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Synthèse de Projet de Fin d’Études
Projet de fin d’études (PFE) réalisé dans l’entreprise IMAP Armor
Par Giulio GERARDI
TUTEUR INSTITUTIONNEL : Armel JEGOU
TUTEUR ENTREPRISE : Yvon LE GRAND
Institut National des Sciences
Appliquées de Strasbourg
Septembre 2016
Développement des outils d’analyse et de gestion technique du génie
climatique et énergétique
Spécialité Génie Climatique et Energétique 5éme année de formation
Fiche d’objectifs
Titre du PFE :
Comment intégrer et améliorer les outils d’analyses et de gestion énergétique basés sur la
Gestion Technique des installations du génie climatique et énergétique dans l’industrie et le
tertiaire?
Objectifs du PFE :
1. Etude et optimisation de la Gestion Technique des process énergétiques dans une
usine agroalimentaire :
Aider au développement d’un outil de Gestion Technique ayant pour but
l’amélioration énergétique.
Apporter une expertise énergétique dans ce projet.
2. Etude et amélioration de maquettes didactiques (PAC, VMC, Chauffe-Eau solaire),
destinées à l’éducation nationale dans les filières du génie climatique et énergétique :
Expliquer les possibilités qu’apporte la Gestion Technique sur les équipements
CVC par la démonstration.
Apporter un œil critique sur le projet afin d’améliorer la solution proposée.
3. Optimisation de la Gestion Technique dans des bâtiments tertiaires :
Adapter la méthodologie et l’outil d’amélioration énergétique du précèdent
projet aux projets des bâtiments tertiaires.
Compléter l’outil déjà existant pour qu’il soit plus cohérant avec les exigences
du génie climatique dans la gestion et l’amélioration des installations
énergétiques.
Remerciements
J’adresse mes plus sincères remerciements à mon tuteur M. Yvon LE GRAND, gérant de
l’entreprise IMAP Armor pour m’avoir permis de réaliser mon projet de fin d’étude, pour m’avoir
accordé du temps et de l’intérêt durant cette période charnière de mon cursus professionnel.
Je souhaite également remercier mon tuteur institutionnel M. Armel JEGOU, ancien directeur
du COSTIC, pour son soutien chaleureux et le temps qu’il m’aura accordé dans le suivi de ce
projet.
Enfin je remercie l’ensemble du personnel de l’entreprise qui m’aura accordé sa patience, sa
compréhension et qui auront su créer les conditions d’une bonne intégration au sein de
l’entreprise.
Spécialité Génie Climatique et Energétique 5éme année de formation
Résumé
« Développement des outils d’analyse et de gestion technique du génie climatique et
énergétique »
Les technologies dans le domaine du génie climatique et énergétique ne cessent d’évoluer,
poussées par une augmentation des exigences en matière d’économies d’énergies.
Dans ce contexte, il devient de plus en plus nécessaire de maîtriser et analyser ses
consommations, c’est pourquoi les systèmes de gestion technique centralisée sont de plus en
plus plébiscités. Ces systèmes de gestion technique centralisée sont donc en plein essor et il
est aujourd’hui possible d’y connecter la quasi-totalité des équipements énergétiques.
Cependant, cette technologie est initialement issue du génie électrique et son adaptation à la
gestion des systèmes énergétiques et climatiques n’a pas toujours été conduite dans les
meilleures conditions. En réponse à cette problématique, ce projet vise à faire évoluer les outils
de gestion technique développés par une entreprise d’automatisme dans trois domaines du
génie climatique et énergétique : l’industrie, les bâtiments tertiaires et l’éducation.
Abstract
« Development of analysis and technical management tools in HVAC Engineering »
The HVAC technologies are constantly evolving, driven by an increase of the energy-saving
requirements.
In this respect, it is becoming increasingly necessary to manage and analyse its consumption,
hence the centralised technical management systems are becoming increasingly popular.
Furthermore today it’s possible to connect almost all energy equipment.
But, this technology comes from the electrical engineering and the HVAC systems
management adaptation doesn’t be carried out in the best conditions. Regarding to this
situation, this project is to enhance the technical management tools produced by a company
specialised in the automation. These developments should cover three parts of the HVAC
engineering: the industry, the tertiary premises and the education
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Table des matières
Glossaire des sigles et des abréviations .................................................................................3
1. Mise en situation ................................................................................................................4
1.1. Introduction ..................................................................................................................4
1.2. Présentation de l’entreprise..........................................................................................6
1.3. Présentation du logiciel « LINA Energie » ....................................................................7
1.3.1. Structure d’un réseau de gestion technique ...........................................................7
1.3.2. Le logiciel LINA Energie ........................................................................................7
2. Projet industriel ...................................................................................................................9
2.1. État des lieux avant mise en place du logiciel LINA Energie ......................................10
2.1.1. État des lieux matériel .........................................................................................10
2.1.2. État des lieux méthodologique .............................................................................11
2.2. Mise en place du logiciel LINA Energie ......................................................................12
2.2.1. Définition des objectifs et tâches à réaliser ..........................................................12
2.2.2. Outils et améliorations développés avec le logiciel LINA Energie ........................12
2.3. Synthèse du projet .....................................................................................................23
3. Projet tertiaire ...................................................................................................................24
3.1. Présentation du cas d’étude .......................................................................................24
3.2. Les tâches réalisées ..................................................................................................25
3.2.1. Rapports d’exploitation ........................................................................................25
3.2.2. Support technique aux automaticiens ..................................................................27
3.3. Synthèse du projet .....................................................................................................29
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4. Projet éducatif ..................................................................................................................29
4.1. Présentation du projet ................................................................................................29
4.2. État des lieux .............................................................................................................30
4.3. Réalisations ...............................................................................................................31
4.3.1. Objectifs ..............................................................................................................31
4.3.2. Les réalisations ...................................................................................................32
4.4. Synthèse du projet .....................................................................................................39
Conclusion ...........................................................................................................................40
Bibliographie ........................................................................................................................41
Sommaire des Annexes .......................................................................................................42
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Glossaire des sigles et des abréviations
3D : 3 Dimensions
CCTP : Cahier des Clauses Techniques Particulières
COP : Coefficient de Performance
COSTIC : Comité Scientifique et Technique des Industries Climatiques
CTA : Centrale de Traitement d'Air
DJU : Degré jour unifié
DREAL : Direction Régional de l’Environnement, de l’Aménagement et du Logement
GCE : Génie Climatique et Énergétique
GTB : Gestion Technique du Bâtiment
GTC : Gestion Technique Centralisée
INSA : Institut National des Sciences Appliquées
MEG : Fluide caloporteur à base de mono-éthylène glycol
NH3 : Ammoniac
OPC : Open Platform Communication
PAC : Pompe À Chaleur
PFE : Projet de Fin d'Études
PID : Proportionnel, Intégral, Dérivée
PME : Petites et Moyennes Entreprises
RAGE : Règles de l’Art Grenelle Environnement 2012
VMC : Ventilation Mécanique Contrôlée
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1. Mise en situation
1.1. Introduction
Les économies d’énergies représentent des enjeux cruciaux d’une part à cause de
l’augmentation du prix des énergies, mais également dans une optique de plus-value sociale
et financière qu’apporte une gestion « raisonné » de ses consommations. Afin de répondre à
ces objectifs, il est nécessaire de pouvoir suivre et maîtriser ses équipements au sein de son
bâtiment.
Les systèmes de Gestion Technique du Bâtiment (GTB) sont de plus en plus sollicités par les
investisseurs. En effet, ils représentent un outil efficace pour le contrôle et le suivi des
consommations.
Les systèmes de GTB aident à assurer les trois services [1] suivants :
La surveillance : assurer la sécurité et la disponibilité des équipements.
La supervision : satisfaire les qualités d’usages des bâtiments dans les meilleures
conditions de coût et d’efficacité.
Le suivi énergétique : connaitre en détail les consommations.
C’est trois services représentent, aujourd’hui, deux marchés dans les systèmes de GTB.
Un premier marché focalisé sur la surveillance et la supervision, ce marché est
principalement dominé par les grandes entreprises de l’automatisme.
Et le second marché est plutôt axé sur le suivi énergétique, et a pour principaux
protagonistes des entreprises d’informatiques industriels.
La supervision et la surveillance sont des fonctions aujourd’hui bien maitrisées. La
problématique dans le secteur est principalement l’interopérabilité des systèmes qui sont la
plupart du temps propriétaires et donc relativement fermés.
