THE MOBBLE: COMMANDE INTELLIGENTE COMME STRATEGIE VERS L’EFFICACITE ENERGETIQUE
LES ETUDIANTS DE L'UGENT RECUPERENT QUATRE MEDAILLES AU CONCOURS SOLAR DECATHLON
Une équipe d’étudiants de l’Université de Gand a été sélectionnée pour participer à la compétition Solar Decathlon à Budapest, Hongrie: un concours prestigieux qui met au défi les étudiants universitaires du monde entier de concevoir, construire et habiter un bâtiment économe en énergie et durable. La réalisation des étudiants gantois, un système de construction circulaire sous forme de bloc de construction modulaire, a été dénommée The Mobble et joue résolument la carte de la commande intelligente.
PERFORMANCE GAP
Isolation, compacité et étanchéité à l’air sont des principes connus pour les bâtiments économes en énergie. L’étude de l’Université de Gand montre toutefois que la différence dans la consommation d’énergie effective entre les bâtiments mal et bien isolés est souvent nettement plus petite qu’espéré. Plusieurs explications existent, mais une explication très importante est l’impact du système de chauffage et de la commande. De nombreux bâtiments non isolés avec des poêles à gaz locaux consomment moins que des maisons basse énergie avec chaudières à condensation et chauffage par le sol. Car en raison de leur grande inertie thermique, ces derniers systèmes fonctionnent souvent 24/7.
L’économie d’énergie réalisée par l’utilisation de techniques plus efficaces disparaît dès lors souvent au profit d’un gain de confort d’une part ou en raison d’une commande déficiente d’autre part. C’est précisément pour cette raison que les étudiants de l’UGent dans le concours Solar Decathlon misent sur la commande intelligente de toutes les installations. Pour accroître la vitesse de réaction, l’inertie thermique est à peine présente et une protection solaire extérieure est prévue en fonction du confort estival.
DEMAND SIDE MANAGEMENT
Comme mentionné, la commande intelligente est le point de départ central pour les installations et est utilisée aussi bien pour la ventilation, le chauffage, le refroidissement et l’eau chaude sanitaire que la production électrique, la consommation et le stockage. Les quatre premiers – les installations HVAC classiques – ont été étudiés à l’aide de simulations dynamiques dans Modelica. Le bâtiment et les systèmes ont dès lors été modélisés, ce qui permet d’avoir une idée du comportement complet du pavillon.
Intégration de l’Internet of Things
Bien que l’anticipation soit moins importante dans la ventilation, il est essentiel dans le chauffage, le refroidissement et la production ECS que l’énergie puisse être utilisée à bon escient là et quand des personnes sont présentes. D’où la collaboration avec Imec et IDlab de l’UGent pour la commande, afin d’optimiser le potentiel de la commande IoT. Par des signaux GPS, et aussi des applis telles que SNCB, Google Maps, Waze et autres, votre smartphone sait souvent mieux que vous quand vous serez rentré à la maison. La commande du système peut anticiper pour gérer les installations de façon ciblée.
Anticiper correctement
Afin de tenir compte également du temps de réponse, le smartphone émet, en outre, un signal vers la plateforme Diamand qui relie tous les composants entre eux. Ensuite, on calcule, sur la base du modèle du bâtiment et des températures intérieure et extérieure réelles, le nombre de minutes dont les systèmes auront besoin pour créer le confort nécessaire.
CHAUFFAGE ET REFROIDISSEMENT
Une pompe à chaleur air-air de Daikin a été sélectionnée pour le chauffage et le refroidissement de The Mobble. Ce système split a peu d’inertie et en d’autres termes, il coïncide avec les ambitions du projet.
Sciemment surdimensionné
En relation avec la température de conception à Budapest (-15 °C), la pompe à chaleur pour le chauffage a été sous-dimensionnée. Compte tenu de la puissance réduite de la pompe à chaleur à basse température extérieure, il faudrait un appareil nettement plus grand, qui utiliserait toutefois rarement sa puissance dans la pratique. D’après les simulations dynamiques, le pic de demande de chaleur réel est en tout cas nettement plus petit et l’ajout d’une batterie de post-chauffage sur la ventilation peut déjà offrir une solution.
