Dissertations / Theses on the topic 'Enveloppe passive du bâtiment'

Les économies d'énergie et la réduction des émissions des gaz à effet de serre dans le secteur du bâtiments ainsi que le maintien d’un confort hygrométrique prennent une importance majeur ces dernières décennies. L'utilisation de matériaux à changement de phase (MCP) ou de matériaux hygroscopiques d'origine végétale pour l'enveloppe des bâtiments est une solution prometteuse. Les MCP conduit à améliorer le confort thermique intérieur et à réduire la consommation d'énergie, tandis que les matériaux hygroscopiques biosourcés sont des matériaux respectueux de l'environnement et permettent la régulation de l'humidité intérieure et assure une isolation thermique optimale. Cependant, seules quelques études ont exploré l'application l’intégration de ces deux types de matériaux et analysé de manière exhaustive les performances énergétiques et hygrothermiques. Cette thèse propose une solution d'enveloppe passive qui intègre le PCM et le béton de chanvre biosourcé pour améliorer simultanément les performances énergétiques, et hygrothermiques du bâtiment. Les principaux objectifs de cette étude sont d'examiner la faisabilité des enveloppes intégrées, d'étudier de manière exhaustive les performances hygrothermiques et énergétiques ainsi que les avantages et les inconvénients de différentes configurations avec le PCM placé à différents endroits du béton de chanvre.Tout d'abord, des expériences ont été menées en comparant les performances hygrothermiques d'une enveloppe de référence (béton de chanvre uniquement) et de trois enveloppes intégrées avec du MCP placé à différents endroits dans deux conditions limites typiques. Les résultats ont montré la faisabilité des enveloppes intégrées. La présence de PCM a augmenté les inerties thermique et hygrique de l'enveloppe. Par conséquent, le déphasage a été augmenté et l'amplitude de la température et de l'humidité relative a été réduite. Les différentes configurations présentaient des avantages et des inconvénients différents. La configuration dans laquelle le MCP est placé au milieu du béton de chanvre est intéressante car elle présente une faible fluctuation et un dephasage interessant à la fois pour les variations de la température et de l'humidité relative, et conduit ainsi à de grandes économies d'énergie.Ensuite, le modèle physique i, de transfert de la chaleur et de l’humidité, à l’échelle de l'enveloppe a été développé. Ce modèle intègre la dépendance de la température et de la caractéristique hygroscopique du béton de chanvre. La précision du modèle a été validée par comparaison avec les données expérimentales. Sur la base du modèle validé, les simulations ont été effectuées dans un climat méditerranéen afin d'étudier de manière exhaustive les performances hygrothermiques et énergétiques de l'enveloppe intégrée. Les résultats ont mis en évidence le rôle indispensable du transfert d'humidité dans la détermination de la charge hugrothermique, ainsi que l'effet précieux de l'enveloppe sur l'amélioration des performances énergétiques et hygrothermiques. En outre, l'enveloppe intégrée avec le PCM proche de (mais pas en contact avec) l'intérieur a montré un grand potentiel pour économiser de l'énergie et s'adapter aux variations d'humidité du climat tout en garantissant l'équilibre de l'humidité dans le béton de chanvre. Enfin, l'analyse paramétrique a été réalisée du point de vue des propriétés du MCP (épaisseur, chaleur latente et plage de transition de phase), et le risque d'application (condensation et développement de moisissures) a été évalué. Les résultats de l'analyse paramétrique ont montré que les performances de l'enveloppe pouvaient être améliorées en augmentant l'épaisseur et la chaleur latente de MCP et en identifiant la plage de transition de phase appropriée du MCP. Les résultats de l'évaluation des risques ont confirmé que l'enveloppe ne présentait aucun risque de condensation et de développement de moisissures
With the development of society, the demand for energy saving and carbon emission reduction in buildings as well as the indoor thermal and humidity environment comfort is gradually increasing. Using Phase change materials (PCMs) or bio-based hygroscopic materials as building envelopes are promising solutions. PCMs can improve indoor thermal comfort and reduce energy consumption, while bio-based hygroscopic materials are environment-friendly materials that enable indoor humidity regulation and thermal insulation. However, only a few studies have explored the integrated application of the two types of materials and comprehensively analyzed the energy and hygrothermal performance. This dissertation proposed a passive envelope solution that integrates PCM and bio-based hemp concrete (HC) to simultaneously improve the energy, thermal, and hygric performances of buildings. The main objectives of this study are to investigate the feasibility of the integrated envelopes, to comprehensively study the hygrothermal and energy performance as well as the advantages and disadvantages of different configurations with PCM placed in different locations of the HC, and to conduct the parametric analysis and evaluate the application risks of the integrated envelope.First, experiments were conducted by comparing the hygrothermal performance of a reference envelope (HC only) and three integrated envelopes with PCM placed in different locations under two typical boundary conditions. The results demonstrated the feasibility of the integrated envelopes. The presence of PCM increased the thermal and hygric inertia of the envelope. As a result, the time delay was increased and the temperature/relative humidity amplitude was decreased. Different configurations had different advantages and disadvantages. The configurations with PCM placed in the middle of the HC was worth noting as it had small temperature/relative humidity fluctuation, long temperature time delay, and large energy savings.Then, the mathematical model of the integrated envelope that couples heat and moisture transfer and considers the temperature dependence of HC’s hygroscopic characteristic was developed. The accuracy of the model was validated by comparison with the experimental data. Based on the validated model, the simulations were performed in a Mediterranean climate to comprehensively investigate the hygrothermal and energy performance of the integrated envelope. The results highlighted the indispensable role moisture transfer plays in determining the indoor hygric environment and heat load, as well as the valuable effect of the integrated envelope on improving both energy and hygrothermal performance. Besides, the integrated envelope with PCM close to (but not in contact with) the interior showed great potential for saving energy and adapting to climate humidity variation while guaranteeing moisture equilibrium within the HC.Finally, the parametric analysis was performed from the perspective of PCM properties (thickness, latent heat, and phase transition range), and the application (condensation and mold growth) risk was evaluated. The results of the parametric analysis illustrated that the performance of the integrated envelope could be improved by increasing the thickness and latent heat and identifying the appropriate phase transition range of the PCM. The risk evaluation results confirmed that the integrated envelope was free from the risk of condensation and mold growth

Ce travail de thèse traite principalement de la modélisation du comportement thermique, en régime dynamique, des radiateurs à eau. Il s'appuie sur un important volet expérimental ; les expériences ont été réalisées sur une cellule test en ambiance naturelle, représentative d'un logement courant (la cellule DESYS). L’analyse des résultats expérimentaux a conduit à développer des modèles réduits d'ordre 1 dont la variable est soit la température du fluide à la sortie de l'émetteur, soit la température moyenne du fluide dans l'émetteur. Ces deux types de modèles sont comparés. Il est démontré qu'il n'est pas possible de définir un lien simple entre le paramètre de type capacitif de ces modèles nodaux dynamiques et les caractéristiques physiques aisément mesurables des émetteurs testés. Par voie de conséquence, une méthode d'essais visant à la caractérisation en régime dynamique d'un radiateur à eau est proposée. Un modèle analytique est développé et sa pertinence est évaluée, relativement à celle des modèles nodaux. Il n'apparait pas que ce type de modèle présente des avantages décisifs par rapport aux modèles nodaux. Il est même, à certains égards, plus difficile à mettre en œuvre. Des modèles fins, dits de connaissance, sont développés, notamment dans le but d'évaluer l'influence des débits (et plus précisément de la répartition des débits) sur l'émission du radiateur. Il est démontré qu'en l'état technologique actuel, et pour des débits nominaux couramment utilisés, il n'y a pas une bonne répartition des débits au sein du radiateur. Une analyse de sensibilité conduit à conclure que des modifications technologiques mineures permettraient d'atteindre une certaine homogénéité des débits (et donc des températures de surface). Ce travail de thèse s'inscrit dans l'ensemble des travaux de recherche menés dans le cadre du groupement de recherche sur les émetteurs de chaleur (GREC). À ce titre, une méthodologie d'évaluation de modèles a été développée et partiellement testée. Enfin, les perspectives de développement, suivant cet axe de recherche, sont définies