La supervision permet une gestion en temps réel des systèmes techniques du bâtiment. Elle
permet, comme cité plus haut, d’assurer et de contrôler les performances et de maintenir en
fonctionnement les équipements connectés. Bien souvent ces supervisions ne sont pas
conçues pour réaliser de la traçabilité et ne possèdent donc pas d’outils pour analyser le
fonctionnement des systèmes.
Spécialité Génie Climatique et Energétique 5éme année de formation
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Le suivi énergétique a pour objectif d’enregistrer les paramètres des systèmes
énergétiques (températures, pressions, consommations …) afin de les analyser
périodiquement. Ces analyses permettent de réaliser des diagnostics énergétiques et de
pouvoir déterminer des améliorations des systèmes.
Aujourd’hui, la difficulté majeure chez les concepteurs de logiciels de suivi énergétique
correspond à l’utilisation de ces relevés. En effet, bien que les logiciels soient en mesure de
remonter de nombreuses données brutes, ces dernières ne sont pas compréhensibles de tous.
Les clients n’ont pas toujours les connaissances pour exploiter les données et prévoir des
améliorations énergétiques de leurs installations.
Pour répondre à cette problématique, il est nécessaire de créer à partir des données
brutes un ensemble d’outils et d’indicateurs cohérents et adaptés aux différents besoins des
clients.
Une autre problématique des concepteurs de GTB est le manque de connaissances dans le
domaine de l’énergie. Cette lacune a pour conséquence de générer des incohérences dans
les produits (unités fausses, mauvais calculs…) pouvant poser problème aux utilisateurs.
C’est pour répondre à ces deux derniers points que l’entreprise IMAP Armor a élaboré un
projet destiné à un étudiant ingénieur.
Le projet réalisé au sein de cette entreprise s’articule autour de 3 axes principaux :
1. Un projet industriel, dans lequel l’étudiant aura pour tâche :
La maîtrise du logiciel LINA Energie (développé par l’entreprise).
Le développement d’un modèle de gestion technique d’une salle des machines
frigorifiques.
Le développement d’outils d’analyse adaptés au génie énergétique.
2. Un projet tertiaire, dans lequel l’étudiant aura pour tâche :
L’amélioration du logiciel LINA Energie.
Le développement d’un premier modèle de rapport d’exploitation automatisé.
3. Un projet éducatif, basé sur des machines didactiques :
Correction des exercices proposés
Améliorations du contenu éducatif inclus dans LINA Energie
Spécialité Génie Climatique et Energétique 5éme année de formation
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1.2. Présentation de l’entreprise
La société IMAP Armor est une PME créée en 1997 par
Monsieur Yvon Le Grand.
IMAP Armor est à l’origine du Groupe API (holding
commerciale). Le groupe est implanté en Bretagne, à Rennes (35) et à Yffiniac (22), mais
intervient partout en France et également à l’étranger (Russie, Thaïlande, Tunisie…).
Le groupe compte aujourd’hui dans ses équipes environ 70 salariés, répartis dans les 5 entités
qui le composent : IMAP Armor, IMS Trégor, ISEA Ingénierie, ETC et IMAP 3S.
Chaque entité possède ses spécialités :
Depuis quelques années, le groupe s’est engagé dans le domaine du génie climatique
et énergétique. Dans cette optique, la société a développé le logiciel « LINA Energie » orienté
sur la gestion technique, la traçabilité et l’analyse des données énergétiques du secteur
industriel et tertiaire.
Bien que possédant des compétences solides dans le domaine de l’électricité, de
l’automatisme et de l’informatique, les compétences dans le domaine de l’énergie font défaut
à l’entreprise.
Afin de répondre à ce marché de plus en plus exigeant et porteur, l’entreprise a décidé
d’intégrer à son équipe un étudiant ingénieur en génie climatique et énergétique.
- Automatisme industriel - Electricité industrielle
- Mécanique industrielle
- Informatique industrielle
- Domotique
- GTB
- Electricité tertiaire
- Réseaux de communication
- Automatisme industriel - Electricité industrielle
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1.3. Présentation du logiciel « LINA Energie »
Avant de parler de LINA Energie, il est important de comprendre quelle est la structure
type d’une gestion technique développée par IMAP Armor.
1.3.1. Structure d’un réseau de gestion technique
L’entreprise conçoit ses systèmes de gestions techniques suivant une architecture à 3
niveaux (Figure 1, page 7) :
Niveau terrain :
On retrouvera les différents organes
de mesures, d’actions et de
contrôles de l’installation.
Chaque organe de terrain
communique avec le niveau
supérieur à l’aide d’un protocole de
communication.
Niveau automatisme et régulation :
À ce niveau, les données sont
regroupées dans un « automate de
tête » et vont alors subir une
première phase de conversion afin
d’être transmises dans un seul langage (dépendant du système d’automatisme utilisé).
L’automate va également réaliser, au besoin, des calculs préliminaires à partir des données
qui lui sont transmises.
Niveau système de gestion technique :
Ce dernier niveau communique avec le niveau inférieur à l’aide d’un serveur OPC. Un serveur
OPC est une interface de communication permettant une interopérabilité entre la plateforme
Windows et les programmes de contrôle de processus des automates. [2]
On retrouve dans ce niveau les logiciels d’exploitations de données comme LINA Energie qui
sont connectés à une base de données permettant l’enregistrement des données collectées
sur l’installation. C’est à ce niveau que l’étudiant ingénieur va intervenir (encadré rouge).
1.3.2. Le logiciel LINA Energie
La plateforme LINA Pro est un ensemble de logiciels de gestion de bâtiment au sens
du guide RAGE [1] (gestion technique, gestion d’infrastructure, gestion administrative) et de
gestion de processus industriels.
Figure 1 - Schéma type d'une architecture réseau
Spécialité Génie Climatique et Energétique 5éme année de formation
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LINA Energie fait partie des 3 logiciels de gestion de bâtiment et plus précisément de la partie
gestion technique.
Le logiciel est subdivisé en 6 thèmes : Impliquer, Mesurer, Analyser, Alerter, Piloter,
Paramétrer. Chaque thème possède un objectif et est composé d’outils adaptés :
1. Impliquer : permettre aux utilisateurs de comprendre et s’impliquer dans la gestion des
énergies du bâtiment.
2. Mesurer : apporter des outils de visualisation des données énergétiques de
l’installation.
3. Analyser : apporter aux utilisateurs des outils permettant de réaliser des calculs ainsi
que des graphiques afin de pouvoir analyser les données du site.
4. Alerter : visualiser en temps réel les défauts de l’installation et prévenir le personnel
selon des scénarii définis.
5. Piloter : apporter les outils nécessaires à la gestion en temps réel des installations.
6. Paramétrer : ce thème permet d’accéder à l’ensemble des paramétrages et menus de
création des différents outils du logiciel.
Voici une liste des principaux outils classés par thème :
À cela s’ajoute un module LINA qui s’intègre au logiciel Microsoft Excel permettant l’import de
données de la base de données LINA sur Excel. Ce module a pour première fonction de permettre
l’édition automatique de rapports personnalisables.
Le logiciel apporte beaucoup de contenu, mais nécessite un apprentissage conséquent pour
maîtriser l’ensemble de ses fonctionnalités. Des mises à jours régulières (tous les mois) sont
proposées de façon à améliorer les fonctionnalités existantes et à ajouter de nouveaux outils.
Me
su
rer •Courbes
•Compteurs
Pilo
ter •Supervision
•Horodatage
Analy
ser •Tableaux de
bord
•Analyses des alarmes
•Plan d'action
•Tableaux d'analyses
•Analyses des compteurs
Ale
rte
r •Alarmes
•Scénarios alarmes
Figure 2 - Liste des principaux outils dans LINA Energie
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Ces mises à jour sont soit le fruit de développements internes, soit font suite à des demandes
spécifiques des clients.
Ceci confère au logiciel une grande flexibilité mais dans le même temps, nécessite une implication
importante de la part de l’utilisateur pour exploiter de manière optimale le potentiel de cette suite de
logiciels.
2. Projet industriel
Une partie du PFE a consisté en l’étude et l’élaboration d’outils principalement axés
sur la gestion de la production d’énergies dans une usine agroalimentaire.
Le cas d’étude a eu lieu dans une entreprise
produisant de la charcuterie et d’autres
produits alimentaires. Ce type d’usine
nécessite beaucoup d’énergie frigorifique
afin de maintenir les salles réfrigérantes à
bonnes températures.
Une production d’énergie frigorifique de
3 MW est assurée par un groupe frigorifique
ammoniac (NH3) (voir Figure 3, page 9).
