Дисертації з теми "Bâtiment basse consommation (BBC)"

Face à la rupture technologique que les objectifs du Grenelle de l'Environnement représentent pour le monde de la construction, il est nécessaire de préparer cette échéance et ce non seulement en cherchant à améliorer une à une les techniques du bâtiment (isolation, ventilation. . . ), mais aussi en réfléchissant de manière globale au système bâtiment basse et très basse consommation d'énergie. C'est par l'approche globale que nous avons étudié les BBC et BTBC dans ce mémoire. Après avoir évoqué les principes physiques régissant les techniques des BBC et BTBC, nous avons étudié les bâtiments dans leur globalité via des études de cas en France et à l'étranger. Puis nous avons réalisé une étude des interactions entre les techniques des bâtiments basse consommation. Cette étude s'est d'abord déroulée de manière théorique, grâce aux moyens de la systèmique, puis nous avons quantifié ces interactions grâce à la modélisation d'un bâtiment existant. Nous avons donc déterminé les interactions existant entre les techniques du système bâtiment et donné les explications physiques de ces interactions. Puis, à partir de l'étude des interactions et des résultats obtenus en couplant les différentes techniques, nous avons développé une méthode pour choisir les meilleures configurations possibles en fonction des contraintes que se posent au concepteur. Cette méthode nous a permis de mettre en place un outil d'aide à la décision. Enfin, nous avons complété cet outil, à l'aide de la méthode des plans d'expèrience, pour qu'il soit en mesure de fournir une évaluation de la consommation en fonction des paramètres qu'il définit et de ceux qui sont fixés par l'utilisateur
Because of the huge technological breakthrough that represents the "Grenelle de l'Environnement" goals for the buildings, we have to weIl prepare this deadline. In fact, the emergency to build very low energy building faces with the low experience of France, regarding that kind of construction, and with the technical difficulty to build such buildings defect-free. Thus, it is necessary to prepare this technological breakthrough but not only by improving each technique of the building (insulation, ventilation, etc. ) but also by conceiving low energy building with the global approach. On this Ph-D, we have studied (very) low energy buildings with the global approach. We first recaIIed physical principles of techniques in (very) low energy buildings. Then, we examined the whole building with cases studys in France and in foreign countries. Afterwards, we have studied interactions between techniques in low energy buildings. First, we've done a study with systemic method, and then we quantified interactions by modeIIing an existent building. We have established various interactions between the techniques and studied the physical explanations for those interactions. Afterwards, from the interactions' study and results obtained by coupling various techniques ; we developed a method to choose best configurations,on a constraints basis. From this method, we set a "conception tool". FinaIly, we used design of experiment to complete this tool, so that it couId evaluate the consumption from parameters set by the tool and others set by the user

Les bâtiments à très basse consommation d'énergie bénéficient d'une isolation thermique performante et d'une bonne étanchéité à l'air, souvent couplées à une conception bioclimatique du bâtiment. L'apport d'énergie nécessaire au chauffage et au rafraîchissement de l'ambiance s'en trouve considérablement réduit. Dans ce contexte, il devient possible d'utiliser l'air comme unique vecteur d'énergie, à des débits suffisamment faibles pour permettre son intégration dans le système de ventilation sanitaire, et avec un écart de température réduit entre l'air soufflé et l'ambiance. Une unité terminale de soufflage, ou diffuseur d'air, a alors pour rôle d'assurer un mélange optimal de l'air neuf avec l'air ambiant, de façon à obtenir une répartition homogène de température et de vitesse dans les pièces d'habitation, et un bon renouvellement de l'air intérieur. Ce travail de thèse propose une étude du confort thermique et de l'efficacité de ventilation dans une cellule climatique à échelle 1 en conditions contrôlées, dans le contexte d'utilisation d'un système combiné de ventilation, chauffage et rafraîchissement. Une stratégie de ventilation par mélange est mise en œuvre à l'aide d'un diffuseur d'air composé de douze buses lobées de géométrie complexe, et l'occupation est prise en compte par des mannequins cylindriques, qui constituent des sources de chaleur sensible et de dioxyde de carbone. La vitesse d'air, la concentration en CO2 ainsi que les températures d'air, de globe noir et des parois de la cellule sont suivies expérimentalement pour différentes conditions de soufflage d'air chaud et froid. Les mesures expérimentales sont complétées par des simulations numériques de mécanique des fluides (CFD), qui visent à caractériser l'écoulement dans la cellule. Cette approche fait intervenir une méthode de modélisation en deux temps afin d'intégrer correctement la géométrie complexe du diffuseur d'air dans les simulations. Des études paramétriques sont ensuite proposées pour des conditions non testées expérimentalement. Celles-ci visent à mettre en évidence l'impact des conditions de soufflage et des charges internes sur l'écoulement et sur le confort, pour les conditions spécifiques aux bâtiments à très basse consommation d'énergie.

