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Atelier INSA Recherche Pluridisciplinaire : Monitoring et management de l'énergie dans le milieu urbain

Coordinateurs : Christain GHIAUS (CETHIL), Sylvie SERVIGNE (LIRIS)

Participants : Walid Bechkit (CITI), Sonia Ben Mokhtar (LIRIS), Eric Bideaux (AMPERE), Jean-Michel Deleuil (EVS), Yann Gripay (LIRIS), Jacques Jay (CETHIL), Herve Morel (AMPERE), Jean-Jacques Roux (CETHIL), Mihaela Scuturici (LIRIS)

Contact : e-UrbanEnergy@listes.insa-lyon.fr

Les acteurs de l’énergie dans le milieu urbain (officialités, propriétaires, industriels, concepteurs et avocats de l’efficacité énergétique) s'accordent à dire que les outils de conception basés sur la simulation prédictive sont moyennement représentatifs de la consommation réelle des bâtiments, notamment en raison de l'influence de l'exploitation du bâtiment et des comportements des usagers.

Un changement de paradigme de l'obligation de moyens vers l’obligation de résultats, en termes d'efficacité énergétique, impose un monitoring complet des bâtiments sur la consommation énergétique, sur le climat intérieur et les conditions extérieures (météorologie). Une interprétation objective des données devrait permettre de mesurer les performances énergétiques réelles des bâtiments et des systèmes techniques, et ce indépendamment du comportement des usagers.

Grâce au monitoring, une optimisation de la consommation ainsi qu'une synergie avec la production sont possibles. En effet, le paradigme actuel veut que la source doive répondre à toute demande à tout moment. Les consommateurs liés au sein d'un réseau intelligent pourront optimiser leur demande en tenant compte de prix variables en fonction de l'heure et du jour et aussi par la limitation de la consommation nécessaire à certains moments de la journée ou de l'année (effacement des pointes de consommation).

L'INSA de Lyon répond à ces demandes sociales en traitant les verrous technologiques sur toute la chaîne : instrumentation des bâtiments (mesures des taux d’activité et des paramètres physiques) à l'aide de réseaux de communication, exploitation et exploration de volumes de données hétérogènes, développement de modèles physiques des systèmes et des bâtiments et commande optimale par des modèles prédictifs. La protection de la vie privée, l’acceptabilité et l’impact de ces technologies sur les usagers sont également traités.

Pour étudier ces aspects, L'INSA de Lyon a développé la plateforme expérimentale MARBRE.

Envergure

            35 permanents

            15 doctorants

Mesures optiques du taux d’activité et des paramètres physiques

Mesures par l’analyse d’images de sources de chaleur dues aux activités humaines, appareils, transfert de chaleur par les parois et par l’advection de l’air.

Réseaux capillaires de communication

Réseau entre des d’objets communicants munis d’une interface avec l’espace physique (sondes, actionneurs, écrans tactile, téléphones, véhicules, etc.) et le réseau d'accès.  Déploiement des réseaux capillaires pour la gestion d’infrastructures énergétiques. Optimisation de la consommation d'énergie des réseaux capillaires.

Micro-réseau à courant continu LVDC (Low Voltage Direct Current)

Réseau à haute efficacité énergétique, réseau maillé DC, couplage photovoltaïque et charge continu, disjoncteur à courant continu, Ethernet énergétique (Enernet) avec un pilotage décentralisé, étude des protocoles de pilotage décentralisé, reconfiguration et mode dégradé. 

Modèles physiques pour le dimensionnement, l'analyse et la commande

Etude des phénomènes de transfert de chaleur et de masse à l’échelle du bâtiment et du quartier. Méthodes inverses pour l’identification des paramètres physiques. Détermination de modèles prédictifs d'ordre réduit pour la synthèse des commandes à différentes échelles (monozone, multizones, etc.) tenant compte de la nature multi-sources multi-usages des bâtiments et pour la synergie entre la production et la consommation de l’énergie thermique.

Commande optimale et efficacité énergétique par la commande

Stratégies de commande basées sur les modèles prédictifs du comportement thermique des bâtiments et de l'estimation des entrées inconnues (perturbations). Optimisation globale visant une utilisation rationnelle de l’énergie respectueuse des contraintes économiques, environnementale, de confort et de robustesse. 

