Дисертації з теми "Bâtiments passifs"

L'efficacité de la ventilation est un paramètre qui est fortement lié à l'aspect climatique du site où le bâtiment est situé, à ses caractéristiques de construction et à la stratégie d'application des systèmes utilisés. Notre étude a porté sur l'application de la ventilation nocturne dans des bâtiments existants, afin d'examiner l’efficacité de cette technique dans les conditions réelles. En effectuant des analyses expérimentales et théoriques, nous avons essayé de déterminer 1' influence de la technique sur le comportement thermique des différents types de bâtiments afin d'évaluer, d'une certaine manière, ses limites d'application. Outre cela, 1' efficacité de la ventilation nocturne a été examinée avec différentes conditions climatiques et structures des bâtiments pour déterminer l'impact d'une variété des paramètres sur l'application de la technique. Un autre objectif de ce travail a été d'analyser le microclimat urbain et étudier dans quelle mesure et de quelle façon l'environnement urbain affecte la performance de la ventilation nocturne. A la fin de cette étude, nous avons évalué la précision d'une méthode simplifiée, utilisée pour déterminer l'efficacité de la technique, en modélisant les bâtiments expérimentaux, pour étudier 1' applicabilité de ces méthodes. Les résultats obtenus contribuent à la détermination des utilisations et/ou les limitations de 1' application de la ventilation nocturne au traitement des bâtiments
The efficiency of ventilation techniques is strongly related to the local climatic conditions, the building’s structural characteristics and the adopted strategy in each application of the technique. To investigate these applications and to examine thoroughly the degree of efficiency of night ventilation under real conditions, this study analyses and evaluates the results of a series of experiments that have been performed in full scale buildings. Experimental and theoretical studies have been performed to determine the impact of night ventilation on thermal behavior of various types of buildings and to evaluate, in a way, the application limits of this technique. Furthermore, night ventilation efficiency has been examined under different climatic circumstances and architectural structures in order to determine the influence of different parameters on the technique. Another objective that was met in this work was to analyze the urban micro-climate and to study how urban environment affects the performance of night ventilation. At the end of this work, a simplified method, which is used to determine the overall efficiency of night ventilation, has been validated, by simulating the experimental buildings, in order to examine the accuracy of this category of methods. The obtained results contribute to the overall understanding of the uses and/or limitations of night ventilation techniques, when applied in buildings

Dans le contexte du réchauffement climatique, les événements climatiques extrêmes tels que les canicules seront plus longs, plus fréquents et plus intenses. Ces canicules sont amplifiées en ville par le phénomène d'îlot de chaleur urbain et risquent d’impacter une majorité de la population mondiale puisque plus de la moitié des humains sur Terre vivent dans des zones urbaines, avec une augmentation au cours des dernières décennies. Par ailleurs, en Europe les bâtiments résidentiels sont actuellement très peu équipés de systèmes de climatisation et les avantages sociaux d'une augmentation du taux de pénétration des systèmes de climatisation sont discutables. Une majorité d’humain risque donc d’être vulnérable face aux canicules à venir. Ce constat révèle la nécessité de répondre à la problématique suivante : comment évaluer les performances des bâtiments résidentiels urbains passifs pendant les canicules attendues durant les décennies à venir ? Cette thèse a consisté à définir les différents éléments d’un protocole d’évaluation permettant de répondre à cette problématique. Tout d’abord des outils de simulations pertinents ont été définis. Ces outils ont été confrontés avec des mesures in-situ réalisées à Lyon pendant l’été 2020. La confrontation révèle que les outils modélisent avec précision les ambiances thermiques intérieures des bâtiments résidentiels urbains passifs. Ensuite une méthodologie a été développée pour constituer des jeux de données météorologiques de canicules, qui soient représentatifs de la diversité des canicules que pourraient subir les bâtiments durant les décennies à venir. Des travaux de recensement bibliographiques ont été menés afin d’identifier des indicateurs pertinents pour évaluer la sensation de chaleur dans les ambiances intérieures des bâtiments. Pour finir, le protocole d’évaluation a été testé pour 4 cas d’étude situés dans la ville de Lyon. Les résultats montrent que les performances des bâtiments sont variées vis-à-vis de la diversité des canicules à venir. Certaines canicules sont problématiques puisqu’elles entraînent des sensations thermiques extrêmes à l’intérieur des bâtiments. Pour d’autres canicules, les bâtiments testés sont toujours capables d’offrir des ambiances intérieures saines
In the context of global warming, extreme weather events such as heatwaves will be longer, more frequent and more intense. These heatwaves are amplified in cities by the urban heat island phenomenon and are likely to affect a majority of the world's population since more than half of the world's people live in urban areas, with an increase in recent decades. Furthermore, residential buildings in Europe are currently very poorly equipped with air conditioning systems and the social benefits of increasing the penetration rate of air conditioning systems are questionable. A majority of people are therefore likely to be vulnerable to future heat waves. This observation reveals the need to address the following problem: how to assess the performance of passive urban residential buildings during the heatwaves expected in the coming decades? This thesis consisted in defining the different elements of an evaluation protocol to answer this problem. First of all, relevant simulation tools were defined. These tools were compared with in-situ measurements carried out in Lyon during the summer of 2020. The comparison reveals that the tools accurately model the indoor thermal environments of passive urban residential buildings. A methodology was then developed to create heatwave meteorological data sets that are representative of the diversity of heatwaves that buildings could experience in the coming decades. Bibliographic research was carried out to identify relevant indicators for assessing the sensation of heat in the indoor environment of buildings. Finally, the evaluation protocol was tested for 4 case studies located in the city of Lyon. The results show that building performances are varied with respect to the diversity of future heatwaves. Some heatwaves are problematic as they lead to extreme thermal sensations inside the buildings. For other heatwaves, the buildings tested are still able to provide healthy indoor environments