Dans un contexte de réchauffement climatique et de fin programmée des énergies fossiles, le secteur du bâtiment vise à réduire de 38% sa consommation d’énergie et à atteindre 10% de matériaux bio-sourcés utilisés dans la construction à l’horizon 2020. Ainsi, le béton de chanvre peut jouer un rôle majeur grâce à son bilan environnemental et à ses propriétés hygrothermiques qui lui permettent d’assurer un rôle d’amortisseur thermique et de stabilisateur de confort. Or le comportement hygrothermique du béton de chanvre à l’échelle du bâtiment est peu abordé dans la littérature et jamais pour les bâtiments tertiaires. L’objectif principal de ce projet est de combler ce vide en étudiant et en optimisant les performances énergétiques d’un bâtiment en béton de chanvre destiné à usage de bureaux et/ou de salles d’enseignement. Afin d’assurer le confort thermique intérieur différentes solutions techniques seront couplées au bâtiment et comparées entre elles : - une ventilation double flux thermodynamique associant une pompe à chaleur à une centrale double flux. - Une ventilation simple flux associé à un puits canadien qui récupère la chaleur du sous-sol pour préchauffer l’air de ventilation en hiver ou le rafraîchir en été. - Une ventilation double flux associé à un puits canadien. Par le biais de la simulation numérique et de mesures faites d’abord à l’échelle des composants, il sera ainsi possible d’évaluer le potentiel de chaque composant sur l’énergétique et le confort hygrothermique de bâtiments tertiaires intégrant principalement le périmètre du projet Grand Campus de Reims mais également pouvant être élargi à la spécificité d’autres climats français
In a context of global warming and planned end of fossil fuels, the construction industry aims to reduce by 38% its energy consumption and to achieve 10% of bio-based materials used in construction in 2020. Thus, the hemp concrete can play a major role thanks to its positive environmental impact and its hygrothermal properties that allow it to ensure a role of heat damper and comfort stabilizer. Or hygrothermal behavior of hemp concrete throughout the building is little discussed in the literature and never for commercial buildings. The main objective of this project is to fill this gap by studying and optimizing the energy performance of a hemp concrete building designed for offices and / or classrooms. To ensure inside thermal comfort, different technical solutions will be coupled to the building and compared with each other: - A double flow thermodynamical ventilation combining a heat pump with a double flow central. - A simple flow ventilation associated to a pipe system which recovers heat from the basement to preheat ventilation air in winter and cool in the summer. - A double flow ventilation associated to a Canadian well. Through computer simulation and measurements made initially at the level of components, it will be possible to evaluate the potential of each component on the energy and hygrothermal comfort of commercial buildings mainly integrating the project boundary Grand Campus Reims but also can be extended to other French specificity climates

Le secteur du bâtiment recèle un fort potentiel d’amélioration de l'efficacité énergétique et de réduction de l’empreinte écologique. Dans cette optique, l’enveloppe du bâtiment joue un rôle important pour relever le défi de la transition énergétique. En effet, une bonne conception de l’enveloppe contribue efficacement à réduire la consommation d’énergie tout en réduisant les émissions de CO2 associés. Cela s’accompagne notamment d’une démarche de développement de nouveaux matériaux et principes constructifs. Ce projet de thèse s’inscrit dans ce cadre en proposant un nouveau matériau composite, qui porte sur l’association de deux matériaux innovant : composite textile mortier (TRC) et matériaux à changement de phase (MCPs). L’objectif de cette combinaison est de contribuer au développement d’éléments de façades multifonctionnelles permettant d’allier performances énergétiques, mécaniques et environnementales. Le but de notre étude est de caractériser en premier lieu, les propriétés mécaniques et thermiques de ces composites puis, d’évaluer l’impact des MCPs sur le confort thermique intérieur pour différentes configurations. Pour atteindre ces objectifs, nous avons adopté une démarche expérimentale et numérique multi échelle. Une campagne expérimentale à l’échelle du laboratoire et in-situ a été menée. En parallèle, nous avons développé un modèle numérique de paroi multicouche, couplé à un modèle de bâtiment. Enfin, nous avons exploité ce couplage pour réaliser une optimisation multicritère à base d’algorithmes génétiques
The building sector has a great potential to improve energy efficiency and reduce the greenhouse gas emissions. Improvements to the building envelope and Innovations in building materials have the potential to achieve sustainability within the built environment. This PhD thesis focuses on the development of multifunctional façade elements in order to optimize the building energy consumption while maintaining an optimal indoor human thermal comfort. The proposed solution consist of using passive storage by means of phase change materials associated with alternative construction materials such as textile reinforced concrete (TRC). The aim of the study is to characterize mechanical and thermal properties of TRC composites and to evaluate the effect of PCMs on indoor thermal comfort. To meet these objectives, experimental devices have been set up for the characterization (at the component scale and in situ) of the mechanical and thermal behaviour of different TRC panels. In parallel, we have developed a numerical model for the prediction of wall temperature profiles. Finally, a multi-objective optimization of the façade elements is carried out using genetic algorithms to determine the better combinations able to combine the energy performance with the mechanical performance

Dans un contexte de durcissement des règlementations thermiques, la maîtrise de l'étanchéité à l'air des bâtiments est essentielle pour atteindre les objectifs de consommation énergétique. Les fuites d'air parasites à travers l'enveloppe, dues aux défauts de conception ou à une mauvaise mise en oeuvre, mènent à une surconsommation énergétique, mais aussi à des pathologies liées à l'humidité, mettant en péril la durabilité du bâti et la santé des occupants. Le risque lié à l'humidité est particulièrement présent dans les cas des enveloppes légères à ossature bois, sensibles aux transferts d'air.Il est donc nécessaire de mieux comprendre et de quantifier l'impact de ces transferts d'air sur le champ hygrothermique et sur le flux de chaleur au niveau d'un défaut d'étanchéité. Dans ce but, deux modèles numériques traitant les transferts couplés 'air-chaleur' et couplés 'air-chaleur-humidité' sont développés. Le second modèle est d'abord validé en 1D à l'aide de benchmarks numériques. Ensuite, des mesures de température dans un isolant en ouate de cellulose traversé par un flux d'air humide sont comparées avec les sorties des modèles. Une bonne concordance mesures-modèles est obtenue. Le modèle 'air-chaleur-humidité' s'avère plus précis pour prédire le champ de température que le modèle 'air-chaleur'.Suite à cette validation 2D du modèle couplé 'air-chaleur-humidité', celui-ci est appliqué à une géométrie de défaut complexe, mettant en jeu des isolants poreux perméables à l'air en contact avec des fines lames d'air. Ce défaut se veut réaliste, puisqu'il est issu de campagnes de mesures nationales qui ont permis d'identifier les points sensibles des enveloppes à ossature bois vis à vis des fuites d'air parasites. Des simulations sont réalisées avec des conditions aux limites variables en température et humidité sur des temps longs (quatre ans), en exfiltration et en infiltration d'air. Ces études permettent de dégager certaines tendances vis-à-vis des risques liés à l'humidité. Ainsi, l'exfiltration provoque une humidification significative de l'assemblage tandis que l'infiltration mène à un séchage. Une méthodologie pour évaluer les flux thermiques à l'échelle du défaut est également proposée.Dans une dernière partie, une approche simplifiée est proposée pour prendre en compte l'impact des défauts d'étanchéité à l'air sur la déperdition thermique à l'échelle bâtiment. La perte thermique supplémentaire générée par un défaut d'étanchéité peut être caractérisée par un coefficient de perte thermique propre au défaut, et le couplage du flux d'air avec l'enveloppe a une influence significative sur l'évaluation du flux déperditif total. Enfin, l'influence des transferts d'humidité sur les tendances observées est discutée
Within the context of more stringent buildings codes, mastering airtightness is of importance to achieve energy efficient buildings. Unintended air leakage through the building envelope, which is due to bad design and poor workmanship, not only increases energy consumption, but also leads to moisture disorders, affecting building durability and occupants health. This moisture risk is present in particular for lightweight structures such as timber frame buildings, which are sensitive to air leakage.It is therefore necessary to better understand and to assess the impact of unintented air transfers on the hygrothermal field and the heat flux in the vicinity of an airtightness defect. To this end, two numerical models are developped, dealing with Heat-Air (HA) and Heat-Air-Moisture (HAM) transfer respectively. The HAM model is firstly validated in 1D using numerical benchmarks from literature. Then, temperature measurements in a cellulose insulation layer subjected to moist air flow are compared with the models outputs, and good agreement is obtained. The HAM model provides a better prediction of the temperature field compared to the HA model.Following this 2D experimental validation of the HAM model, it is applied to a complex defect geometry, including porous insulation materials and thin air gaps. This defect is meant to be realistic, as it is drawn from a measurement campaign aiming to identify typical envelope leakage points encountered in timber frame buildings.Long term simulations are performed under transient temperature and humidity conditions, in case of air exfiltration and air infiltration. This study helps identifying tendencies towards moisture risk: infiltrating air flow dries the assembly whereas exfiltrating air flow humidifies it. A methodology to assess heat fluxes through the defect is presented.Finally, a simplified approach is derived from the detailed HAM-model, to take into account the contribution of airtightness defects on the total heat loss on the building scale. It is shown that the additional heat loss induced by an airtightness defect may be described by a specific heat loss coefficient. In addition, the coupling between air flow and envelope has a significant impact on total heat flux calculations. The influence of moisture transfers on observed tendencies is also discussed

