Dissertationen zum Thema „Constructions scolaires – Chauffage et ventilation“

Pour assurer une bonne qualité de l’air intérieur, la ventilation permet généralement de diluer les polluants. Cependant, pour les bâtiments situés à proximité de sources de pollutions, les systèmes de filtration et d’épuration de l’air apparaissent essentiels pour réduire le transfert des polluants de l’extérieur vers l’intérieur, et constituent également un levier de transition énergétique intéressant dans la mesure où ils permettent de limiter les déperditions d’énergie. Ainsi, cette thèse propose d’étudier comment modéliser les transferts d’air de l’extérieur vers l’intérieur d’un bâtiment, en prenant en compte son environnement extérieur local, et notamment la météorologie ainsi que les niveaux de pollutions extérieurs, afin d’évaluer la capacité des différents systèmes de ventilation, de filtration et d’épuration de l’air à assurer un air intérieur sain. Cette thèse de doctorat se déroulera dans deux types d'environnements différents : l'un est celui des bâtiments résidentiels, comprenant deux études sur une maison individuelle basse consommation et des logements sociaux rénovés. Le deuxième environnement étudié est celui des salles de classe rénovées dans une école. L'étude sur la maison basse consommation a permis de collecter des indicateurs de performance sur la QAI en étudiant divers polluants. Cette étude s'est caractérisée par une discrétisation spatiale et temporelle plus fine que la majorité des études et des mesures continues pour tous les paramètres étudiés, ce qui a permis l'étude de nombreux indicateurs de performance permettant une meilleure évaluation des effets sur la santé et une meilleure compréhension du transfert de polluants entre les pièces et avec l'extérieur. Ensuite, cette thèse reposera sur une analyse de données expérimentales inédites récoltées dans 69 logements sociaux rénovés situés à Lyon à proximité d’un tunnel et d’une autoroute à fort trafic, et équipés de divers systèmes de ventilation et d’une instrumentation en temps réel de la qualité de l’air intérieur. Elle inclura également des mesures sur une école, un travail exploratoire d’analyse de sensibilité et une étude numérique des performances à l’échelle du bâtiment de divers procédés de ventilation, de filtration et d’épuration de l’air
To ensure good indoor air quality, ventilation usually dilutes pollutants. However, for buildings located near sources of pollution, filtration and air purification systems is essential to reduce the transfer of pollutants from the outside to the inside, and also constitute an energy transition lever. interesting to the extent that they allow to limit the losses of energy. Thus, this thesis proposes to study how to model the transfers of air from the outside to the inside of a building, taking into account its local external environment, and in particular the meteorology as well as the levels of external pollution, in order to evaluate the ability of different ventilation, filtration and air cleaning systems to ensure healthy indoor air. This PhD thesis will take place in two different types of environments: one is residential buildings, including two studies on single low-energy house and multifamily social retrofit buildings. The second environment studied is renovated school classrooms. The study on a low-energy house allowed to collect performance indicators for indoor air quality by studying diverse pollutants. This study was characterized by a finer spatial and temporal discretization than the majority of studies and continuous measurements for all the parameters studied, which allowed the study of many performance indicators that allow for a better evaluation of health effects and a better understanding of the transfer of pollutants between rooms and with the outdoor. Then, this thesis will be based on an analysis of unprecedented experimental data collected in 69 renovated social housing units located in Lyon near a tunnel and a high traffic motorway and equipped with various ventilation systems and real-time instrumentation. the quality of the indoor air. It will also include school-based measurements, exploratory sensitivity analysis and a numerical study of building-level performance of various ventilation, filtration and air cleaning processes

L'étude réalisée concerne une installation de chauffage solaire-électrique de trois bâtiments industriels (usine Pernod Solaire). Cette installation comprend différents modes de chauffage : énergie solaire directe ou stockée, énergie électrique directe ou stockée, pompes à chaleur et batteries de récupération et deux types de distribution : aéraulique et hydraulique. Le système solaire est constitué de capteurs solaires plans à air couplés à des stocks de parpaings. Le chauffage électrique est assure soit par des batteries électriques, soit par des stocks à haute température chargés durant la nuit, soit par des pompes à chaleur. Des récupérateurs de chaleur sur l'air extrait complètent ces apports énergétiques. L'utilisation de ces sources est gérée par trois automates programmables supervisés par un ordinateur central. Un suivi des performances a été réalise pour assurer la mise au point de l'installation analyser ses performances et réaliser une optimisation. L'analyse des performances sur trois saisons de chauffage montre les améliorations réalisées au cours du temps. La productivité annuelle des champs de capteurs a augmenté de 36 à 53 kWh/m2. Pour la dernière saison, la fraction solaire atteint 15,5% et les autres apports gratuits couvrent 7,5% des apports totaux. La contribut10n de l'énergie solaire totale (actif + passif) est de l'ordre de 43% pour le bâtiment d'Administration. Une méthode mathématique a été développée afin de rendre les bilans énergétiques cohérents. Le savoir-faire acquis sur cette installation en matière de suivi a servi de base à l'élaboration d'une méthodologie de suivi de grandes installations solaires. Pour étud1er le fonctionnement des champs de capteurs et des stocks solaires soumise à des conditions aux limites et initiales variables, des modèles ont été développés en régime dynamique et validés sur les résultats expérimentaux.

Méthode numérique de prévision de la circulation de l'air à l'intérieur des bâtiments, en concentrant la recherche sur deux techniques. Modèles en pression, ne donnant pas d'informations sur les mouvements intérieurs à une zone. Simulation numérique de la convection naturelle, forcée et mixte en régime laminaire et permanent dans une cavité bidimensionnelle de taille réduite se rapprochant des configurations de bâtiment. Proposition d'un schéma généralisé de discrétisation des équations de la convection (modèles plus précis, phénomènes turbulents)