Pour faire face à la forte augmentation de la consommation en climatisation et la consommation électrique associée, il est nécessaire de développer des systèmes de rafraîchissement basse consommation de bâtiment. Ce travail propose un nouveau système de rafraîchissement qui se veut économe en énergie, peu coûteux et simple à installer. Il associe les techniques de dissipation de chaleur par évaporation, rayonnement vers le ciel et géothermie. Ce système est constitué d'un réservoir poreux installé en extérieur et d'un réservoir de stockage placé dans le vide sanitaire. Lorsque le bâtiment a besoin de rafraîchissement, une pompe puise de l'eau fraîche dans le stockage, la fait passer dans le plancher rafraîchissant pour absorber la chaleur excédentaire du bâtiment puis stocke l'eau dans le réservoir poreux placé à l'extérieur. Le réservoir poreux refroidit l'eau qu'il contient par évaporation, rayonnement vers le ciel puis se vide dans le stockage. Le réservoir de stockage installé dans le vide sanitaire se refroidit aussi en continu grâce au contact direct avec le sol. Les propriétés poreuses et la géométrie du réservoir poreux influent fortement sur ses performances de refroidissement. Une étude paramétrique menée avec un modèle numérique simulant les transferts hydriques et thermique permet de choisir un réservoir adéquat pour cette application. Un réservoir poreux donnant de bonnes performances (70 W/m2 de puissance évaporative) a été identifié. Le système de rafraîchissement a été installé et testé expérimentalement sur une maison à échelle réelle à Bordeaux. Mis en service durant l'été 2015, le système a fonctionné de façon autonome durant 44 jours. L'utilisation de ce système a permis de maintenir durant la période de test un très bon confort thermique à l'intérieur d'un bâtiment expérimental bien isolé, non ventilé, avec des apports solaires, tout en ayant une consommation électrique faible (le COP moyen du système est de 20.8). Un modèle numérique du système complet a été développé sous Modelica, calibré sur les mesures expérimentales puis couplé à un modèle de bâtiment. Les résultats de simulation montrent que l'installation de ce système améliore nettement le confort intérieur du bâtiment sur l'ensemble de l'été pour toutes les configurations testées (climat, gestion des voletsdots). Un système aux dimensions optimisées (avec un stockage de 2.2 m3 et un réservoir poreux de 0.215 m3), installé sur une maison individuelle type RT2012 de 100 m2 à Bordeaux, fonctionne avec un COP moyen de 24 et permet de maintenir un bon niveau de confort à l'intérieur du bâtiment tout l'été
To face the dramatic increase of energy consumption due to air conditioning use in buildings, new low energy consumption systems need to be developed. This work proposes a new cooling system which aims to be energy efficient, cheap and easy to install. This system takes advantage of evaporation cooling, ground earth cooling and sky radiative cooling techniques. The two main components of this new system are a porous tank set outside and a storage tank set in the basement of the building. When the inside house temperature exceeds the comfort temperature, cool water passes from the storage tank through the cooling floor, removes heat from the building and is then send to the porous tank. The water contained in the porous tank is cooled down due to evaporation and radiative effects and then flows back to the storage. The storage tank installed in the basement enables further cooling of the water thanks to direct contact with the ground. Porous properties and geometry of the tank have a great influence on the cooling performances of the tank. A heat and mass transfer model has been developed to simulate the thermal and hydric behavior of the tank. This model has been used to choose an appropriate tank. A tank giving good performances (70 W/m2 of evaporative power) is identified. The complete cooling system has been installed on a house in Bordeaux and tested at real scale during an experimental campaign. The system worked for 44 days during summer 2015 and allowed to maintain a very good thermal comfort level in the experimental building (insulated, with solar load and without ventilation). Its very low electricity needs brings the average coefficient of performance of the system to 20.8. A numerical model of the system has been developed, calibrated with experimental data and coupled with a building model. Simulation results show that for all tested configurations (climate, shading…), the system clearly improves the thermal comfort in the building. Optimized sizing, keepinp reasonnable tank sizes (storage and evaporator volumes of 2.2 m3 and 0.215 m3 respectively), shows that this system works with an average COP of 24 and maintains a good comfort level in an individual house of 100 m2 located in Bordeaux

Cette thèse s’inscrit dans le contexte du développement de Bâtiments Basse Consommation. La conception de telles constructions les rend sensibles aux sollicitations internes. Aussi, les outils de thermique du bâtiment existants ne sont pas adaptés pour simuler assez fidèlement ce type de bâtiments, si bien qu’un modèle tridimensionnel et dynamique a été développé ici. Celui-ci présente plusieurs particularités : il s’appuie sur une discrétisation spatiale optimisée des parois, la tache solaire y est localisée et l’intégration des dynamiques des conditions environnementales est assurée par un solveur numérique à pas de temps adaptatif et un seul nœud d’air est considéré. La validation du modèle s’est suivant une confrontation avec des mesures en conditions réelles réalisées dans une cellule de BESTlab d’EDF R&D. Un suivi visuel de la tache solaire a permis de confirmer sa bonne localisation par notre modèle. Des mesures de température en surface complétées par des cartographies thermographiques ont été comparées aux champs de températures simulés, montrant une bonne concordance. Les comparaisons de températures d’air mesurées et simulées ont montré des résidus ne dépassant pas 1,5 ˚C, pour des erreurs moyennes de 0,5 ˚C. La pertinence des deux principales innovations du modèle a été ensuite démontrée : l’utilisation d’entrées échantillonnées à la minute associées à un solveur à pas de temps adaptatif permet de minimiser les erreurs de simulation : en mi-saison, les résidus maximaux sont respectivement de 1 ˚C et 2 ˚C pour des entrées à la minute et à l’heure. En hiver, les températures d’air simulées tendent à plus osciller autour de la consigne quand le pas d’échantillonnage des entrées s’allonge. Deux modèles unidimensionnels, représentatifs de modèles courants, M1D,sol diluant le rayonnement solaire sur le sol seul et M1D,parois le distribuant de façon homogène sur les parois au prorata de la taille de la tache solaire censée les frappées, ne dégradent que légèrement la précision des calculs de température d’air. Cependant, ces modèles 1D ne permettent pas de calcul des champs de températures sur les parois si bien qu’ils présentent des erreurs locales dépassant 20 ˚C aux endroits touchés par la tache solaire. Enfin en hiver, le modèle 3D permet de prédire des consommations de chauffage surestimées de 6,5 % quand M 1D,parois les surestime de 11 % et M1D,sol de 22 %. Les améliorations apportées par notre modèle ont été confirmées pour d’autres types de cellules. D’ailleurs des écarts plus importants entre M1D,sol et le modèle 3D ont été observés pour une cellule dont parois et sol ont des compositions très différentes, alors que l’orientation a aussi un impact. Ce travail confirme la nécessité de représenter plus finement les phénomènes physiques pour des locaux fortement isolés. Des améliorations sont à intégrer, comme la description de l’anisothermie de l’air
Low energy building constructions become sensitive to internal gains : any internal heating source has an impact on the envelope. Therefore, it is important to evaluate the performance of current transient thermal models when adapted to low energy buildings. This work describes a numerical model to simulate a single room, using a refined spatial three-dimensional description of heat conduction in the envelope but a single air node is considered. The model has been developed for environmental conditions that vary over short time-steps and has integrated the projection of solar radiation through a window onto interior walls : the sun patch. The validation of the model has been done through a detailed comparison between model and measurements. The in situ experiment has been carried out in one of the BESTlab cells (EDF R&D). The sun patch has been followed by a camera to validate its calculated position and surface. Temperature measurements by thermocouples and by thermal cameras have been compared to the models outputs. Differences between air and surface temperatures measured and simulated were never above 1.5 ˚C and mean errors reached 0.5 ˚C. The two innovations of the model have then be proven. Using minute wise weather data and inputs associated to an adaptative solver, enabled to pull down simulation errors : in May maximal differences rised from 1 ˚C to 2 ˚C for respectivelly one minute and hourly wise inputs. More important errors are seen in summer whereas in winter, air temperatures simulated tend to more fluctuate around the set up temperature when the sampling step gets longer. Two one dimensional models, close to traditional taken simulation tools, were used. Model M 1D,sol supposed the incoming radiation to reach only the floor. A 1D model with sun patch movement, called 1D,parois , was also used. These two models evaluated the air temperature with an acceptable error. However, their surface temperatures were still subject to important errors. Thus, for temperature surfaces evaluation, both 1D model presented differences up to 20 ˚C for surfaces touched by the sun patch. In winter, the 3D model can predict heating energy consumptions overestimated by 6.5 % when M 1D,parois overestimated them by 11 % and M1D,sol by 22 %. The improvements brought by our model have been proven also for other cells with different thermal masses. For these cells, differences between M1D,sol and the 3D model could reach 4.5 ˚C. Differences seemed to be more important for low thermal mass cells, and the orientation of the building had a strong impact. This work has confirmed the necessity of representing more accuratelly the descriptions of the enveloppe for strongly insulated rooms. To improve the model, the anisothermal hypotheses of the air should be considered