Le présent mémoire porte sur la mise en place d'un modèle mathématique permettant la résolution du problème inverse du transfert de chaleur et d'humidité dans une enveloppe de bâtiments par l'optimisation des propriétés physiques des matériaux. Ce modèle a permis de répondre à l'objectif principal du mémoire qui est de caractériser les échanges de chaleur et d'humidité se produisant à l'intérieur d'une enveloppe de bâtiment en bois dans le contexte climatique québécois. Afin de mettre en place ce modèle mathématique, plusieurs étapes ont été réalisées. Premièrement, des simulations numériques ont été faites avec le logiciel WUFI dans le but de compléter une analyse de sensibilité. Cette analyse de sensibilité a, par la suite, été utilisée afin de cibler les propriétés physiques des matériaux ayant le plus d'impact sur la réponse du modèle. Une fois l'analyse de sensibilité complétée, les résultats obtenus ont servis à mettre en place un algorithme prédictif à l'aide Matlab. Ces algorithmes permettent de prédire l'évolution de la température et de l'humidité dans le temps en fonction de plusieurs paramètres. Le modèle prédictif est ensuite utilisé afin de réaliser l'optimisation des propriétés physiques du modèle. Cette optimisation est faite par rapport aux données réelles recueillies par les capteurs installés dans l'enveloppe d'un bâtiment de la Ville de Québec. Plusieurs modifications ont été faites dans le modèle afin d'augmenter la précision de celui-ci. Les résultats obtenus aux différentes modifications sont analysés.

L'urgence climatique, l'augmentation de demandes énergétiques et l'épuisement de ressources fossiles ont mené à des ambitions énergétiques et environnementales de plus en plus élevées. Dans le secteur de bâtiment, ces ambitions visent à des bâtiments résilients, durables, à faible impact environnemental et à énergie positive. L'innovation de l'enveloppe du bâtiment, qui est un élément clé de son efficacité énergétique, est donc primordiale. En effet, l'enveloppe est souvent conçue sur des bases de fonctionnalités statiques. Pourtant, elle devrait être comme une interface adaptative et multifonctionnelle, qui échange et exploite les effets de son environnement, afin d'assurer la qualité des ambiances intérieures et la production d'énergie de fonctionnement du bâtiment.Dans ce contexte, cette thèse consiste à la conception d'une facade adaptative à composants photovoltaïques (PV) intégrés. Les fonctionnalités adaptives sont visées tant pour l'amélioration de sa performance thermique que pour la maximisation de la production électrique des modules photovoltaïques. L'obtention d'un élément d'enveloppe, muni de fonctionnalités dynamiques et adaptatives, fait souvent recours à des systèmes mécaniques et de contrôles complexes. Pour cette raison, une approche de bioinspiration et l'utilisation des matériaux intelligents sont choisies pour obtenir des mécanismes d'adaptation flexibles et intelligemment low-tech.L'approche consiste à l'analyse thermique et électrique d'une facade photovoltaïque de base. Dans notre étude, elle est composée de modules PV bifaciaux, d'une lame d'air ventilée et d'un mur multicouche. Le principe est d'identifier des propriétés limitant cette facade à des fonctionnalités statiques. De cette manière, les êtres vivants en lien avec les propriétés identifiées et pouvant franchir ses limitations sont explorés. Par la suite, les matériaux intelligents pouvant assurer les stratégies bioinspirées sont sélectionnés afin de développer le nouveau concept. Enfin, la solution est validée grâce à des études expérimentales sur les échantillons de composants intelligents choisis et sur un prototype à échelle réduite de la facade. Des études numériques de faisabilité et d'analyse de performance énergétique à l'échelle du bâtiment sont également réalisées.Cette démarche a conduit à l'application de composants de bilames thermosensibles et réfléchissants sur le mur derrière les modules PV. Les bilames, en forme de lamelle rectangulaire sont disposés sur le mur en face des cellules PV. Lorsque la température augmente, ils fléchissent progressivement. Leur déformation cyclique permet d'ajuster les fonctionnalités de la facade suivant trois principes. Premièrement, en été, la facade photovoltaïque se rafraichit grâce à l'ombrage du mur et à la dissipation de chaleur par augmentation progressive de surface d'échange dans la lame d'air. Deuxièmement, en hiver, l'énergie solaire thermique est collectée soit en fermant la lame d'air ou par la valorisation de l'air préchauffée. Enfin, la production électrique des modules PV est optimisée grâce à la réflexion des rayons solaires vers la face arrière des modules bifaciaux par les bilames. Les études expérimentales et numériques réalisées ont permis de valider le potentiel du concept pour l'amélioration de l'efficacité énergétique, surtout pour l'augmentation de la production d'électricité et la performance thermique en été
Climate change, growing energy demand and depletion of fuel resources have led to increasingly high energy and environmental ambitions. These ambitions aim for resilient, sustainable, zero carbon and positive energy buildings in the building sector. Radical innovation in building envelope technologies is paramount as it is a key element in building energy efficiency. Indeed, the envelope is often designed on the basis of static functionalities rather than an adaptive and multifunctional interface. However, in the latter case, it would interact with and benefit from the effects of its external environment to ensure a comfortable indoor environment and the production of the building operating energy.In this context, this thesis consists in the design of an adaptive facade with integrated photovoltaic (PV) components. The adaptive functionalities are developed to improve both the thermal performance of the facade and the electrical production of the PV modules. Designing such an envelope element often requires complex mechanical and control systems to implement dynamic and adaptive functionalities. For this reason, we have chosen to adopt a bioinspiration approach and use smart materials to achieve flexible and low-tech adaptation mechanisms.The methodology involves the analysis of the thermal and electrical behaviour of a standard photovoltaic facade. In our case, it comprises bifacial PV modules, a ventilated air gap and a multilayer wall. The principle is to identify the properties limiting that facade to static functionalities. From this step, biological mechanisms related to the identified properties, and that can overcome the limitations are explored. Afterwards, smart materials enabling to implement the bioinspired strategies are selected. Finally, the outline of the new concept is developed with the principles involved. The solution is validated through experimental studies on the samples of the selected materials and on a reduced-scale prototype of the facade. Numerical feasibility studies and energy performance analysis at the building scale are also carried out.The developed solution consists in the application of thermosensitive and reflective bilayer components on the wall behind the PV modules. Those components are thin rectangular slats applied opposite to the PV cells. When the temperature rises, they gradually bend. Their cyclic deformation allows the adjustment of the facade functionalities according to three principles. First, in summer, the PV facade is cooled by shading the wall and dissipating heat through the increased thermal surface exchange in the air gap. Second, in winter, solar thermal energy is harvested by closing the air gap or recovering preheated air. Finally, the bilayers enhance the PV power output because of their high reflection of the irradiance to the backside of the bifacial PV modules. The experimental and numerical studies have validated the potential of the design to improve building energy efficiency, especially for increasing yearly electricity production and thermal performance in summer

