Le « bâtiment à énergie positive » est un concept de bâtiment très performant. Il peut constituer l'une des réponses possibles aux défis énergétiques et environnementaux d'aujourd'hui. Pourtant il est encore peu connu et peu mis en œuvre. À la lumière de quelques réalisations, ce concept a été défini et caractérisé, puis différents outils et méthodes ont été identifiés pour permettre l'analyse des performances d'un bâtiment. Compte tenu des spécificités techniques des bâtiments à énergie positive, deux solutions technologiques ont été plus particulièrement étudiées : un système de ventilation intégrant un échangeur air-sol a été modélisé puis validé à partir de données de mesure ; un système de chauffage aéraulique à micro-cogénération a été modélisé à partir de données issues d'un banc d'essai dédié. Les modèles de ces deux systèmes ont été intégrés à un outil de simulation thermique du bâtiment. L'analyse énergétique et environnementale a été appliquée à trois bâtiments réels très performants équipés de différents systèmes de chauffage, à partir de l'outil amélioré et des méthodes les plus adaptées. Le choix du système de chauffage mais aussi les critères d'évaluation retenus influencent fortement les résultats obtenus. Le bâtiment à énergie positive (bilan en énergie primaire) représente la meilleure solution pour la majorité des impacts environnementaux étudiés. L'analyse des impacts sur le cycle de vie et le calcul de la demande cumulative d'énergie permettent de caractériser finement ses performances environnementales.

La consommation d'énergie des secteurs résidentiel et tertiaire constitue 43 % de la consommation finale nationale, correspondant à 25 % des émissions nationales de CO2. Différentes options techniques existent pour limiter les émissions CO2 dans ce secteur et pour améliorer la performance énergétique des bâtiments. Une de ces options est présentée et étudiée dans cette thèse : le développement d'un système de micro-cogénération fonctionnant avec des énergies renouvelables l'une intermittente (le solaire), l'autre non (une chaudière à bois). Les systèmes de micro-cogénération conventionnels ont été analysés. Le but de la thèse est de développer un système de micro-cogénération basé sur un cycle organique et fonctionnant sur ces énergies renouvelables aux caractéristiques différentes. Plusieurs fluides de travail permettant d'atteindre des performances thermodynamiques élevées ont été comparés. Une analyse technologique a permis d'identifier les technologies les plus adaptées ou adaptables pour chacun des composants du système dépendant du fluide de travail choisi. Un banc d'essais a été conçu et réalisé pour tester et caractériser une turbine spiro-orbitale fonctionnant avec la vapeur d'eau et adaptée au système de micro-cogénération. Les composants du banc d'essais ont été dimensionnés en utilisant des outils informatiques de modélisation des cycles organiques. Un outil de simulation dynamique a été développé pour simuler le fonctionnement annuel de la micro-cogénération fonctionnant sous différentes conditions climatiques et charges thermiques. Les résultats ont démontré qu'il est possible d'économiser plus de 40 % d'énergie primaire et 60 % en émissions de CO2 par rapport à des bâtiments conformes à la réglementation thermique la plus récente (RT2005). Le coût de production de 1 kWel a été calculé selon un modèle économique ; ce prix, 50 c€/kWhel, reste élevé comparé à d'autres technologies.

Les transferts de chaleur par convection forcée turbulente dans une conduite plane partiellement remplie par un milieu poreux sont étudiés numériquement. L'étude concerne l'analyse de l'encrassement dans un canal plan représentatif d'un échangeur de chaleur à plaques. Un fluide, ayant un fort pouvoir encrassant, est considéré en régime turbulent. L'objectif de cette étude est de proposer une technique qui repose sur l'utilisation de matériaux fibreux comme capteur de particules pouvant réduire les méfaits de l'encrassement. Cela consiste à essayer de réduire la résistance d'encrassement en agissant sur les propriétés thermiques du dépôt. L'étude de la cinétique de l'encrassement permet de déterminer la loi de variation de l'épaisseur du dépôt au cours du temps. Cette équation est couplée aux équations de conservation. Un modèle de conductivité thermique effective (fluide, dépôt, fibres poreuses) a été choisi et le phénomène de colmatage de la matrice poreuse est considéré. L'apport du milieu poreux sur les performances de l'échangeur est analysé

