Infrastructure de recherche

Big Building Data (BBDATA) est une plateforme sécurisée de stockage de données issues des bâtiments. Elle intègre les dernières technologies du domaine de l’internet des objets (IoT) et du Big Data.

De grandes quantités de données provenant de capteurs intégrés à des bâtiments ainsi que d’installations de mesures mobiles sont stockées sur la plateforme. Des services de visualisation, de traitement et d’analyse de données sont mis à disposition et présentent une précieuse source d’information tant pour l'exploitation que pour la recherche.

Les services sont déployés sur une infrastructure HyperFlex à deux nœuds de Cisco sur laquelle tournent des machines virtuelles. Les couches software sont basées sur des technologies open sources telles que Cassandra, Kafka, GlassFish, MySQL.

Caractéristiques techniques

BBDATA a été co-développée avec l’Institut iCoSys sous la conduite du Prof. Jean Hennebert. 

L’institut dispose de plusieurs systèmes de monitoring indoor/outdoor dont voici deux exemples.

Le système Multi-Confort est dédié à la compréhension systémique du confort de l’usager dans des espaces de bureau et permet de stocker des mesures de température, d’humidité, de pression, de luminosité, de mouvement, de qualité d’air et de bruit. Ce système peut très facilement être déployé dans n’importe quel espace de bureau.

Le système CityPulse vise à mesurer et modéliser les "pulsations" de la ville quasi en temps réel grâce aux technologies de l'IoT et de la Data Science. Ces mesures peuvent être utilisées pour orienter la conception de nouveaux quartiers ou améliorer la qualité de vie de quartier existant. Le système de monitoring, développé sur la base de plateformes Libelium, permet de récupérer des données de luminosité, température, humidité, pression, bruit, particules fines et autres polluants de l’air.

Vainqueur du Solar Decathlon 2017, le NeighborHub permet à la population locale d’expérimenter un mode de vie durable. Après son succès à la compétition internationale d’habitat solaire à Denver (USA), le NeighborHub a été reconstruit sur le site de bluefactory et propose sept domaines sur lesquels nous pouvons agir : l’énergie, la gestion des eaux, la gestion des déchets, la mobilité, la nourriture, les matériaux et la biodiversité. Le pavillon fait l'objet d'un monitoring détaillé et continu qui permet d'analyser sa performance réelle. L'ensemble des données est stocké sur la plateforme BBDATA.

Le NeighborHub de l’équipe suisse a gagné la compétition Solar Decathlon 2017 à Denver, Colorado, USA.

Le laboratoire est doté de 10 plateformes d’essais 5kW, offrant chacune les équipements suivants :

• 2 x Sources 0-600Vrms / 15A et 0-850Vdc
• 1 x Banc de machines tournantes 1’500rpm (DC 5.8kW, asynchrone à cage 5.5kW et synchrone 3kW)
• 1 x Convertisseur de courant + 1 x Variateur de fréquence pour entraînements moteurs
• 1 x Synchronoscope pour couplage de l’alternateur au réseau
• 1 x Pont triphasé à IGBT 1’200V / 75A avec carte DSP (processeur TMS 320 et FPGA)
• 1 x Pont triphasé à IGBT 1’200V / 75A avec carte DSP (processeur TMS 320 + FPGA avec mesures 6 x 600Vrms et 6 x 15Arms)
• 1 x Pont triphasé à modules IGBT 800V / 20A connectés par fibres optiques vers unité contrôle-commande temps réel
• 1 x Rhéostat de puissance 20-400W / 20A
• 1 x Self 50mH / 8Arms
• 1 x Transfo monophasé 1kVA
• 1 x Transfo triphasé multi-enroulements 7.8kVA
• 1 x Charge R+L (cosj=0.82) triphasée 350W permanent (ou 1kW 10min. ED=10%)
• 1 x Banc double moteur aligné (machines DC à aimants permanents 6.5W) et une carte double pont H
• 2 x Moteurs pas-à-pas (env.10W) avec cartes de contrôle
• PC et logiciels (pilotage des entraînements, calcul de réseaux, études magnéto-électriques par éléments finis, outil mathématique, etc.)