Cette unité frigorifique est principalement composée :
De quatre tours aéroréfrigérantes d’une puissance unitaire maximale de 2,2 MW
servant de condenseurs au système.
De cinq compresseurs à vis de puissances absorbées de 490 kW.
D’une bâche de stockage d’environ 15 m3.
De quatre échangeurs à plaques de puissances nominales 1,75 MW.
De plusieurs détendeurs à flotteurs.
Cette production de froid est couplée à :
une pompe à chaleur NH3 qui permet de récupérer les calories pour produire de l’eau
chaude sanitaire.
Des échangeurs de récupération de chaleur sur le circuit de refroidissement des
compresseurs.
Figure 3 - Représentation 3D de la salle des machines
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2.1. État des lieux avant mise en place du logiciel LINA Energie
2.1.1. État des lieux matériel
L’entreprise qui gère cette salle des machines, fait partie des grandes entreprises
françaises d’exploitation de l’énergie, a en charge la gestion de l’ensemble des groupes de
production énergétique du site.
Ces installations sont pilotées à l’aide d’automates assurant leur pilotage.
Ces automates permettent une certaine visualisation des données en temps réel, voir pour
certaines interfaces plus élaborées, un archivage des données permettant de visualiser les
courbes des paramètres du système. Bien souvent, ces automates de contrôles sont fournis
par les fabricants d’équipements, les rendant ainsi autonomes.
Dans un premier temps, l’entreprise IMAP Armor est intervenue pour la pose d’un automate
qui permettrait la centralisation du pilotage. Voici une représentation du réseau de
l’installation (voir Figure 4, page 10) :
Figure 4 - Schéma de principe du réseau de communication de la salle des machines
Pour cela, une première interface homme/machine a été installée dans le local électrique
adjacent à la salle des machines.
Cette interface était principalement composée d’une supervision (voir Figure 5, page 11)
affichant de manière efficace les paramètres essentiels au contrôle des équipements.
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On pouvait y retrouver principalement les
éléments suivants :
Des alarmes.
Des indicateurs d’états.
L’affichage de données en temps réel.
Des zones de modifications de consignes.
L’outil de supervision en place est
principalement orienté sur le pilotage
d’installation. Le système est conçu afin de
communiquer les ordres émis par un opérateur quasi-instantanément.
En revanche, les possibilités d’analyse des données et de traçabilités de ce superviseur sont
principalement limitées à de l’affichage de courbe.
2.1.2. État des lieux méthodologique
Le contrat d’exploitation de la salle des machines impose une exigence de performance
sur une série de paramètres énergétiques de l’installation dont voici les principaux :
La température du fluide frigorigène en sortie de la salle des machines.
Le COP de production frigorifique de l’installation.
Les consommations électriques de l’installation.
La production d’énergie frigorifique.
Ainsi que des relevées réglementaires destinées à la Direction Régional de l’Environnement,
de l’Aménagement et du Logement (DREAL) concernant le traitement de l’eau des tours
aéroréfrigérantes :
Consommations en eau des tours aéroréfrigérantes.
Le taux de déconcentration de l’eau résiduelle.
Pour cela, l’exploitant doit effectuer ces relevés manuellement et les reporter dans un fichier
Excel afin de réaliser des rapports destinés au client. Ces relevés impliquent la présence d’une
personne sur le site chaque mois et sont source d’erreurs.
Un autre aspect méthodologique est la gestion des défaillances systèmes. En effet,
lors d’un défaut système, l’information n’était pas remonté à l’exploitant et était connue
uniquement lors d’une visite régulière des techniciens ou lorsque le défaut provoquait des
défaillances techniques au sein de l’usine. L’intervention était donc retardée et nécessitait une
première visite pour déterminer les solutions à appliquer afin de faire disparaître le défaut.
Figure 5 - Capture d'écran de la supervision existante
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2.2. Mise en place du logiciel LINA Energie
2.2.1. Définition des objectifs et tâches à réaliser
Les objectifs de l’intégration du logiciel LINA Energie sur le site sont :
Permettre de visualiser le fonctionnement de l’installation à distance.
Réaliser la traçabilité des différents paramètres de l’installation (stockage des données
sur une base de données).
Mettre à disposition des outils d’analyse des données enregistrées.
Avertir le personnel concerné en cas d’apparition de défauts sur les équipements de
l’installation.
Permettre l’export de données par mail.
Créer un modèle de base pour les installations frigorifiques industrielles.
Un ordinateur destiné à l’utilisation du logiciel a donc été installé sur le site. Le paramétrage
du logiciel était limité au minimum :
La création des liens entre les données automates et le logiciel.
La création des graphiques liée à ces données automates.
La réalisation des tâches consistait à :
Créer une supervision équivalente à la supervision déjà existante.
Réaliser des modèles de tableaux d’analyses simplifiant l’exploitation des données.
Réaliser des modèles de graphiques simplifiant l’exploitation des données.
Proposer des tableaux de bord afin de rendre plus rapide l’utilisation des données.
Proposer ou développer des outils permettant d’améliorer le logiciel LINA Energie.
2.2.2. Outils et améliorations développés avec le logiciel LINA Energie
2.2.2.1 La supervision
La supervision est un outil d’aide au pilotage de l’installation. Elle permet de centraliser
les commandes et mesures de capteurs sur un seul écran. LINA Energie est un logiciel
principalement dédié à la traçabilité des installations, ses fonctionnalités de supervision sont
bien adaptées à la visualisation et à l’analyse de données.
Pour être efficace, une supervision LINA Energie devrait être réalisée de manière à :
Permettre de comprendre l’organisation de l’installation à chaque utilisateur.
Mettre à disposition les mesures des capteurs en temps réel.
Mettre en évidence les différents états de fonctionnement de l’installation.
Organiser de manière logique les informations affichées.
Spécialité Génie Climatique et Energétique 5éme année de formation
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Afficher les graphiques nécessaires à l’exploitation des installations.
Pour répondre à ces critères, voici un exemple de la supervision qui a été réalisée (Figure 6,
page 13):
Une page d’accueil représentant l’ensemble du réseau fluide de l’installation a été
conçue. Cette synoptique permet à l’utilisateur de comprendre le réseau et également
de page de navigation.
Sur chaque page de la supervision est représenté un schéma de principe du groupe
d’équipement correspondant (voir la Figure 6, page 13).
Sur chaque page sont affichées les données essentielles à l’exploitation du site
(mesures des capteurs, présences de défauts…).
L’état de fonctionnement des équipements suit un code couleur permettant une
interprétation rapide (gris = À l’arrêt, Vert = En fonctionnement, jaune = Forçage
manuel, rouge = En défaut).
Les données affichées dans la supervision correspondent à des valeurs instantanées ;
or il est intéressant de donner la possibilité à l’utilisateur de visualiser chaque
paramètre dans le temps. Pour cela, en cliquant sur la donnée, il est possible d’afficher
le graphique lui correspondant.
Figure 6 – Synoptique détaillée de la supervision LINA Energie
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La navigation entre les différents groupes d’équipements est assurée en cliquant sur
le bandeau de navigation ou sur les flèches de navigations à l’extrémité des réseaux
fluides (voir Figure 6, page 13).
Concernant la navigation et la conception de la supervision, plusieurs améliorations ont été
proposées.
Ces améliorations concernent soit :
L’aspect visuel en proposant de nouveaux objets à intégrer à la supervision (images
en mouvement, la création de blocs prédéfinis…).
Les données intégrées à la supervision en proposant de nouveaux outils de
visualisation des données (zone graphique dynamique, infobulles de données,
créations d’objets paramétrés…).
Toutes ces améliorations ont pour objectifs de rendre plus souple et rapide la conception de
la supervision et de fournir un meilleur contenu aux utilisateurs pour satisfaire leurs besoins.
2.2.2.2 Les tableaux d’analyses
LINA Energie offre la possibilité de créer, à partir des données acquises, des tableaux
adaptés à l’analyse périodique. Cet outil est intéressant dans le cadre d’une gestion
d’exploitation. En effet, il permet :
D’effectuer un calcul sur une période (heure, jour, mois) sur chaque donnée intégrée
au tableau.
D’effectuer des calculs entre les colonnes du tableau d’analyse.
D’exploiter les données du tableau d’analyse afin de créer des tableaux croisés
dynamiques et des graphiques.
L’outil n’ayant jamais été exploité auparavant, un des objectifs de ce projet était de réaliser
des modèles pouvant être exploités dans d’autres installations du génie climatique et
énergétique.
