GenericAHU - Simulation Complète de CTA

Introduction

GenericAHU est une classe Python puissante qui permet de simuler des Centrales de Traitement d’Air (CTA) paramétrables à partir d’un fichier Excel de configuration. Elle supporte deux modes principaux :

• Mode Recycling : CTA avec mélange d’air neuf et d’air recyclé

• Mode Recovery : CTA avec récupération d’énergie sur l’air extrait

Cette approche permet de réaliser des simulations temporelles complètes sans modifier le code Python.

Installation et Prérequis

GenericAHU est inclus dans le package EnergySystemModels :

pip install energysystemmodels

Dépendances requises :

• pandas

• numpy

• openpyxl (pour la lecture/écriture Excel)

• CoolProp (pour les propriétés psychrométriques)

Démarrage Rapide

Étape 1 : Créer le template Excel

Utilisez le script fourni pour générer un fichier Excel template :

from AHU.GenericAHU import GenericAHU

# Créer le template
GenericAHU.create_template('Mon_Template_CTA.xlsx')

Ou exécutez depuis la ligne de commande :

python test/AHU/create_template_GenericAHU.py

Cela génère un fichier Excel avec :

• Feuille 1 : Configuration Mode Recycling

• Feuille 2 : Configuration Mode Recovery

• Feuille 3 : Documentation des paramètres

Étape 2 : Configurer les paramètres

Ouvrez le fichier Excel généré et modifiez :

Configuration générale (lignes 7-8) :

• Mode de fonctionnement

• Consignes de température et humidité

• Activation/désactivation des composants

• Paramètres des équipements

Données temporelles (ligne 10+) :

• Température extérieure

• Humidité relative extérieure

• Débit d’air

• Température d’air extrait (mode Recovery)

• Etc.

Étape 3 : Lancer la simulation

from AHU.GenericAHU import GenericAHU

# Instancier
ahu = GenericAHU()

# Lancer la simulation
results = ahu.run_simulation(
    file_path='Mon_Template_CTA.xlsx',
    sheet_name='1. Air Recycling AHU Input',
    output_file='Resultats_CTA.xlsx'
)

# Afficher les résultats
print(results.head())
print(f"\nNombre de pas de temps simulés : {len(results)}")

Modes de Fonctionnement

Mode Recycling (Air Recyclé)

Schéma de principe :

Air Neuf ──┐
           ├─→ Mélange → [Dégivrage] → [Chauffage] → [Refroidissement]
Air Recyclé┘                                                ↓
                                                 [Humidification] → [Post-chauffage] → Air Soufflé

Composants disponibles :

1. Mélange : Combinaison air neuf + air recyclé

2. Dégivrage : Protection antigel de la batterie de refroidissement

3. Batterie de chauffage : Préchauffage de l’air

4. Batterie de refroidissement : Refroidissement et déshumidification

5. Humidification : Vapeur ou adiabatique

6. Post-chauffage : Ajustement final de la température

Configuration Excel :

Ligne 7 : PARAMETRES_GENERAUX
- recycling_ratio : 0.7 (70% d'air recyclé)
- defrost_enabled : TRUE
- heating_enabled : TRUE
- cooling_enabled : TRUE
- humidification_enabled : TRUE
- postheating_enabled : TRUE

Ligne 8 : CONSIGNES
- T_supply_setpoint : 18 [°C]
- RH_supply_setpoint : 0.45 [%]
- T_recycled : 22 [°C]
- RH_recycled : 0.40

Mode Recovery (Récupération)

Schéma de principe :

Air Neuf ──→ [Échangeur] ←── Air Extrait
                 ↓
          [Dégivrage] → [Chauffage] → [Refroidissement] → [Humidification] → [Post-chauffage] → Air Soufflé

Composants disponibles :

1. Échangeur rotatif ou à plaques : Récupération de chaleur (et humidité selon type)

2. Dégivrage : Protection antigel

3. Batterie de chauffage

4. Batterie de refroidissement

5. Humidification

6. Post-chauffage

Configuration Excel :

Ligne 7 : PARAMETRES_GENERAUX
- heat_recovery_enabled : TRUE
- heat_recovery_efficiency : 0.75
- heat_recovery_type : "rotary" ou "plate"
- moisture_recovery : TRUE (si rotatif)
- defrost_enabled : TRUE
- heating_enabled : TRUE
...