Le secteur du bâtiment représente 46% des dépenses énergétiques françaises. EDF contribue à leur réduction grâce à la simulation numérique : l'entreprise dispose pour ce faire d'une gamme de logiciels qui évaluent la consommation énergétique des bâtiments. Dans la première partie de cette thèse réalisée à la division recherche et développement d'EDF, nous développons un modèle simplifié d'enveloppe pour les maisons bizones. Basé sur la modélisation " boîte grise ", il détermine le comportement d'une zone thermique avec seulement dix paramètres. Il réalise rapidement et avec une bonne précision des études énergétiques dans le logiciel Clim2000. De nos jours, prédire la consommation énergétique des bâtiments ne suffit plus. Il faut aussi pouvoir qualifier le confort thermique généré par les équipements proposés. C'est l'objectif de la seconde partie de cette thèse, où nous présentons le logiciel Sim_zonal. Il est destiné à être chaîné aux logiciels d'énergétique afin de leur permettre d'évaluer le confort thermique dans une pièce. Nous avons d'abord implémenté dans Sim_zonal un modèle de transport de l'humidité. Il calcule la répartition spatio-temporelle de l'humidité dans l'air. Nous avons ensuite chaîné Sim_zonal au logiciel Papter. A travers quelques exemples d'application, nous vérifions que ce chaînage permet à Papter de caractériser les ambiances thermo-aérauliques de façon quantitative et qualitative.

L'objectif des travaux présentés dans ce mémoire concerne le développement d'un modèle global représentant le couplage de l'enveloppe du bâtiment avec les équipements énergétiques. Une approche systémique appelée les Bond Graphs, peu employée jusqu'ici dans la modélisation des systèmes thermiques, est utilisée. Le modèle global du bâtiment, regroupant sous le même environnement de simulation, les modèles de l'enveloppe du bâtiment, les apports solaires, les émetteurs de chauffage et de rafraîchissement et le système de ventilation, est développé pour reconstituer l'ensemble des articulations énergétiques entre l'enveloppe et les environnements intérieur et extérieur. A travers la modélisation d'un bâtiment multizone, le couplage systémique des modèles de l'enveloppe et des apports solaires est présenté. Par ailleurs, un système combinant un plancher chauffant et un plafond rafraîchissant est étudié à l'aide des modèles des émetteurs de chauffage et de rafraîchissement. Le renouvèlement d'air dans le bâtiment est également concerné par la modélisation Bond Graph. Enfin, des éléments de validation expérimentale sont présentés. Pour cela, la plateforme de tri-génération d'énergie ENERBAT est exploitée. L'objectif est d'étudier le couplage optimal enveloppe du bâtiment - équipements énergétiques pour lequel les modèles BG sont développés. Une étude paramétrique tenant compte des interactions entre les paramètres étudiés est menée sur un projet réel de rénovation. Finalement, une combinaison appropriée des paramètres étudiés a été retenue afin de réduire la consommation énergétique selon la réglementation thermique française (RT2012)
Our works focus on the setting of reliable tools able to analyze the interaction between the building envelope and HVAC systems. The developed approach is based on Bond Graphs methodology, a graphical modeling language which is particularly suitable for energy exchanges. A numerical model gathering, under the same simulation environment, sub-models representing the building envelope, the solar gains, the floor heating, the chilled ceiling and the ventilation system, is developed in order to predict the energy interactions between these sub-systems. The multi-zone building model is developed in order to simulate and analyze the overall building thermal behavior. Then, the solar gains model is also included to predict the solar radiation exchanges in a way close to reality. The model of the heating and cooling system, combining the floor heating and the chilled ceiling, is developed in order to improve the thermal comfort of the building. Afterwards, the ventilation system is modeled in order to represent the air exchange inside the building. The experimental validation is carried out on the tri-generation unit integrated with a thermal solar system (platform ENERBAT). Furthermore, the parametrical study was realized in order to gain a better understanding according to the impact of some factors in the energy performance of the single-family building located in Meurthe-et-Moselle region (France). Optimization of several measures, such as insulation of the building envelope, type of glazing, building orientation and ventilation system, is performed to respond to the requirements of the French thermal standard (RT2012)

L'objectif des travaux présentés dans ce mémoire concerne le développement d'un modèle global représentant le couplage de l'enveloppe du bâtiment avec les équipements énergétiques. Une approche systémique appelée les Bond Graphs, peu employée jusqu'ici dans la modélisation des systèmes thermiques, est utilisée. Le modèle global du bâtiment, regroupant sous le même environnement de simulation, les modèles de l'enveloppe du bâtiment, les apports solaires, les émetteurs de chauffage et de rafraîchissement et le système de ventilation, est développé pour reconstituer l'ensemble des articulations énergétiques entre l'enveloppe et les environnements intérieur et extérieur. A travers la modélisation d'un bâtiment multizone, le couplage systémique des modèles de l'enveloppe et des apports solaires est présenté. Par ailleurs, un système combinant un plancher chauffant et un plafond rafraîchissant est étudié à l'aide des modèles des émetteurs de chauffage et de rafraîchissement. Le renouvèlement d'air dans le bâtiment est également concerné par la modélisation Bond Graph. Enfin, des éléments de validation expérimentale sont présentés. Pour cela, la plateforme de tri-génération d'énergie ENERBAT est exploitée. L'objectif est d'étudier le couplage optimal enveloppe du bâtiment - équipements énergétiques pour lequel les modèles BG sont développés. Une étude paramétrique tenant compte des interactions entre les paramètres étudiés est menée sur un projet réel de rénovation. Finalement, une combinaison appropriée des paramètres étudiés a été retenue afin de réduire la consommation énergétique.

Etude théorique et expérimentale d'un plancher chauffant à eau sur terre-plein, en vraie grandeur, et de l'enveloppe du bâtiment associé, soumise à des conditions climatiques réelles, incluant les apports solaires. Modèle optimisé du comportement thermique d'une paroi homogène en régime transitoire, avec deux algorithmes pour la simulation de systèmes thermiques linéaires (calcul du produit de convolution et de la réponse impulsive du système connue par l'intermédiaire de sa fonction de transfert)