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Voici les différents types de tableaux d’analyses réalisées :
COP moyen de la salle des machines (Figure 7, page 15) :
Ces données représentent l’évolution moyenne heure par heure du Coefficient de
Performance (COP) en ce qui concerne :
La production de froid :
Prenant en compte uniquement les consommations liées à la production de froid.
La performance globale de l’installation de froid :
Prenant en compte les consommations annexes pour le fonctionnement de la partie
frigorifique de l’installation.
La performance de production de la PAC :
Prenant en compte uniquement les consommations liées à la production de la PAC.
La performance de toute l’installation :
Prenant en compte toutes les consommations et productions liées à la PAC et au
groupe Frigorifique.
Nous pouvons observer que le COP de production froid (COP contractuel du client) est
supérieur à 3,5 (limite basse du contrat). La PAC est en cours de mise en marche et n’apporte
pas pour l’instant des résultats assez réguliers pour être analysée.
Analyse : au vu des valeurs et de la stabilité du COP de production froid au cours du temps,
l’entreprise d’exploitation envisage de revoir à la hausse le COP contractuel de l’installation.
Figure 7 – Graphique du tableau d'analyse des différents COP de l'installation
Spécialité Génie Climatique et Energétique 5éme année de formation
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Répartition mensuelle des consommations électriques du site (Figure 8, page 16) :
Les données correspondent à l’ensemble des consommations électriques de la salle des
machines. Les compresseurs représentent la majorité des consommations. Dans ce modèle
de tableau d’analyse, on cherchera à intégrer l’ensemble des consommations afin de pouvoir
déterminer les principaux équipements consommateurs. Ceci permettra de pouvoir cibler les
axes d’optimisation.
Analyse : D’après les relevés, les équipements les plus consommateurs d’énergies sont les
compresseurs (environ 80 % des consommations). Les premières optimisations devront donc
être axées dans un premier temps sur les consommations des compresseurs, puis dans un
second temps sur les consommations des pompes MEG.
Impact de l’usage de la PAC sur les consommations d’eau des tours aéroréfrigérantes :
Ce tableau d’analyse est composé des données de consommations/productions d’un
équipement dont on veut évaluer l’impact sur les consommations d’un autre équipement. Ces
données ont comme référence la donnée finale, par exemple la production frigorifique de
l’installation.
En comparant l’évolution des courbes de chaque donnée, il est possible de déterminer si la
mise en marche d’un équipement influe sur les autres équipements. Par exemple, dans notre
cas, on comparera l’évolution de la consommation d’eau des tours aéroréfrigérantes en
fonction de l’état de marche de la pompe à chaleur de l’installation (Figure 9, page 17).
Figure 8 - Graphique du tableau d'analyse des consommations électriques des équipements
Spécialité Génie Climatique et Energétique 5éme année de formation
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Analyse :
En observant l’évolution de la consommation d’eau et de la consommation d’électricité de la
PAC (voir Figure 9, page 17), on peut constater que lors de l’utilisation de la PAC, la
consommation d’eau des tours aéroréfrigérantes diminue.
Il est donc possible à partir de cette première analyse de confirmer l’intérêt de coupler la PAC
aux tours aéroréfrigérantes. Il est estimé à l’aide des relevés que l’économie d’eau moyenne
réalisée est d’environ 15% à 18% lorsque la PAC est en fonctionnement.
Les améliorations proposées :
Le tableau d’analyse est un outil performant qui permet d’utiliser aisément un grand
nombre de données acquises par le système de GTB. Un certain nombre d’optimisations ont
été proposées au cours de ce PFE, la majorité des améliorations concerne l’ergonomie de
l’outil (afficher les graphiques et tableaux croisés dynamiques dans des onglets, lister les
différents masques de tableaux croisés dynamiques dans une arborescence…).
2.2.2.3 L’analyse des compteurs
L’analyse des compteurs est un outil qui permet de créer des tableaux croisés
dynamiques en se basant sur l’outil « Compteurs » et 8 catégories (4 principales et 4
secondaires) permettant le tri des données.
L’analyse des compteurs ne permet pas de faire des calculs. Il est donc principalement conçu
pour de la mise en forme de données et comme outil d’aide à l’analyse.
Figure 9 - Représentation graphique des consommations d'eau des condenseurs et d'électricité de la PAC
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L’objectif ici est le même que pour les tableaux d’analyses, créer des modèles de tableaux
croisés dynamiques applicables à d’autres installations de froid industriel. La conception des
modèles se divise en deux étapes.
Les critères de tri :
La première étape est la définition des catégories de tri des compteurs. Les modèles
développés ne font usage que des 4 principales catégories : « Nature », « Localisation »,
« Usage » et « Famille ». Ces catégories ont été définies en se basant sur les données
accessibles sur le site.
Voici un tableau récapitulatif des catégories créées durant le projet (Figure 10, page 18) :
Nature Localisation Usage Famille
Énergie
calorifique
Énergie
frigorifique
Énergie
électrique
Nombre de
démarrages
Temps de
fonctionnement
Volume d’eau
ECI
Groupe froid
Général
MEG froid
MPG chaud
PAC
Réseau
refroidissement
d’huile
Tours
aéroréfrigérantes
Production
frigorifique
alimentaire
Production
frigorifique non
alimentaire
Production
calorifique
alimentaire
Production
calorifique non
alimentaire
Traitement d’air
Général
Auxiliaire
Compresseur
Extracteur
Pompe
Résistance
chauffante
Ventilateur
Figure 10 - Liste des critères statistiques « installations frigorifiques »
Les tableaux croisés dynamiques et graphiques :
La seconde étape est la conception des tableaux croisés dynamiques et le choix des
graphiques adaptés. Les principaux usages de ces tableaux sont les suivants :
Mettre en forme les consommations sur une période en fonction de critères précis afin
de réaliser des rapports d’exploitation.
Connaitre la répartition du temps et du nombre de démarrage entre équipements d ’un
même groupe, dans une optique de gestion, de maintenance et de détection de dérives
de fonctionnement des équipements.
Afficher la répartition des consommations par zone, équipements ou usages de
l’installation. L’objectif étant de pouvoir identifier les secteurs d’optimisations possibles.
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Il en résulte plusieurs modèles généraux (visibles dans les annexes) pouvant être ensuite
utilisés sur un grand nombre d’installations, par exemple :
Les consommations mensuelles par zones de l’installation et par année.
Les consommations journalières par zones de l’installation et par mois.
La répartition des consommations par équipement et par zone.
La répartition mensuelle du temps de fonctionnement par équipement de chaque zone.
La répartition mensuelle du nombre de démarrages par équipement de chaque zone.
La production d’énergie thermique par mois sur une année.
Les améliorations proposées :
L’analyse des compteurs permet de créer rapidement des graphiques et tableaux de
bonne qualité visuelle à intégrer aux rapports d’exploitation. Il manque toutefois plusieurs
fonctions à cet outil. Deux propositions ont donc été soumises au service informatique :
La possibilité d’afficher un deuxième axe (à droite) afin de pouvoir afficher des données
avec des échelles différentes.
La possibilité d’afficher deux types de graphiques différents.
2.2.2.4 Développement avec le module LINA sur Excel
L’entreprise d’accueil a également développé en complément des logiciels LINA, un
module à intégrer à Microsoft Excel. L’import de données issues des différents outils présents
dans LINA Energie a donc ouvert la possibilité d’utiliser la puissance de calcul d’Excel pour
réaliser des outils « métiers ».
L’entreprise n’ayant aucune connaissance, ni dans le domaine du génie climatique et
énergétique, ni dans l’utilisation avancée de Microsoft Excel, une des tâches du projet était de
produire à l’aide du module LINA sur Excel des outils métiers Excel adaptés au domaine du
froid industriel.
Les deux outils développés sont génériques. Ils peuvent donc être utilisés aussi bien dans
l’industrie que dans les bâtiments tertiaires.
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L’outil « Signature énergétique » :
Rappel : une signature énergétique est la mise en relation des consommations/besoins
énergétiques en fonction d’une donnée perturbatrice du système.
Par exemple : les consommations de chauffage en fonction des températures extérieures.
Cette mise en relation est construite avec les consommations réelles et théoriques en fonction
des données perturbatrices.
L’outil Excel :
L’outil est organisé de la manière suivante :
Une page par période importée, laquelle servira de bases de données.
Une page de rapport permettant de réaliser une mise en page des données.
Les calculs des données sont réalisés dans le logiciel LINA Energie et les résultats seront
importés dans l’outil.