Afin de réduire l'impact environnemental des bâtiments, il est prioritaire de développer des stratégies nouvelles en termes d'isolation et d'exploittion des énergies renouvelables. De ce contexte s'est dégagée l'idée de concevoir, mettre en oeuvre et étudier un mur capteur de chaleur nouvelle génération semi-transparent associant une couche super-isolante (aérogel de silice) et une couche pour l'absoption, le stockage et la restitution de chaleur (Matériau à Changement de Phase). Ce mur a été caractérisé expérimentalement en ambiance contrôlée et in situ sur un bâtiment grandeur nature. Ses qualités en therme d'isolation thermique et de contribution aux apports énergétiques et lumineux ont été mises en évidence. Une limite d'utilisation du mur MCP-aérogel a été observée en été et sur une partie des intersaisons. Le MCP reste liquide d'une journée à l'autre, ce qui est causé par une restitution insuffisante de chaleur la uit engendrant à termes une surchauffe du bâtiment. Un modèle numérique du mur MCP-aérogel a été développé et validé. Ce modèle, couplé au logiciel de simulation dynamique des systme thermiques TRNSYS, a permis d'étudier le coportement du mur pour quatre climats et deux types de bâtiment (un bâtiment d'habitation : une maison "incas" de l'INES à Chabéry, et un bâtiment en évolution libre : la cellule test expérimentale du CEP à Sophia Antipolis). Ces études ont confirmé l'intérêt du mur MCP-aérogel pour l'amélioration des performances énergétiques du bâtiment
To reduce the environmental impact of buildings, it is a priority to develop new strategies concerning the insulation and the exploitation of the renewable energies. Xithin this context appeared the odea to design, to implement an to study a new generation of semi-transparent solar wall associating a super-insulating layer (silica aerogel) and a layer of a material ermitting the absorption, the storage and the restituion of heat (Phase Change Material). This wall was experimentally characterized in controlled atmosphere and in situ on a full-size building. Its qualities in terms of heat insulation and contribution to the energy balance and daylight were revealed. A limit of use pCM-aerogel wall was noticed in summer and on a part of the inter seasons. The PCM aerogel wallwas developed and validated. This model, coupled withTRNSYS, a software for the dynamic simulation of thermal systems, allowed to study the behavior of the wall for four cliamtesand two types of building (a residential building : an "Incas" house of the ines at Chambéry, and a building in free evolution : the experimental test cell of the CEP at Sophia Antipolis. These studies confirmed the interest of he MCP-aerogel wall for the improvement of the energy performances of the building

Le bâtiment est un des secteurs les plus énergivores au niveau mondial. Pour répondre à la demande des bâtiments résidentiels de manière décarbonée, l’énergie photovoltaïque est couramment utilisée. Cependant, le déphasage temporel entre la production photovoltaïque et la demande des habitations entraîne des périodes de surproduction. Le travail présenté ici cherche à estimer le potentiel des systèmes hydrogène-énergie pour rentabiliser ce surplus d’énergie.Pour cela, un modèle pouvant modéliser des profils de charge électrique, thermique et de production photovoltaïque cohérents, continus et variés est implémenté, paramétré et amélioré. À partir de ce modèle, des charges sont générées pour des habitations actuelles et à faible impact carbone (passives). Ce programme est couplé avec une modélisation de système multi-énergies pouvant simuler le comportement énergétique et dynamique de ces composants pour plusieurs échelles, architectures et usages de l’hydrogène. Enfin, des critères énergétiques, économiques et environnementales (à travers les émissions sur le cycle de vie) issus de la modélisation sont utilisés dans une optimisation pour étudier les performances de chaque cas d’études et les tendances de dimensionnement du système multi-énergies.Dans le cadre de notre étude, les résultats montrent que les performances sont variables selon les critères observés, l’architecture étudiée et le mix énergétique du réseau auquel il est raccordé. Sur l’utilisation de l’hydrogène produit pour fournir de l’électricité et de la chaleur (power-to-power), le système se démarque par l’énergie renouvelable qu’il apporte, mais n’est pas compétitif en termes de coût et d’émission avec le réseau électrique français. Cependant, du côté des émissions sur le cycle de vie, le système est viable pour la majorité des mix énergétiques européens. Pour la production d’hydrogène pour de la vente (power-to-gas), l’hydrogène produit n’est pas compétitif économiquement, sans aide financière, alors qu’en terme d’émission sur le cycle de vie, la production peut concurrencer différents usages (transport, industrie, etc.). Enfin, quand utilisé en tant que source d’énergie pour le chauffage, l’hydrogène doit avoir été produit de façon fortement décarbonée pour concurrencer les pompes à chaleur
Buildings are one of the world's most energy-intensive sectors. Photovoltaic energy is widely used to generate low-carbon power for residential buildings. However, the time lag between photovoltaic production and housing demand leads to periods of overproduction. The present work seeks to estimate the potential of hydrogen systems to capture this surplus energy.To this end, a model capable of modeling consistent, continuous and varied electrical, thermal and photovoltaic load profiles is implemented, parameterized and improved. Based on this model, loads are generated for current and low-carbon (passive) housing. This program is coupled with a multi-energy system model capable of simulating the energetic and dynamic behavior of these components for several scales, architects and uses of hydrogen. The energy, economic and environmental (through life-cycle emissions) performances resulting from the modeling are used in an optimization to study the performance of each case study and the sizing trends of the multi-energies system.In our study, the results show that performance varies according to the criteria observed, the architecture studied and the energy mix of the network to which it is connected. When it comes to using the hydrogen produced to supply electricity and heat (power-to-power), the system stands out for the renewable energy it provides, but is not competitive in terms of cost and emissions with the French electricity grid. However, in terms of life-cycle emissions, the system is viable for most European energy mixes. For the production of hydrogen for sale (power-to-gas), the hydrogen produced is not economically competitive without financial support. However, in terms of life-cycle emissions, production can compete with various uses (transport, industry, etc.). Finally, when used as an energy source for heating, hydrogen needs to be highly decarbonized to compete with heat pumps