Dans cette thèse, nous nous sommes intéressés aux techniques de rétention d’eau en toiture-terrasse pour le rafraîchissement passif de bâtiments commerciaux/industriels, et plus particulièrement le système de bassin de toit ouvert. Celui-ci agit comme un puits de chaleur, les apports d’énergie provenant du rayonnement solaire et du bâtiment sont convertis en chaleur latente, et les pics de chaleur sont atténués par l’inertie de la masse d’eau. Un modèle numérique a été développé afin d’étudier le comportement théorique du bassin de toit ouvert. Une étude paramétrique a permis d’analyser les différents échanges de chaleur et de masse entre la toiture et l’environnement extérieur, et son effet sur l’ambiance intérieure. Cela a permis de déterminer le potentiel de rafraîchissement de cette technologie en fonction des paramètres de conception (niveau d’eau et propriétés radiatives), de la localisation, et des effets du changement climatique. Cette étude numérique a été confrontée à une étude expérimentale réalisée sur un dispositif à échelle réduite en extérieur, pour le climat océanique de La Rochelle (France). Cette expérimentation a également permis de tester d’autres techniques de rétention d’eau en toiture comme la présence d’une couche de gravillons ou d’un matériau poreux, et de les comparer aux solutions à fort albédo dites « cool roofs ». Le potentiel de rafraîchissement de ces systèmes de toiture a été évalué expérimentalement et numériquement par différents indicateurs de performance définis par rapport à une toiture de référence en bitume. Enfin, le modèle développé de rétention d’eau en toiture a été couplé à un modèle de bâtiment commercial, de grande surface de toiture. L’étude de ce bâtiment type a été menée pour différents climats, actuels et futurs, en particulier sur des périodes caniculaires, et en intégrant l’utilisation de la ressource en eaux pluviales. Les résultats ont montré que la solution de bassin de toit est pertinente pour réduire l’inconfort d’été quel que soit la localisation ou le climat, et que le potentiel maximum de cette technique est obtenu lorsqu’elle est combinée à la solution « cool roof »
In this thesis, we have studied water retention techniques on flat roofs for passive cooling of commercial/industrial buildings, and more especially the open roof pond system. This roof pond acts as a heat sink, solar irradiance and building internal heat are converted into latent heat, while water thermal inertia mitigates heat flux peaks. A numerical model has been developed to study the theoretical behavior of an open roof pond. A parametric study has allowed to analyze the different heat and mass transfers between the roof and the external environment, and indoor environment impacts. This has allowed to determine the cooling potential of this technology according to design parameters (water level and radiative properties), location and climate change effects. This numerical study was confronted with an experimental study carried out on a scaled down device, under oceanic climate in La Rochelle (France). This experiment also allows to test other water retention techniques on roof such as the adding of a gravel or a porous material layer, and to compare them to high albedo solutions called "cool roofs". The cooling potential and the performance of these passive solutions have been evaluated experimentally and numerically by various indicators defined compared to a bitumen reference roof. Finally, the roof water retention model was coupled with a typical commercial building, large-scale. A study for different current and future climates, especially during heatwave periods and integrating the use of the rainwater resource has been carried out. The results have shown that the roof pond solution is relevant to reduce summer discomfort whatever the location or the climate and that the maximum potential of this technique is obtained when it is combined with the “cool roof” solution

Les règles et usages actuels de conception des bâtiments sont essentiellement basés sur la minimisation des déperditions thermiques, ce qui se traduit par la prédominance de l'isolation thermique comme solution d'enveloppe. Or cette logique n'est pas nécessairement la plus pertinente car des ressources énergétiques existent dans l'environnement, et leur apport mériterait d'être pris en considération. Certaines technologies bioclimatiques, et surtout solaires, existent déjà mais leur utilisation n'est pas du tout généralisée à cause d'un manque de repère sur leurs performances. Pour considérer la démarche bioclimatique, il est nécessaire de pouvoir évaluer à la fois la "qualité énergétique" de l'environnement, et l'aptitude des bâtiments à exploiter cet environnement. La méthodologie présentée dans cette thèse est basée sur le calcul d'indicateurs de performance bioclimatique issus de simulations numériques de bâtiments dans diverses conditions climatiques. La simulation permet de supprimer facilement une ressource pour pouvoir obtenir les besoins d'un bâtiment non impacté par la ressource. Ces besoins peuvent alors être comparés à chaque instant au potentiel de la ressource afin de déterminer un potentiel utile, valorisable par le bâtiment. Il est également possible de comparer les besoins du bâtiment dans la simulation sans et avec la ressource et d'en déduire la quantité d'énergie provenant de la ressource réellement utilisée par le bâtiment pour couvrir ses besoins. Un jeu d'indicateurs est ainsi défini pour toutes les ressources et tous les besoins d'un bâtiment, et adapté plus particulièrement aux besoins de confort thermique (chauffage et rafraîchissement) et à trois ressources de l'environnement (le soleil, la voûte céleste et l'air extérieur). Un cas d'étude est alors choisi pour appliquer cette méthode et les résultats sont analysés à l'échelle du bâtiment tout entier ainsi qu'à l'échelle de chaque paroi. Une première analyse globale, sur toute l'année, permet de fixer des points de repères sur l'état des ressources et l'exploitation qui en est faite par les bâtiments. Dans un second temps, les résultats instantanés sont analysés de manière dynamique, et montrent que ces nouveaux indicateurs permettent de bien caractériser le comportement d'un bâtiment dans son environnement. Enfin, les indicateurs sont utilisés dans une approche de conception des bâtiments, et plusieurs pistes sont explorées. Une étude paramétrique est tout d'abord menée et permet d'observer l'influence du niveau d'isolation sur les indicateurs de potentiel et de performance. Puis ces indicateurs sont utilisés pour évaluer la performance bioclimatique de solutions d'enveloppe solaires. Dans un troisième temps, une optimisation de l'enveloppe est menée selon deux critères : un critère classique de minimisation du besoin, mais également un critère bioclimatique de maximisation de l'exploitation du potentiel solaire.

Le secteur du bâtiment recèle un fort potentiel d’amélioration en termes de performances thermiques et atténuation de l’empreinte écologique. Une bonne conception de l’enveloppe ainsi que de la structure du bâtiment s’intègre pleinement dans ces objectifs et permet de contribuer efficacement à la réduction des consommations énergétiques. Cela s’accompagne d’un choix pertinent des matériaux et systèmes constructifs composant l’enveloppe ainsi que la structure du bâti.Le travail de recherche présenté au cours de cette thèse s’inscrit pleinement dans ce contexte et vise le développement d’un composite innovant issu de l’association d’une matrice cimentaire modifiée par l’ajout de matériaux à changement de phase (MCP) et d’un renfort textile, le composite résultant sera communément nommé ‘MCP-TRC’.Une étude approfondie du comportement mécanique et thermique des composites ‘MCP-TRC’ a été réalisée. Un intérêt particulier a été porté au cours des travaux présentés à la compréhension des interactions entre MCP et matrice cimentaire ainsi qu’entre matrice cimentaire modifiée par l’ajout de MCP et renfort textile. Ces interactions régissent le comportement mécanique et thermique des composites MCP-TRC.Deux concepts à caractère innovant (dalles légères et panneaux sandwichs en MCP-TRC) intégrant les composites MCP-TRC ont été proposés. Les performances mécaniques et thermiques des deux concepts ont été évaluées. Les résultats obtenus sont prometteurs et permettent de jeter les bases de l’émergence de ce type ce composites dans l’industrie du bâtiment
The building sector has a strong potential for improvement in terms of thermal performance and attenuation of the ecological footprint. A good design of the envelope as well as the structure of the building is fully integrated into these objectives and can contribute effectively to the reduction of energy consumption. This is accompanied by a relevant choice of materials and constructive systems composing the envelope and the structure of the buildingThe research work presented in this thesis is fully integrated in this context and aims at the development of an innovative composite resulting from the association of a modified cementitious matrix by the addition of phase change materials (PCM) and a textile reinforcement, the resulting composite will commonly be called 'MCP-TRC'.A detailed study of the mechanical and thermal behaviour of the 'PCM-TRC' composite was carried out. A particular interest was brought during the work presented to the understanding of the interactions between PCM and cement matrix and between cement matrix modified by the addition of PCM and textile reinforcement. These interactions govern the mechanical and thermal behaviour of PCM-TRC composites.Two innovative concepts (lightweight slabs and PCM-TRC sandwich panels) integrating the PCM-TRC composites were proposed. The mechanical and thermal performances of the two concepts were evaluated. The results obtained are very encouraging and promote the emergence of this type of composites in the building industry