Résultats :
Dans le cadre de ce projet, les données suivantes ont été identifiées :
Donnée perturbatrice : la température de retour du fluide frigorigène de l’usine.
Donnée réelle : la puissance frigorifique produite par l’installation.
Donnée théorique : la puissance frigorifique théorique pour assurer un départ du fluide
frigorigène à -8 °C.
Le graphique de signature énergétique (Figure 11, page 20) qui en résulte montre que
l’installation est, dans son ensemble, capable d’assurer la demande en froid de l’usine
agroalimentaire.
Figure 11 - Graphique de signature énergétique de la production frigorifique
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L’outil « Degrés-jours unifiés » :
Rappel : Les degrés-jours unifiés (DJU) sont utilisés pour référencer une consommation ou
pour qualifier la rigueur d’un climat, d’une saison de chauffage… Ils représentent l’écart entre
une température intérieure de 18 [°C] et la température extérieure moyenne de la journée.
Le calcul est mené par rapport à 18[°C], car on considère qu’il y a environ 2 [°C] apportés par
les apports gratuits. [3]
L’outil Excel :
L’outil a pour objectif, dans une première version, de mettre en évidence les rigueurs
climatiques d’une année sur l’autre. Pour cela, on importera dans Excel une donnée de
température extérieure à laquelle on appliquera les formules de calculs des DJU développées
par le COSTIC. [3]
Résultats :
L’outil, dans sa première version, est organisé suivant 4 pages :
Import des données : c’est ici que vont être importées les données (date et
températures) depuis la base de données LINA et vont être encapsulés
dynamiquement sous des « noms » afin d’être utilisées plus simplement.
DJU mensuelles : on y retrouve les tableaux croisés dynamiques permettant de
comparer les saisons de chauffes entre elles et de représenter les DJU mois par mois
sous forme d’histogramme.
DJU journalier : on y retrouve ici les tableaux croisés dynamiques permettant de
comparer les saisons de chauffes entre elles jour après jour sur une période d’un mois
que l’utilisateur pourra choisir. De la même manière, les DJU sont représentés sous
forme d’histogramme.
Rapport : cette dernière page du fichier permet de mettre en forme les données
réalisées afin de pouvoir les publier dans un rapport automatisé en format PDF
(exemple : Figure 12, page 22).
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Les améliorations proposées :
Cette première version aura permis de mettre en place une trame pour le développement d’un
outil DJU dans le logiciel LINA Energie. Un cahier des charges a donc été rédigé. L’outil
permettra de:
Définir la saison de chauffe à considérer.
Calculer la valeur des DJU journaliers, mensuels et annuels.
Définir une saison de référence (soit à partir des données mesurées, soit à partir de
données externes (DJU trentenaires)).
Comparer plusieurs périodes entre elles sous forme de tableaux et graphiques.
Calculer un coefficient correcteur afin de l’appliquer aux consommations d’un bâtiment
et de les comparer sur plusieurs saisons sans tenir compte des différences climatiques
entre les périodes de comparaison.
Figure 12 - Degrés jours unifiés journaliers de deux saisons de chauffe sur un mois
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2.3. Synthèse du projet
Ce premier projet portait sur l’utilisation d’outils et le développement de modèles basés
sur une installation frigorifique dans le domaine industriel dans le logiciel LINA Energie.
Ce projet s’est déroulé du mois de mars jusqu’au mois de juin 2016.
Les rencontres avec l’entreprise d’exploitation du site ont permis de considérer les besoins et
de développer des modèles et améliorations cohérents avec les interlocuteurs du domaine
industriel.
Il résulte de ce projet :
Une vingtaine de propositions d’améliorations portant sur les outils disponibles dans le
logiciel LINA Energie. Ces améliorations portent principalement sur l’ergonomie du
logiciel et sur l’ajout de fonctionnalités aux outils d’analyses.
La création de modèles :
o Tableaux et graphiques d’analyses des données énergétiques.
o Une supervision qui servira d’exemple aux techniciens pour les futurs
développements des installations frigorifiques.
La création d’outils d’analyses :
o Un outil de signature énergétique permettant l’export automatique de
graphiques d’analyses du fonctionnement de l’installation.
o Un outil de calcul des DJU permettant l’export périodique et la visualisation des
DJU du site.
Ces différentes réalisations ont été conçues afin d’être génériques et peuvent être intégrées
aux projets industriels comme tertiaires.
De plus, dans le but d’intégrer au mieux ce système de gestion technique au sein de
l’entreprise d’exploitation un document explicatif illustrant comment utiliser les fonctionnalités
du logiciel a été rédigé.
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3. Projet tertiaire
Une deuxième partie du PFE était axée sur le développement d’un modèle de rapport
d’exploitation automatisé et sur l’assistance aux techniciens chargés du développement des
supervisions LINA Energies pour des bâtiments tertiaires.
3.1. Présentation du cas d’étude
Le cas d’étude dans ce rapport est une maison médicale de la région de Saint-Brieuc.
La construction de ce bâtiment a débuté au début de l’année 2015 et l’entreprise ISEA
Ingénierie a commencé sa phase de conception de la partie GTC courant septembre 2015.
Le bâtiment est organisé sur 4 étages, où se répartissent 10 services médicaux.
Les équipements présents sur le site sont :
Une CTA simple flux fonctionnant en insufflation équipée d‘une batterie réversible,
Une PAC réversible,
Des panneaux rayonnants,
Une verrière double-peau connectée à la CTA,
Des brises soleils commandés,
Une VMC simple flux fonctionnant en extraction,
Une GTC.
La GTC installée dans ce bâtiment à plusieurs objectifs :
L’affichage des données énergétiques et climatiques,
La gestion des éclairages,
La gestion des accès,
La gestion des équipements suivants :
o La CTA : gestion des modes de fonctionnements, affichage des défauts
o La PAC : gestion des modes de fonctionnements, affichage des défauts
o La verrière double peau : gestion des brises soleils, gestion des vantelles.
o Le puits de jour : gestion des ouvrants.
o Les brises soleil : horodatage et contrôles à distance par services.
L’analyse des données,
L’envoi automatique de rapports mensuels sur l’exploitation du site.
Une des problématiques du projet était la mise en forme de rapport d’exploitation automatisé.
En effet, le logiciel LINA est capable d’envoyer automatiquement par ma il un certain nombre
de courbes et tableaux de données, mais ces données ne peuvent pas être mises en forme
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pour la réalisation de synthèses claires et organisées. Pour répondre à cet impératif de plus
en plus exigé par les clients, l’équipe de développeurs informatique a conçu un module LINA
à intégrer dans Microsoft Excel, sorti durant le mois de juin 2016. Ce module permet
l’extraction de tableaux de la base de données LINA vers Excel et leur mise à jour automatique
suivant une périodicité définie par les utilisateurs.
Bien que ce module ait été mis à disposition des clients, l’exploitation de cet outil reste
laborieuse pour les personnes qui ne maîtrisent pas Microsoft Excel et LINA Energie. C’est
pour cette raison que des modèles de rapports automatiques doivent être élaborés afin de
pouvoir servir de base aux utilisateurs de LINA Energie.
3.2. Les tâches réalisées
Au cours de ce projet, deux tâches principales se sont dessinées :
L’élaboration de rapport d’exploitation avec export automatique mensuelle par mail.
L’apport d’un support technique aux équipes d’automaticiens.
3.2.1. Rapports d’exploitation
La conception de ce rapport d’exploitation automatique a plusieurs finalités :
Permettre au client de rendre compte des consommations
des usagers des locaux.
Sensibiliser les usagers sur leurs consommations.
Donner un premier modèle de rapport d’exploitation à
intégrer à LINA Energie.
La conception de ces documents est basée sur le module LINA
dans Excel.
3.2.1.1 Conception d’un rapport avec LINA Energie:
La méthode de conception de ces rapports d’exploitation est la
suivante (voir Figure 13, page 25):
1. Import des données brut sur Excel.
2. Construction des calculs et mise en forme des tableaux et
graphiques de données.
3. Mise en page des données.
4. Paramétrage du format du fichier exporté, de l’horodatage
de l’export et des types d’exports (fichier stocké, mail,
impression). Avant l’export des fichiers, le module LINA
mettra à jour les données du document Excel.
Figure 13 - Mise en place d'un rapport exporté automatiquement
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3.2.1.2 Les rapports destinés à la maison médicale :
Le client avait pour impératif de fournir à chaque service du bâtiment un document synthétisant
leurs consommations.