Le laboratoire est doté de 2 plateformes d’essais 80kW, offrant chacune les équipements suivants :

• 1 x Banc de machines tournantes (DC 93.5kW @ 3’440rmp, asynchrone à cage 81kW (2 pôles), et synchrone 80kW/110kVA @ 1’500rpm)
• 1 x Salle de commande avec onduleur + convertisseurs de courant et de fréquence pour entraînements moteurs
• 1 x Synchronoscope pour couplage de l’alternateur au réseau
• 1 x Couple-mètre 500Nm @ 10’000rpm avec HMI ([W]-[Nm]-[rpm])

Chaque plateforme possède un set d’instrumentation, incluant :

• 1 x Oscilloscope 400MHz / 5GS/s / 4 canaux / écran tactile 10.4’ / MatLab embarqué avec chacun 4 sondes pique-fil 1:10
• 2 x Multimètres FLUKE 179
• 2 x Sondes différentielles de tension (éch. 20:1 ou 200:1) 1’400Vp @ DC..25MHz
• 2 x Sondes de courant 10mA..150A @ DC..15MHz
• 1 x Analyseur de puissance, monophasé 825Vrms / 2’000A @ DC + 15Hz..1kHz (40ème harmonique 50Hz, précision 0.5% @50Hz)
• 1 x Analyseur de puissance, quadriphasé 600Vrms / 18A (ext. 40A) @ DC..20kHz (100ème harmonique 50Hz, précision 0.1% @ 50Hz)
• 1 x Stroboscope 60..26’000rpm
• 1 x Alimentation stabilisée 2 x 0..30Vdc / 3A
• 1 x Générateur multi-fonction (6MHz / 10Vpp)

• 1 x Analyseur d’impédance DC + 4Hz..5MHz @ 5Vmax jusqu’à 100MHz (1V au-delà)
• 5 x Oscilloscopes 600MHz / 10GS/s / 4 canaux / écran tactile 12.1’ / MatLab embarqué avec chacun 4 sondes pique-fil 1:10
• 5 x Sondes différentielles de tension (éch. 20:1 ou 200:1) 700Vp @ DC..40MHz
• 5 x Sondes différentielles de tension (éch. 10:1 ou 100:1) 1’400Vp @ DC..100MHz
• 8 x Multimètres FLUKE 183
• 1 x Couple-mètre 50Nm @ 4’000rpm avec HMI ([W]-[Nm]-[rpm])
• 1 x Alimentation 4 quadrants ±36V / ±6A
• 1 x Alimentation stabilisée 40Vdc / 300A
• 1 x Transfo de séparation 1:1 de 100kVA / 400V en couplage « triangle/zig-zag» avec ajustement ±10%
• 2 x Transfo monophasé (maquette traction élec. à 2 colonnes) 27kVA / 20 enroulements / 50Hz ou 16.7Hz
• 1 x Moteur à réluctance variable 8.5kW @ 6’000rpm (quadriphasé, 6 pôles rotoriques)
• 1 x Machine asynchrone à double bobinage 5.5kWélec / 6.9kWméc(4 pôles)
• 1 x Transfo triphasé multi-enroulements 52kVA
• Assortiment de 25 rhéostats bobinés de puissance, gamme de 2W / 19A à 1kW / 1A
• Diverses pinces ampèremétriques et shunts
• Divers tachymètres optiques

• 1 x Alimentation 2 quadrants ±500V / 50A / 20kW avec émulateur de batteries

Introduction

Besides high voltage testing, other examinations can be performed, among them measurements of conventional partial discharge (PD), measurements of dissipation factor and capacity, and rain tests. If required, monitoring camera systems and microscopes are used. In addition to the main testing bay, a secondary testing bay permits long-term insulation testing under DC and AC to simulate aging processes. Both bays are shielded. This makes sensitive PD measurements with a very low noise level of less than 1 pC possible.