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

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

Dans les pays de l’Afrique sub-saharienne, la situation énergétique, le fort taux d’accroissement des aires urbaines, l’inadaptation des techniques de construction et le climat offrent un grand potentiel pour la démarche bioclimatique et la construction durable notamment sur le plan énergétique. Cependant ce potentiel est faiblement exploré. Pour ce faire, cela passe par une bonne connaissance du comportement des bâtiments et par leur adaptation au contexte climatique. Dans le cadre de notre contribution à cette problématique, une étude sur le comportement thermique des bâtiments est initiée grâce à la simulation. En effet la simulation des performances énergétiques du bâtiment devient de plus en plus incontournable dans les processus de conception et d’analyse des bâtiments à travers le monde. Dans ce travail les outils de simulation des performances énergétiques ainsi que les outils d’optimisation sont utilisés pour mener des investigations sur un bâtiment type construit en matériaux conventionnels au Burkina Faso suivant deux principales approches. Dans la première approche le modèle numérique du bâtiment est confronté aux mesures issues de l’expérimentation sur le bâtiment réel. Une méthodologie de calibration basée sur l’analyse de sensibilité et l’optimisation des paramètres a été appliquée pour la comparaison des résultats. Cela a permis de caler le modèle et des études diagnostiques sont réalisées. Dans la seconde approche, des investigations sur des solutions d’amélioration des performances du bâtiment sont réalisées à travers l’application de la simulation dynamique comme outils d’aide à la conception. Les techniques d’interopérabilité et d’optimisation sont utilisées pour implémenter les solutions de refroidissement passif dont les impacts sur le bâtiment étudié sont évalués. Enfin dans ce travail, des techniques d’analyse du bâtiment et des critères de performance sont utilisées pour caractériser et formuler des recommandations sur la conception des bâtiments dans notre contexte climatique
In sub-Saharan African countries, the energy context, the high urban growth, inadequate construction techniques and climate offer great potential for bio-climatic approach and sustainable construction particularly on the energy level. However, this potential and the use of passive cooling techniques are weakly explored. To do so, it requires a good knowledge of building’s behaviour and their adaptation to the climatic context. As part of our contribution to this issue, a study on the thermal behaviour of buildings is initiated by numerical simulation. Indeed the building’s energy performance simulation tools are becoming more essential in the building’s design processes and analysis. Investigations are conducted on a building built with typical materials in Burkina Faso by following two main approaches. In the first approach a model of the building is faced with measurements from field experiments on the building. A calibration methodology based on the sensitivity analysis and optimization has been applied for the comparison of results. This helped to calibrate the model and diagnostic studies are performed.In the second approach, investigations on methods which can help to improve the building performance are realized through the application building performance simulation as a design aid tool. Interoperability and optimization techniques are used to deal with passive cooling techniques and their impacts on the building thermal behaviour are assessed. Finally in this work analysis techniques and performance criteria are used to characterize and make recommendations on building designs for the tropical climate context

L'utilisation croissante de systèmes de rafraîchissement mécaniques a entraîné l'augmentation de la consommation électrique des bâtiments, des effets psychologiques sur les habitants et une accoutumance chez les occupants qui ne tolèrent plus les variations de température intérieure. On assiste actuellement à l'émergence d'une tendance qui pousse vers une réforme des nommes pour reconnaître la notion historique qu'est l'adaptation. C'est le début du développement d'une architecture respectueuse qui pourra mieux gérer l'intégration du bâti dans son environnement naturelle. Cependant, il reste un travail conséquent à réaliser afin de consolider les connaissances et surtout la maîtrise de la ventilation naturelle. De notre point de vue, ceci passera par le développement d'outils de simulation de deux types : Des outils d'aide à la conception pour aider à réaliser des choix préliminaires et ce dès la phase de conception; Des outils précis pour réaliser des simulations fines du comportement aéraulique du bâtiment afin de valider les choix de base et les raffiner. Ces outils doivent être performants et capables de s'adapter à tout type de réalisation et au changement des conditions aux limites tout en gardant un temps de simulation raisonnable. Cette thèse s'est construite autour de ces deux idées où l'on a réalisé une démarche de conception basée sur l'inversion de modèles simplifies dans le but de dimensionner les ouvertures. Puis, on a développé un modèle intermédiaire basé sur la résolution des équations de Navier-Stokes sur un maillage adaptatif en utilisant la méthode des caractéristiques et de décomposition des opérateurs couplée à une parallélisation des calculs
The spread of mechanical cooling systems resulted in increased power consumption, psychological effects on people and a kind of addiction among occupants Who do not tolerate indoor temperature variations. We are currently witnessing the emergence of a trend pushing towards new standards that recognize the historical adaptive concept. This is actually, in our opinion, the first step towards a sustainable architecture that will manage, in a more respectful way, the integration of buildings in their natural environment. However, there is still a consistent work that needs to be done to enhance our knowledge on natural ventilation in order to achieve optimized control strategies. From our point of view, this will require the development of two types of simulation tools : tools to be used by architects to help make preliminary choices during the design phase where the most important and sometimes irreversible decisions are taken; tools to achieve detailed simulations of air flow patterns in order to validate and refine the basic choice. These tools must be efficient and capable to adapt to any type of construction and change in boundary conditions while preserving a reasonable simulation time. This thesis is built around these two ideas : we proposed a design approach based on the inversion of simplified numerical models in order to size natural ventilation openings. Then, we developed an intermediate more detailed model based on solving Navier-Stokes equations on an adaptive mesh using the method of characteristics and operator's splitting coupled to parallel computing