Le développement de ces rapports a été rythmé par 3 versions. Chaque version fait suite à
une évaluation du client.
1. La première version du rapport présentait :
Le service et la période concernés par le rapport.
Les consommations journalières d’eau sous forme d’un histogramme sur une
période d’un mois.
Les consommations journalières électriques de chaque poste du service sous
forme d’un histogramme cumulé et un tableau des consommations mensuelles
de chaque poste.
2. Après un premier retour du client, une seconde version a été établie avec l’ajout :
D’un camembert de répartition des consommations mensuelles par poste
permettant pour les usagers de prioriser les économies d’énergies à effectuer.
D’une étiquette énergie dynamique conçue afin de permettre de situer les
consommations mensuelles du service par rapport aux valeurs de la
réglementation thermique 2012.
L’étiquette a été rendue dynamique et s’adapte aux consommations des
services. L’objectif étant d’inciter les usagers aux économies d’énergies par une
visualisation mois par mois de l’évolution de l’indicateur.
3. La dernière version développée concernait les modifications suivantes :
Le rajout du coût général de l’électricité suivant les tarifs souscrits par
l’établissement : le client souhaite utiliser cette donnée de coût comme
facturation pour les services. Après concertation avec le bureau d’étude, il a été
établi que ce rapport d’exploitation ne peut être utilisé comme moyen de
facturation dû à des doutes sur les certifications du matériel de mesure installé.
La modification de la périodicité de l’histogramme des consommations d’eau.
Après un mois d’essai, les tests ont montré que les consommations journalières
d’eau des services étaient trop faibles pour être affichées sur un histogramme.
Il a donc été décidé d’afficher les consommations mensuelles dans un
histogramme sur une période d’une année.
L’ajout d’un histogramme cumulé des consommations mensuelles d’électricités
sur une période d’une année.
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Ce premier modèle est en cours de validation par le bureau d’étude et va être utilisé en
conditions réelles durant les mois à venir.
Il ouvre la porte à différentes possibilités, par exemple mettre en place d’autres incitateurs de
réduction des consommations (Top 3, Flop3, étiquette climat…).
3.2.2. Support technique aux automaticiens
Une autre tâche de ce projet de fin d’études a été l’aide aux techniciens chargés de
concevoir les supervisions et les programmes de régulations. En effet, les techniciens au sein
de l’entreprise n’ont pas été formés sur les notions d’énergétique du bâtiment. Ils possèdent
uniquement les connaissances acquises empiriquement au cours de leur parcours
professionnel.
La fonction de support technique dans le domaine du génie climatique et énergétique a permis
d’améliorer les ouvrages réalisés, mais également d’être plus réactif aux dysfonctionnements
des installations.
3.2.2.1 Maison médicale :
Dans notre cas d’étude, cette fonction de support a permis d’aider les équipes à
comprendre le fonctionnement général du système de chauffage et de rafraîchissement
présent sur le site.
Le schéma de principe du fonctionnement de l’installation était imprécis et ne distinguait pas
les différents modes de fonctionnement. Pour un meilleur usage de la supervision, il était
nécessaire d’illustrer le réseau dans chaque mode de fonctionnement.
L’automaticienne qui devait développer la supervision n’arrivait ni à comprendre quelle était
les positions des vannes trois voies, ni quelle était le sens de circulation du réseau. Il a donc
été établi un schéma pour chaque mode de fonctionnement permettant d’identifier les sens
d’écoulement du fluide (par exemple : le mode « été » représenté par la Figure 14, page 27).
Figure 14 – Fonctionnement du système en mode été
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3.2.2.2 Les autres bâtiments tertiaires
D’autres projets ont nécessité un support technique concernant le fonctionnement des
systèmes intégrés aux bâtiments.
La GTB d’un cinéma : L’automaticienne travaillant sur la GTB d’une salle de cinéma
avait plusieurs difficultés à comprendre le fonctionnement général de la CTA mise en
place.
La première difficulté était l’interprétation du CCTP concernant la régulation de la CTA.
Plusieurs termes et modes de fonctionnement n’étaient pas compris par
l’automaticienne ou mal formulés. Deux réunions ont donc été organisées afin de
rendre le document plus compréhensible et de contacter le fournisseur de l’équipement
pour obtenir un certain nombre de précisions.
La seconde difficulté portait sur la structure interne de la CTA. Il a principalement été
question de corriger les visuelles déjà existantes afin de pouvoir les intégrer à la
supervision. Par exemple : la position des batteries ou des registres au sein des CTA
n’était pas correcte.
La troisième difficulté concernait les différentes données à intégrer à la page de
supervision de la CTA. Ici, la question était de savoir quelles données l’utilisateur final
serait capable d’exploiter.
Il a été convenu d’afficher les données suivantes :
o La différence de pressions des filtres.
o Les températures d’air neuf, d’air vicié et d’air soufflé.
o Les débits d’aspiration et de soufflage.
o La position d’ouverture des vannes trois voies.
La régulation du plancher chauffant d’une école :
Sur ce chantier, l’automaticien devait concevoir la régulation d’un plancher chauffant
réparti sur deux zones d’une école. Étant un jeune diplômé, son expérience ne lui
permettait pas de décider quel type régulation appliquer aux planchers chauffants et
comment la paramétrer. Les cours de régulation proposées par l’INSA [4] ont permis
de répondre à ces problématiques. Une régulation PID a donc été programmée dans
les automates de contrôle du chauffage et préréglées suivant les préconisations des
enseignements dispensés par l’INSA de Strasbourg.
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3.3. Synthèse du projet
Ce second projet portait sur les possibilités qu’apporte le logiciel LINA Energie dans
les bâtiments tertiaires.
Le projet s’est déroulé du mois de juin jusqu’au mois de juillet 2016.
Les principales tâches à réaliser étaient de :
Concevoir un premier modèle de rapport d’exploitation Excel avec export automatique.
Apporter un support technique aux équipes d’automaticiens dans le domaine de la
gestion des équipements climatiques et énergétiques.
Il résulte de ce projet :
Plusieurs réunions afin d’éclaircir les problématiques rencontrées par les automaticiens
et chargés d’affaires.
La création d’un modèle de rapport d’exploitation automatisé pour chaque service
d’une maison médicale. Ces rapports mensuels incluent :
o Des graphiques présentant la répartition des consommations sur plusieurs
périodes (journaliers et sur l’année).
o Une étiquette de performance énergétique ayant pour objectifs d’inciter aux
économies d’énergies
Ce projet aura également permis de mettre en évidence les défauts du module LINA pour
Excel, et ainsi de le faire évoluer ce dernier sur trois versions. Environ 15 améliorations du
module LINA ont été proposées dont 9 ont été ajoutées, permettant la conception du modèle
de rapport d’exploitation automatique.
4. Projet éducatif
4.1. Présentation du projet
Une troisième partie du PFE portait sur l’utilisation des automates et du logiciel LINA Energie
dans les filières technologiques de l’éducation nationale.
La demande du client était de produire une gamme de machines didactiques permettant
l’apprentissage des notions de génie climatique et énergétique à destination des élèves des
filières BAC STI, BAC Pro Énergie, BTS Fluide, Énergie et Domotique…
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L’entreprise souhaitait intégrer le logiciel LINA Energie aux machines didactiques afin de
proposer une solution complète de GTB.
L’entreprise a conçu, avec son équipe d’ingénieurs mécaniques, trois machines
représentatives de systèmes présents dans le génie climatique et énergétique (Figure 15,
page 30) :
Un Chauffe-eau solaire : simulant une production d’eau chaude solaire bi-énergies
(solaire et électrique).
Une VMC : permettant de simuler le fonctionnement d’une VMC simple flux, double flux
et double flux avec régulation de CO2.
Une Pompe à chaleur (PAC) : permettant de simuler le fonctionnement d’une PAC
air/air en mode chauffage et en mode rafraîchissement.
4.2. État des lieux
Aujourd’hui, les machines didactiques sont dans leur cinquième année de développement.
Chaque machine a évolué tant au niveau des équipements qu’un niveau des programmes
automates.
Un écran tactile et un automate permettent de :
Piloter les modes de fonctionnements des machines.
Modifier les consignes pour chaque mode de fonctionnement.
Afficher en temps réel les données des capteurs et compteurs.
Figure 15 - Illustrations 3D des machines didactiques
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À cela s’ajoute la connexion à la plateforme LINA qui va permettre de :
Collecter les données et les enregistrer dans une base de données.
Représenter graphiquement l’évolution des données.