Dans le cadre industriel de la ventilation par déplacement, le rapport présente l'étude expérimentale du développement d'un panache thermique dans un milieu confiné et ventilé. Les expériences ont été effectuées, à l'aide de thermocouples, dans une cellule d'essai aéraulique (4,84́,25́,6 m3). La source de chaleur utilisée est un disque de 1,54 m de diamètre chauffé à 200 ʿC. La qualification de l'installation permet de connaître les régimes de fonctionnement optimaux et d'évaluer les parts relatives des échanges convectifs et radiatifs dans la cellule. Pour les grands débits de ventilation, le panache est compatible à celui développé en milieu infini. L'utilisation simultanée de 16 thermocouples permet de caractériser les structures thermiques qui y sont présentes. Pour des débits de ventilation plus faibles, une stratification en température apparaît dans la cellule. Son interface a une épaisseur non négligeable et sa position est repérée par celle du maximum des écarts types des fluctuations de température. L'évolution de la hauteur de cette interface est étudiée pour différentes conditions expérimentales. Les résultats permettent de conforter des lois déjà obtenues en zones proche et lointaine de la source. Ils conduisent également à proposer une loi de transition entre ces deux zones
Within the industrial framework of displacement ventilation, the report presents the experimental study of the development of a thermal plume in a confined ventilated surrounding. The experiments were carried out using in an aeraulic test room (4,84́,25́,6m3) by thermocouple probes. The used heat source is a 1,54m-diameter disc, heated at 200 ʿC. The qualification of the test facility makes it possible to know the optimal operation parameters and to evaluate the relative budget of convective and radiative exchanges in the chamber. For high supply flow rates, the plume is compatible with that developed in infinite medium. The simultaneous use of 16 thermocouples makes it possible to characterize the thermal structures which are present in the plume. For lower supply flow rates, a temperature stratification appears in the chamber. Its interface has a considerable thickness and its position is at the height which corresponds to the maximum of the temperature fluctuations standard deviations. The evolution of the interface position is studied for various experimental conditions. In the light of the experimental results, it possible to consolidate laws already obtained in zones close and remote of the source. They also result in proposing a law of transition between these two zones

Nous avons développé dans le cadre simulation du comportement thermique des processus de conception de cette étude un outil de bâtiments adapté à un processus de conception. L'outil en question doit permettre au concepteur de tester les variantes de ses propositions, ceci afin qu'il puisse progresser dans la définition de son projet, tout en restant compatible avec la vocation pluridisciplinaire du système général de conception. Pour répondre à ces exigences, nous proposons trois niveaux d'action : - Simplification des algorithmes de calcul des différents modes de transfert de chaleur et de masse. -Optimisation des procédures de calcul. Ceci peut être réalisé en introduisant un certain nombre de notions simples telles celles de pré-calculs, de modules, - Identification pour chaque type de problèmes, des variables susceptibles d'avoir une influence notamment lors de la phase de modification. Nous illustrerons ce point de vue à partir du problème de l'intermittence de chauffage.

L'humidité relative de l'air est un des paramètres les plus importants ayant une influence sur le confort, la qualité de l'air intérieur et aussi sur la performance énergétique et la durabilité des enveloppes. Les matériaux qui adsorbent et désorbent l’humidité peuvent être utilisés pour modérer l’amplitude des variations de l’humidité relative et ainsi améliorer le climat intérieur et diminuer les consommations énergétiques. Le transfert de masse dans les matériaux hygroscopiques, même si il est pris dans les simulations dynamiques des bâtiments, il est simplifié. Négliger le transport de vapeur d'eau entre l'air et le matériel, ou appliquer des simplifications peut entraîner de graves erreurs dans l'estimation de l'humidité de l'air. L’objectif de ce travail de thèse est d’examiner les paramètres influençant l’échange hygrique entre l’air intérieur et les matériaux de construction dans des conditions normales d’utilisation. Ce travail a été divisé en deux parties : expérimentale et numérique. Comme les propriétés hygrique des matériaux ont un impact important sur les transferts de masse, des mesures détaillées de la perméabilité à la vapeur et de l’isotherme de sorption ont été effectué. Aussi les coefficients convectifs de transfert de masse ont été mesurés. Le critère d’absorption de masse a montré que le taux de celui-ci ne dépend pas seulement du matériel et des revêtements, mais aussi de la température et le mouvement d’air intérieure. L’expérimentation sur l’évaporation de l’eau sur la surface libre d’un liquide a montré que le coefficient convectif de transfert de masse dépend du potentiel de transfert. Il a été présenté que pour les petites différences dans le taux d'humidité relative, le coefficient de transport est plus petit. Les mesures du coefficient convectif de transfert de masse à partir d'un matériau mince hygroscopique ont montré que la valeur du coefficient ne dépend pas seulement de la différence dans le potentiel de transfert, mais aussi du niveau de potentiel. Pour la même différence, les coefficients convectifs de transfert ont des valeurs inférieures pour des faibles niveaux d'humidité relative. Il a également été montré que le coefficient convectif de transfert de masse a des valeurs inférieures pour les échantillons en position verticale que dans la position horizontale. Dans la dernière partie de cette thèse, un nouveau modèle numérique Humi-mur, pour les simulations du flux massique échangé entre l’air et le matériau a été développé et présenté. Le modèle permet une représentation précise des propriétés hygriques : la perméabilité à la vapeur d’eau et l’isotherme de sorption. L’aspect pratique du modèle l'Humi-mur a été présenté. Les résultats montrent que le tampon d'humidité dans les matériaux peut améliorer la perception de la qualité de l'air et empêcher la croissance microbiologique à la surface de l'enveloppe du bâtiment. Il a également été souligné que négliger les effets d'hystérésis de sorption sur les flux d'humidité peut entraîner de graves erreurs dans les calculs
The aim of this thesis was to study the mass exchange between indoor air and material. The influence of several factors on moisture transfer has been verified. Also the convective mass transfer dependency on the relative humidity condition and position of the material has been checked. Finally, a new module with the sorption hysteresis model, Humi-mur, for calculations of mass flow exchanged between indoor air and material has been developed, validated and integrated into the whole building simulation tool TRNSYS. This powerful tool was used to simulate a realistic room under real climatic conditions. The tests on mass uptake have shown that the rate of mass uptake depends not only on the material and coatings but also, some relationships between mass flux and air movement and temperature have been found. The experiment on water evaporation from a free liquid surface showed that the convective mass transfer coefficient depends on the driving potential value. It was presented that for the smaller difference in the relative humidity the transport coefficient is smaller. The measurements of the convective mass transfer coefficient from a thin hygroscopic material showed that the value of the coefficient depends not only on the difference in the driving potential but also on the level of the driving potential. For the same difference the convective transport coefficient has lower values for a lower level of relative humidity. It was also shown that the convective mass transfer coefficient has lower values for samples in a vertical position than in a horizontal position. Finally, the practical use of the Humi-mur model has been presented. The results show that moisture buffering materials can improve perceived indoor air quality and prevent microbiological growth at the surface of the building envelope. It was also pointed out that neglecting the effect of sorption hysteresis on moisture flux can lead to errors in calculations