Abstract from the testing portfolio of the high-voltage testing laboratory:

1. Lightning impulse voltage
2. Alternating voltage
3. Direct voltage
4. Switching impulse voltage
5. Long-term tests of insulation materials under DC and AC
6. Partial discharge measurement (PD)
7. Measurements of dissipation factor and capacity
8. Rain tests

Our laboratory also provides material testing and characterization like:

1. Investigation of dielectric breakdown strength for solid or liquid dielectric materials: breakdown tests performed with different test speeds (V/s), according to (IEC 60243 or IEC 60156 Standard) using semi-spherical (VDE), spherical, cylindrical, blunt point, disc or needle shaped electrodes
2. Investigation of dielectric permittivity and the dielectric losses (tan D) for solid insulating materials: Cs / Cp and dissipation factor measurements under low AC voltage, going from 5 µHz up to 50 MHz, with or without DC bias (IEC 62631-2-1)
3. Investigation of electrical volumetric or surface resistivity (conductivity) of solid insulating materials:

• Resistivity measurement (IEC 60093, IEC 62631-3-1, ASTM D257-14)
• Polarization index  / insulation resistance based on polarization and depolarization currents measurements (IEEE 43-2000)

4. Investigation of the ageing behavior of solid or liquid dielectric materials:

• Voltage endurance testing at room temperature or combined with thermal stress (IEC 61251)
• Thermal or thermo-electrical ageing under specific conditions as defined by the end user

Main test bay, (10x8 m,h=6 m)

• DC generator: 400 kVdc / 12mA
• AC generator: 200 kV / 50Hz / 250mA
• Impulse generator: 400 kV / 12 kJ with impulse analyzing system
• Current impulse generator: 100 kA / 20 kJ
• Bamberg Test system 100 kV

Secondary test bay for long duration testing

• Bamberg Test system 100 kV AC and DC
• Material testing and characterization
• Keithley electrometer 6517B : multipurpose high resistance / low current electrometer
• Omicron SPECTANO 100: Dielectric Material Analyzer for the characterization of solid and liquid insulation materials in the time (PDC) and frequency (FDS) domain
• Agilent 4294A Precision Impedance Analyzer

Accessories

• Partial discharge AC and DC: Omicron MPD 600 (noise < 1 PC at 200 kV)
• Tg δ: Omicron Tando 700
• Set up for test under rain
• Climatic cabinet (-70°C/-70°C)
• Several dividers, sensors, resistors, capacitors, diodes and inductors for special set ups

Le mini-réseau de la HEIA-FR est un émulateur analogique d’un réseau électrique contenant une partie AC et DC.

La partie AC du mini-réseau est une reproduction à l’échelle du réseau haute tension du canton de Fribourg. Il reproduit à l’échelle les différentes parties du réseau, à savoir une partie primaire (transformateur, lignes, etc.) et une partie protection – y compris mesures, contrôle-commande et communication poste et SCADA.

L’installation est équipée avec la dernière génération d’appareils de protection et de contrôle, travaillant avec la norme CEI 61850.

Le réseau DC permet d’émuler des futurs réseaux en courant continu, de même que des réseaux mixtes AC/DC. Il est utilisé pour :

• La formation au niveau Bachelor, Master et de la formation continue (CAS et cours ad hoc)
• Les projets de recherche

Pour plus d'informations : descriptif détaillé.

Le Laboratoire thermique & énergétique (LTE) permet de mener des projets de recherche appliquée en rapport avec l’efficacité de conversion d’énergie thermique/électrique dans le bâtiment, la conception et l’optimisation des systèmes énergétiques décentralisés.

Les installations du LTE permettent de faire des essais sur des équipements thermiques de conversion d’énergie (chaudière, échangeurs de chaleur, machine ORC, pompe à chaleur) et valider des prototypes de recherche dans le domaine des technologies de machines à fluide organique et des pompes à chaleur (équipements de turbines, compresseurs, capteurs solaires à évaporation direct, générateur de vapeur à réfrigérant organique).

Grâce à une approche fondée sur la méthodologie systémique d’optimisation de systèmes utilisant au maximum des énergies renouvelables et sur le développement de solutions technologiques à faible impact de carbone, il est ainsi possible d’apporter une réponse significative à la problématique de transition énergétique dans les secteurs du bâtiment et de l’industrie.