La conception des bâtiments à consommation énergétique nette zéro (BCENN) a été introduite pour limiter la consommation d'énergie et les émissions polluantes dans les bâtiments. Le défi dans la conception de BCENN est de trouver la meilleure combinaison de stratégies de conception qui feront face aux problèmes de performance énergétique d'un bâtiment particulier. Cette thèse présente une méthodologie pour l'optimisation multicritères basée sur la simulation des BCENN. La méthodologie proposée est un outil utile pour améliorer la conception des BCENN et faciliter la prise de décision dans les premières phases de la conception des bâtiments. L’amélioration des bâtiments en matière d'efficacité énergétique nécessite une optimisation des paramètres passifs. Une étude complète sur la conception passive optimale pour les bâtiments résidentiels est présentée. Le confort thermique adaptatif des occupants est également amélioré en mettant en œuvre les stratégies de refroidissement passif appropriées telles que les dispositifs d’occultation et la ventilation naturelle. Les caractéristiques des systèmes de conditionnement de l’air et de production d’énergie mis en œuvre dans les BCENN doivent être sélectionnées avec soin pour garantir l'objectif de performance prévu. Dans cette thèse, six ensembles de systèmes énergétiques sont comparés et optimisés, pour la conception de BCENN dans des climats représentatifs choisis, à savoir Indore (besoin de froid dominant), Tromso (besoin de chaud dominant) et Beijing (climat mixte)
The conception of net zero energy buildings (NZEB) has been introduced to limit energy consumption, global warming potentials, and pollution emissions in buildings. The challenge in NZEB design is to find the best combination of design strategies that will enhance the energy performance of a particular building. The aim of this thesis is to develop an understanding of NZEBs design concepts. Besides, it aims to assist NZEB designers to select the suitable design options of passive and RE systems based on a systemic evaluation in different climates. This thesis presents a methodology for the simulation-based multi-criteria optimization of NZEBs. The methodology is applied to investigate the cost-effectiveness potential for optimizing the design of NZEBs in different case studies taken as diverse climatic zones. The proposed methodology is a useful tool to enhance NZEBs design and to facilitate decision making in early phases of building design. A comprehensive study on optimal passive design for residential buildings is presented. The occupants’ adaptive thermal comfort is also improved by implementing the appropriate passive cooling strategies such as blinds and natural ventilation. The configurations and capacities of the implemented RE systems in NZEBs must be appropriately selected to ensure the intended performance objective. In the thesis, investigation, optimization and comparison of six RE solution sets for designing NZEBs is carried out in three typical climates: Indore (cooling dominant), Tromso (heating dominant) and Beijing (mixed climate)

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

L’augmentation de la consommation énergétique en Europe du sud résulte principalement de l'utilisation des systèmes conventionnels de climatisation. Outre cet aspect énergétique, l'usage des CFC dans les climatiseurs conduit à des problèmes environnementaux non négligeables. Cette préoccupation a conduit au niveau européen à l'instauration d'une action de recherche qui a pour effet de limiter l'usage de climatisation active en proposant des solutions alternatives telles que l'humidification adiabatique. Ce travail s'inscrit dans cette optique. Il est développé dans le cadre de projets européens Pascool Altener et PDEC. Il est réalisé en collaboration avec la société Microlide, spécialisée dans le développement des systèmes de rafraichissement évaporatifs. L’objectif est de proposer aux différents acteurs intervenant dans le projet de conception et de réalisation des bâtiments, des outils de dimensionnement et d'aide à la décision de systèmes de rafraichissement passif dans un site donné et pour une typologie de bâtiment donnée. La démarche a consisté, dans un premier temps, à effectuer une analyse phénoménologique détaillée du processus d'évaporation d'un jet turbulent de particules liquides. Ceci a permis, pour différentes configurations du jet de gouttelettes, de prédire les temps caractéristiques d'évaporation et donc de dimensionner, voire contrôler, les systèmes évaporatifs. Dans un second temps est développée une méthodologie d'évaluation des potentiels de ces systèmes dans le sud de l'Europe. Enfin, une modélisation détaillée du comportement des différents types de systèmes existants a permis une analyse fine du couplage avec les bâtiments. Cette modélisation, qui intègre le comportement des bâtiments et les stratégies de ventilation, a été réalisée à l'aide du logiciel Passport+. Ce travail a permis de produire des outils de prédimensionnement (atlas énergétique représentant les zones géographiques favorables à l'utilisation des techniques passives de rafraichissement) de dimensionnement et d'aide à la décision (logiciel simplifié de prédiction du comportement des systèmes de rafraichissement passifs dans un bâtiment). Enfin, un code de thermique du bâtiment permettant l'analyse fine du comportement énergétique des bâtiments a été enrichi.

