Optimized monitoring techniques and data analysis development for in-situ characterization of the building envelope`s real energetic behaviour - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2021

Optimized monitoring techniques and data analysis development for in-situ characterization of the building envelope`s real energetic behaviour

Optimisation des techniques de surveillance et développement de l'analyse de données pour la caractérisation in-situ du comportement énergétique réel de l'enveloppe du bâtiment

Résumé

The general objective of this doctoral thesis project is to advance in the reliability and optimisation of Monitoring and Control Systems for HLC estimation and decoupling, in order to be able to define a minimum energy Monitoring Kit for residential or tertiary buildings in the future. These monitoring kits should be as unobtrusive as possible and should allow the minimum amount of data to be reliably monitored which, together with a correct analysis, should allow the real behaviour of the building envelope to be characterised.Thus after presenting the existing in-use HLC estimation and decoupling methods, the analysis of the State of the Art on monitoring and control systems for in-use building envelope energy characterisation is performed. Thanks to this review on monitoring and control systems analysis, it has been found that the overall uncertainty of indoor and outdoor temperature (when presented) is always considered to be the manufacturer’s accuracy in the existing literature. Using only the manufacturer accuracy as the overall uncertainty for these two important measurements required for the in-use HLC estimation, might lead to strongly underestimating their real uncertainty and this underestimation would be propagated to the estimated HLC values. To deeply analyse this topic, which could generate serious reliability issues for the estimated HLC values, a three dimensional monitoring system has been designed and deployed in an office building. To analyse the overall uncertainty of the indoor air temperature measurement, four thermal zones within the office building have been monitored with a three dimensional approach. To analyse the overall uncertainty of the outdoor air temperature measurement, a three dimensional monitoring approach has also been implemented around the building envelope.Furthermore, the results of this analysis have allowed the identification of the best location for the indoor and outdoor temperature sensors on the monitored building. Besides, the quantification of the discrepancies between the value of the sensor accuracy given by the manufacturer and the experimental value of the sensor accuracy plus the monitoring and control system has also been analysed. Here, the main contribution of this thesis can be found: the methodology developed to allow the quantification of the overall uncertainty of intensive variable measurements such as indoor air temperature and outdoor air temperature on in-use buildings. This methodology not only allows us to obtain the overall value of these measurements’ uncertainty containing all sources of uncertainty (called Measurement Uncertainty), but also allows us to decouple the Measurement Uncertainty into the uncertainty associated to the random and systematic errors. This decoupling separates the value of the variance associated with the overall uncertainty into the sum of two variances, one variance associated with the uncertainty related to the systematic errors (called in the study, Sensor Measurement Uncertainty) and another associated with the uncertainty related to the random errors (called in the study, Measurement’s Spatial Uncertainty).On the other hand, from the analysis of the Co-heating and Average method to estimate the HLC, an extremely detailed monitoring system has been designed and implemented in a residential building. The aim of this extremely detailed monitoring system is to be able to analyse what the minimum required set of sensors to estimate and decouple the in-use HLC values with a sufficient reliability. The selected sensors have the greatest possible accuracy that could be found for building sector applications. A detailed economic analysis is also included for this extremely detailed monitoring.
L’objectif général de ce projet est de progresser dans la fiabilité et l’optimisation des systèmes de surveillance et de contrôle pour l’estimation et le découplage des HLC, afin de pouvoir définir un Kit de Surveillance énergétique minimum pour les bâtiments résidentiels ou tertiaires. Ces kits de suivi doivent être aussi discrets que possible et doivent permettre de suivre de manière fiable un minimum de données qui, associées à une analyse correcte, doivent permettre de caractériser le comportement réel de l’enveloppe du bâtiment.Après la présentation des méthodes existantes pour l’estimation et le découplage des HLC en service, l’analyse de l’état de l’art sur l’utilisation des systèmes de surveillance et de contrôle pour la caractérisation énergétique de l’enveloppe du bâtiment en service, est effectuée. Grâce à cette analyse sur les Systèmes de Surveillance et de Contrôle, il a été constaté que dans la littérature existante, l’incertitude générale de la température intérieure et extérieure (lorsqu’elle est présentée) est toujours considérée comme la précision du fabricant. Utiliser uniquement cette précision comme incertitude globale pour ces deux mesures importantes pourrait conduire à une forte sous‑estimation de leur incertitude réelle et cette sous‑estimation se propagerait dans la valeur estimée des HLC.Afin d’analyser en profondeur cette question, qui pourrait générer de sérieux problèmes de fiabilité́ des valeurs HLC, un système de surveillance tridimensionnelle a été conçu et mis en place dans les bureaux d’un bâtiment tertiaire. Afin d’analyser l’incertitude globale de la mesure de la température de l’air intérieur, quatre zones thermiques du bâtiment ont été surveillées avec une approche tridimensionnelle. Pour analyser l’incertitude générale de la mesure de la température de l’air extérieur, une approche similaire a été appliquée autour de l’enveloppe du bâtiment.Les résultats de cette analyse ont permis d’identifier le meilleur emplacement des capteurs de température intérieure et extérieure dans le bâtiment surveillé. De même, les écarts entre la valeur de la précision du capteur donnée par le fabricant et la valeur expérimentale de la précision de la chaîne de mesure ont été analysés. La principale contribution de cette thèse se trouve dans cette analyse où une méthodologie a été développée pour quantifier l’incertitude globale de mesure des variables intensives dans les bâtiments en service, comme la température de l’air intérieur et la température de l’air extérieur. Cette méthodologie permet non seulement d’obtenir la valeur globale de l’incertitude des mesures (appelée Incertitude de Mesure), qui contient toutes les sources d’incertitude, mais permet également de découpler cette incertitude dans l’incertitude associée aux erreurs aléatoires et aux erreurs systématiques. Ce découplage sépare la valeur de la variance associée à l’incertitude globale (Incertitude de Mesure) en la somme de deux variances, l’une associée aux erreurs systématiques (nommée Incertitude de Mesure Capteur dans cette étude) et l’autre associée aux erreurs aléatoires (nommée Incertitude de Mesure Spatiale).D’autre part, sur la base de l’analyse de la méthode de Co‑heating et de la méthode des Moyennes pour estimer le HLC, un Système de Surveillance et de Contrôle extrêmement détaillé a été conçu et mis en œuvre dans un immeuble résidentiel. L’objectif de ce système est de pouvoir analyser quel est l’ensemble minimum de capteurs nécessaires pour estimer et découpler les valeurs HLC d’un bâtiment en service avec une fiabilité́ suffisante.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03228320 , version 1 (18-05-2021)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03228320 , version 1

Citer

Catalina Giraldo Soto. Optimized monitoring techniques and data analysis development for in-situ characterization of the building envelope`s real energetic behaviour. Mechanics [physics]. Université de Bordeaux; Universidad del País Vasco, 2021. English. ⟨NNT : 2021BORD0041⟩. ⟨tel-03228320⟩
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