Découverte en 1902, la méthanation du C02 reçoit un intérêt grandissant pour son application aux procédés de stockage d'énergie électrique nécessaires au développement des énergies renouvelables. Sa mise en œuvre requiert le développement de réacteurs catalytiques innovants répondant au cahier des charges de cette application. Ces travaux sont dédiés à l'étude et l'optimisation de trois types de réacteurs-échangeurs conçus au cours de cette thèse :-un réacteur à lit fixe annulaire, -un réacteur à lit fixe milli-structuré et un réacteur à mousses métalliques supports de catalyseur. Leurs performances globales sont déterminées expérimentalement. La désactivation du catalyseur est étudiée et ses causes identifiées. Une modélisation des trois réacteurs permet la simulation de leur fonctionnement. Les propriétés hydrodynamiques et thermiques de leurs structures internes et les vitesses de réaction sont caractérisées expérimentalement. Les résultats numériques des simulations sont comparés aux expériences et complètent l'étude du comportement des réacteurs. Les modèles identifiés permettent finalement d'étudier les limites et les potentiels de ces réacteurs. / Discovered in 1902, the C02 methanation is getting a growing interest for its application to electricity storage processes needed for the development of renewable anergies. lts implementation requires the development of innovative catalytic reactors compatible with the specifications of this application. The present work focuses on the study of three reactor-exchangers designed during this thesis: - an annular fixed bed reactor, a milli-structured fixed bed reactor and a reactor which uses metallic foams as catalyst carriers. Their global performances are experimentally evaluated. The catalyst deactivation is studied and its causes identified. A modeling of these three reactors allows the simulation of their behavior. The hydrodynamic and thermal properties of their internai structure and the reaction kinetics are experimentally characterized . The numerical results of the simulations are compared to the experimental data and complete the analysis of the reactors behavior.The identified models are finally used to study the limits and the potentialities of the reactors.

Dans le contexte actuel d'amélioration de l'efficacité énergétique des logements, il est nécessaire de repenser les installations de chauffage. Nous avons développé un générateur de chaleur et de rafraîchissement innovant (GCRI). Ce générateur repose sur l'utilisation de modules thermoélectriques assurant le rôle de pompe à chaleur au moyen d'une alimentation électrique. La présente thèse vise à améliorer l'efficacité énergétique du système complet incluant un émetteur basse température (coefficient de performance global). Ce travail repose sur différents modèles analytiques et numériques validés expérimentalement. Ces modèles ont permis de définir une configuration optimisée du système et de mettre en place une méthode de gestion optimale pour répondre à des besoins variables de puissance et de températures. Les échangeurs multifonctionels mis en jeu dans le système ont été dimensionnés et étudiés expérimentalement en vue de maximiser les performances du générateur. Après couplage au bâtiment, nous montrons une nette amélioration des performances du système par rapport à une configuration classique de pompe à chaleur thermoélectrique. / In the current context of improvement of the housing energy efficiency, new heating devices have to be foreseen. We have developed an innovative heating and cooling generator. This device is based on the use of thermoelectric modules working as a heat pump via a power supply. This thesis aims to improve the energy efficiency of the whole system including a low temperature heat floor (global coefficient of performance). This work is based on different analytical and numerical models validated experimentally. These models help to design an optimized device configuration and to develop an optimal management strategy in order to meet the variable power and temperature demands. Multifunctional heat sinks for the generator are designed and studied experimentally in order to maximize the system performances. By coupling the system to housing, a significant improvement of the device performances is shown compared to thermoelectric heat pumps with a classical configuration.