Paramètres de Configuration

Paramètres généraux

Paramètre	Type	Description
recycling_ratio	float	Taux d’air recyclé [0-1] (mode Recycling uniquement)
heat_recovery_efficiency	float	Efficacité de récupération [0-1] (mode Recovery)
heat_recovery_type	string	Type d’échangeur : « rotary » ou « plate »
moisture_recovery	bool	Récupération d’humidité (rotatif uniquement)
defrost_enabled	bool	Activation du dégivrage
defrost_threshold_T	float	Température seuil de dégivrage [°C]
heating_enabled	bool	Activation batterie de chauffage
cooling_enabled	bool	Activation batterie de refroidissement
humidification_enabled	bool	Activation humidification
humidification_type	string	Type : « steam » ou « adiabatic »
postheating_enabled	bool	Activation post-chauffage

Consignes de fonctionnement

Consigne	Unité	Description
T_supply_setpoint	°C	Température de consigne air soufflé
RH_supply_setpoint		Humidité relative de consigne [0-1]
T_recycled	°C	Température air recyclé (mode Recycling)
RH_recycled		Humidité relative air recyclé [0-1]
T_extract	°C	Température air extrait (mode Recovery)
RH_extract		Humidité relative air extrait [0-1]

Données temporelles (entrées)

Pour chaque pas de temps, fournir :

Colonne	Unité	Description
timestamp		Horodatage (format ISO ou Excel)
OA_T	°C	Température de l’air extérieur
OA_RH		Humidité relative extérieure [0-1]
OA_F_dry ou OA_F_m3h	kg/s ou m³/h	Débit d’air sec ou volumique
RA_T	°C	Température air recyclé (Recycling) ou extrait (Recovery)
RA_RH		Humidité relative recyclé/extrait

Résultats de Simulation

Le fichier Excel de sortie contient environ 70 colonnes avec les résultats détaillés.

Résultats globaux

Colonne	Unité	Description
SA_T[°C]	°C	Température air soufflé finale
SA_RH[%]	%	Humidité relative air soufflé
SA_F_dry[kgas/s]	kg/s	Débit d’air sec soufflé
SA_h[kJ/kg]	kJ/kg	Enthalpie air soufflé
SA_w[kg/kg]	kg/kg	Humidité absolue

Résultats par composant

Mélange (MXA) :

• MXA_Outlet_T[°C] : Température après mélange

• MXA_Outlet_RH[%] : Humidité relative après mélange

• MXA_Outlet_h[kJ/kg] : Enthalpie après mélange

Dégivrage (DEFROST) :

• DEFROST_Active : État activation (0 ou 1)

• DEFROST_Q_th[kW] : Puissance de dégivrage

Chauffage (HC) :

• HC_Q_th[kW] : Puissance thermique batterie

• HC_Outlet_T[°C] : Température sortie batterie

• HC_Outlet_RH[%] : Humidité relative sortie

Refroidissement (CC) :

• CC_Q_th[kW] : Puissance frigorifique

• CC_Outlet_T[°C] : Température sortie

• CC_Condensate[kg/h] : Débit de condensats

Humidification (HMD) :

• HMD_F_water[kg/h] : Débit d’eau ajouté

• HMD_Q_th[kW] : Puissance thermique (si vapeur)

• HMD_Outlet_T[°C] : Température sortie

Post-chauffage (POSTHC) :

• POSTHC_Q_th[kW] : Puissance thermique

• POSTHC_Outlet_T[°C] : Température finale air soufflé

Échangeur de récupération (REC) :