Afin de concevoir des systèmes énergétiques (chauffage, rafraîchissement, ventilation) et de prédire leurs performances en terme de confort thermique et de qualité de l'air, l’estimation des détails des écoulements et des transferts de chaleur au sein des locaux représente un enjeu important. Les modèles zonaux, qui reposent sur un découpage d’une pièce en un petit nombre de sous-volumes permettent d'appréhender l'hétérogénéité des caractéristiques thermo-aérauliques d'un espace avec des temps de calcul modérés. Ils correspondent à un bon compromis entre simplicité des modèles et volumes d'informations utilisables pour contribuer à la qualification des ambiances. Si de nombreux progrès ont été réalisés pour l'automatisation de la construction des modèles zonaux à partir d'un maillage du volume et du choix des modèles à utiliser, ces deux tâches restent encore à la charge de l'utilisateur alors qu'elles requièrent une bonne connaissance de la modélisation et de l’expérimentation dans le bâtiment. Il reste un travail important à faire pour minimiser l’intervention du modélisateur. Notre recherche consiste à proposer un générateur automatique de modèles zonaux permettant essentiellement d’affranchir l’utilisateur du choix des modèles des écoulements spécifiques présents dans un local et du partitionnement de ce dernier. L’outil de simulation dynamique baptisé « O-Zone », est basé sur une nouvelle approche des modèles zonaux. Cette approche repose sur un partitionnement de la pièce adapté aux écoulements particuliers en présence. La méthode choisie pour le partitionnement est celle des arbres octaux ou Octree. C'est une représentation hiérarchique de l'espace qui repose sur la subdivision successive et récursive d'un cube en huit cubes plus petits
In order to design HVAC systems and to predict their performances in term of thermal comfort and indoor air quality, the estimation of airflows details and heat transfers within the buildings zones represents an important stake. Zonal models are based on dividing the considered room into a small number of sub-zones. They can appreciate the heterogeneity of the thermal and aerodynamic characteristics of an air space with moderate computing times. These models represent a good compromise between simplicity of models and quantity of data useful in order to contribute to the qualification of environments. If much progress is made to automate the zonal models construction from an air space partitioning and a choice of the models to be used, these two tasks are still spring of the user whereas they require an important modelling expertise and experimentation in the building. There remains an important work to make in order to minimize the user’s intervention. In this research, we propose an automatic generator of zonal models that make it possible to free the user from the choice of the specific flows models present in a room and her partitioning. The dynamic simulation tool called “O-Zone” is based on an advanced formulation of zonal models. It uses on a new way of sub-dividing the room which allows us to obtain a partitioning based on airflow patterns. The selected method for partitioning is the Octree method. It is a hierarchical representation of the space which is based on the successive and recursive subdivision of a cube in eight smaller cubes

Le point de départ de ce travail est la connaissance et l'analyse des différentes stratégies de résolution des ensembles d'équations du problème thermo-aéraulique dans le bâtiment. La question que nous nous sommes poses était: quel est la bonne stratégie à employer pour un problème donne ? Pour essayer de répondre a cette question, nous avons mis en œuvre le code cobra. Plusieurs cas de simulation ont été élaborés afin d'observer les réponses des différentes stratégies. L'analyse de ces simulations nous a permis de proposer une expertise d'utilisation, ou les principaux aspects sont: la mise en œuvre informatique, la taille des systèmes à résoudre, la manipulation des paramètres numériques, la compatibilité avec d'autres codes de simulation existants et la qualité des résultats
The starting point of this work is the knowledge and the analysis of the different strategies of resolving the Air Flow-Thermal sets of equations applied to building physics. The question we were faced to was: which is the best strategy of resolution to a specific problem? In order to tr to answer this question we developped COBRA. Many case studies were created to observe the answers of the strategies face to different situations. The analysis of the simulations allowed us to propose an expert use of the strategies, where the main points were the computational efforts needed to build up the routines, the dimensions of the resulting equation sets , the manegent of some numerical parameters, the compatibility with other simulation softwares and the quality of the results

De nombreux procédés industriels utilisent ou génèrent des sources chaudes : fours, traitement de surface, soudage…Les dégagements de chaleur s’accompagnent généralement d’une dispersion de polluants dans l’atelier. Ainsi, la caractérisation des panaches de convection naturelle des sources thermiques est nécessaire au dimensionnement des installations de ventilation (hotte ou ventilation générale par déplacement d’air) pour l’assainissement des ambiances de travail. L’I.N.R.S a mis au point une méthode expérimentale pour caractériser en vraie grandeur le panache de sources thermiques de géométrie simple. Un banc d’essais a été réalisé et instrumenté à cet effet. Il est constitué d’une cellule aéraulique dont les dimensions sont 4,2 m x 4,8 m x 5,6 m équipé d’une centrale de traitement d’air et d’un système de ventilation permettant un déplacement vertical des flux d’air. La cellule est équipée d’un robot de déplacement tridimensionnel permettant le positionnement de sondes de température et de vitesses en tout point du volume. Les expérimentations menées étudient l’influence de la géométrie de la source sur les lois de développement de panache à partir de mesures de champs de température et de vitesse. Pour une même puissance thermique convectée, la géométrie des sources sera variée pour identifier son affluence sur le développement du panache. Une source cylindrique composée de cinq éléments d’aires identiques (4 cylindres identiques superposés et un disque supérieur) régulés indépendamment en température permettra de mener des études paramétriques sur des sources tridimensionnelles. De manière similaire une source rectangulaire modulable sera utilisée
Many industrial processes use or generate hot sources: furnaces, surface treatment, welding... the releases of heat are generally accompanied by a dispersion of pollutants in the workshop. Thus, the characterization of the plumes of natural convection of the thermal sources is necessary to the dimensioning of the installations of ventilation (exhaust system localised or general ventilation by air volume displacement) for the cleansing of environments of work. I.N.R.S developed an experimental method to characterize in real-scale the plume of thermal sources of simple geometry. A test bench was realised and instrumented for this purpose. It consists of an aeraulic cell whose dimensions are 4,2 m x 4,8 m x 5,6 m equipped with a power station of treatment of air and with a system of ventilation allowing a vertical displacement of flows of air. The cell is equipped with a robot of three-dimensional displacement allowing the positioning of speed and temperature sensors in any point of volume. The carried out experiments study the influence of the geometry of the source on the laws of development of plume starting from measurements of fields of temperature and speed. For the same convective thermal power, the geometry of the sources will be varied to identify its multitude on the development of the plume. A cylindrical source made up of five elements of identical surfaces (4 superimposed identical cylinders and a higher disc) controlled independently in temperature will make it possible to undertake parametric studies on three-dimensional sources. In a similar way a flexible rectangular source will be used