Contexte du sujet : La climatisation est un poste de dépense énergétique important dans le secteur du bâtiment, qui pourrait être réduit de manière drastique par l’utilisation de systèmes passifs de rafraîchissement. Dans les climats chauds et humides, le rafraîchissement passif des bâtiments est une solution éprouvée, qui s’ordonne autour de quatre principes : minimiser les apports de chaleur interne et externe, apporter de l’inertie au bâtiment, humidifier l’air et assurer une bonne ventilation pour favoriser les échanges convectifs. Objectifs : La description des transferts thermo-convectifs (évaluation des débits massiques, des transferts de chaleur) mis en jeu dans des cavités ouvertes (pièces avec ventilation traversante, cheminées solaires, doubles peaux, espaces sous-toiture) est encore mal connue et constitue un enjeu pour l’amélioration des systèmes passifs. L’étude de ces phénomènes peut être évaluée par la mécanique des fluides numérique. Les objectifs de ce travail de thèse sont : de réaliser des simulations numériques fines du comportement thermo-aéraulique dans des configurations typiques de systèmes passifs en climat tropical humide, afin d’améliorer nos connaissances sur la ventilation naturelle, d’approfondir et d’apporter des éléments de réponses en ce qui concerne le choix des conditions limites numériques à appliquer pour les systèmes ouverts. Modélisation numérique : L’approche numérique adoptée dans ce travail, pour étudier la convection naturelle turbulente, est la simulation des grandes échelles (SGE ou LES en anglais). Cette approche se situe à mi-parcours entre la méthode de calcul direct et la résolution des équations moyennées en temps, de type RANS. L’avantage d’une telle technique est la réduction appréciable du nombre de points de discrétisation nécessaire par rapport à celui exigé par la méthode de calcul direct, tout en conservant l’aspect dynamique des écoulements. Résultats : Les résultats obtenus lors de ce travail concernent l’étude des conditions limites dynamiques à imposer pour des géométries ouvertes avec une SND et l’application de la SGE à différentes configurations de cavités ouvertes en régime turbulent, afin de caractériser les champs de température et de vitesse et d’en déduire les grandeurs intégrales d’intérêt (débit massique, débit enthalpique, renouvellement d’air,... ). Les résultats de ces calculs ont été comparés soit à d’autres résultats numériques dans le cadre de benchmarks nationaux (benchmark numérique AmeTh et ADNBâti) ou à des résultats expérimentaux
Context: Air-conditioning represents a high-energy expenditure in the sector of the building, which could be reduced drastically through the use of passive cooling systems. In hot and humid climates, the passive cooling of premises is a tried and tested technique ordained around four principles: to minimize the external and internal heat transfers, to bring inertness to the building, to humidify the air, and to ensure a good convection in order to favor convective exchanges. Objective: The description of thermo-convective transfers (estimation of mass flows rate and heat transfers) set in open cavities (rooms with crossing ventilation, solar chimney, outer skin of a double facade,...) is still relatively uncommon and the stakes are high to improve passive systems. The study of these phenomena can be evaluated through computational fluid dynamics. This thesis’s objectives are to achieve precise numerical simulations of airflow inspecific configurations of passive systems in damp tropical climates, in order to improve and deepen our knowledge of natural convection and to begin to give information concerning the choice of numerical boundary conditions to apply to open geometries.Numerical approach: The numerical approach adopted in this work, to study the natural turbulent convection, is the Large-Eddy Simulation. This approach is halfway between a direct numerical simulation and Reynolds-averaged Navier–Stokes equations. Such a technique is advantageous as it leads to a necessary substantial reduction of the number of discretizationpoints compared to the technique of direct simulation requirements, while retaining the dynamic aspect of the flows. Results: The results obtained in this work refer to the study of the dynamic boundary conditions to impose in open geometries with SND and to the application of the LES to different configurations of open cavities with a turbulent flow, in order to characterize temperature and velocity fields and then deduce mass flow rate, enthalpy flow,... The results have been compared either to other numerical results in the framework of national benchmarks (benchmark AmeThand ADNBâti) or to experimental results

Cette étude apporte une contribution à la validation et au développement d'un modèle de simulation thermo-aéraulique de bâtiment multizone en climatisation passive et active. L'ensemble des supports utilisés pour mener à bien ce travail de validation est décrit dans le premier chapitre. Après une brève description du code de calcul, nous présentons les deux supports expérimentaux qui ont servi pour nos campagnes de mesure, ainsi que l'ensemble de la chaîne d'acquisition. Le premier support est une maison en site réel, le deuxième est une cellule expérimentale équipée d'un climatiseur individuel et localisée à l'Université de la Réunion. Les expérimentations se sont toutes déroulées en environnement naturel et en climat tropical humide. Nous abordons ensuite dans un deuxième chapitre la méthodologie de validation que nous avons mise en place et qui s'inscrit dans une démarche d'uniformisation au niveau des équipes de recherche internationales. La méthode reposant sur l'utilisation d'outils d'analyse de signaux pour mettre en évidence une erreur de modélisation, est appliquée pour la validation des deux modèles d'enveloppe préalablement cités en environnement naturel. Le troisième chapitre s'attache à l'étude du couplage système/enveloppe, au développement et à l'intégration de modèles adaptés au code de calcul existant Codyrun. Plusieurs modèles de systèmes de traitement d'air sont proposés à différents niveaux de finesse, et pour des pas de temps différents. Une comparaison des modèles avec l'expérience apporte les premiers éléments de réponse quant à l'utilisation et à la précision de modèles horaires pour la modélisation des systèmes. La finalité d'un outil de conception et de recherche tel que le nôtre est d'aider le concepteur à réaliser un bâtiment le plus performant possible. Le chapitre quatre présente l'application du logiciel sur l'amélioration des performances thermiques des logements dans les départements d'outremer dans le cadre d'un label thermique Ecodom. Des simulations portant sur des logements types ont ainsi permis de mettre en place un certain nombre de prescriptions portant à la fois sur les composants architecturaux (toiture, parois opaques, baies vitrées) et sur la ventilation naturelle.