Calculer de nouvelles données à l’aide de celles mesurées.
Afficher les données sur une supervision plus complète en termes de contenus
éducatifs.
À ces outils s’ajoute une série de documents pour chaque application (documents de cours,
d’exercices et de travaux pratiques) donnant aux enseignants utilisant ce matériel, une solution
éducative « clé en main ».
L’ensemble des documents a été réalisé par le groupe API et plus précisément par l’équipe
d’ingénieurs en charge du projet.
La problématique, ici, réside dans la conception du contenu éducatif.
L’équipe d’ingénieurs n’ayant que des notions générales dans le domaine du génie climatique
et énergétique, il leur est difficile de proposer aux utilisateurs finaux un contenu approfondi et
clair des connaissances en génie climatique et énergétique.
Le produit existant avait donc des carences sur plusieurs aspects :
Un contenu éducatif mal expliqué voir parfois erroné.
Une interface de supervision LINA Energie difficile à utiliser pour des étudiants.
Des exercices et cours difficiles à comprendre pour les élèves et enseignants.
4.3. Réalisations
4.3.1. Objectifs
Au cours de ce projet, l’objectif principal a été d’assister l’équipe d’ingénieurs en charge du
développement de la solution éducative, en apportant les connaissances manquantes en
génie climatique et énergétique.
Les tâches qui ont été réalisées ont suivi le cycle suivant :
1. Lire et corriger les incohérences dans le contenu déjà développé.
2. Corriger les erreurs remontées par le client sur les exercices de la solution pompe à
chaleur.
3. Mettre au point la procédure à suivre pour créer la liaison entre la plateforme LINA et les
machines didactiques et rédiger un manuel explicatif.
4. Améliorer le contenu proposé dans LINA Energie.
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4.3.2. Les réalisations
4.3.2.1 Révision des exercices de la pompe à chaleur
Les exercices proposés dans le module pompe à chaleur permettent aux étudiants de
s’exercer et de comprendre le fonctionnement ainsi que la notion de performance énergétique
des systèmes de pompe à chaleur air/air.
Durant la période d’utilisation de la première version, des remarques de professeurs faisaient
état d’une incohérence entre les résultats des exercices et les valeurs de références dans le
cours.
Les exercices posant problème concernaient les calculs des coefficients de performances
(COP) de la pompe à chaleur. Les calculs de COP composants les exercices correspondaient
aux COP théoriques maximums au lieu des calculs de COP réels. Les corrections suivantes
ont donc été apportées aux documents :
Modifications des énoncées afin d’intégrer le calcul du COP réel dans les exercices.
Modifications des corrections afin de rendre compréhensibles et cohérentes les
définitions et méthodes de calculs.
Ajout des calculs nécessaires à la réalisation du nouvel exercice.
Réalisation d’un exemple basé sur des tests effectués sur une pompe à chaleur
didactique.
Les corrections apportées ont été basées sur les documents de cours dispensés par l’INSA
de Strasbourg [5].
4.3.2.2 Procédure de communication entre la plateforme LINA et les machines
didactiques
Afin de connecter les machines didactiques à la plateforme LINA, il est nécessaire de respecter
une procédure. Ce protocole de connexion avait changé entre deux versions d’automates et
devait donc être adapté à la nouvelle version. L’objectif de cette tâche était de transcrire les
étapes de mise en place d’une machine didactique dans un manuel adapté à des utilisateurs
inexpérimentés.
La procédure a donc été réalisée en plusieurs étapes :
Installation du serveur OPC SoMachine.
Configuration du serveur OPC.
Installation de la plateforme LINA.
Configuration de LINA Energie.
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Tests de communication entre LINA et les machines didactiques.
Ce protocole a été réalisé dans des conditions similaires à celles d’un nouvel utilisateur.
Chaque étape a été décrite et illustrée avec des captures d’écran prises dans les conditions
réelles de mise en place. Le manuel d’instruction qui en résulte a été mis en forme, à postériori,
par l’entreprise client.
4.3.2.3 Amélioration du contenu proposé dans LINA Energie
Dans LINA Energie, une supervision adaptée aux machines didactiques a été conçue. Cette
supervision permet aux étudiants de retrouver les éléments suivants pour chaque système
étudié:
Un cours sur les notions essentielles.
Deux exercices.
Deux travaux pratiques utilisant les données de la machine.
Les modifications se décomposent en 3 axes :
Modification visuelle de la partie supervision :
Une des principales modifications concernait l’aspect visuel général du contenu.
1. Le premier point était le manque de régularité graphique des visuelles (taille des pages
différentes, polices différentes selon les pages…). Une charte graphique a donc été
établie afin de rendre plus cohérent l’ensemble du contenu (voir Figure 16, page 33).
Avant modifications Après modifications
Figure 16 - Aperçu des modifications de la charte graphique
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2. Le second point de modification visuelle correspond à la mise à jour des illustrations
des cours et exercices. De nombreuses illustrations étaient de mauvaise qualité ou
trop compliquées pour le niveau d’explication visé. Certaines illustrations ne
permettaient pas d’appliquer les exercices correctement.
Environ 20 images ont été créées (voir Figure 17, page 34) et plus de 30 images ont
été modifiées et mises en formes. La majorité de ces images ont été créées à l’aide
d’un outil de modélisation 3D (Google SketchUp).
Ces modifications avaient pour but de rendre plus clair et de cibler les informations à
transmettre aux élèves.
3. Le troisième point de modification graphique est la création d’interfaces dynamiques.
L’objectif étant de rendre plus interactif l’apprentissage des connaissances, mais
également de mieux organiser le cours dans le logiciel.
La principale amélioration a été la création de zones d’illustrations et de textes
dynamiques permettent aux utilisateurs d’afficher les schémas et explications au fur et
à mesure de leur avancement. Les autres modifications concernaient principalement
l’ergonomie du logiciel : bouton changeant de couleurs, création d’onglets dans les
zones d’illustrations dynamiques.
Figure 17 - Capture d'écran d'illustrations créées pour les machines didactiques
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Modification des cours proposée :
1. La restructuration du plan du cours :
Après consultation de l’équipe de conception, il a été décidé de revoir l’organisation
des cours du projet déjà existant, ceci afin de le rendre plus généraliste. Le plan a donc
été organisé comme suit (voir Figure 18, page 35) :
2. Corrections et compléments du cours :
Les cours proposés par l’entreprise, comme explicité précédemment, ont été rédigés
à partir des connaissances en énergétique de l’équipe en charge du projet.
De plus, ces cours étaient principalement basés sur les machines didactiques et
manquaient de relation avec l’utilisation des systèmes dans la réalité.
Dans une optique d’amélioration du cours, une révision complète de notions abordées
a été réalisée :
Complément et correction du contenu :
Plusieurs parties du cours étaient rédigées avec des erreurs. D’autres
explications n’étaient pas claires et ont donc dû être approfondies ou
reformulées.
Par exemple, une page du cours portant sur l’ensoleillement et l‘orientation des
capteurs solaires a été divisée en deux pages distinctes afin de mieux
développer les deux notions (voir Figure 19, page 36).
Avant restructuration
•Récupération de l'énergie
•Fonctionnement
•Equipements utilisés
•Transfert de l'énergie
•Fonctionnement
•Equipements utilisés
•Restitution de l'énergie
•Fonctionnement
•Equipements utilisés
Après restructuration
•Introduction
•Les notions nécéssaires au sujet
•Interêts du système
•Fonctionnement général du système
•Récupération de l'énergie
•Transfert de l'énergie
•Restitution de l'énergie
•Les équipements du système
•Description de chaque équipement
Figure 18 - Évolution du plan du cours
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Plusieurs données et précisions concernant les notions abordées ont donc été
ajoutées, par exemple :
o Les performances des capteurs solaires :
Une page explicative des performances des capteurs solaires a été
créée. Un graphique représentant les courbes de performances des
différents types de capteurs solaires a été réalisé en se basant sur des
caractéristiques techniques de matériels commercialisés [6].
o Les technologies d’échangeurs :
Cette page détaille les notions liées aux échangeurs tels que les familles
d’échangeurs (échangeurs à plaques, échangeurs tubulaires…), les
modes de transferts (co-courant, contre-courant, courants croisés), les
différences entre échangeurs internes ou externes.
o Le fonctionnement d’un vase d’expansion :
Cette page explique la structure et le fonctionnement des vases
d’expansions. Ce cours est illustré par un schéma du fonctionnement
détaillant les différents états de l’équipement.