Les modèles thermiques multizones de bâtiments, pour l'utilisation en simulation sur de longues périodes, nécessitent un modèle adapté de calcul des conductances thermiques dues aux mouvements d'air. Ce modèle adapté est l'objet de cette thèse ; le problème principal concerne la modélisation des transferts thermiques à travers une grande ouverture. Ce problème est traité par le développement et la validation d'un modèle simplifié de type Nu=f(Gr,Pr), ce modèle prend implicitement en compte les stratifications en température dans les pièces. Un modèle de couplage permet de calculer les conductances globales dues à la fois à la convection naturelle entre pièces et aux mouvements convectifs résultant des infiltrations et du système de renouvellement d'air. Les modèles multizones de bâtiment utilisant le nouveau modèle simplifié permettent des simulations 30 fois plus rapides en temps calcul que les modèles multizones de bâtiment basés sur un calcul simultané des champs de pressions et de températures

Cette étude a pour objet de montrer qu'il est possible de générer automatiquement des modèles zonaux pour l'étude du comportement thermique et aéraulique des bâtiments. Les modèles zonaux sont basés sur le partitionnement des pièces en un petit nombre de sous-volumes. Cette approche est intermédiaire entre celle des modèles à un noeud (qui considèrent que la température est homogène dans chaque pièce, et pour cette raison ne permettent pas de prédire le confort thermique dans une pièce) et celle des codes CFD (qui sont très coûteux en temps de calcul). Pour atteindre notre objectif, nous avons reformulé le modèle zonal. Ceci a consisté à regrouper les équations de description du comportement du bâtiment dans des sous-systèmes d'équations. Ce regroupement est calqué sur le découpage spatial des pièces. Ainsi, les équations de bilan et d'état appliquées à un sous-volumes forment les modules de la famille des « cellules » et celles de transfert entre deux sous-volumes forment les modules de la famille des « interfaces ». Ces familles sont constituées de plusieurs modèles correspondant aux différents types d'écoulement qui se développent dans les bâtiments. Ceux-ci ont été traduits en objets SPARK, lesquels forment la bibliothèque de modèles. Construire une simulation consiste à choisir les modèles appropriés pour décrire les pièces et à les connecter. Cette dernière étape a été automatisée, si bien qu'il ne reste plus à l'utilisateur qu'à donner le partitionnement et à choisir les modèles qu'il désire implémenter. Le système d'équations résultant est résolu par le solveur de SPARK. Des résultats de simulations pour différentes configurations d'écoulement dans des pièces sont présentés et comparés à des données expérimentales. Nous donnons également des exemples d'application de la méthode zonale à l'étude d'un groupe de deux pièces, d'un bâtiment et d'une pièce de géométrie complexe.

La qualité de l’air à l’intérieur des bâtiments basse consommation devient une problématique préoccupante dans le contexte actuel de règlementations thermiques de plus en plus exigeantes. Une des solutions envisagées pour concilier qualité de l’air intérieur et performance énergétique dans les bâtiments est l’intégration de systèmes d’épuration dans les réseaux de ventilation. Peu de retour d’expériences in situ permettent d’évaluer l’intérêt de ces systèmes pour répondre à la problématique. La solution envisagée dans ces travaux est l’évaluation par la simulation numérique. Ce choix a nécessité le développement d’un outil numérique capable de représenter de façon couplée les phénomènes thermiques, aérauliques et ceux liés à la qualité de l’air intérieur par une représentation multipolluant, à l’échelle d’un bâtiment ou d’une partie d’un bâtiment. Cet outil a été développé dans l’environnement Dymola sous le langage Modelica. Des expérimentations ont été menées dans ces travaux dans le but de compléter l’outil numérique par des lois empiriques caractérisant, d’une part les phénomènes de sorption des polluants gazeux par les matériaux de revêtement intérieur, d’autre part le comportement, à la fois énergétique et sanitaire, de six solutions d’épuration. Pour illustrer la capacité d’étude acquise grâce aux développements numériques et expérimentaux qui ont été réalisés dans le cadre des travaux de thèse, une zone de bureaux d’un bâtiment tertiaire a été simulée pour deux zones climatiques et pour deux types de pollution extérieure sur une année type complète. Les trois solutions d’épuration ayant montrées des performances tangibles lors de la phase expérimentale ont été simulées sous plusieurs conditions de fonctionnement puis comparées à deux cas de surventilation des locaux (sans épuration de l’air). Un indice global combinant performance sanitaire et énergétique a été ainsi défini dans le but de hiérarchiser les différentes stratégies simulées. Les résultats obtenus permettent de valider la méthodologie employée, notamment en montrant à la fois l’intérêt de contextualiser les solutions envisagées pour les évaluer, et l’importance de travailler, lors des expérimentations, à des conditions représentatives de la réalité des environnements intérieurs. Plusieurs voies d’amélioration de l’outil numérique développé sont également proposées en conclusion, ainsi que différents points de discussion qui méritent l’attention de travaux futurs dans le domaine
Indoor air quality in low-energy buildings has become these recent years an important topic with the rigorous performance expectations in terms of envelope airtightness and energy consumption set by the RT2012 thermal building code. One possible solution to conciliate indoor air quality and energy performance is to integrate air-cleaning systems in the building ventilation system. Because of the lack of scientific results regarding the suitability of those systems to solve this problematic, an investigation using numerical simulation has been conducted in the present work. This choice led to the development of a numerical tool that resolves in a coupled way, the heat and mass transfers, considering a multi-pollutant representation at the scale of the building/rooms. This tool was developed in the Dymola environment, using the Modelica programming language. Several experiments were also performed in the present work to acquire complementary data about the sorption of gaseous pollutants by indoor covering materials and about the cleaning effectiveness and energy consumption of six air-cleaning systems. To illustrate the capabilities of the numerical tool, simulations have been performed for an office building zone. The building has been located in two climatic zones and submitted to two levels of outdoor pollution, for a whole year. Three of the tested solutions that have shown the best air-cleaning performances in the experimental phase have been simulated under various operating conditions. Two cases of higher amount of fresh air, i.e. without any air-cleaning system, have been also included to the study. One index has then been defined to compare the performance of the different solutions considering both the exposure reduction to eight pollutants and the induced energy consumption. The results obtained in the present study confirm the adequacy of the proposed methodology. In particular, the importance of evaluating the solutions in their real context and not simply relying on their intrinsic performances to judge their performances when applied to indoor environments has been demonstrated. Another important issue is the need to conduct experimental characterizations of sorption processes and air-cleaning system under environmental conditions representative of real indoor spaces, i.e. low pollutant concentration and adequate air temperature, humidity and velocity. Future developments needed to improve the capabilities of the numerical tool are presented in conclusion as well as some important issues that would need a careful attention for further works in the domain