Si un concepteur, architecte ou ingénieur, veut concevoir un logement de basse consommation et le site du projet se trouve dans une région au climat froid, les réponses sont nombreuses et la littérature scientifique très abondante. Si le site de notre projet se situe en climat chaud, voir très chaud, le nombre de méthodes simples pour concevoir une maison de basse consommation diminue drastiquement. La solution la plus habituelle des concepteurs non initiés à la basse consommation est de faire appel à un ingénieur d’un bureau d’études énergétiques, qui saura proposer des simulations à partir d’un modèle thermique-dynamique et anticiper la consommation du modèle. La mission d’un bureau d’études a un certain coût, et ses services ne peuvent pas être accessibles à tous les projets. Ainsi, des milliers d’architectes en climat chaud proposent des projets inspirés des références lointaines ou des réalisations non adaptées sans les conseils d’un spécialiste de l’énergie du bâtiment. Ces projets, très énergivores, continuent à croître sans cesse. Pour tous ces concepteurs des projets de taille modeste nous proposons dans cette étude une méthode facile, efficace et accessible à tous permettant de prendre conscience des enjeux bioclimatiques et les options architecturales qui existent pour réussir un projet de basse consommation, puis de le défendre auprès de ses commanditaires. En nous appuyant sur les informations en ligne accessibles à tous, nous proposons une méthode basée sur l’utilisation des degrés-jour de refroidissement et de chauffage. Une série de simulations robustes sur un modèle thermique dynamique générique fourni des résultats qui pourront être interprétables par les concepteurs et projetés sur leurs propres conceptions.La première partie de ce document analyse la construction et la culture en climat chaud: méthodes de classification climatique, les phénomènes physiques les plus significatifs en lien avec la basse consommation,et les notions de confort et température ressentie. En suite, nous proposons un outil d’aide à la conception : la Méthode des Saisons Climatiques, une méthode basée sur un concept très simple : l’ouverture ou fermeture de la maison à l’extérieur en fonction des conditions extérieures quantifiée par les degrés-jour du site. Elle permet de faire une classification climatique du site très orientée vers la conception bioclimatique. Elle base le classement d’un site selon des journées types, S1 à S6, selon jour/nuit froid/froide, tempéré/froide, tempéré/tempérée, chaud/froide, chaud/tempérée et chaud/chaude respectivement. Cette nouvelle classification peu ts’appliquer à tous les climats de la Planète. Une période de l’année continue avec une même journée type donne lieu a une Saison Climatique. Chaque Saison climatique aura des spécificités architecturales propres,et parfois contradictoires entre deux saisons climatiques différentes. L’objectif est de trouver la combinaison architecturale la plus efficace pour une période annuelle complète.Des modélisations Energy+ seront faites pour ces 6 journées types ainsi que pour une période annuelle dans une ville au climat très chaud : Dubaï. Des actions architecturales sont évaluées avec un modèle thermique dynamique.Les actions architecturales seront classées par efficacité énergétique et par temps de retour surinvestissement . Deux maisons idéales par journée type seront proposées : la maison la plus performante et la maison la plus rentable. Une méthode de combinaison d’actions architecturales permettra de trouver une combinaison cohérente d’actions en fonction du climat annuel d’un site. Ensuite nous proposerons les caractéristiques communes, un socle commun, de la maison en climat très chaud de la région du Moyen Orient
The last 25 years have been ground-breaking in architectural design on low energy consumption in cold climate, mainly in north-western cultures. For an architect today, the method to design a passive house in cold weather and the choice of the Architectural Actions (AA), are clearly established. When the question comes to how to build a passive house in warmer, hot, and very hot climates, the strategies arepoor and often results of a combination of western strategies with a local relook. From several visits in MiddleEast countries, Saudi Arabia, UAE, Oman, Palestine, Qatar, we concluded that the strategy for low consumption houses is not established yet and poorly grasped. The lack of training on low energy consumption in hot climate and the low price of energy, force designers and owners to rely on over usage of air-conditioning systems as measures to catch up on poor bioclimatic design. This method proposes a new approach on bioclimatic designfor hot climates from an architect point of view. It is based on a Cooling Degrees Days (CDD) and Heating Degrees Days (HDD) approach, a state of art of contemporary architecture and professional experience. Localclimates are classified according to the energy-hunger of six situations of the exterior temperature during night/day : cold/cold, cold/cool, cool/warm, cold/hot, cool/hot, and hot/hot as CDD and HDD of the twelve month ofthe year. A group of days on one of those situations will be called “climatic season”. In parallel we will create two main “climatic situations”: people keep the house closed to the exterior or opened to the exterior. We will associate passive strategies to these two differents ways to live in the house: “cold” and “hot” to a closed houseand “cool” and “warm” to a house opened up to the exterior. This method allows classifying any climate in theworld under these six climatic seasons. Our climate classification can now be associated to different strategies that we will call “architectural actions” as house is closed or opened. We could already start to design a house from here, but to better understand the influence of each action we have created an Energy+ model to analyze individually the effect of a single AA. The performance of each action is evaluated under the situations of six representative journeys as well as a year round on a very hot city: Dubai. The result of the effect good or badof action during each different season situation allows us to create the best combination of AA that are best fora year round climate resulting of the combination of several climatic seasons. This low-tech method will help usto find the common features of the houses of different hot climates of a big region and find the best typology. We have carried in parallel a cost study of the base house and the financial incidence of each single action to evaluate also the payback period by action