Conception optimisée : analyse structurelle, méthodes inverses et dimensionnement

Utiliser les méthodes de l’optimisation et d'inversion de modèles dès la phase de conception. Optimiser simultanément les paramètres architecturaux et les stratégies de commande sur la base de modèles prédictifs dès la phase de la conception : propriétés physiques, structurelles, de pilotage et leur robustesse. 

Modèles et langages pour exploiter les données hétérogènes et multi-sources

Définition d'approches génériques de modélisation, d'exploitation et d'exploration de données hétérogènes (réseaux de capteurs physiques, station météo, enquêtes, etc.) et conception d'outils interactifs de mise en oeuvre. Objectif : permettre de valider des hypothèses ou de faire émerger des causalités ou corrélations non identifiées a priori. Démarche pluridisciplinaire, agile et incrémentale.

Protection des données et de la vie privée

Développement de protocoles de capture et d'analyse de données respectueuses de la vie privée et de protocoles de contrôle d'accès permettant aux usagers de contrôler la diffusion de leurs données. 

Impact et acceptabilité sociale

Comprendre les usages, identifier les besoins, établir une communication claire entre techniciens et profanes, experts et citoyens. Problématique de la gouvernance et de la démocratie locale en relation avec l'enjeu énergétique.

Laboratoires impliqués

Laboratoire de Génie Electrique, Automatique, Génomique et Microbiologique environnementale (AMPERE)

Centre d'énergétique et de thermique de Lyon (CETHIL)

Centre of Innovation in Telecommunications and Integration of service (CITI)

Environnement Ville et Société (EVS)

Laboratoire d'informatique en Image et systèmes d'information (LIRIS)

Projets phare

Plate-forme MARBRE de l'INSA de Lyon

Description
MARBRE (Monitoring & Architecture de Réseau de capteurs pour le Bâtiment et l'énergie) de l'INSA de Lyon : instrumentation d'un bâtiment de la société INSAVALOR, sur le Campus LyonTech à Villeurbanne.

·         300 capteurs sans-fils (environ 700 point mesure température, humidité, CO2/COV, luminosité, présence, ouverture de fenêtre, consommation de l'énergie) répartis dans le bâtiment

·         1 station météorologique sur le toit

·         infrastructure matérielle (passerelles et répétiteurs pour les capteurs, serveurs informatiques) et logicielle (logiciels spécifiques développés au LIRIS) : réception, stockage, exploitation des données issues des capteurs.

·         intégration de données anonymisées issues d'enquêtes sociologiques auprès des occupants du bâtiment.

Origine

Issue de la collaboration entre 4 Laboratoires : LIRIS, CETHIL, CITI, EVS-ITUS.

Financement : INSA de Lyon (projet BQR ARBRE 2012-2013 avec CITI, LIRIS, CETHIL, EVS-ITUS), CNRS (investissements mi-lourds : plate-formes SoCQ4Home & SoCQ4Home 2 du LIRIS et projet AMADOUER du programme MASTODONS de la mission interdisciplinaire de l'INS2I) et par l'ANR (projet ANR AIDE-3D 2010-2013 avec CETHIL), LabEx IMU de l'Université de Lyon (labellisation de la plate-forme SoCQ4Home du LIRIS, stages M2R en 2012 et 2013 co-encadrés par LIRIS & EVS-ITUS, projet IDeffE 2013-2015 avec CETHIL, LIRIS, EVS-ITUS).
Par sa pluridisciplinarité, la plate-forme s'inscrit dans la démarche initiée en 2013 par l'Atelier INSA Recherche (AIR) intitulé « Management et Monitoring de l'Énergie dans l'Environnement Urbain » (MME).

Organismes impliqués

UCBL, CNRS, INRA, ECL

English Version

Why this research topic

The stakeholders of energy use in urban environment (public authorities, landlords, construction companies and energy efficiency lobbyists) agree that the energy consumption predicted by simulation in the design stage is far from the real consumption, mainly due to the influence of the building usage and operation.

A paradigm shift from the obligation of means to the obligation of results on energy efficiency requires the complete monitoring of buildings on energy, consumption, indoor climate and air quality, and outdoor environment conditions. A factual understanding of the obtained data should serve to measure the real energy performance of buildings and associated technical systems, independent of the user behavior. 