L'utilisation massive des énergies fossiles est en grande partie responsable des émissions de gaz à effet de serre. De plus, la croissance de la demande énergétique et la raréfaction des ressources fossiles conduisent à l'accroissement du coût de l'énergie. La réponse à cette problématique passe par deux moyens d'action indissociables : la réduction des consommations énergétiques et le recours aux énergies renouvelables. La fenêtre pariétodynamique permet d’agir sur les deux postes principaux de déperdition thermique d’un bâtiment que sont les baies et la ventilation. Le principe de la fenêtre pariétodynamique étudiée est de faire circuler de l’air en convection forcée entre trois verres avant d’être restitué à l’ambiance intérieure du bâtiment. Cela permet à l’air de récupérer à la fois une partie des déperditions thermiques à travers la fenêtre et une partie de l’énergie solaire absorbée par les verres. Afin d’étudier le comportement thermo-aéraulique et les performances de la fenêtre, nous avons développé un modèle numérique de cette dernière. Un dispositif expérimental a été mis en place et utilisé afin de valider le modèle numérique et de comparer en conditions réelles les performances de la fenêtre étudiée à celles d’une fenêtre à double vitrage classique. Ces résultats expérimentaux ont été complétés par une étude paramétrique numérique réalisée pour différentes conditions climatiques et de fonctionnement. Les principaux enseignements issus de ces études expérimentales et numériques sont que le préchauffage de l’air se fait essentiellement dans la lame d’air intérieure, la température de la première lame d’air restant proche de celle de l’air extérieur. De plus, et contrairement aux températures de la face intérieure et de l’air soufflé, celle de la face externe de la fenêtre est peu impactée par les paramètres étudiés. Concernant le cadre de la fenêtre, nous avons observé que celui-ci bénéficie aussi des échanges thermiques avec l’air circulant, mais dans une moindre mesure. Cela contribue à rendre la fenêtre peu déperditive. Enfin, en couplant le modèle développé à un logiciel de simulation thermique dynamique, nous avons évalué le potentiel d’intégration de fenêtres pariétodynamiques dans une maison individuelle. Nous mettons ainsi en évidence que le besoin de chauffage est réduit d'environ 20 à 30 % par l’utilisation de fenêtres pariétodynamiques à la place de fenêtres à double vitrage classique. En été, si l’ambiance intérieure du bâtiment est plus fraîche que l’environnement extérieur, la fenêtre pré-rafraîchit l’air neuf entrant
The massive use of fossil energies is largely responsible for greenhouse gas emissions. Moreover, the growth in energy demand and the depletion of fossil resources lead to an increase in energy costs. The response to this challenge requires two means of action which are linked : the reduction of energy consumption and the use of renewable energy. The airflow window acts on the two main ways of building heat losses that are windows and the ventilation. The principle of the studied airflow window is based on the circulation of fresh air, by forced convection, between the three glasses of the window before entering the building. This allows air to recover both a part of heat losses through the window and part of the solar energy absorbed by the glasses. To study the thermo-aeraulic behavior and thermal performances of the window, we have developed a numerical model of the studied airflow window. An experimental set up was used to validate the numerical model and compare, in real conditions, the studied window performances to the ones of a conventional double-glazed window. These experimental results were complemented by a numerical parametric study for different climatic and operating conditions.The main information from these experimental and numerical studies are that the preheating of the air takes place essentially in the inner air gap, temperature in the first air layer remaining close to the outdoor one. In addition, unlike the temperatures of the inside face and of the blown air, the outer face temperature of the window is not greatly affected by the studied parameters. On the window frame, we found that it also benefits of heat exchanges with the circulating air, but to a lesser extent. This makes the window energy efficient. Finally, by coupling the developed model to a thermal building simulation software, we evaluated the airflow windows integration potential in a house. We thus demonstrated that the heat load is reduced by about 20 to 30% by the use of airflow windows instead of conventional double-glazed windows. Moreover, in summer, when indoor is cooler than outdoor, we pointed out that the airflow window cools the incoming fresh air