Avec la généralisation de la construction des bâtiments basse consommation, passifs et à énergie positive, mais aussi la rénovation du parc existant, il est indispensable d’avoir recours à la simulation pour évaluer, entre autres, les performances énergétique et environnementale atteintes par ces nouveaux bâtiments. Les attentes en termes de garantie de performance énergétique étant de plus en plus importantes, il est primordial de s’assurer de la fiabilité des outils de simulation utilisés. En effet, les codes de simulation doivent être capables de représenter le comportement de ces nouveaux types de bâtiments de la façon la plus juste et fidèle possible. De plus, les incertitudes liées aussi bien aux paramètres de conception qu’aux différentes sollicitations ainsi qu’aux usages des bâtiments doivent être prises en compte pour pouvoir garantir la performance du bâtiment sur sa durée de vie.Cette thèse s’est intéressée à la validation expérimentale de modèles appliquée à un bâtiment de type cellule test. Cette méthodologie de validation se déroule en plusieurs étapes au cours desquelles on évalue la qualité du modèle en termes de justesse et de fidélité. Plusieurs cas d’études ont été menés sur lesquels nous avons pu identifier les paramètres les plus influents sur la sortie du modèle, examiner l’influence du pas de temps sur le processus de validation expérimentale, analyser l’influence de l’initialisation et confirmer l’aptitude de la méthodologie à tester le modèle
Construction of low, passive and positive energy buildings is generalizing and existing buildings are being renovated. For this reason, it is essential to use simulation in order to estimate, among other things, energy and environmental performances reached by these new buildings. Expectations regarding guarantee of energy performance being more and more important, it is crucial to ensure the reliability of simulation tools being used. Indeed, simulation codes should reflect the behavior of these new kinds of buildings in the most consistent and accurate manner. Moreover, the uncertainty related to design parameters, as well as solicitations and building uses have to be taken into account in order to guarantee building energy performance during its lifetime.This thesis investigates the empirical validation of models applied to a test cell building. This validation process is divided into several steps, during which the quality of the model is evaluated as far as consistency and accuracy are concerned. Several study cases were carried out, from which we were able to identify the most influential parameters on model output, inspect the influence of time step on the empirical validation process, analyze the influence of initialization and confirm methodology’s ability to test the model

En France, le secteur du bâtiment est le plus gros consommateur d'énergie parmi les secteurs économique, avec 43% de l'énergie finale totale et 25% des émissions de CO2. Il s'avère donc nécessaire de réduire l'impact environnemental de ce secteur en promouvant la construction des bâtiments neufs et la rénovation thermique des bâtiments existants, selon les critères des bâtiments à basse consommation d'énergie.

L'objectif de ce travail est de développer une méthodologie pour réaliser des études de conception de bâtiments à basse consommation d'énergie. La méthodologie consiste à déterminer des modèles polynômiaux pour l'évaluation des performances énergétique et du confort thermique d'été des bâtiments, à l'aide de la méthode des plans d'expériences et des outils de simulation numérique. Ces modèles polynômiaux permettent de simplifier les études paramétriques, en apportant une réponse alternative aux outils de simulations numériques pour la recherche de solutions afin de concevoir des bâtiments à basse consommation d'énergie. La méthodologie est appliquée sur un bâtiment tertiaire à savoir un immeuble de bureaux.

Dans le premier chapitre, nous présentons l'état de l'art des bâtiments à basse consommation d'énergie et à énergie positive, dans le but de dresser un bilan de connaissances sur le contexte énergétique français, sur les labels mis en place en France et à l'étranger, sur les projets réalisés et sur les techniques utilisées pour concevoir des bâtiments à basse consommation d'énergie.

Ensuite, nous nous focalisons dans le second chapitre, sur le développement de modèles numérique nécessaires à l'élaboration de la méthodologie. Les modèles sont développés dans l'environnement MATLAB/SIMULINK et intégrés dans la bibliothèque SIMBAD, dédiée à la simulation numérique en thermique du bâtiment afin de participer à son développement. De plus, nous présentons des études d'évaluation énergétiques de systèmes spécifiques aux bâtiments à basse consommation d'énergie qui illustrent l'utilisation des modèles numériques développés.

Un cas d'étude est défini dans le troisième chapitre ainsi que les contextes climatiques à considérer, les principes de base de la méthode des plans d'expériences et un exemple de son application. Le cas d'étude considéré est un immeuble de bureaux, nommé Beethoven, dont les caractéristiques de base seront choisies selon les exigences de la réglementation thermique. Ces caractéristiques constituent la configuration de référence qui est améliorée en suivant la méthodologie développée. L'analyse des huit zones climatiques définies par la réglementation thermique et l'évaluation des performances énergétiques du bâtiment pour la configuration de référence par rapport à ces climats, permettent de sélectionner trois climats représentatifs pour la suite du travail. Enfin, un exemple d'application de la méthode des plans d'expériences pour une optimisation énergétique de la configuration de référence permet de justifier le choix de cette méthode.

Le début du quatrième chapitre est consacré au développement des modèles polynômiaux pour l'évaluation des performances énergétique et du confort thermique d'été du bâtiment Beethoven. Nous débutons ce chapitre par une évaluation des limites de la méthode des plans d'expériences pour déterminer ces modèles polynômiaux. Il en découle une méthodologie générale d'application de la méthode des plans d'expériences afin de développer des modèles polynômiaux pour réaliser des études de conception de bâtiment à basse consommation d'énergie. Ensuite, nous effectuons, à l'aide de ces modèles, une étude de sensibilité pour le bâtiment Beethoven et une analyse de solutions pour concevoir un bâtiment à basse consommation d'énergie selon divers critères énergétiques.

Dans le dernier chapitre, nous présentons un exemple d'application des modèles polynômiaux développés pour identifier des solutions pour la conception de l'enveloppe et des systèmes du bâtiment Beethoven, afin d'obtenir un bâtiment à basse consommation d'énergie, selon les critères du label Français Effinergie et du label Allemand Passivhaus. Les configurations basse consommation d'énergie obtenues sont comparées par rapport à la configuration de référence en termes de performances énergétiques, de confort thermique d'été et d'émissions CO2.

La méthodologie que nous proposons permet d'identifier, de manière simple et rapide, des solutions pour concevoir des bâtiments à basse consommation d'énergie. Les solutions sont sélectionnées à l'aide d'abaques définis avec les modèles polynomiaux développés. Le niveau de précision constaté par rapport à la simulation numérique est appréciable. Le choix des solutions est effectué parmi des millions de configurations de facteurs, déterminées à l'aide des modèles polynômiaux. La détermination de toutes ces configurations serait difficile voire impossible à réaliser directement à l'aide de la simulation numérique, sans avoir recours à des modèles polynomiaux, d'où l'avantage d'une telle méthodologie.