Analyse de l'évolution des materiaux et des techniques ainsi que des consequences induites par celles-ci sur la conception du bati. Importance du concept de masse (ou inertie) quant a son influence sur le comportement thermique du batiment vis a vis du rayonnement solaire. Etat des connaissances sur les materiaux presentant un changement de phase, utilisables dans les parois du batiment. Modelisation physique, experimentation sur modeles reduits et a l'echelle 1; methodes numeriques de traitement du signal

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

Ce travail de thèse porte sur la modélisation et la caractérisation des transferts de chaleur et de masse dans les parois multicouches des bâtiments à ossature bois. Un code instationnaire permettant de simuler les transferts de chaleur et de masse dans une lame d'air en géométrie bidimensionnelle, qui est un élément de la paroi multicouches, a été développé et validé. Les validations numériques en régimes transitoire et stationnaire ont porté sur la totalité des modes de transfert (conduction, écoulement en convection naturelle et forcée, rayonnement entre surfaces, transfert massique et condensation surfacique). Ensuite, ce code intégrant la présence d'une lame d'air dans la paroi a été couplé au code Transpore développé au LERFOB. Ce dernier traite rigoureusement les transferts dans les matériaux solides hygroscopiques. Pour la validation expérimentale du code complet couplé, une cellule expérimentale a été construite et instrumentée pour étudier le comportement hygrothermique des parois étudiées. Cette cellule, régulée thermiquement et hygroscopiquement en température et en humidité relative, a été mise en place au CRITT BOIS d'Epinal. Des comparaisons entre les résultats expérimentaux et numériques sont également présentées et discutées. De nombreuses campagnes de caractérisation thermique sur divers matériaux (isolants à base de fibres de bois, bois massifs, ...) ont également été menées. L'influence de la température et de l'humidité sur la conductivité thermique et la chaleur spécifique a été largement analysée
This thesis focuses on modeling and characterization of heat and mass transfer in a wooden building envelope. A code which simulates unsteady heat and mass in an air layer in two-dimensional geometry, which is part of the multi-layer wall, was developed and validated. Numerical validations that include all transfer modes were achieved for unsteady and steady states regimes (conduction, convection, surface-to-surface radiation, mass transfer and surface condensation). Then, the code developed for the air layer at the LEMTA was coupled to the code Transpore used at the LERFOB. The latter one deals with the transfer in hygroscopic solid materials. For the experimental validation of the fully coupled code, an experimental cell was constructed and instrumented to study the hygrothermal behavior of the studied walls. This cell which is thermally and hygroscopicly controlled was set up at the CRITT BOIS. Comparisons between the experimental and numerical results are presented and discussed. Besides, several experiments of thermal characterization of various materials (insulators containing wood fibers, solid wood ...) were also conducted. The influence of temperature and moisture on thermal conductivity and specific heat was largely investigated

Cette thèse propose une approche originale axée sur l’étude du confort pour la conception et l’exploitation de bâtiments « zéro énergie » en climat tropical. Elle fait partie d'un projet international porté par l’Agence Internationale de l’Énergie (AIE), la Tâche 40 / Annexe 52 qui concerne les bâtiments « zéro énergie ». Le bâtiment ENERPOS, situé à La Réunion et utilisé comme étude de cas dans cette thèse, est l'un des trente bâtiments sélectionnés par l'AIE pour créer une base de données internationale de projets pilotes. L’étude part du constat que l'un des défis auxquels fait aujourd'hui face la zone intertropicale est la demande croissante en énergie. La conception passive des bâtiments est proposée comme une alternative intéressante pour réduire leurs besoins en énergie. Dans ce cas, une étude approfondie du bâtiment dans son ensemble est indispensable pour garantir l’équilibre entre le confort des occupants et la réduction des consommations énergétiques. Bien que la notion de confort soit profondément subjective, il est nécessaire d’affiner les méthodes et outils existants pour le caractériser en fonction des paramètres physiques de l'environnement (température, humidité, vitesse d’air, éclairement). Différentes approches du confort thermique et visuel sont introduites dans le but de proposer des critères d'évaluation adaptés aux bureaux d'études. Une enquête sur le confort thermique des occupants du bâtiment ENERPOS, incluant plus de 2000 questionnaires, a été menée entre 2008 et 2011. Les résultats obtenus conduisent à recommander des modifications de la zone de confort de Givoni, en augmentant en particulier la limite supérieure de l’humidité, dans le cas d’un bâtiment passif naturellement ventilé et muni de brasseurs d’air. Une méthodologie de simulation innovante, prenant en compte le comportement passif des bâtiments, grâce à une étude couplée du confort thermique et visuel, par opposition à l'approche traditionnelle centrée sur la consommation d'énergie, est proposée pour aider à optimiser la conception des bâtiments passifs. L'étude se concentre sur le choix et le dimensionnement des protections solaires qui jouent un rôle essentiel en climat tropical et qui ont un impact direct sur le confort des usagers des bâtiments.Bien que la phase de conception vise à optimiser le bâtiment pour limiter à la fois l'inconfort et la consommation d'énergie, son exploitation reste la phase critique qui est souvent négligée ou oubliée par les équipes de conception. Un retour expérimental global du bâtiment ENERPOS depuis sa construction, tant au niveau énergétique que du point de vu de ses utilisateurs permet de montrer qu’il est possible de réduire considérablement la consommation d’énergie d’un bâtiment, et donc son impact environnemental, tout en maintenant un confort acceptable pour ses occupants
This thesis investigates a comfort approach for the design and the operation of Net Zero Energy Buildings (Net ZEBs) in tropical climates. The work is part of an international research project, Task 40 / Annex 52 led by the International Energy Agency (IEA), that concerns net zero energy solar buildings. The case study of the ENERPOS building located in Reunion Island is one of the 30 Net ZEBs selected by the IEA to create a database of demonstration projects worldwide. The point of departure of the study is the observation that one of the challenges facing the intertropical zone today is the growing energy demand. Passive design is suggested as a possible solution to reduce the energydemand of buildings. This approach leads to dealing with comfort issues rather than energy issues, as is usually the case. In spite of the inherent subjective nature of occupant comfort, there is an essential need for methods and tools to characterise comfort in relation to the physical parameters of the environment, for instance, temperature, humidity, air speed and illuminance. Different approaches to thermal and visual comfort are introduced, with the aim of proposing comfort evaluation criteria that are adapted to the design offices. A thermal comfort survey of the occupants of the ENERPOS building, based on over 2,000 feedbacks was conducted from 2008 to 2011. The results have led to the recommendation of modifications in the Givoni comfort zones, notably by extending the maximum humidity level, for passive buildings combining the use of natural ventilation and ceiling fans. An innovative methodology using simulations and taking the passive behaviour of the building into account, as opposed to the conventional approach with regard to energy use, is proposed to facilitate the optimisation of the design of passive buildings. The study focuses on the design of solar shading, given the extensive role it plays in tropical climate, as well as the direct impact it has on both thermal and visual comfort of building occupants. Although the design phase aims to optimise the building to limit both discomfort and energy consumption, the operation of the building remains the critical phase that is often neglected or overlooked by design teams. A broad examination of the operation phase of the ENERPOS building, since its construction, from both energy and users’ point of view, illustrates that a building can reduce its energy consumption significantly, and thus, its environmental impact while maintaining an acceptable level of comfort for its users