Dans cette thèse, nous avons caractérisé chimiquement (métaux, EC, OC) les particules atmosphériques (PM10, PM2,5, PM1), étudié leurs sources et leur devenir puis modélisé leur comportement dynamique dans l’air intérieur de classes d’écoles du Nord Pas de Calais. Les teneurs en PM10 dépassent largement et presque systématiquement (moyenne de huit écoles : 97±28µg/m3) la valeur de gestion journalière (50µg/m3) pour l’air intérieur (recommandations OMS et ANSES). Les seuls éléments métalliques (Al, Ba, Ca, Fe) nettement associés à une source intérieure sont liés à l’utilisation de craie. Bien que l’on retrouve une quantité importante de particules d’origine extérieure dans les classes (trafic automobile, sources industrielles ou naturelles, …), les activités physiques des élèves sont à l’origine de la majeure partie des teneurs en PM10 en suspension dans l’air intérieur. Ce phénomène de remise en suspension n’influence pas significativement la répartition des métaux, majeurs et traces dans les PM10. La modélisation de l’évolution des teneurs en PM10 intérieures est clairement influencée par la présence d’activité dans les classes, nécessitant de prendre en compte les phénomènes de remises en suspension. De même, le comportement des particules est lié à la distribution granulométrique ainsi qu’aux caractéristiques intrinsèques du bâtiment qui contrôlent les échanges d’air avec l’extérieur. Le modèle déterministe développé dans ce travail permet une prédiction simple de l’évolution des concentrations en particules en fonction de leur distribution granulométrique dans les classes d’écoles
During this thesis, we chemically characterized (metals, EC, OC) then studied the sources and the fate of airborne particles (PM10, PM2,5, PM1) in indoor air. Another part of this work concerns the modelization of their behavior in class-rooms of primary schools in the Nord Pas de Calais region. These PM10 values largely and almost systematically exceed (average value for eight schools: 97 ± 28μg/m3) the daily limit values (50μg/m3) for indoor air (WHO and ANSES recommendations). The only elements Al, Ba, Ca and Fe clearly associated to an indoor source are linked to the use of chalk. Although there is a significant amount of particles of outdoor origins found in class-rooms (such as traffic, industrial or natural sources), pupils’ physical activities represent the major source of airborne PM10 in indoor air. The resuspension phenomenon doesn’t influence significantly the elemental (major and traces elements) distribution of the indoor PM10.The modelization of the evolution of indoor PM10 is clearly influenced by the activities of the pupils in class-rooms, requiring taking into account the resuspension phenomena. In addition, the behavior of particles is associated to their size distribution as well as the intrinsic characteristics of the building envelope which control the indoor-outdoor air exchange.The deterministic model developed in this work will allow easily simulating the evolution of particle concentrations according to their size distribution in class-rooms

La premiere partie du memoire est consacree a une etude experimentale erigee sur la quantification d'un certain nombre d'indicateurs destines a mesurer l'efficacite des operations de rehabilitations entreprises ces dernieres annees sur l'habitat existant. Une analyse detaillee de ces resultats fournit les elements de base a la recherche d'une doctrine de gestion possible sur l'horizon 1989/1995 pour l'o. P. H. L. M. Du gard. La deuxieme partie ouverte sur une etude du type bibliographique plus generale apporte un complement de doctrine extrait d'une exploration sectorielle relative a des questions connexes de la rehabilitation: performance des materiaux, pathologie, recommandations, couts, marche et financement. Les developpements des parties 1 et 2 fait apparaitre l'interet de l'approche tridimensionnelle et la vocation de cele-ci a figurer le noyau dur d'une doctrine de gestion envisageable sur l'horizon 1989/1995

Les bâtiments commerciaux et industriels présentent une part non négligeable de la demande énergétique. L’objectif de ce travail de thèse est d’étudier par des simulations numériques, le comportement thermoaéraulique des bâtiments de grand volume à usage commercial ou industriel et d’améliorer leurs performances afin de réduire leurs consommations énergétiques tout en assurant le confort thermique des occupants. La première partie de l’étude consiste à définir et à évaluer les paramètres d’enveloppe et de ventilation qui affectent la consommation d’énergie et le confort thermique de ce type de bâtiment. À travers des modèles développés (multizone et zonal) sur un bâtiment « générique », nous présentons l’impact des paramètres les plus importants (orientation du bâtiment, isolation thermique de l’enveloppe, propriétés radiatives de la toiture, sol, inertie thermique interne, diffusion de l’air…) sur la consommation énergétique et le confort. Ces paramètres sont déterminants surtout dans la conception de la toiture et du plancher de par leur influence sur les performances énergétiques du bâtiment étudié. Cette modélisation thermoaéraulique est ensuite appliquée à un bureau-entrepôt commercial existant. L’exploitation du modèle, dont les résultats sont confrontés aux mesures, et des études paramétriques permettent de démontrer l’efficacité de stratégies de ventilation naturelle nocturne. Dans la deuxième partie, nous évaluons certaines solutions de rafraîchissement passif (isolation thermique, ventilation naturelle nocturne, revêtement de toiture « cool roof ») permettant de maintenir le confort thermique en hiver aussi bien qu’en été tout en minimisant la consommation énergétique. Enfin, une étude d’optimisation nous permet de déterminer les paramètres optimums en fonction des conditions climatiques et des deux objectifs de confort et de performance énergétique. Ce travail ouvre de nombreuses perspectives sur la méthodologie de conception des enveloppes et l’adaptation du fonctionnement des installations de ventilation pour le rafraîchissement passif des bâtiments
Commercial and industrial buildings represent a significant part of total energy demand. The objective of this thesis is to study the thermal behavior and airflows of commercial or industrial buildings (low-rise and large volume) by numerical simulations, to improve their thermal performance in order to reduce their energy consumption while maintaining thermal comfort of the occupants. The first part of this study consists in identifying and evaluating the keys factors that affect the energy demand and thermal comfort of these buildings. Using the developed models (multizone and zonal), we present the impact of the most important parameters (building orientation, thermal insulation, radiative properties of the roof, soil, internal thermal inertia, air diffusion…) on energy consumption and thermal comfort. We have identified here that the main influencing parameters can be found in the design of the roof and the ground floor considering the energy performance of the studied building. The developed model is then applied to a real commercial building. Results showed that the predictions are in good agreement with the measurements and that night-time natural ventilation can be an efficient passive cooling technique to avoid overheating in summer. In the second part, we evaluate the efficiency of different passive cooling techniques (thermal insulation, night-time natural ventilation, cool roof…) applied to ensure the thermal comfort in winter as well as in summer while minimizing the energy consumption. Finally, an optimization study is proposed to determine the optimal set of parameters for both objective functions considering the passive cooling techniques and the energy demand according to different climatic zones