Enfin, cette méthodologie constitue une base robuste pour le développement d'outils d'aide à la décision, destinés aux différents acteurs du secteur du bâtiment pour la conception des bâtiments neufs et la rénovation thermique des bâtiments existants, selon les critères des bâtiments à basse consommation d'énergie.

Le secteur du bâtiment est considéré comme un gros consommateur d'énergie et une source de pollution majeure parmi tous les secteurs économiques. Il représente entre 16 et 50 pour cent des consommations nationales d'énergie. La réduction de ces consommations et des émissions est donc une étape importante vers un développement durable. Récemment, la transition vers la construction des bâtiments à faible consommation d’énergie a conduit à de nouvelles exigences en matière de performance et de durabilité, et ainsi encore complexifié le processus de conception des bâtiments. Le comportement des occupants est maintenant considéré comme un facteur déterminant de la performance énergétique d’un bâtiment, particulièrement dans le cas des bâtiments basse consommation (BBC). Pourtant, les outils de simulation utilisés dans l'industrie des bâtiments ne sont pas aujourd'hui en mesure de fournir des estimations fiables de la demande d'énergie des occupants. Par conséquent, les experts en énergie et bâtiments portent une grande attention à développer des méthodes plus précises pour la modélisation et la prévision de l’influence des occupants sur la performance du bâtiment. Ces modèles doivent pouvoir fournir des estimations plus précises des consommations d’énergie et évaluer la variabilité de ces consommations. En conséquence, l’objectif visé est de permettre aux experts en construction d’améliorer leurs solutions techniques, améliorer la performance de leurs services, et promouvoir des incitations mieux ciblées vers les usagers afin de réduire leurs consommations énergétiques. L'objectif de cette thèse est de proposer un modèle pour estimer la consommation d'énergie liée aux comportements des occupants de bâtiments résidentiels, en prenant en compte la variabilité des modes de consommation au travers de la diversité des profils socio-démographiques et économiques des occupants. Une approche stochastique basée sur la notion d’activité est donc adoptée. Avec ce modèle, la consommation d'énergie d'un ménage est estimée en additionnant la consommation d'énergie des différentes activités domestiques (comme faire la cuisine, le lavage du linge, etc.). La nature stochastique du modèle est due aux relations probabilistes établies entre les attributs des ménages d'une part (type de ménage, nombre d'occupants, etc.) et la possession des équipements domestiques, les caractéristiques des appareils, leur puissance, et les quantités d'activité d’autre part. Afin d'établir ces relations stochastiques, un nombre suffisant d'attributs est pris en compte pour caractériser un ménage. Le modèle proposé a été appliqué pour deux activités domestiques, à savoir regarder la télévision et laver le linge. Des simulations de Monte Carlo sont effectuées pour fournir des estimations de consommation d'énergie pour ces deux activités dans trois cas de figure : pour un ménage spécifique, pour des ménages générés aléatoirement avec des contraintes sur leurs attributs, et pour des ménages totalement aléatoires représentatifs de la population française. Une comparaison entre les résultats de la simulation de modèle d’une part et des données de consommation d'énergie réelle d’autre part, a permis de valider le modèle pour les deux activités considérées. Un cadre de généralisation du modèle pour d'autres activités domestiques a été introduit, et sa possible intégration dans le processus de conception des bâtiments a été discutée et illustrée au travers d’un certain nombre d’exemples
Résumé en Anglais : The building sector is considered as a major energy consumer and pollution source among all economic sectors. It accounts for important shares, ranging between 16 and 50 percent, of national energy consumption worldwide. Reducing these consumptions and emissions is thus an important step towards sustainable development. Recently, the shift towards constructing low-consuming and nearly zero-energy buildings lead to further requirements with regard to performance and sustainability, and thus caused the design process of buildings to be more complex. Occupants’ behavior is now considered as a key determinant of building’s energy performance especially in the case of green buildings. Yet, energy simulation tools used in buildings industry nowadays are not capable of providing accurate estimations of occupant-related energy demands. Therefore, buildings and energy experts are devoting considerable efforts on developing more precise methods for modeling and forecasting occupants influence on whole building performance. Such models can provide accurate energy estimates and can assess future consumption variability. Consequently, building experts may improve their technical solutions, ameliorate their service performances, and promote targeted incentives. The objective of this dissertation is to propose a model for forecasting occupant-related energy consumption in residential buildings, while accounting for variability in consumption patterns due to diversity in occupants’ socio-demographic and economic profiles. A stochastic activity-based approach is thus adopted. By activity-based, it means that energy consumption of a household is estimated by summing up the energy use of different activities performed (such as cooking, washing clothes, etc.). The stochastic nature of the model is due to the probabilistic mapping established between household attributes from one side (household type, number of occupants, etc.) and the corresponding appliance ownership, appliance characteristics and power rating, and activity quantities from the other side. In order to establish these stochastic relations, a fairly sufficient number of households’ characterizing attributes is taken into account. The proposed model is applied for two domestic activities, namely watching TV and washing laundry. Three types of Monte Carlo simulations are performed to provide energy estimates for these two activities: for a given specified household, for randomly generated households with constraints, and for totally random population-wise households. A comparison between model’s simulation results and real measured energy consumption data enables validating the model for the two considered activities. A generalization framework of the modeling approach for other domestic activities is sketched, and its possible integration into buildings design process is discussed and illustrated through a number of examples