• REC_Q_recovered[kW] : Puissance récupérée

• REC_Efficiency_actual : Efficacité réelle

• REC_OA_Outlet_T[°C] : Température air neuf après échangeur

Exemples d’Utilisation

Exemple 1 : Dimensionnement hiver

Créer un fichier Excel avec des conditions hivernales extrêmes :

import pandas as pd
from AHU.GenericAHU import GenericAHU

# Créer des données de dimensionnement hiver
data = {
    'timestamp': pd.date_range('2024-01-15 00:00', periods=24, freq='h'),
    'OA_T': [-10, -9, -8, -7, -6, -5, -4, -3, -2, -1, 0, 1,
              0, -1, -2, -3, -4, -5, -6, -7, -8, -9, -10, -11],
    'OA_RH': [0.85] * 24,
    'OA_F_m3h': [5000] * 24,
    'RA_T': [22] * 24,
    'RA_RH': [0.40] * 24
}

df = pd.DataFrame(data)

# Écrire dans Excel (avec configuration en lignes 7-8)
# ... (voir template pour structure complète)

# Simuler
ahu = GenericAHU()
results = ahu.run_simulation('dimensionnement_hiver.xlsx',
                              '1. Air Recycling AHU Input')

# Analyser
puissance_max = results['HC_Q_th[kW]'].max()
energie_jour = results['HC_Q_th[kW]'].sum()

print(f"Puissance de chauffage à prévoir : {puissance_max:.2f} kW")
print(f"Consommation sur 24h : {energie_jour:.2f} kWh")

Exemple 2 : Comparaison avec/sans récupération

from AHU.GenericAHU import GenericAHU
import pandas as pd

# Simulation SANS récupération
ahu_sans = GenericAHU()
results_sans = ahu_sans.run_simulation('config_sans_recup.xlsx',
                                        '1. Air Recycling AHU Input')

# Simulation AVEC récupération
ahu_avec = GenericAHU()
results_avec = ahu_avec.run_simulation('config_avec_recup.xlsx',
                                        '2. Air Recovery AHU Input')

# Comparer
conso_sans = results_sans['HC_Q_th[kW]'].sum()
conso_avec = results_avec['HC_Q_th[kW]'].sum()
economie = conso_sans - conso_avec
gain_pct = (economie / conso_sans) * 100

print(f"Consommation SANS récupération : {conso_sans:.2f} kWh")
print(f"Consommation AVEC récupération : {conso_avec:.2f} kWh")
print(f"Économie : {economie:.2f} kWh ({gain_pct:.1f}%)")

Exemple 3 : Analyse annuelle

import pandas as pd
import matplotlib.pyplot as plt
from AHU.GenericAHU import GenericAHU

# Charger des données météo annuelles
# (ex: depuis OpenWeatherMap ou fichier TRY)

ahu = GenericAHU()
results = ahu.run_simulation('simulation_annuelle.xlsx',
                              '1. Air Recycling AHU Input',
                              'resultats_annuels.xlsx')

# Statistiques annuelles
conso_chauffage = results['HC_Q_th[kW]'].sum()
conso_refroidissement = results['CC_Q_th[kW]'].sum()
eau_humidification = results['HMD_F_water[kg/h]'].sum()

print(f"Consommation annuelle chauffage : {conso_chauffage:.0f} kWh")
print(f"Consommation annuelle froid : {conso_refroidissement:.0f} kWh")
print(f"Eau d'humidification totale : {eau_humidification:.0f} kg")

# Visualisation
fig, axes = plt.subplots(3, 1, figsize=(12, 10))

# Puissances
axes[0].plot(results.index, results['HC_Q_th[kW]'], label='Chauffage')
axes[0].plot(results.index, results['CC_Q_th[kW]'], label='Refroidissement')
axes[0].set_ylabel('Puissance [kW]')
axes[0].legend()
axes[0].grid(True)