Le travail mené dans cette thèse porte sur la consommation d’énergie, et plus particulièrement le chauffage dans le logement social. Il vise à (i) analyser l'influence des caractéristiques de bâtiments des indicateurs socio-économiques des occupants sur la consommation de chauffage et (ii) à développer des modèles numériques pour la prédiction de cette consommation. La recherche est basée sur des données fournies par le Lille Métropole Habitat, qui est en charge de la gestion d'un grand parc de logement social à Lille Métropole. La thèse comprend quatre parties. La première présente une analyse bibliographique, qui couvre le logement social en Europe, notamment en France, les facteurs qui affectent la consommation d'énergie dans le logement social et les politiques proposées pour les économies d'énergie dans ce secteur. La deuxième partie présente les données utilisées dans ce travail, qui ont été fournies par LMH. Ces données concernent un grand parc de logement social à Lille Métropole (Nord de la France). Elles comprennent les dépenses de chauffage, des caractéristiques des bâtiments et des indicateurs socio-économiques sur les occupants. La troisième partie présente une analyse de l'influence des caractéristiques des bâtiments (âge, DPE, superficie et nombre d'étages) et des paramètres socio-économiques des occupants (âge, situation matrimonial et revenues) sur la consommation de chauffage. La dernière partie présente l'élaboration des modèles de prévision des dépenses de chauffage dans le parc de LMH et l'utilisation de ces modèles pour la politique de rénovation. Deux méthodes sont utilisées: La Méthode des Moindres Carrés (OLS) et les Réseaux de Neurones Artificie
The research conducted in this doctoral thesis concerns a major socio-economic issue, that of the heating consumption in social housing. It aims at understanding the influence of both building characteristics as well as socio-economic indicators on the heating consumption in this sector and the development of numerical models for the prediction of this consumption. The research is based on data provided by Lille Métropole Habitat, who is in charge of the management of a large social housing stock in Lille Metropolis. The thesis includes four parts. The first part presents a literature review which covers the social housing in Europe, in particular in France, the factors affecting the energy consumption in social housing, and policies proposed for the energy saving in this sector. The second part presents the data used in this work that are provided by LMH. The data concern a large social housing stock in Lille Metropolis (North of France). They include heating expenses as well as the buildings characteristics and some socio-economic indicators on the tenants. The third part presents analysis of the influence of both building characteristics (age, DPE, dwellings’ area, number of floors) and socio-economic parameters (tenants’ age, marital status and income) on the heating consumption. The last part presents the elaboration of prediction models for the heating expenses in the LMH housing stock and the use of these models to analyze the investment policy in the renovation of this stock. Two methods are used: the classical Ordinary Least Squares method (OLS) and the Artificial Neural Networks

La conception des bâtiments à faible consommation d'énergie est devenue un enjeu très important à travers le monde afin de minimiser la consommation d'énergie et les émissions de gaz à effet de serre associés. Au Maroc, le secteur du bâtiment représente 25% de la consommation énergétique finale du pays avec 18% réservée au résidentiel et 7% pour le tertiaire (ADEREE 2011). L'intégration de systèmes passifs ou semi-passifs de rafraîchissement/chauffage dans le bâtiment est désormais indispensable pour la réduction de la consommation énergétique tout en améliorant le confort thermique. Un de ces systèmes est l’échangeur air-sol (EAHX). Le principe du rafraîchissement à l'aide de l’échangeur air-sol est bien établi, mais le comportement d'un tel système dépend des conditions climatiques et de la nature du sol. L’échangeur air-sol étudié est installé dans une maison type villa située dans la banlieue de Marrakech. Un monitoring de ce système a été réalisé durant l’été 2013 à travers un suivi des températures et de l'humidité durant 39 jours. Les résultats montrent que l’échangeur air-sol est un système adapté pour le rafraîchissement de l’air dans les bâtiments à Marrakech, puisqu’il procure une température de soufflage quasi-constante d’environ 22°C pour le débit 244 m3/h et 25°C pour le débit de 312m3/h, avec une humidité relative autour de 50 % alors que la température extérieure dépasse 40°C. Le modèle mathématique choisi et l’outil de simulation associé, Type 460 opérant sous le logiciel commercial TRNSYS, sont analysés et validés par confrontation avec les résultats expérimentaux. Cette confrontation a montré une excellente concordance, avec un écart absolu moyen entre la mesure et la simulation toujours inférieur à 0,5°C et décroit à 0,2°C à la sortie de tube enterré. La validation de l’outil de simulation avec un échangeur air-sol enterré dans un sol soumis à conditions météorologiques extérieures n’a pas été réalisée auparavant. D'autre part, les simulations dynamiques de l’échangeur air-sol sont réalisées en fonctionnement continu, avec 1 et 3 tubes durant la période chaude de l’année (mai-septembre). Les résultats montrent que le système procure une température à la sortie de tube enterré de 25,1°C (1 tube) et 26 °C (3 tubes). Il en résulte une capacité de refroidissement de 58w/m2 (1 tube) et 55w/m2 (3 tubes) pour une température à l’entrée de 44,6°C. Une étude de sensibilité, utilisant la méthode de Sobol, de la performance thermique de l'échangeur durant la saison chaude (mai-septembre) a permis de dégager les paramètres les plus influents. Par la suite, une étude paramétrique complète sur l’énergie sensible totale perdue par l’air lors dans son passage dans l’échangeur air-sol est réalisée en fonction des paramètres les plus influents déterminés auparavant
The low energy buildings tendency has become a major worldwide key to minimize energy consumption and greenhouse gas emissions issues. In Morocco, the building sector represents 25% of the total final energy consumption, whereas 18% is dedicated for residential and 7% for the tertiary sector (ADEREE 2011). The integration of passive or semi-passive for cooling/heating purposes into buildings is an essential act for reducing energy consumption while improving thermal comfort. One of these systems is the Earth to Air Heat Exchanger (EAHX). Its principle to use the ground-coupled heat exchanger for cooling is well established, but the behavior of such a system depends on the climate and the soil, which influences the choice of design parameters of this system. We performed a numerical and experimental study on the thermal performance of an Earth to air heat exchanger installed in a villa type house in the suburbs of Marrakech. A monitoring survey was conducted during the summer period of 2013, to acquire temperature and humidity measurements for 39 days. The results show that the earth to air heat exchanger is a system more adapted to refresh the air in buildings in Marrakech, as it provides a quasi constant air temperature of approximately 22°C for flow 244 m3/h and 25°C for flow of 312 m3/h, with relative humidity that is around 50% when the outside temperature exceeds 40°C. The mathematical model chosen and the associated simulation tool used is Type 460 operating under the TRNSYS commercial software, analyzed and validated by comparison with experimental results. This comparison showed excellent agreement, with an average absolute difference between the measurement and simulation that is always lower than 0.5°C and 0.2°C as it decreases at the output of the buried pipe. On the other hand, dynamic simulations of the EAHX using TRNSYS software (TYPE 460) were performed with one pipe or three pipes continuously running. The achieving specific cooling capacity is 58 W/m2 (one pipe) and 55 W/m2 (three pipes) obtained for air temperatures of 25 °C and 26 °C respectively, at the EAHX outlet and 44.6 °C at its inlet. A sensitivity analysis, using the method of Sobol, of the thermal performance of the earth air heat exchanger (EAHX) in the hot season (May-September) has identified the most influential parameters. Thereafter, a complete parametric study on the total sensible energy lost through the air when in passing through the air-ground heat exchanger is made based on the most influential parameters determined previously