Ce travail propose un modèle thermique dynamique des appareils électriques dans les bâtiments basse consommation. L'objectif de ce travail est d'étudier l'influence des gains thermiques de ces appareils sur le bâtiment. Cette étude insiste sur la nécessité d'établir un modèle thermique dynamique des appareils électriques pour une meilleure gestion de l'énergie du bâtiment et le confort thermique de ses habitants.Comme il existe des interactions thermiques entre le bâtiment et les appareils électriques, sources de chaleur internes au bâtiment, il est nécessaire de modéliser le bâtiment. Le bâtiment basse consommation est modélisé dans un premier temps par un modèle simple reposantl'étude d'une pièce quasi-adiabatique. Ensuite, dans le but d'établir le modèle des appareils électriques, ceux-ci sont classés en quatre catégories selon leurs propriétés thermiques et électriques. A partir de cette classification et du premier principe de la thermodynamique, un modèle physique générique est établi. Le protocole expérimental et la procédure d'identification des paramètres thermiques des appareils sont ensuite présentés. Afin d'analyser la pertinence du modèle générique appliqué à des cas pratiques, plusieurs appareils électriques utilisés fréquemment dans les résidences – un écran, un ordinateur, un réfrigérateur, un radiateur électrique à convection et un micro-onde – sont choisis pour étudier et valider ce modèle ainsi que les protocoles d'expérimentation et d'identification. Enfin, le modèle proposé est intégré dans le modèle d'un bâtiment résidentiel développé et validé par le CSTB. Ce modèle couplé des appareils et du bâtiment est implémenté dans SIMBAD, un outil de simulation du bâtiment. A travers cette simulation, le comportement thermique du bâtiment et la quantité d'énergie nécessaire à son chauffage sur une période hivernale, ainsi que l'inconfort thermique dû aux appareils électriques durant l'été, sont observés.Ce travail fournit des résultats quantitatifs de l'effet thermique de différents appareils électriques caractérisés dans un bâtiment basse consommation et permet d'observer leur dynamique thermique et leurs interactions. Finalement, cette étude apporte une contribution aux études de gestion de l'énergie des bâtiments à basse consommation énergétique et du confort thermique des habitants
This work proposes a dynamic thermal model of electrical appliances within low energy buildings. It aims to evaluate the influence of thermal gains of these appliances on the buildings and persuades the necessity of dynamic thermal modeling of electrical appliances for the energy management of low energy buildings and the thermal comfort of inhabitants.Since electrical appliances are one of the free internal heat sources of a building, the building which thermally interact with the appliances has to be modeled. Accordingly, a test room which represents a small scale laboratory set-up of a low energy building is first modeled based on the first thermodynamics principle and the thermal-electrical analogy. Then, in order to establish the thermal modeling of electrical appliances, the appliances are classified into four categories from thermal and electrical points of view. After that, a generic physically driven thermal model of the appliances is derived. It is established based also on the first thermodynamics principle. Along with this modeling, the used experimental protocol and the used identification procedure are presented to estimate the thermal parameters of the appliances. In order to analyze the relevance of the proposed generic model applied to practical cases, several electrical appliances which are widely used in residential buildings, namely a monitor, a computer, a refrigerator, a portable electric convection heater, and microwave are chosen to study and validate the proposed generic model and the measurement and identification protocols. Finally, the proposed dynamic thermal model of electrical appliances is integrated into a residential building model which was developed and validated by the French Technical Research Center for Building (CSTB) on a real building. This coupled model of the appliances and the building is implemented in a building energy simulation tool SIMBAD, which is a specific toolbox of Matlab/Simulink®. Through the simulation, thermal behavior and heating energy use of the building are observed during a winter period. In addition, thermal discomfort owing to usages of electrical appliances during a summer period is also studied and quantified.This work therefore provides the quantitative results of thermal effect of differently characterized electrical appliances within a low energy building and leads to observe their thermal dynamics and interactions. Consequently, it permits the energy management of low energy buildings and the thermal comfort of inhabitants in accordance with the usages of electrical appliances

En France, à partir de 2012, tous les bâtiments neufs devront répondre aux critères de basse consommation, c'est-à-dire qu'ils devront consommer moins de 50 kW.h/(m².an) en énergie primaire pour le chauffage, le refroidissement, la ventilation, la production d'eau chaude sanitaire et l'éclairage (à moduler selon la région et l'altitude). La simulation numérique a un rôle important à jouer pour atteindre cet objectif.
Les environnements de simulation énergétique existants ont été conçus pour des bâtiments classiques pour lesquels les consommations sont beaucoup plus importantes que celles fixées pour 2012, il faut donc voir si les modèles mais aussi les méthodes de simulations utilisés correspondent toujours aux spécificités de ces nouveaux bâtiments. L'objectif de ce travail est de montrer l'intérêt d'utiliser un environnement de simulation basé sur les systèmes d'équations pour étudier le comportement énergétique des bâtiments basse consommation.
Pour cela, plusieurs modèles ont été implémentés dans l'environnement SIMSPARK. Il s'agit d'un modèle de matériau à changement de phase, d'un modèle de prise en compte du rayonnement de courtes longueurs d'onde par calcul de la tache solaire et d'un modèle d'échangeur air-sol. Ils ont été intégrés dans un modèle global de bâtiment basse consommation ce qui a permis de montrer les avantages de l'environnement de simulation utilisé. Le fait qu'il soit orienté objet permet de valider indépendamment les nouveaux modèles puis de les intégrer facilement à un modèle de niveau hiérarchique supérieur. Le fait qu'il soit basé sur les systèmes d'équations a permis grâce à la non orientation a priori du modèle d'inverser le sens de résolution de plusieurs problèmes dans une simulation dynamique. Enfin, la robustesse des méthodes de résolution utilisées a été éprouvée.

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 porte sur l'étude et le développement d'un système innovant de ventilation et de chauffage au bois dans les habitations à basse consommation d'énergie, qui sont appelées à devenir la référence constructive en France dès 2015. Dans ces habitations fortement isolées et particulièrement étanches à l'air, les besoins de chauffage sont très faibles et peuvent être couverts par une source de chaleur d'origine renouvelable, telle que le bois énergie. En outre, l'utilisation d'une ventilation performante s'impose comme étant un critère essentiel pour assurer la bonne qualité de l'air intérieur et peut même devenir l'unique vecteur de chauffage en apportant l'appoint de chaleur sur l'air insufflé dans les différentes pièces de l'habitation. Le système présenté dans cette étude propose ainsi de combiner les avantages d'un appareil de chauffage au bois de petite puissance, ici un poêle à granulés de bois, et ceux d'une ventilation à récupération de chaleur sur l'air extrait, grâce à un conduit échangeur intégré à la cheminée du poêle et relié au réseau de soufflage de la ventilation. Développé en partenariat avec l'industriel POUJOULAT, spécialisé dans la fabrication de conduits de cheminée métalliques, ce conduit échangeur permet de récupérer sur l'air neuf une partie de la chaleur initialement perdue par les fumées et de la distribuer dans toutes des zones de vie de l'habitation, même les plus éloignées de l'appareil au bois. Après avoir défini la configuration de couplage à adopter pour assurer le bon fonctionnement de l'ensemble et garantir à la fois la sécurité et le confort des occupants, les performances de plusieurs prototypes de conduit échangeur sont caractérisées expérimentalement. Les résultats obtenus lors des essais en laboratoire permettent alors d'orienter l'évolution des prochains prototypes et de souligner la nécessité de travailler avec un poêle à granulés de bois dont le cycle de combustion est étanche. Un modèle mathématique est également développé pour prédire les performances du dernier prototype de conduit échangeur à triple paroi non isolé sur sa surface extérieure et sa validation est obtenue suite au bon accord entre les résultats calculés et ceux mesurés lors des essais. L'ensemble du système combiné est ensuite installé dans deux habitations à basse consommation d'énergie situées près de Poitiers. L'exploitation des températures et des consommations recueillies pendant la première saison de chauffe montre la bonne tenue du système combiné, ses limites, ainsi que ses conditions d'appropriation par les occupants, dont le comportement apparaît jouer un rôle prédominant dans la réduction des consommations énergétiques.