Le LTE permet de travailler sur la formalisation de concepts de réseaux thermiques intelligents et avancés, l’intégration optimale des sous-systèmes d’alimentation des bâtiments, la modélisation et la simulation de ces systèmes et des ressources disponibles dans une démarche d’amélioration des performances énergétiques des bâtiments et des villes.

Grâce au LTE, il est possible d'accompagner des projets, tant industriels qu’académiques, afin de tester et éprouver les concepts et technologies des machines à fluide organique (ORC) et de pompes à chaleur et/ou refroidissement (PAC multi-source). Pour ce faire, le LTE dispose d’outils et de méthodologies de la modélisation et de simulation des composants et sous-systèmes thermodynamiques (cogénération, tri-génération d’énergie, etc.).

Grâce au LTE, des chercheurs peuvent développer des approches d’optimisation multicritères (énergétique, exergétique, économique, environnementale) et des méthodologies de simulation des systèmes énergétiques et des procédés industriels basées sur une démarche systémique. Il permet la validation expérimentale de modèles simplifiés pour simplifier l’intégration énergétique de systèmes complexes.

Le laboratoire d'intégration des énergies renouvelables (LIRE) offre une plateforme de recherche, de développement et de test grandeur nature pour l'intégration à l'échelle du bâtiment des différentes sources d'énergies renouvelables et du stockage.

Grâce à ses installations, le LIRE est la plateforme idéale pour les projets de recherche appliquée et d’enseignement sur l’intégration et l'optimisation de la gestion de l'énergie entre production (panneaux solaires thermiques,  photovoltaïques et hybrides, pompe-à-chaleur air/eau) et sur le stockage (chaud, froid, PCM, batterie), ainsi que sur la consommation et réinjection dans le réseau.

Il a également servi de plateforme de test pour plusieurs projets liés au smart living lab et au Solar Decathlon, en collaboration avec des entreprises de tissu économique et financés par des sources différentes (Innosuisse, OFEN, HES-SO, smart living lab). Faisant en outre office de show-lab, il permet de mettre en valeur le potentiel des énergies renouvelables.

Actuellement, le LIRE se trouve dans le quartier de bluefactory, mais il peut être déplacé en cas de besoin. 

Le LIRE est composé des installations suivantes :

• Installation thermique : chauffage/refroidissement (PAC et stockage thermique)
• Installation électrique : batterie et onduleur
• Installation solaire ST, PV et PVT

Les différents systèmes sont interconnectés et les mesures de nombreux capteurs sont en permanence analysées et stockées.

Equipement de base – Dimensions générales

• PAC air – eau réversible 6.9 kWchaud/7.5 KWfroid
• Accumulateur combiné ECS 560 litres
• Stockage froid - 200 litres
• Installation solaire thermique 2 panneaux
• Ventilo-convecteur Pabsorbée = 100 W
• Panneaux photovoltaïques Monocristallin – 1.1 kWc
• Panneaux photovoltaïques Polycristallin – 480 Wc
• Panneaux photovoltaïques BIPV et transparentes 480 Wc
• Panneau solaire hybride – puissance électrique : 250 Wp ; puissance thermique : 912 W
• Micro-onduleurs avec contrôleur
• Batteries 5.2 kWh – 121.5 Ah
• Gestionnaire de la charge de la batterie pour optimisation de l’autoconsommation

Chauffage/refroidissement (PAC et stockage thermique)

Cette installation peut être réglée avec différents modes de fonctionnement de l’onduleur :

• « Smart boost » : couplage entre le réseau électrique et la batterie avec limiteur de puissance perçue du réseau ;
• « Tout ou rien automatique » : consommateurs alimentés par le réseau tant que la puissance requise est inférieure au seuil prédéfini ; dès que ce seuil est dépassé, la batterie prend le relai ;
• « Tout ou rien piloté » : identique au mode automatique, mais c’est l’utilisateur qui choisit la source d’alimentation des consommateurs (réseau ou batterie).

Installation solaire ST, PV et PVT