Un niveau important d’isolation des parois de bâtiments peut diminuer le refroidissement du bâtiment en été, quand les conditions extérieures sont favorables. Dans cette thèse, le concept d’isolations commutable, est développé : pendant les périodes de refroidissement, l’isolation commutable peut être désactivée pour refroidir la masse du bâtiment pendant la nuit. Pendant les périodes de chauffage, ce concept peut être utilisé pour utiliser les gains solaires. Dans cette thèse, le potentiel des isolations commutables est étudié pour des bureaux dans un climat continental européen. En outre, deux nouveaux concepts d'isolations commutables sont introduits et développés et caractérisés expérimentalement. Un modèle nodal détaillé a été mis en place, validé et utilisé pour conduire une étude paramétrique. Le potentiel des isolations commutables a été étudié à l’aide de simulations énergétiques dynamiques du bâtiment qui ont montré que des réductions importantes des besoins de chauffage et de refroidissement ainsi que des heures d'inconfort en été peuvent être atteintes. Plusieurs stratégies de contrôle ont été mises au point, introduites et comparées. L'influence de la masse thermique a également été étudiée, ainsi que l'influence de l'orientation ou du cadre des éléments
Important thermal insulation levels can prevent the building to cool down during the cooling period, when the external conditions are favorable. In this thesis, the concept of switchable insulation is developed: during the cooling period, the insulation can be deactivated during the night to let the heat flow out. During the heating period, the switchable insulation can be deactivated whenever solar gains can be used. In this thesis the potential of switchable insulation for an European continental climate and for office buildings is investigated. Also, two new concepts of switchable insulation are introduced, developed and characterized experimentally. A detailed thermal model has been introduced, validated and used for a parametric analysis. The potential of switchable insulation is investigated on a building level, showing that important reductions of the heating and cooling load as well as summer discomfort hours can be achieved. Several control strategies have been developed, introduced and compared. The influence of thermal mass was also investigated, as well as the influence of the orientation or the elements’ frame

Ces travaux de thèse s’inscrivent dans le cadre du projet ANR HUMIBATex « Comment prédire les désordres causés par l’humidité ? Quelles solutions techniques pour rénover le bâti existant ? » (2012-2016). Elle traite de la modélisation numérique et expérimentale des transferts couplés hydro-thermo-aérauliques à différentes échelles : matériau, paroi et ambiance de bâtiment. Sur le plan théorique, un modèle phénoménologique des transferts couplés de chaleur, d’air et d’humidité à travers les enveloppes de bâtiments (HAM) a été élaboré. Après la phase de validation (confrontation avec des solutions analytiques et des résultats expérimentaux), ce modèle a été implémenté avec confiance dans un code de simulation thermique dynamique du bâtiment (BES). Ceci a permis, ainsi, de développer une plateforme de co-simulation HAM-BES. Grâce à l’outil mis en œuvre, les comportements hygrothermiques de la paroi et de l’ambiance habitable des bâtiments ont été prédits finement. Deux cas d’études ont été entrepris. Le premier avait pour but de mettre en évidence l’impact des transferts hygrothermiques sur la prédiction des consommations énergétiques. Le deuxième cas d’étude a été dédié à l’étude de l’efficacité de différentes stratégies de ventilation (extraction ou insufflation) sur le contrôle et la diminution des risques d’apparition de désordres liés à l’humidité au niveau des bâtiments résidentiels. Sur le plan expérimental, une campagne de caractérisation des propriétés physiques, hydriques et thermophysiques des matériaux de construction a été effectuée. Cette campagne expérimentale s’est focalisée sur l’analyse de l’impact de l’état thermique et hydrique du matériau sur les valeurs des propriétés hygrothermiques. Dans un autre travail expérimental, des dispositifs expérimentaux, à petite échelle mais également à l’échelle de la paroi, ont été conçus au laboratoire dans le but d’étudier la réponse hygrothermique des enveloppes de bâtiment ainsi que valider la plateforme de co-simulation dynamique HAM-BES. La confrontation des résultats a montré une bonne concordance entre la résolution numérique et les mesures expérimentales. Les résultats obtenus dans le cadre de ce travail de thèse ont mis en exergue l’influence d’une modélisation fine des transferts couplés de chaleur, d’air et d’humidité, à la fois sur la prédiction du comportement hygrothermique des ambiances habitables mais aussi sur le calcul des besoins énergétiques des bâtiments
The present PhD thesis work is conducted in the framework of the National Program ANR HUMIBATex Project « How to predict the disorders caused by moisture? What technical solutions to renovate the existing buildings? ». It deals with the numerical and experimental modeling of a coupled heat, air and moisture transfers at different scales: material, envelope and building ambience. In the theoretical part, based on expression of heat and moisture (vapor, liquid and air) balances equations, a phenomenological model describing the coupled heat, air and moisture transfer (HAM) through the wall has been developed. After validation stage (comparison with experimental results and analytical solution), the model has been implemented with confidence in a building energy simulation code (BES). Using this HAM-BES dynamic co-simulation tool, the hygrothermal behavior of the wall and indoor air of buildings were predicted finely. Two cases studies have been undertaken. The aim of the first one was to highlight the impact of hydrothermal transfers on the prediction of building energy consumption. However, the second case study was devoted to study efficiency of different ventilation strategies (extracting or insufflation) on the control and reduction of disorders caused by moisture in residential buildings. In the experimental part, a characterization campaign of physical, hydric and thermophysical properties of construction materials has been carried out. This experimental campaign has been focused on analyzing of the impact of thermal and hydric state of the construction material on the hygrothermal properties values. In another work, several experimental devices, at small-scale and wall scale, were designed in the laboratory to study the hygrothermal response of different building envelopes configuration and validate the developed HAM-BES dynamic co-simulation platform. Results of confrontation have showed good agreement between the numerical solution and experimental measurements.The obtained results in the framework of this PhD thesis have highlighted the influence of a detailed modeling of coupled heat air and moisture transfer through the wall on the hygrothermal behavior prediction of the indoor air, on assessment of pathology indicators and on the evaluation of the buildings energy loads