TECHNIQUE DE MESURE ET DE RÉGULATION
Install Magazine 986 – octobre 2022

Réaliser des économies d’énergie grâce à une régulation intelligente

Régulation prédictive de Builtwins

La demande d’installations de bâtiment ne cesse de croître. Elles doivent non seulement garantir le confort thermique, mais aussi faire en sorte que celui-ci soit le plus éco-énergétique possible. Elles deviennent dès lors de ce fait de plus en plus complexes : on observe souvent des combinaisons de différentes techniques, avec fréquemment plusieurs systèmes de production d’énergie et/ou de stockage. Face à cela, les méthodes de régulation traditionnelles se révèlent insuffisantes, avec en conséquence des installations inefficaces. Builtwins, une spin-off de de la KULeuven, a dans ce but développé une régulation prédictive qui permet à toutes les composantes d’une installation de fonctionner les unes avec les autres.

Régulation prédictive

Une régulation classique à hystérésis intervient dès qu’un écart suffisamment grand est constaté par rapport au point de consigne. Cela signifie que la réaction ne sera perceptible qu’après un certain temps. Dans une installation basique, cet effet négatif n’est pas si manifeste, bien qu’il faille toujours tenir compte d’une certaine perte de confort avant que la régulation n’entreprenne une action. Dans des bâtiments à inertie thermique élevée (par ex. avec beaucoup de béton), cette approche ne fonctionne pas. Et lorsque les différents composants de l’installation peuvent interagir, cela devient très compliqué.

Une régulation proportionnelle fonctionne de manière plus stable, mais a aussi ses propres limites. Il s’agit d’une bonne méthode pour maintenir une valeur (par ex. la température de pulsion d’un système de ventilation) à un point de consigne. Reste encore à savoir quel point de consigne choisir. Différents points de consigne, cela se traduit en général par un coût variable. Par ailleurs, il n’y a pas une température de confort spécifique, mais bien une plage de température de confort. Cette flexibilité est sous-exploitée. Plus il y a d’éléments qui doivent être associés, plus cette manière de travailler démontre ses limites.

Une régulation prédictive, par contre, n’attend pas qu’un déséquilibre se crée pour intervenir. Sur base d’un modèle numérique du bâtiment et de l’installation, la régulation fait des projections de l’état du bâtiment, et commande l’installation HVAC en fonction de cela. Idéalement, la régulation anticipe le comportement de l’installation afin d’éviter toute perte de confort. Il s’agit d’une différence fondamentale avec les régulations usuelles, qui sont toujours à la traîne.

Les données du bâtiment et de l’installation sont complétées par des prévisions météo. Le système peut par exemple ainsi anticiper un jour ensoleillé et faire en sorte de ne pas trop chauffer ce matin-là. La consommation propre d’une installation photovoltaïque peut en outre être optimalisée, dans la mesure où le système peut tenir compte du rayonnement solaire escompté. Il s’agit également d’une bonne solution pour des installations hybrides, dans lesquelles une pompe à chaleur couvre la charge de base et une chaudière prend le relais en cas de pic de demande. Sur base de cette évolution attendue de la demande de chaleur, la régulation peut faire en sorte que le chauffage de base fonctionne autant que possible, afin d’éviter que la chaudière ne soit allumée pour une brève période et ne prenne le pas sur la PAC.

Builtwins

Développer un tel système est plus facilement dit que fait. L’équipe de Builtwins n’est pas née du jour au lendemain. Le système possède déjà une longue histoire préalable. Il est né il y a dix ans sous la forme d’un projet de recherche -de Filip Jorissen et Damien Picard à la KU Leuven- qui a progressivement été perfectionné en vue de devenir une solution commercialisable. Cela s’est notamment traduit par des essais de terrain. La régulation a été appliquée dans différents bâtiments, comme le WZC Ter Potterie à Bruges, le bâtiment Fluvius à Bruxelles (par ailleurs ancien siège principal du bureau d’études Boydens, faisant entretemps partie de Sweco), le complexe immobilier Solarwind à Windhof (Luxembourg), et le collège Hogenheuvel à Louvain. Les résultats parlent d’eux-mêmes. On y a atteint un confort élevé, depuis le premier jour, sans devoir passer par une longue période de réglage et d’ajustement. On a par ailleurs enregistré une économie d’énergie moyenne de 20-40%, avec des pointes jusqu’à 60%.