Le secteur du bâtiment représente 35% des la consommations énergétiques dans les pays membres de l’agence international de l’énergie en 2010 et 39,8% aux Etats-Unis en 2015. Plus de 50% de cette consommation a été utilisée pour la production de chaleur et de froid. Néanmoins cette consommation peut être réduite par l'amélioration la performance énergétique du bâtiment. La performance thermique de l'enveloppe du bâtiment joue un rôle primordial. Par conséquent, le diagnostic thermique de l'enveloppe du bâtiment est nécessaire pour, par exemple, la réception de nouvelles constructions, l'amélioration de la performance énergétique des anciens bâtiments, ainsi que la vente et la location des logements. Pourtant, il existe très peu de méthodes quantitatives pour la caractérisation des parois épaisses. L'objectif de cette étude est d'explorer des méthodes quantitatives innovantes de diagnostic thermique de l'enveloppe du bâtiment. Des mesures expérimentales ont été réalisées en laboratoire (à l’IFSTTAR à Nantes) et in situ (à l’IUT de Bordeaux). Différents capteurs et méthodes d'instrumentation ont été étudiés pour mesurer la densité de flux et la température de surfaces des parois, afin de procurer des recommandations pour le choix des capteurs ainsi que des protocoles de traitement de données. A partir des données mesurées (température et densité de flux des surfaces de l'enveloppe), trois approches numériques ont été proposées pour estimer des paramètres thermiques des parois multicouches épaisses : par méthode inverse, par réponse à un échelon et par réponse impulsionnelle. En outre, une méthode innovante non-destructive utilisant la rayonnement térahertz a été étudiée. Les mesures ont été effectuées au sein du laboratoire I2M. Cette méthode permet de caractériser le coefficient d'absorption des matériaux constructifs ordinaires comme isolation, plâtre, béton, bois… Elle pourrait postérieurement être combinée avec une méthode thermique pour apporter des informations complémentaires
Buildings represent a large share in terms of energy consumption, such as 35% in the member countries of IEA (2010) and 39.8% in U.S. (2015). Climate controlling (space heating and space cooling) occupies more than half of the consumption. While this consumption can be reduced by improving the building energy efficiency, in which the thermal performance of building envelope plays a critical role. Therefore, the thermal diagnosis of building envelope is of great important, for example, in the case of new building accreditation, retrofitting energy efficiency of old building and the building resale and renting. However, very few diagnostic methods exist for the characterization of thick walls. The present measurement standards that based on steady state heat transfer regime need a long time (several days). The classical transient technologies, such as flash method, are difficult to implement on the walls because of the large thickness of walls and the complex conditions in situ. This thesis aims to explore innovative methodologies for thermal quantitative diagnosis of building envelope. Two experimental cases were carried out: one is in laboratory (IFSTTAR, Nantes) and the other is in situ (IUT, Bordeaux). Different sensors and instruments were studied to measure the wall heat flux and surface temperature, and provided some guidelines for the choice of sensors and data processing protocols as well. Using these measured data, three estimation approaches were proposed to estimate the thermal parameters of the multilayer thick wall: pulse response curve method, step response curve method and inverse method, which can be applied for different diagnostic situations. In addition, an innovative NDE (non-destructive evaluation) method using terahertz (THz) radiation was also investigated. Measurements were carried out in I2M laboratory to characterize the absorption coefficient of standard building materials (insulation, plaster, concrete, wood ...). This THz method can be combined with a previous thermal method to provide some complementary information

Le bâtiment est l'un des secteurs les plus consommateurs d'énergie et producteurs de CO2 au monde. Au Maroc, ce secteur représente actuellement 33% de la consommation totale d’énergie à l'échelle nationale. Le nouveau règlement thermique au Maroc vise à introduire des pratiques éco énergétiques dans ce secteur pour réduire ces consommations. En effet, dans la région méditerranéenne, l’architecture du bâtiment a un impact primordial sur sa performance énergétique et thermique. Par ailleurs, l’intégration des techniques passives et l’utilisation des matériaux locaux pourraient réduire considérablement la consommation d’énergie dans le secteur du bâtiment. C’est dans ce contexte que se situe cette thèse de doctorat dont l’objectif est d’évaluer la capacité de rafraîchissement de quelques techniques passives pour la protection solaire des toitures et de montrer l’importance de l’utilisation des matériaux naturels locaux dans le climat chaud et semi-aride de Marrakech. En effet, trois techniques passives de rafraîchissement de l'air dans les bâtiments sont testées dans des conditions climatiques réelles dans la ville de Marrakech. Les techniques passives, à savoir la peinture blanche, l'ombrage et l'isolation thermique, sont appliquées sur les toits de trois cellules test métalliques placées à l’extérieur. Les performances thermiques de ces techniques sont évaluées simultanément via un monitoring de 29 jours d’été de quatre cellules test identiques, dont une cellule test de référence à toit nu (sans traitement). Ces cellules test ne représentent pas des bâtiments réels là où nous pouvons mener une étude approfondie. Pour cela, nous avons construit un bâtiment réel qui représente une salle de classe dans le milieu rural du Sud marocain, et ceci en utilisant des matériaux naturels et en intégrant des techniques passives dans la toiture. Les performances thermiques et énergétiques des mêmes techniques sont évaluées par le biais des simulations thermiques dynamiques sur l’outil TRNSYS ainsi qu’une étude expérimentale
The building is one of the most energy-consuming and CO2-producing sectors in the world. Nowadays, this sector accounts for 33% of total energy consumption in Morocco. The new thermal regulation in Morocco aims to introduce eco-energy practices in this sector to reduce this consumption. Indeed, in the Mediterranean region, building architecture has a major impact on its energy and thermal performance. In addition, the integration of passive techniques and the use of local materials could significantly reduce energy consumption in the building sector. In this context where this thesis is located and whose objective is to evaluate the cooling capacity of some passive techniques for the solar protection of roofs and to show the importance of the use of local natural materials in the hot and semi-arid climate of Marrakech. Indeed, three passive cooling techniques are tested in real conditions in the Marrakech region. Passive techniques, namely white paint, shading and thermal insulation, are applied to the roofs of three outside test cells. The thermal performances of these techniques are evaluated simultaneously via a 29-day summer monitoring of four identical test cells, including a bare roof reference test cell (without treatment). Small scale test cells do not represent real buildings where an in-depth study can be conducted. To remedy this, we built a single-zone building that represents a classroom in rural region in southern Morocco, using natural materials and incorporating passive techniques into the roof. The thermal and energetic performances of the same techniques are evaluated by means of dynamic thermal simulations on TRNSYS as well as an experimental study

