This work proposes to develop a new energy harvesting platform with numerous sources and loads (MANAGY) able to adapt itself to the surrounding environment in order to extract the maximum of energy while answering to various of applications. The architecture is composed of directs and indirects power paths where the extracted energy coming from renewable sources is firstly transferred to a storage unit before being used by loads. This novel architecture makes it possible to optimize the energy transfer between sources and loads and to achieve a 33% gain. Before developing this architecture with numerous sources, we have searched to enhance the efficiency of the photovoltaic source which has the best power density at the state of the art. Looking for improving the efficiency of the PV source is the same as tracking the maximum power point (MPPT). There is for each irradiance, temperature and quantity of energy extracted a couple of voltage and current enabling the PV source to deliver the maximum of power (MPP). Thanks to the two power paths used we are able to create a low power feedback loop adjusting the duty cycle from the power management unit (MPPT) while having a second feedback loop optimizing the power transfer and regulating the output voltage. Thanks to a high level model we have specified the system performances. To achieve the performances required we have realized novel architectures protected through three patents. Moreover, blocs are only activated when the system changes its state and furthermore there are designs, when achievable, with transistors working in weak inversion. All these optimizations make the system working for a large range of irradiance (from inside conditions higher than 500 lux to outdoor conditions) with an efficiency close to 90%.