Ces chiffres sont impressionnants quand on sait que certains de ces bâtiments, comme Solarwind, sont des bâtiments de conception très éco-énergétique. Solarwind est équipé de panneaux solaires, de capteurs solaires, de stockage thermique, d’éoliennes, d’une PAC couplée à de l’activation de la masse du bâtiment, et d’une chaudière biomasse pour les pics de consommation. Que le système de régulation ait encore pu réaliser des économies d’énergie, est la meilleure preuve que des installations complexes ne peuvent uniquement atteindre leur plein potentiel qu’à l’aide d’une régulation adéquate.

Jumeau numérique biunivoque

“Une des forces de cette technologie tient dans le fait qu’elle se base sur un modèle biunivoque du bâtiment réel.”, explique Filip Jorissen. “Autrement dit: chaque composant dans le modèle correspond à un composant dans le bâtiment: un capteur, une vanne, un corps de chauffe. Pour rendre l’algorithme réalisable, les développeurs de systèmes de régulation de pointe ont eu tendance à grouper différents éléments. Le bâtiment a par exemple ainsi été réparti en différentes zones comprenant à chaque fois plusieurs pièces. Mais dans ce cas, vous perdez toutefois en détail, et les prévisions sont moins précises. La situation devient problématique lorsque différentes pièces au sein d’une même zone affichent des demandes de chaleur diverses. Notre régulation va par ex. pas piloter un groupe de boîtier VAV, mais bien chaque boîtier VAV séparément. Cette précision améliore le confort, réduit la consommation d’énergie et permet l’application systématique de la technologie.”

A l’aide de capteurs situés dans l’installation, le système va confronter les valeurs mesurées aux valeurs prédéterminées, et ainsi améliorer la précision des prévisions. Il y a donc un feed-back constant entre le modèle et la réalité, de façon à ce que la régulation puisse tenir compte de facteurs perturbateurs extérieurs. “C’était clairement visible dans les bâtiments test durant la crise du coronavirus”, explique Damien Picard. “Il y avait alors beaucoup moins de monde au bureau, et le système commutait lui-même en position basse, parce qu’il remarquait l’absence de demande.”

Polyvalence

Il existe déjà de nombreux systèmes de régulation sur le marché; et un certain nombre de bâtiments commerciaux sont d’ores et déjà équipés d’une GTB. Pour être utilisé de manière efficace, le système Builtwins doit être compatible avec les solutions usuelles. Builtwins est compatible avec Bacnet, et fonctionne comme une couche additionnelle qui pilote les composants HVAC. Physiquement, cela se traduit par un ordinateur ou un portail supplémentaire, qui est connecté à l’ordinateur ou au PLC de la GTB. Guère besoin de capteurs ou de hardware supplémentaires: le système communique avec l’installation HVAC sur la GTB existante.

Par ailleurs, si ce n’est pas nécessaire, on n’intervient pas dans la régulation interne des composants individuels. “Notre but n’est pas de réinventer la roue”, explique Damien Picard. “les fabricants de centrales de traitement d’air, par exemple, savent comment ils doivent commander leur appareil. Nous transmettons dès lors seulement les points de consigne à la régulation existante.”

Détection d’erreurs

Le système est destiné à la gestion de bâtiments existants, mais il peut également être utilisé comme aide à la conception ou pour la détection d’erreurs. “Etre impliqué dès la phase de conception est toujours pratique, assure Filip Jorissen. Le but n’est pas de reprendre le travail du concepteur HVAC, mais nous regardons ensemble si le concept a suffisamment de degrés de liberté pour pouvoir mettre à profit le plein potentiel. Même après la mise en service, nous sommes en mesure d’assister l’installateur ou le bureau d’études. Si un point de consigne n’est pas atteint ou si la consommation d’énergie est trop élevée, nous pouvons comparer la réalité avec le comportement escompté, et nous trouvons alors plus facilement la cause du problème. Grâce à cela, nous avons pu remarquer durant un essai de terrain qu’une des pompes était défectueuse dans le champ de forage et qu’une vanne n’était pas correctement fermée.”

Dans le cadre de la transition énergétique, les bâtiments seront de plus en plus équipés de systèmes HVAC complexes. L’expérience démontre toutefois que ces systèmes n’atteignent leur rendement prédéterminé qu’à l’aide d’un système de régulation adapté. Builtwins apporte ici la solution.

Par Alex Baumans