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 domaine du Génie Civil et du Génie Mécanique, les vibrations des structures constituent un des nombreux risques d’endommagement d’une structure et peuvent entraîner de graves conséquences, parfois sans commune mesure avec la mise en œuvre des moyens de prévention appropriés. Ainsi, l’étude dynamique des structures est une étape incontournable de la phase d’élaboration d’un projet. Le contrôle passif des vibrations, c’est-à-dire le contrôle sans la nécessité de fournir une énergie extérieure, est devenu un véritable enjeu. Le contrôle passif de vibrations peut alors être réalisé par phénomène de pompage énergétique. Le pompage énergétique est le transfert irréversible de l’énergie vibratoire d’une structure principale, que l’on désire protéger des perturbations extérieures, vers une structure auxiliaire couplée à comportement essentiellement non linéaire, et de faible masse. Le principe qui rentre en jeu est un phénomène de localisation de modes non linéaires permettant de grandes vibrations dans la structure ajoutée, et de très faibles vibrations dans la structure primaire. Le phénomène est étudié en régime instationnaire puis en régime stationnaire. Une optimisation du pompage énergétique et des paramètres est effectuée en vue d’une application réelle. Des vérifications expérimentales sont réalisées à l’aide de modèles réduits de bâtiments
In Civil and Mechanical Engineering, vibrations of structures are one of the risks of damage of a structure and can involve serious consequences, sometimes without comparison with the implementation of the suitable means of prevention. Thus, the dynamic study of structures is a stage impossible to circumvent in the development phase of a project. Passive control of vibrations, i. E. Control without the need for providing an external energy, became a true stake. Passive control of vibrations can be performed through the energy pumping phenomenon. Energy pumping is the irreversible transfer of vibrational energy from a main structure, which must be protected against external disturbances, to a coupled, essentially nonlinear, auxiliary structure, which is very light. The principle which is involved is the localization of nonlinear normal modes allowing strong vibrations of the added structure and very small vibrations of the primary structure. The phenomenon is first studied during non-stationary regime, and then during stationary regime. An optimisation of both energy pumping and parameters of the system is performed in order to apply it to real structures. Experimental verifications are carried out on reduced-scale building models

Contexte du sujet : La climatisation est un poste de dépense énergétique important dans le secteur du bâtiment, qui pourrait être réduit de manière drastique par l'utilisation de systèmes passifs de rafraîchissement. Dans les climats chauds et humides, le rafraîchissement passif des bâtiments est une solution éprouvée, qui s'ordonne autour de quatre principes : minimiser les apports de chaleur interne et externe, apporter de l'inertie au bâtiment, humidifier l'air et assurer une bonne ventilation pour favoriser les échanges convectifs. Objectifs : La description des transferts thermo-convectifs (évaluation des débits massiques, des transferts de chaleur) mis en jeu dans des cavités ouvertes (pièces avec ventilation traversante, cheminées solaires, doubles peaux, espaces sous-toiture) est encore mal connue et constitue un enjeu pour l'amélioration des systèmes passifs. L'étude de ces phénomènes peut être évaluée par la mécanique des fluides numérique. Les objectifs de ce travail de thèse sont : de réaliser des simulations numériques fines du comportement thermo-aéraulique dans des configurations typiques de systèmes passifs en climat tropical humide, afin d'améliorer nos connaissances sur la ventilation naturelle, d'approfondir et d'apporter des éléments de réponses en ce qui concerne le choix des conditions limites numériques à appliquer pour les systèmes ouverts. Modélisation numérique : L'approche numérique adoptée dans ce travail, pour étudier la convection naturelle turbulente, est la simulation des grandes échelles (SGE ou LES en anglais). Cette approche se situe à mi-parcours entre la méthode de calcul direct et la réso- lution des équations moyennées en temps, de type RANS. L'avantage d'une telle technique est la réduction appréciable du nombre de points de discrétisation nécessaire par rapport à ce- lui exigé par la méthode de calcul direct, tout en conservant l'aspect dynamique des écoulements. Résultats : Les résultats obtenus lors de ce travail concernent l'étude des conditions limites dynamiques à imposer pour des géométries ouvertes avec une SND et l'application de la SGE à différentes configurations de cavités ouvertes en régime turbulent, afin de caractériser les champs de température et de vitesse et d'en déduire les grandeurs intégrales d'intérêt (débit massique, débit enthalpique, renouvellement d'air, ...). Les résultats de ces calculs ont été comparés soit à d'autres résultats numériques dans le cadre de benchmarks nationaux (benchmark numérique AmeTh et ADNBâti) ou à des résultats expérimentaux.