Figure 19 - Évolution du cours sur les notions d'ensoleillement et d'orientation des capteurs solaires
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o Les explications des différentes technologies de circulateurs :
Une autre page détaille les différentes technologies de circulateurs
(vitesse fixe ou variable) et les types de roues (centrifuges, axiales ou
hélicoïdales).
Modifications des exercices et travaux pratiques :
Le troisième axe d’amélioration dans LINA Energie a été de travailler sur les exercices et
travaux pratiques proposés par le groupe API.
Les illustrations des exercices
Certains exercices nécessitaient une refonte de leur imagerie. Ces modifications avaient pour
objectifs de rendre plus attractifs, plus clairs les exercices et de faire correspondre ces
visuelles aux systèmes actuelles.
Par exemple, un exercice concernant les chauffe-eau solaires (voir Figure 20, page 37) a été
revu. Une première version correspondait à une ancienne installation solaire (par exemple :
vase d’expansion ouvert). Il était donc nécessaire de faire correspondre l’exercice aux cas les
plus couramment représentés. Pour cela le modèle d’une installation a été réalisé en se basant
sur les documents de cours dispensé par le COSTIC [7] ou sur le site Énergie+ [8].
Le contenu des exercices et travaux pratiques
En plus de l’aspect graphique, les exercices et travaux pratiques ont été mis à jour.
Le contenu présent dans l’ancienne version était parfois trop compliqué, mal construit ou
incomplet. Pour cela, une série de corrections a été apportée.
Cette mise à jour a également été l’occasion d’ajouter de nouvelles questions et tâches. Le
développement de ce nouveau contenu avait pour objectif de valoriser les fonctionnalités de
LINA Energie en les intégrant au contenu éducatif. Il en résulte deux manipulations :
Avant modifications Après modifications
Figure 20 - Évolution de l'exercice n°2 sur le chauffe-eau solaire
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Une première manipulation qui concerne l’influence de l’inclinaison et de
l’orientation des capteurs solaires sur leurs performances (voir Figure 21, page
38).
Dans ce travail pratique, l’élève est amené à manipuler le capteur solaire de la
machine afin de régler son inclinaison et son orientation par rapport à une
source lumineuse (soleil, émetteurs de rayonnement infrarouge, projecteurs…).
Ensuite, il déterminera à partir d’un diagramme la position optimale d’un capteur
solaire.
Un second exercice sur l’identification des courbes de température lors du
fonctionnement de la VMC double flux.
L’élève devra mettre en fonctionnement la machine sur le mode double flux
pendant environ 15 minutes, ceci afin de tracer les différentes courbes dans le
logiciel. Il ne lui restera plus qu’à imprimer la page visualisée et identifier les
courbes par leur couleur.
Figure 21 - Travail pratique sur l'orientation des capteurs solaires
Figure 22 - Travail pratique d’identification des données VMC
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4.4. Synthèse du projet
Ce troisième projet portait sur l’utilisation du logiciel LINA Energie dans le domaine de
l’éducation et plus particulièrement sur des machines didactiques dédiées à l’enseignement
du génie climatique et énergétique.
Ce projet s’est déroulé du mois de février jusqu’au mois de juin 2016.
Le projet avait pour objectif d’assister l’équipe d’ingénieur en charge de la conception des
machines didactiques dans l’élaboration d’un contenu éducatif à destination d’élèves de filières
technologiques. Pour cela, plusieurs tâches ont été réalisées :
La correction des exercices sur la pompe à chaleur ainsi que la création d’un exemple
basé sur le modèle didactique.
L’élaboration d’une procédure de communication entre la plateforme LINA et les
machines didactiques:
o Installation du serveur OPC.
o Installation et configuration de la plateforme LINA.
o Test de communication entre la plateforme LINA et les machines didactiques.
L’amélioration du contenu éducatif proposé dans LINA Energie:
o La mise en place d’une charte graphique.
o La modification des illustrations des cours, exercices et travaux pratiques.
o La restructuration des cours afin de fournir un contenu plus généraliste.
o La correction et le complément du contenu déjà existant.
o L’ajout de notions manquantes dans le cours.
o La création de deux exercices pratiques utilisant les fonctionnalités de LINA
Energie.
Au cours de cette période, il a été possible d’avoir un retour de la part d’un élève de STI en
stage découverte au sein de l’entreprise. Cette mise en confrontation de l’élève avec les cours,
exercices et travaux pratiques proposé dans LINA Energie a permis de mettre en évidence les
besoins et difficultés des élèves et d’améliorer le projet.
Ce projet a également mis en évidence plusieurs difficultés de conception dans LINA Energie.
Plusieurs propositions d’améliorations ont alors été suggérées permettant de faciliter la
conception des supervisions.
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Conclusion
La société est de plus en plus sensibilisée aux questions d’économies des énergies.
En parallèle, les constructeurs de matériels énergétiques et climatiques ont su faire évoluer
leurs technologies vers des équipements communicants. Dans ce contexte, les systèmes de
gestion technique centralisée (GTC) représentent un outil de choix pour maîtriser ses
consommations. Les entreprises d’installation de systèmes de GTC sont de plus en plus
sollicitées dans la gestion des énergies. Cependant, l’évolution de cette demande est très
rapide, et certaines entreprises n’ont pas eu le temps d’adapter leurs compétences pour
assurer la bonne prise en charge de ce nouveau marché.
Ce projet de fin d’étude visait à répondre au besoin de compétence de l’entreprise
d’installation spécialisé dans l’automatisme industriel, IMAP Armor. L’objectif principal de ce
PFE consistait à étudier le fonctionnement des systèmes de gestion techniques installés par
l’entreprise et à les améliorer afin qu’ils correspondent aux besoins du marché de l’énergie.
Les différentes réalisations et études effectuées sont basées sur le logiciel LINA Energie
développé par IMAP Armor.
Pour répondre à cet objectif, le sujet de ce PFE a été divisé en trois sous-projets, chacun lié à
un thème du génie climatique et énergétique : l’industrie, les bâtiments tertiaires et l’éducation.
Dans ces trois études, il a été conçu un certain nombre de modèles. Leur finalité était double :
dans un premier temps, les modèles vont servir de référence pour le développement des futurs
ouvrages et ainsi réduire leur temps d’achèvement; dans un second temps, les travaux de
conception des modèles ont permis de mettre en évidences les optimisations nécessaires à
l’évolution du logiciel LINA Energie. Il a alors été proposé une cinquantaine d’améliorations du
logiciel. Parmi ces propositions, plusieurs prototypes d’outils métiers ont été réalisés et
permettent ainsi d’élargir le champ d’utilisation du produit.
Pour conclure, le travail effectué au cours du projet de fin d’étude, aura permis à l’entreprise
de s’engager vers ce nouveau marché avec plus visibilité sur les évolutions à apporter à leurs
produits et réalisations.
Bien que les systèmes de gestion des énergies sont de plus en plus installés et permettent
d’atteindre de hauts niveaux de performances, une problématique se pose : « Comment
intégrer l’utilisateur des équipements à ce système ?». En effet, l’utilisation des outils et leurs
maîtrises sont mal prises en compte, réduisant grandement l’efficacité de ces technologies.
Malgré cette problématique, il est certain que l’interconnexion des informations au sein d’un
système représente les solutions d’avenir dans la gestion de nos infrastructures et les
systèmes de gestion technique en sont les précurseurs.
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Bibliographie
[1]. RAGE - Juin 2014 : Guide 2014 « Gestion technique du bâtiment »
[2]. OPC Foundation: What is OPC? – www.opcfoundation.org/about/what_is-opc/
[3]. COSTIC : Amélioration énergétique des bâtiments existants Diagnostic énergétique –
version R01- INSA_P07
[4]. Bernard FLAMENT– 2014/2015 : REGULATION Support de cours
[5]. Gérard HERMAL – 2014/2015 : Système thermodynamiques pour le chauffage et le
rafraichissement
[6]. Institut Für Solartechnik : SPF Catalogue des Capteurs Online - http://www.spf.ch/
[7]. COSTIC - septembre 2015 : Production d’eau chaude sanitaire collective solaire
[8]. Énergie+ : Le capteur solaire à eau chaude – http://www.energieplus-lesite.be
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Sommaire des Annexes
PRESENTATION DETAILLE DU LOGICIEL LINA ENERGIE……………………………... 1
PROJET INDUSTRIEL…………………………………………………………………………. 8
PROJET TERTIAIRE…………………………………………………………………………… 25
PROJET EDUCATIF……………………………………………………………………………..28
COMPTES RENDUS…………………………………………………………………………….69