Dans cette thèse, une méthode de résolution de problèmes de commande optimale non linéaires sous contraintes d'état et de commande. Cette méthode repose sur l'adaptation des méthodes de points intérieurs, utilisées en optimisation de dimension finie, à la commande optimale. Un choix constructif de fonctions de pénalisation intérieure est fourni dans cette thèse. On montre que ce choix permet d'approcher la solution d'un problème de commande optimale sous contraintes en résolvant une suite de problèmes de commande optimale sans contraintes dont les solutions sont simplement caractérisées par les conditions de stationnarité du calcul des variations.Deux études dans le domaine de la gestion de l'énergie dans les bâtiments sont ensuite conduites. La première consiste à quantifier la durée maximale d'effacement quotidien du chauffage permettant de maintenir la température intérieure dans une certaine bande de confort, et ce pour différents types de bâtiments classés de mal à bien isolés. La seconde étude se concentre sur les bâtiments BBC et consiste à quantifier la capacité de ces bâtiments à réaliser des effacements électriques complets du chauffage de 6h00 à 22h00 tout en maintenant, là encore, la température intérieure dans une bande de confort. Cette étude est réalisée sur l'ensemble de la saison de chauffe.

Le recours à la simulation est décisif dans le processus de conception d'un bâtiment neuf. Elle permet d'évaluer différentes alternatives au regard de la performance énergétique et du confort des occupants et constitue ainsi un outil d'aide à la décision incontournable. Aujourd'hui la question de la fiabilité des codes de simulation n'est pas à négliger. L'augmentation des performances énergétiques des bâtiments, pourrait mettre en défaut un certain nombre d'hypothèses de modélisation généralement admises pour les bâtiments standards du fait de la prépondérance nouvelle de phénomènes physiques jusqu'alors négligés ou mal pris en compte. Dans le même temps on s'intéresse de plus en plus à la garantie de performance qui consiste à vérifier que les performances énergétiques réelles sont bien en adéquation avec les objectifs fixés lors de la conception or il est souvent constaté des erreurs entre consommation mesurée et estimée compte tenu des incertitudes liées notamment à la mise œuvre, aux occupants et aux conditions météorologiques. L'augmentation des exigences de précision des calculs qui en résulte rend essentiel d'apprécier les incertitudes associées à ces prévisions afin d'améliorer le processus de construction et d'évaluation. Les travaux de cette thèse portent en particulier sur l'évaluation et la hiérarchisation des incertitudes sur les résultats des simulations en phase de conception. Une méthodologie a été développée basée en trois temps qui permet d'identifier les paramètres de conception les plus influents sur la performance énergétique d'un bâtiment et de rendre compte des effets de l'incertitude associée à ces paramètres sur cette même performance. La première étape consiste à identifier parmi l'ensemble des paramètres du modèle ceux qui ont une influence sur le résultat qui nous intéresse. Celle-ci est assurée au moyen d'une analyse de sensibilité locale du modèle. La deuxième étape consiste à évaluer les incertitudes associées à ces paramètres les plus influents afin de propager cette incertitude dans le code de calcul et évaluer l'incertitude sur le résultat. Cette étape est effectuée au moyen d'approches probabilistes de type Monte Carlo. Nous ajoutons une troisième étape de manière à évaluer la responsabilité de chacun des paramètres sur les incertitudes associées au résultat. Cette information est cruciale pour l'utilisateur. Cette dernière étape est traitée au moyen d'une analyse de sensibilité globale sur un jeu de paramètres réduit. Nous nous sommes appuyés sur la plateforme expérimentale INCAS située à l'INES au Bourget du Lac (73) pour identifier les incertitudes de mesure mais aussi les incertitudes dont les hypothèses de modélisation font l'objet. Cette méthodologie pourra être utilisée durant tout le processus de conception d'un bâtiment, des premières esquisses à son exploitation. En phase de conception, cette méthodologie permettra d'orienter les choix architecturaux en évitant des options dont la fiabilité des résultats est incertaine. En phase d'exploitation, elle permettra d'identifier les points de mesure les plus pertinents, afin de réduire l'incertitude des paramètres les plus influents pour effectuer un diagnostic énergétique plus fiable du bâtiment. Elle pourra aussi s'étendre aux incertitudes liées aux occupants et aux conditions météorologiques.

Les normes de construction pour des bâtiments de plus en plus économes en énergie (BBC) nécessitent une attention particulière. Ces normes reposent sur l’amélioration des performances thermiques de l’enveloppe du bâtiment associé à un effet capacitif des murs augmentant la constante de temps du bâtiment. La prévision de la demande en énergie de bâtiments BBC est plutôt complexe. Ce travail aborde cette question par la mise en œuvre d’intelligence artificielle(IA). Deux approches de mise en œuvre ont été proposées : « all data » et « relevant data ». L’approche « all data » utilise la totalité de la base de données. L’approche « relevant data » consiste à extraire de la base de données un jeu de données représentant le mieux possible les prévisions météorologiques en incluant les phénomènes inertiels. Pour cette extraction, quatre modes de sélection ont été étudiés : le degré jour (HDD), une modification du degré jour (mHDD) et des techniques de reconnaissance de chemin : distance de Fréchet (FD) et déformation temporelle dynamique (DTW). Quatre techniques IA sont mises en œuvre : réseau de neurones (ANN), machine à support de vecteurs (SVM), arbre de décision (DT) et technique de forêt aléatoire (RF). Dans un premier temps, six bâtiments ont été numériquement simulés (de consommation entre 86 kWh/m².an à 25 kWh/m².an) : l’approche « relevant data » reposant sur le couple (DTW, SVM) donne les prévisions avec le moins d’erreur. L’approche « relevant data » (DTW, SVM) sur les mesures du bâtiment de l’Ecole des Mines de Nantes reste performante
High-energy efficiency building standards (as Low energy building LEB) to improve building consumption have drawn significant attention. Building standards is basically focused on improving thermal performance of envelope and high heat capacity thus creating a higher thermal inertia. However, LEB concept introduces alarge time constant as well as large heat capacity resulting in a slower rate of heat transfer between interior of building and outdoor environment. Therefore, it is challenging to estimate and predict thermal energy demand for such LEBs. This work focuses on artificial intelligence (AI) models to predict energy consumptionof LEBs. We consider two kinds of AI modeling approaches: “all data” and “relevant data”. The “all data” uses all available data and “relevant data” uses a small representative day dataset and addresses the complexity of building non-linear dynamics by introducing past day climatic impacts behavior. This extraction is based on either simple physical understanding: Heating Degree Day (HDD), modified HDD or pattern recognition methods: Frechet Distance and Dynamic Time Warping (DTW). Four AI techniques have been considered: Artificial Neural Network (ANN), Support Vector Machine (SVM), Boosted Ensemble Decision Tree (BEDT) and Random forest (RF). In a first part, numerical simulations for six buildings (heat demand in the range [25 – 85 kWh/m².yr]) have been performed. The approach “relevant data” with (DTW, SVM) shows the best results. Real data of the building “Ecole des Mines de Nantes” proves the approach is still relevant