Système passif
Etant donné que la température atteint souvent 35 °C en été à Budapest et que le concours impose deux journées passives - on ne peut pas utiliser pendant deux jours lors du concours un cycle carnot (p.ex. une pompe à chaleur) pour garder un climat intérieur confortable -, on a développé un système passif.
Sur le toit de The Mobble se trouve un système PV de Climapac en vertu duquel l’eau chaude, provenant du réservoir tampon thermique, est envoyée la nuit dans les panneaux. Cette eau se refroidit grâce au rayonnement à onde longue. En reliant le réservoir tampon thermique aux conduites d’air via un échangeur de chaleur eau-air, le bâtiment peut être refroidi en journée. Pour pouvoir ponter efficacement les deux journées passives, le réservoir tampon sera refroidi en profondeur au préalable. C’est possible grâce à l’intégration d’un échangeur de chaleur réfrigérant-eau entre le réservoir tampon et la pompe à chaleur. Etant donné que le règlement du concours interdit de forer dans le sol, on a aussi intégré un matériau phase-change dans le réservoir tampon pour créer une capacité thermique supplémentaire.
En fonction des prévisions météo, on peut décider de commencer par utiliser le refroidissement passif en journée, ou de l’économiser pour pouvoir supporter un pic de charge de refroidissement avec la pompe à chaleur (voir schéma hydraulique).
EAU CHAUDE SANITAIRE
L’eau chaude sanitaire est produite par un ballon à pompe à chaleur Daikin, qui choisit la source de chaleur entre l’air intérieur ou extérieur. Dans le contrôleur du ballon à pompe à chaleur se trouve un modèle biologique-thermohydraulique combiné capable de prédire la croissance de la légionelle. La température moyenne du ballon peut ainsi être abaissée sans risques supplémentaires.
VENTILATION
La ventilation est également gérée par la demande dans ce projet. On trouve une amenée hybride décentralisée (résistance à l’écoulement minimale, soutien hydraulique si nécessaire), en combinaison avec une évacuation centrale. L’amenée est régulée par CO2 et COV; l’évacuation par HR. Bien entendu, les débits sont toujours équilibrés.
“En soi, les techniques ne sont pas innovantes. Le potentiel reside dans la commande intelligente” - Prof. Nathan Van Den Bossche (UGent)
PAS DE COMMANDES STANDARD
Pour terminer, pour la partie électrique, on a fait appel à Climapac (PVT), Niko Home Control, Smappee et une batterie de Varta. Afin de maximiser l’autoconsommation électrique, tous les appareils électriques ont été mesurés, et pour estimer la production PV, les prévisions météo ont été prises en compte.
Remarquez que les commandes des différents systèmes ne sont pas des commandes standard. Des plates-formes de capteurs séparées ont été développées via Arduino et on a ajouté le traitement avec Raspberry Pi et la commande via la plate-forme Diamand ou Q-bus. Lors de la finalisation d’un tel projet de démonstration, il est possible de montrer certains concepts innovants.
QUATRE MEDAILLES
Au cours du concours Solar Decathlon, les équipes participantes était évaluées sur dix éléments du concours. Sept de ces éléments de concours sont évalués par un jury, mais pour les trois restants – plus précisément confort, équilibre énergétique électrique et efficacité des systèmes, les mesures sont déterminantes. C’est ainsi que les exigences sont très strictes pour la température intérieure, la concentration de CO2, l’humidité relative, les COV, l’incidence de la lumière, les performances acoustiques et ainsi de suite.
En fin de compte, l'équipe d'UGent a remporté quatre médailles.
Les étudiants ont obtenu les meilleurs résultats dans le domaine Engineering & Construction. Dans cette catégorie, ils ont reçu la plus haute distinction et donc la médaille d'or. De plus, trois médailles de bronze ont été remportées: dans les catégories Energy Balance, Neighbourhood Integration & Impact, en Communication & Social Awareness.