La réduction de la consommation des bâtiments passe par : l'économie d'énergie, l'efficacité énergétique et l'utilisation des énergies renouvelables. Sur ce dernier point, l'intégration à grande échelle de composants photovoltaïques (PV) est une solution. Le rendement et la durée de vie des cellules PV en silicium cristalin diminuant avec l'augmentation de leur température de fonctionnement, il est essentiel de mettre au point des configurations d'intégration limitant leur échauffement. L'intégration en configuration de double-peau - la surface PV est séparée du bâtiment par une lame d'air - est une solution prometteuse. Sous l'effet de la chaleur, un écoulement de convection naturelle se met en place entre les deux parois, refroidissant ainsi les panneaux PV. Cet écoulement peut également servir de moteur pour la ventilation en été, et de préchauffage de l'air en hiver. Cette étude, expérimentale, fait partie d'un projet visant à comprendre le fonctionnement des double-peaux PV en analysant séparément les différents phénomènes physiques avant de prendre en compte l'ensemble des couplages. Elle porte plus particulièrement sur la convection naturelle au sein des double-façades verticales. Ici, la double-peau est modélisée par un canal vertical dont les deux parois principales sont chauffées sous des conditions de flux imposé. Un banc d'essais a été développé pour étudier la convection naturelle dans un canal vertical en eau. L'eau a été choisie pour se placer dans le cas d'un écoulement de convection pure (pas de rayonnement entre les parois). C'est un canal vertical de 65 cm de haut avec un écartement réglable placé dans une cuve de 1,5 m de haut contenant 160 L d'eau. Les parois sont chauffées à l'aide de 24 chaufferettes indépendantes délivrant un flux de chaleur uniforme, ce qui permet d'appliquer différentes configurations de chauffage. Des mesures de flux et de température sont réalisées au niveau des parois, et un système couplant de la velocimétrie laser Doppler deux composantes à un micro-thermocouple (25 μm) a été développé pour avoir accès aux vitesses verticale et horizontale et à la température dans le canal. Ce banc et son instrumentation sont décrits et les incertitudes de mesure associées ont été caractérisées. La configuration de chauffage uniforme symétrique a été étudiée ici pour différentes puissances injectées. Les profils de vitesse et de température moyennes mettent en évidence la présence d'un changement de régime d'écoulement dans le canal pour un nombre de Rayleigh indéntifié. L'étude approfondie des profils des fluctuations de vitesse et de température a permis de mettre au point une modélisation comportementale de ce changement de régime. De plus, une première approche est développée pour évaluer la pression dans le canal à partir de l'analyse et de l'estimation des différents termes de l'équation de conservation de la quantité de mouvement.

Les systèmes de rafraîchissement d'air basés sur des échangeur-stockeurs composés de Matériaux à Changement de Phase (MCP) sont une alternative possible aux systèmes de climatisation pour le confort d'été dans les bâtiments. Toutefois, les performances de tels systèmes de rafraîchissement sont étroitement liées aux conditions climatiques et aux configurations des bâtiments à rafraîchir. L'objectif de ce travail de thèse est de développer un outil d'aide à la conception permettant un pré-dimensionnement optimal de systèmes de rafraîchissement d'air utilisant des MCP dès le stade de la conception préliminaire. Un modèle thermique dynamique simulant le comportement d'un échangeur-stockeur air/MCP est donc développé puis couplé à une plateforme logicielle de simulation thermique dynamique du bâtiment. Les modèles d'échangeur-stockeurs et de co-simulation sont validés à l'aide d'expériences menées sur deux prototypes d'échangeur-stockeur et la plateforme expérimentale de maison à énergie positive NAPEVOMO. Enfin un premier outil d'aide à la conception utilisant un algorithme d'optimisation est développé pour définir une configuration optimale de système maintenant le confort estival dans la maison NAPEVOMO
Air-cooling systems using latent heat thermal energy storage (LHTES) are potential alternatives to air-conditioners for summer climate control in buildings. However, the performances of such systems are tightly linked to weather conditions and the configuration of the building to be cooled. The aim of this doctoral work is to develop a design support tool allowing optimally dimensioning an air-cooling system using phase change material at the preliminary design stage. A dynamic thermal model, simulating the behaviour an LHTES device exchanging with air, is developed and coupled with a building performance program. The LHTES and the co-simulation models are validated by comparison with experiments carried out on two prototypes of LHTES device and the experimental platform of zero energy building NAPEVOMO. Finally, a first design support tool using genetic algorithm is developed to define the optimal configuration of an air-cooling system for the summer comfort in « NAPEVOMO » house

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

The scope of this research concerns the passive damping of structural vibrations by the use of viscoelastic layers. It is motivated by the need for efficient numerical tools to deal with the medium frequency behaviour of industrial viscoelastic sandwich products. The sandwich modelling technique is based on the use of an interface element: the two deformable plates are modelled by special plate elements while the intermediate dissipative layer is modelled with interface elements. This interface element is based on the first-order shear deformation theory and assume constant peel and shear stresses in the polymer thickness. This element couples the lower and upper layers without additional degrees of freedom. The partition of unity finite element method (PUFEM) is applied to the development of enriched Mindlin plate elements. The element shape functions are obtained as the product of

partition of unity functions with arbitrary chosen enrichment functions. Polynomial enrichment leads to the generation of high-order polynomial shape functions and is therefore similar to a p-FEM technique. Numerical examples illustrate the use of both PUFEM Mindlin plate elements and interface elements for the simulation of viscoelastic sandwich structures.
Doctorat en sciences appliquées
info:eu-repo/semantics/nonPublished

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

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