Cette thèse développe les connaissances scientifiques sur l’origine et le comportement des polluants intérieurs en phases gazeuse et particulaire. Une description complète des processus physiques contrôlant les concentrations de polluants en air intérieur dans une pièce inoccupée et non meublée a été réalisée. En utilisant des paramètres bien quantifiés (taux de renouvellement d’air, facteur de pénétration et vitesse de dépôt), nous avons pu appliquer un modèle de bilan massique aux particules. Les résultats ont montré que, en l’absence significative de sources intérieures, une caractérisation fine des paramètres ci-dessus permettait de décrire de manière satisfaisante les concentrations intérieures en PM2.5 et PM10 à partir des données extérieures, tandis que les PM1 montrent une variabilité significativement plus marquée due aux transformations physicochimiques. Par la suite, les composés organiques volatils (COV) et la composition chimique des particules submicroniques ont été mesurés en temps réel lors d’une campagne intensive. Un enrichissement important des concentrations en COV a été observé lorsque l’air ambiant pénètre à l’intérieur du bâtiment, en particulier pour les COV oxygénés qui présentent une dépendance significative avec l’humidité relative, tandis que pour les particules les changements observés dépendent de leur composition chimique et de leur diamètre, montrant une diminution de 20% pour les PM1 à 86% pour les plus grosses particules (>5 μm). L’excès d’ammonium observé dans les deux environnements a permis de déconvoluer les nitrates organiques des inorganiques, ceux-ci présentant une dépendance plus forte avec la température, révélant une décomposition thermique plus importante en air intérieur. En résumé, l’environnement intérieur agit principalement comme une source d’émissions continues de COV, alors qu’une tendance inverse est observé pour les particules, du fait de transformations possibles pouvant se produire même dans les conditions les plus simples, sans occupant ni mobilier
This thesis improves the scientific knowledge on the origin, behavior and fate of gas and particle-phase pollutants indoors under unoccupied unfurnished conditions. A first campaign provided a complete description of the physical processes controlling the indoor concentrations. Using well quantified parameters (air exchange rate, penetration factor and deposition rate), a mass balance model provided insights for the particle budget closure. The results showed that when indoor sources are not significant, a careful characterization of the abovementioned parameters allows to estimate PM2.5 and PM10 in a satisfying manner from outdoor data. However the PM1 fraction shows a significantly higher variability due to physicochemical transformations. Subsequently, a second intensive campaign was performed to investigate volatile organic compounds (VOC) and PM1 chemical composition in real time. A strong increase in VOC concentrations was observed when outdoor air penetrates indoors, especially oxygenated VOC which exhibited a significant dependence on relative humidity, while the changes observed for particles once indoors depend on their chemical composition and diameter, showing a decrease from 20% for submicron particles up to, 86% for large ones (>5. µm). The investigation of ammonium neutralization revealed an excess of ammonium indoors and outdoors, which is attributed to organic- in addition to inorganic-bonded ammonium nitrate. The latter showed a stronger dependency on temperature gradient from outdoors to indoors, revealing stronger thermal decomposition once indoors. In summary, the indoor environment acts mainly as a continuous emission source of VOCs, while the opposite trend is observed the particles due to possible transformations that can occur even under the simplest conditions, with no occupants and no furnishing

La conception des bâtiments à faible consommation d'énergie est devenue un enjeu très important dans le but de réduire au maximum la consommation d'énergie et les émissions de gaz à effet de serre associées. Pour y arriver, il est indispensable de connaître les sources potentielles de biais et d'incertitude dans le domaine de la modélisation thermique des bâtiments d'un part, et de les caractériser et les évaluer d'autre part.Pour répondre aux exigences courantes en termes de fiabilité des prévisions du comportement thermique des bâtiments, nous avons essayé dans le cadre de cette thèse de quantifier les incertitudes liés à des paramètres influents, de proposer une technique de diagnostic de l'enveloppe, propager les incertitudes via une méthode ensembliste sur un modèle simplifié et puis proposer une démarche permettant d'identifier les paramètres de modélisation les plus influents et d'évaluer leur effet sur les performances énergétiques avec le moindre coût en termes de simulations.

Dans un contexte d’économie d’énergie et de réduction des émissions de gaz à effet de serre, de nombreux efforts ont été réalisés en France pour renforcer l’isolation de l’enveloppe des bâtiments afin de contribuer à réduire les consommations de chauffage. Toutefois, il arrive souvent que la performance thermique calculée avant construction ou rénovation ne soit pas atteinte sur le terrain (erreur de calcul, défauts de mise en œuvre, etc.). Or, pour pouvoir généraliser la construction de bâtiments à basse consommation et la rénovation, il faut pouvoir garantir aux maîtres d'ouvrage une performance réelle de leur bâtiment après travaux. Le fait de mesurer in situ la performance intrinsèque d'isolation thermique de l'enveloppe permet de contribuer à cette garantie. Il existe à l’échelle internationale de nombreuses méthodes basées sur le suivi des consommations et des conditions thermiques intérieures et extérieures. Certaines ont déjà fait leurs preuves sur le terrain, mais sont souvent soit contraignantes, soit peu précises. Et surtout, les calculs d’incertitude associés sont souvent rudimentaires. L’objectif de ce travail financé par le CSTB est de consolider scientifiquement une nouvelle méthode de mesure de la qualité d’isolation globale d’un bâtiment à réception des travaux (méthode ISABELE). Dans le premier chapitre, un état de l'art sur les méthodes existantes a été réalisé afin de dégager des pistes d'amélioration sur la base d'une synthèse comparative. La piste prioritaire identifiée porte sur le calcul d'incertitude (un point central du problème). La propagation des erreurs aléatoires par un approche bayésienne ainsi que des erreurs systématiques par une approche plus classique feront l'objet de la méthodologie globale proposée dans le second chapitre. L'une des importantes sources d'incertitude porte sur l'évaluation du débit d'infiltration. La caractérisation de cette incertitude et de l'impact sur le résultat de mesure fera l'objet du troisième chapitre, avec un comparatif de différentes approches expérimentales (règle du pouce, modèles aérauliques, gaz traceur). Enfin, une amélioration de la prise en compte de la dynamique thermique du bâtiment au cours du test sera proposée dans le dernier chapitre. Son fondement repose sur l'adaptation du modèle thermique inverse en fonction du bâtiment et des conditions du test. Pour cela, une sélection parmi une banque de modèles simplifiés est réalisée sur la base de critères statistiques et du principe de parcimonie. Ces différentes dispositions ont été testés sur une large série de mesures menées sur un même bâtiment à ossature bois (chalet OPTIMOB). La robustesse et la précision du résultat de mesure ont ainsi pu être légèrement améliorées. La méthode de calcul du débit d'infiltration, ni trop simple ni trop complexe, a pu également être validée. Enfin, le temps de mesure minimal nécessaire a pu être déterminé en fonction de la classe d'inertie du bâtiment
The global context of energy savings and greenhouse gases emissions control led to significant efforts in France to boost the thermal insulation in buildings in order to reduce heating consumption. Nevertheless, the stated thermal performance before construction or refurbishment is rarely achieved in practice, for many reasons (calculation errors, defects in materials or workmanship, etc.). Yet, guaranteeing the real thermal performance of buildings on the spot is crucial to enhance the refurbishment market and the construction of energy efficient buildings. To do so, measurement techniques of the intrinsinc thermal insulation performance indicators are needed. Such techniques already exist worldwide, and consist in processing the measurement data from the indoor and outdoor thermal conditions and the heat consumption. Some of them have already proved themselves in the field, but are either binding or very imprecise. And above all, the related uncertainty calculations are often rough. The objective of this thesis funded by CSTB is to consolidate a novel measurement method of the thermal insulation quality of a whole building after reception of work (ISABELE method). In the first chapter, a state of the art of the existing methods allows to identify possible ways to pursue this goal from a comparative synthesis. The primary reflection is about the uncertainty calculation method (which is a central issue). The second chapter presents a global methodology to combine the propagation of random and systematic errors from bayesian and classical approaches. One of the most important uncertainty sources deals with the infiltration air flow evaluation during the test. The third chapter investigates the characterization of this uncertainty, as well as its impact on the final result, depending on the chosen experimental approach (rule of thumb, simplified aeraulic models, tracer gases). Lastly, an improvement of the inclusion of the bluiding thermal dynamics during the test will be proposed in the last chapter. The basis of this improvement is to adapt the inverse model according to the building type and the test conditions. To do so, the proposed algorithm selects a model form a variety of simplified greybox models based on statistical criteria and parcimony. All these contributions have been tested on a large serie of measurements on a same timber-framed building (OPTIMOB shed). The robustness and precision of the results have been slightly improved. The intial infiltration air flow calculation, neither too simple of too complicated, has also been validated. Finaly, a better ordrer of magnitude of the minimal test duration has been determined, depending on the building inertia