Dans le contexte actuel de crise énergétique mondial, la consommation d'énergie et l'empreinte carbone, prennent une influence inévitable dés la conception architectonique,premier maillon du processus de construction. Les nouvelles contraintes associées aux accords internationaux tels que, le Sommet de Rio (1992), le protocole de Kyoto (1997) et,spécifiquement en France, le Grenelle Environnement (2007), diversifient le nombre des intervenants dans la conception architecturale, réservée traditionnellement aux architectes.La course pour diviser par deux la consommation énergétique des bâtiments (RT 2012),ainsi que lʼobjectif de diviser par quatre les émissions de gaz à effet serre à l'horizon 2050,mettent en péril la liberté du processus créatif architecturale. Des exigences si fortes dérivent vers des solutions techniques banalisantes et amènent à la standardisation et à la délocalisation des éléments architecturaux. L'objectif de cette recherche est de placer la démarche architectonique de nouveau au centre de la conception durable. Ceci devient possible en validant la performance de la forme de la maison en tant que réponse efficace face à des contraintes environnementales. Pour cela nous nous intéressons à la maison vernaculaire, toujours caractérisée par des formes simples et adaptées à leur contextes socioculturel et géo-climatique. Cet habitat, qui est le résultat d'une optimisation sur du long terme, est forcément durable. L'habitat vernaculaire est analysé ici à la recherche des motivations qui l'ont façonné. Pour cela sont considérés des circonstances géographiques et climatiques qui peuvent déterminer la forme de ces maisons. Nous estimons qu'il est possible d'obtenir de l'information sur l'environnement géoclimatique à partir de l'analyse de déterminants architectoniques visibles, et d'identifier des relations d'influence qui les lient. Ces relations d'influence sont modélisées suivant une approche qui s'appuie sur une représentation qualitative de la connaissance. L'établissement d'un modèle construit à partir de fonctions qualitatives, permet d'effectuer un raisonnement automatique, à partir de la connaissance recueillie sur l'environnement géo-climatique, pour établir les déterminants architectoniques visibles correspondants. Finalement l'outil proposé a une double vocation : permettre d'évaluer la performance de la forme des nouvelles constructions et structurer une démarche de conception d'habitations adaptées à un contexte local
In the context of the current energy crisis, energy consumption and the carbon trace have become a mayor influence in the architectonic conception, the first link in the construction process. Recent constrains associated with international agreements such as the Rio Summit (1992), the Kyoto Protocole and, specifically in France, Grenelle delʼEnvironnement Round Table (2007), have diversified the number of stakeholders in the architectural conception, traditionally reserved to architects. The race to reduce by hal fenergy consumption in buildings (RT 2012) as well as the goal to cut by four greenhouse gas emissions by 2050 (Grenelle de lʼEnvironnement), puts the architectural creative process in jeopardy. Such demanding requirements favor trivial technical solutions and encourage standardization and off shoring of architectural elements.This researchʼs purpose is to place the architectural approach at the center of the sustainable conception. This allows the validation of the performance of a houseʼs shape as an effective response to environmental constrains. For this, we have placed our interest in the vernacular house, usually characterized by simple forms and adapted to their sociocultural and geo-climatic context. This habitat, which has resulted from a long term optimization, is inevitably sustainable. The vernacular habitat is analyzed herein in the search of the motivations that have shaped it. In consequence, geographical and climate circumstances that could have determined the shape of houses have been considered. We claim that from the analysis of visible architectural features it is possible to obtain information on the geo-climatic environment as well as the influence relationships that connect them.These influence relationships are modeled following a qualitative approach supported by a qualitative representation of knowledge. The representation, based upon qualitative functions, enables automatic reasoning, starting from gathered awareness of geo-climatic environment, for establishing corresponding architectural features. Finally, the modeled result both allows the evaluation of the form of new houses and assist the conception of houses adapted to their local context

L’exploitation des énergies renouvelables est une voie nécessaire afin de lutter contre le réchauffement climatique, et afin d’anticiper la raréfaction des matières premières. Le mur capteur/stockeur solaire appliqué aux bâtiments à très basses consommations d’énergie s’inscrit dans cette volonté d’une transition vers les énergies renouvelables. Dans le cadre de ces travaux de thèse, l’énergie solaire est stockée dans des matériaux à changement de phase qui permettent un stockage de chaleur latente plus dense que le stockage sensible des matériaux de construction traditionnels. Cette énergie est restituée à l’ambiance intérieure par la circulation d’air neuf à travers l’élément de stockage. Un mur capteur/stockeur solaire a été développé en s’appuyant sur une revue bibliographique préalable des différents travaux scientifiques menés pour des problématiques similaires. Le dispositif a été expérimenté en environnement réel dans un premier temps, intégré à l’enveloppe d’un petit bâtiment en bois fortement isolé. La quantité de chaleur captée par le mur peut atteindre 2 kWh.m-2.jour-1, pour une quantité de chaleur restituée à l’air de 1,5 kWh.jour-1. Le dispositif a été testé en conditions maîtrisées de laboratoire. Une attention particulière a été portée à la mesure de température au sein même du MCP, afin d’analyser le comportement thermique de ce dernier. Deux phénomènes ont été observés : le recouvrement de la phase liquide sur la phase solide et l’homogénéisation des températures en phase liquide. Le comportement thermique du MCP dépend des interactions entre trois flux : le flux de charge (apport solaire), le flux de décharge (énergie restituée à l’air) et un flux vertical induit par le recouvrement de la phase liquide sur la phase solide. Par ailleurs, un modèle numérique dynamique du mur capteur a été développé en volumes finis. Ce modèle permet de simuler l’effet de serre du mur capteur, le stockage de chaleur et les phases de solidification et de fusion du MCP, et la restitution de chaleur à l’air entrant dans le bâtiment. Les résultats numériques alors obtenus ont été confrontés aux données expérimentales. Le modèle a été validé pour la température d’air soufflée (en sortie du mur capteur). L’écart entre valeurs expérimentales, sur des périodes journalières, est en moyenne de 0,6°C pour la température d’air soufflé et est inférieur à 10 % pour l’énergie fournie à l’air préchauffé. Ces différences sont inférieures aux incertitudes de mesures et à l’incertitude du calcul énergétique. Le modèle ainsi validé peut être couplé au code de simulation thermique dynamique du bâtiment TRNSYS
Use of renewable energy is a necessary way to fight global warming and to anticipate scarcity of raw materials. The solar/storage wall used in buildings with lower energy consumption meets this evolution to renewable energy sources. In this thesis, solar energy is stored in a phase charge material (PCM), which provides latent storage. The latent storage is higher than sensible storage in usual building materials. This energy is restored to indoor air, by circulation and heating of inlet air through the wall storage element. In this thesis work, the solar storage wall was developed, based on previous published works dealing with similar systems. An experiment has been carried out with the solar storage integrated in a small wood building with a high insulation. The solar energy recovered by the wall reaches 2 kWh.m-2.day-1 and 1,5 kWh.day-1 was restored to air. In a second experiment, a prototype was developed to be used in controlled laboratory conditions. Special attention was given to PCM temperature measures to analyze the PCM thermal behavior. Two phenomena were observed: (i) liquid phase recovering solid phase, (ii) temperature homogenization in liquid phase. The PCM thermal behavior depends on interactions between three energetic flows: the charge flow (solar energy recovered), the restored flow (energy restored to the inlet air) and a vertical flow created by the liquid phase recovering. Furthermore, a numerical dynamic model for the solar storage wall was developed. It is based on a finite volume approach. This model simulates: (i) the ground effect in a solar wall, (ii) the thermal energy storage and phase changes, and (iii) heat recovery energy to air inlet. Numerical results were compared to experimental values. The model was validated for air temperature for daily cycle defined with a charge period (during sunning) and a continue air heating. The difference between numerical values and experimental values are lower than 0.6°C in mean temperature, and 10% in energy. This difference is lower than measurement uncertainties and energy calculation error margins. So the model is valeted and can be coupled with the dynamic thermal simulation code: TRNSYS

Ce travail s'inscrit dans la thématique des enveloppes de bâtiment à haute performance énergétique. Un nouveau concept d'enveloppe hybride est proposé : en hiver, le chauffage est assuré par des capteurs solaires thermiques à air associés à des panneaux d'inertie (avec matériaux à changement de phase). Une circulation d'air, dans des cavités au sein de l'enveloppe, transporte l'énergie des capteurs jusqu'au stockage ; en été, les surplus de chaleur sont absorbés dans les panneaux d'inertie puis évacués la nuit par une sur-ventilation des cavités d'air en boucle ouverte. Un modèle analytique global a été développé dans l'environnement TRNSys. Une maquette à l'échelle 1:1 (volume intérieur de 40m3), instrumentée, permet d'étudier la physique de l'enveloppe, et de valider le modèle en convection naturelle et forcée. La validation d'un modèle de transition de phase fait l'objet d'essais spécifiques. L'influence de la convection naturelle en phase liquide, ainsi que la variabilité des caractéristiques de transition de phase suivant les dynamiques des sollicitations sont mises en évidence. Les paramètres influents sont identifiés à l'aide d'une méthode d'analyse de sensibilité globale (FAST). Des études paramétriques montrent l'intérêt du système proposé : des réductions de 30% à 50% sont obtenues sur les consommations de chauffage, le nombre d'heures de surchauffe est nettement réduit, voir annulé. A consommations équivalentes, les épaisseurs des panneaux d'inertie sont de 1cm pour un stockage par chaleur latente, contre 5 à 8cm selon les climats pour un stockage par chaleur sensible.