Energy monitoring allows the consumption optimization and the demand response in synergy with the energy production. Now, the dominant paradigm is that energy sources need to respond to all requests at any moment. Users linked to a smart grid will be able to optimize their demand by taking into account the hourly or daily floating prices and also to limit their consumption at certain times of the day or of the year (energy demand management). 

INSA Lyon tackles these social demands by addressing with a interdisciplinary approach the technological bottlenecks on all the knowledge chain: instrumentation (measuring the auxiliary energy sources and physical parameters by image processing) by using capillary networks, exploitation and exploration of heterogeneous data, development of physical models for buildings and associated technical systems and optimal model predictive control. The technology acceptance issues such as the protection of the private life and of the personal data, social issues such as the acceptability and the impact of these technologies on the users, are also studied.   

Personnel involved

     35 faculty

     15 PhD students

Research topics

Optical measurement of activity and physical parameters

Image analysis applied to the measurement of heat sources due to indoor human activity, electrical devices, outdoor-indoor heat and mass transfer.

Capillary networks

Communication networks between nodes equipped with physical interfaces (sensors, actuators, phones, vehicles, etc.) and the access network. Deployment of capillary networks for monitoring energy infrastructures. Optimization of the energy consumption of capillary networks. 

Low-voltage DC micro-grids

High efficiency electric grids, meshed LVDC grids, PV and DC load coupling, DC circuit breaker, energy Ethernet (Enernet) with distributed control, study of decentralized, reconfigurable grid control protocols.

Physical models for analysis, synthesis, and control 

Studying heat and mass transfer at building and urban scales. Inverse methods for identification of physical parameters. Determining reduced order predictive models to be used at different control level (monozone, multizone, etc.), including multi-source multi-purpose nature of buildings and the required synergy between production and  consumption in response to building demands. 

Optimal control and energy efficient control strategies

Optimal control strategies based on predictive models of the building dynamic behavior and on robust estimation of the unknown inputs (disturbances). Global optimization aiming at a rational utilization of energy resources taking into account environmental, economics, comfort, robustness contraints.

Optimal design: structural analysis, inverse methods, sizing

Using optimization and inversion methods from the design stage. Optimizing simultaneously architectural parameters and control strategies based on predictive models from the design stage : physical properties, structural features, control algorithms and their robustness. 

Models and languages for heterogeneous- and multi-source-data mining

Definition of generic modeling approaches, exploitation and exploration of heterogeneous data (networks of sensors, actuators, weather stations, surveys, etc.) and design of interactive tools for their implementation. Goal: allowing for hypothesis to be validated or revealing non-identified causalities or correlations. Interdisciplinary, agile and incremental approach.

Data and privacy protection

Developing privacy-friendly protocols for data acquisition and analysis and Internet access control protocols empowering the users to control the transmission of their own data. 

Social impact and acceptability

Understand uses and practices, detect the needs, establishing a clear communication between technical and non-technical public, between experts and citizens. Energy stakes of the local governance and democracy.

Involved laboratories

Ampere Laboratory: electrical and control engineering, genomics and environmental microbiology (AMPERE)

Center for energy and thermal sciences (CETHIL)

Center of Innovation in Telecommunication and Integration of service (CITI)

Interdisciplinary laboratory in human and social sciences (EVS-ITUS)

Research Lab 'Sciences Computer of Images and Informations Systems (LIRIS)

Flagship projects

MARBRE experimental platform

Description

MARBRE (Monitoring and Network Architecture for Energy in Buildings) - experimental instrumentation of a building of INSAVALOR company:

+ 300 wireless sensors (about 700 measuring points for temperature, humidity, CO2, VOC, luminosity, presence, windows opening, energy consumption) distributed in the building

+ 1 weather station

+ hardware infrastructure (gateways and routers, servers), software infrastructure (dedicated applications developed by LIRIS): data retrieval, storage, and exploitation.

+ integration of anonymous data obtained from social surveys.

Origins

The result of the cooperation of four laboratories:  LIRIS, CETHIL, CITI, EVS-ITUS.

Financial support: INSA Lyon (BQR project ARBRE), CNRS (platform SoCQ4Home and SoCQ4Home 2 in the framework of the research program MASTODONS), ANR (AIDE-3D project).

MARBRE platform is the interdisciplinary research support of INSA Workshop on Energy Monitoring and Management.