# Températures
axes[1].plot(results.index, results['OA_T[°C]'], label='T ext')
axes[1].plot(results.index, results['SA_T[°C]'], label='T soufflage')
axes[1].set_ylabel('Température [°C]')
axes[1].legend()
axes[1].grid(True)

# Humidité
axes[2].plot(results.index, results['SA_RH[%]'], label='HR soufflage')
axes[2].set_ylabel('Humidité relative [%]')
axes[2].set_xlabel('Temps')
axes[2].legend()
axes[2].grid(True)

plt.tight_layout()
plt.savefig('analyse_annuelle_cta.png', dpi=300)
plt.show()

Exemple 4 : Optimisation du taux de recyclage

import numpy as np
from AHU.GenericAHU import GenericAHU

# Tester différents taux de recyclage
recycling_ratios = np.arange(0.0, 1.0, 0.1)
results_optimisation = []

for ratio in recycling_ratios:
    # Modifier le fichier Excel avec le nouveau ratio
    # (ou utiliser une fonction helper pour modifier dynamiquement)

    ahu = GenericAHU()
    results = ahu.run_simulation(f'config_recycle_{ratio:.1f}.xlsx',
                                  '1. Air Recycling AHU Input')

    conso_totale = (results['HC_Q_th[kW]'].sum() +
                    results['CC_Q_th[kW]'].sum())

    results_optimisation.append({
        'recycling_ratio': ratio,
        'consommation_totale': conso_totale
    })

# Trouver l'optimum
df_optim = pd.DataFrame(results_optimisation)
ratio_optimal = df_optim.loc[df_optim['consommation_totale'].idxmin(),
                               'recycling_ratio']

print(f"Taux de recyclage optimal : {ratio_optimal:.1%}")

# Visualiser
plt.figure(figsize=(10, 6))
plt.plot(df_optim['recycling_ratio'], df_optim['consommation_totale'], 'o-')
plt.axvline(ratio_optimal, color='r', linestyle='--',
            label=f'Optimum: {ratio_optimal:.1%}')
plt.xlabel('Taux de recyclage')
plt.ylabel('Consommation totale [kWh]')
plt.title('Optimisation du taux de recyclage')
plt.legend()
plt.grid(True)
plt.show()

Conseils et Bonnes Pratiques

Performance

• Pour des simulations longues (>8760 pas de temps), désactivez les sorties intermédiaires

• Utilisez des pas de temps adaptés : horaire pour le dimensionnement annuel, 5-15 min pour l’analyse fine

• Fermez le fichier Excel avant de lancer la simulation

Validation des résultats

• Vérifiez les bilans énergétiques : sum(Q_in) = sum(Q_out)

• Contrôlez les températures : pas de valeurs aberrantes

• Validez les humidités relatives : toujours entre 0 et 1

Gestion des erreurs courantes

Erreur : « Temperature out of range »

→ Les conditions d’entrée dépassent les limites de CoolProp. Vérifiez les températures et humidités.

Erreur : « Convergence failed »

→ Les consignes sont incompatibles (ex: T_setpoint < T_extérieure en hiver sans chauffage).

Avertissement : « Defrost activated »

→ Normal si T < 0°C. Vérifiez que le dégivrage est bien paramétré.

Tests Unitaires

Pour vérifier l’installation :

python test/AHU/test_GenericAHU.py

Résultat attendu :

✅ Test 1 (Recycling mode): OK
✅ Test 2 (Recovery mode): OK
✅ Test 3 (Manual configuration): OK
🎉 Tous les tests ont réussi!

Références

• CoolProp : http://www.coolprop.org/

• ASHRAE Handbook - HVAC Systems and Equipment

• EN 308 : Échangeurs de chaleur - Procédures d’essai

• EN 13053 : Centrales de traitement d’air

Support

Pour toute question ou problème :

• Documentation complète : https://energysystemmodels-fr.readthedocs.io/

• Issues GitHub : https://github.com/ZoheirHADID/EnergySystemModels/issues

• Email : contact@energysystemmodels.com