Cette thèse exploratoire pose les bases scientifiques et méthodologiques d’une approche transversale visant à étudier l’énergétique urbaine et le bio-climatisme. Elle fait appel à des concepts et des outils de l’architecture et l’urbanisme, et à la physique du bâtiment et de la ville. Cette thèse étudie les relations entre la morphologie urbaine et les processus aérodynamiques qui se développent dans la canopée urbaine et leurs effets sur la demande énergétique des bâtiments induite par les infiltrations d’air et les échanges thermiques convectifs. Les spécificités de l’aérodynamique et de la physique urbaines sont d’abord synthétisées et la morphologie de tissus urbains réels est analysée. Une typologie générique de bâtiments isolés et une autre d’îlots urbains en sont déduites. Le modèle CFD est ensuite validé par comparaison des prédictions du modèle avec des résultats expérimentaux et numériques, et des expérimentations numériques sont réalisées sur les différents types morphologiques. Les écoulements moyens sont analysés dans leurs rapports avec la morphologie bâtie, et la distribution des coefficients de pression sur les façades des bâtiments est analysée. Ensuite, les échanges thermiques sont couplés aux processus aérodynamiques. L’amélioration des estimations des échanges convectifs des bâtiments grâce à la CFD est vérifiée par comparaison des résultats de simulation avec des données expérimentales et numériques, ainsi qu’avec les valeurs standard. Une adaptation des fonctions de paroi relatives au transfert thermique est proposée sur la base d’études existantes, et la distribution des échanges convectifs sur les façades de bâtiments est analysée. Enfin, la demande énergétique des bâtiments due aux infiltrations d’air et à la transmission de chaleur au travers de leur envelope est estimée pour différents types morphologiques, et comparée avec les valeurs estimées suivant une approche réglementaire. Les résultats de cette thèse mettent en évidence les effets des propriétés topologiques et métriques des bâtiments et ensembles bâtis sur le développement de recirculations d’air dans la canopée urbaine. Celles-ci induisent une distribution et intensité hétérogènes des coefficients de pression et d’échange convectif sur les façades des bâtiments, qui influent sur le comportement thermique des bâtiments non isolés et perméables à l’air. Par ailleurs, l’estimation de leur demande énergétique diffère suivant si celle-ci est basée sur les valeurs simulées ou standard des coefficients de pression et d’échange convectif. Cependant, l’influence relative de la structure bâtie sur la demande énergétique des bâtiments apparaît plus importante pour les bâtiments isolés thermiquement. La différence entre la demande énergétique par unité de surface de plancher, due aux infiltrations d’air et pertes thermiques au travers de l’enveloppe peut varier de 18% à 47% suivant si le bâtiment est isolé ou situé dans un environnement bâti
This thesis is an exploratory study that lays the scientific and methodological foundations of a transverse approach for studying urban energy and bio-climatic issues. This approach involves concepts and tools of building and urban physics as well as urban planning and architecture. It addresses the relations between urban morphology and aerodynamic processes, and studies their effects on the building energy loads due to infiltration and convective heat losses. This thesis is divided into three main parts. The first part synthesizes the specificities of urban aerodynamics and urban physics, and analyzes existing urban fabrics from a morphological point of view. Generic typologies of isolated buildings and urban blocks for small scale aerodynamic studies are deduced. The second part validates the computational fluid dynamics (CFD) model (steady RANS RSM) against detailed experimental and numerical data, and presents the numerical experiments performed on the different morphological types. Mean flow structures that develop according to the construction shape and built environment, as well as pressure distribution on the building outer walls are examined. The last part couples heat and air fluxes to evaluate the contribution of urban air flows on the building energy loads. The improvement brought by CFD to the assessment of building convective heat transfers is verified by comparing numerical results to experimental data, detailed numerical studies and standard correlations. An enhanced temperature wall-function adapted for forced convection problems is adjusted to the model based on existing studies, and the convective heat transfers distribution on building facades is analyzed. Finally, the building energy loads due to air infiltration and heat transmission are estimated for typical constructions and compared to standard values. The results of this thesis show strong effects of the topology and dimensionality of constructions and urban structures on the development of recirculation phenomena within the urban canopy layer. The related aerodynamic conditions yield heterogeneous pressure and convective heat transfer intensities and distributions on building facades, which depend upon the considered built morphology. Their effects on building energy loads are logically particularly important in absolute value for buildings that are neither insulated nor air tight. Nonetheless, the estimates of the building energy needs based on standard or simulated pressure and convective heat transfer coefficients often show substantial deviation. Focusing on the relative contribution of the built structure, the effects of the aerodynamic context appear more influential for insulated buildings. Essentially, switching from an exposed to a sheltered building may decrease the energy needs per surface unit of floor due to air infiltration and heat transmission through outer walls by 18% up to 47% according to simulation