Les machines à absorption LiBr/H2O, appliquées aux systèmes de rafraîchissement par compression chimique présentent des avantages et des inconvénients à l'heure de leur intégration dans des bâtiments de basse consommation. Grandes tailles et coûts de mise en œuvre élevés les rendent peu attractives. Le développement de modules évapo-absorbeur et desorb-condenseur compacts et multifonctionnels, utilisant des échangeurs à film ruisselants couplés peuvent être une solution pour réduire les coûts de mise en œuvre, et augmenter la compacité et le rendement global du processus d'absorption. L'étude se centre autour de l'absorption de la vapeur d'eau à basse pression au sein d'un film de bromure de lithium qui ruisselle sur des échangeurs à plaques verticales. Les objectifs de la thèse sont le développement d'un modèle théorique simple décrivant le transfert de chaleur et de masse et sa validation à l'aide d'expériences de référence. Le modèle analytique est construit à l'aide des méthodes intégrales mettant en ouvre un écoulement laminaire établit à l'entrée de l'absorbeur et des conditions de saturation à l'interface Nous avons résolu le problème couplé de transfert de masse et de chaleur en prenant en compte couches limites thermiques et diffusives. Une représentation adimensionnelle des transferts à l'aide des nombres de Nusselt et de Sherwood en fonction du nombre de Graetz permet de décrire de manière générale les différentes zones thermiques et diffusives. Les variations de la température et la concentration à l'interface sont prises en compte, en considérant la linéarité des équations de transfert et, en appliquant la théorie des perturbations. Un banc d'essais a été spécifiquement développé pour l'étude de l'absorption de vapeur sur des films ruisselants de bromure de lithium à basse Reynolds (Re < 500). Il permet de fixer l'état de la solution LiBr à l'entrée (température, concentration et débit) ainsi que les conditions aux limites (pression de vapeur, condition adiabatique ou de température imposée à la paroi verticale). Différentes géométries de plaque sont comparées aux résultats du model en vu de quantifier l'impact des effets de bord et des instabilités. / Low pressure absorption machines, used in chemical compression refrigeration systems present several advantages and drawbacks in sustainable buildings integration. Large sizes and high implementation cost makes them unprofitable. Compact absorption machines with multifunctional absorption and desorption units using coupled falling film exchangers can be one solution to reduce implementation costs, increasing compactness and global machine performance. The present study is focused in the absorption process applied to vertical falling film exchangers and its improvement. The thesis objectives are: construction of a simple theoretical model; describing heat and mass transfer over a Lithium bromide falling film and model validation after data processing from a test bench build for this purpose. The analytic model is based on integral methods taking into account established flow conditions at the top of the plate, parabolic velocity profiles and saturation conditions at the interface. We solved the coupled heat and mass transfer problem considering thermal and diffusive boundary layers. Non dimensional representation of Nusselt (Sherwood) number as a function of the modified Graetz number, enables a general description of different transfer zones. Concentration and temperature evolution at the interface are studied considering the linearity of heat and mass transfer equations and applying perturbations theory. The test bench was created to study vapor absorption in a lithium bromide falling film at low Reynolds Numbers (Re < 500). Absorber inlet parameters (temperature, concentration and mass flow rate) and also boundary conditions (vapor pressure, adiabatic or isothermal condition at the vertical wall) can be varied. Different plate geometries were studied and compared with model results, to evaluate boundary conditions and instabilities. This study presents a simplified model for adiabatic and isothermal falling films absorbers with a local description of the absorption process. Influences of flow conditions and initial operation parameters were simulated, studied and compared with equivalent models and experimental data from literature;

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.

Le vieillissement musculaire est caractérisé par des pertes progressives de masse et de fonction. Des altérations de l’énergétique mitochondriale pourraient être impliquées dans ce processus. Dans cette thèse, l’analyse modulaire du contrôle métabolique a été appliquée chez le rat à différents niveaux d’intégration pour caractériser les effets du vieillissement sur la fonction mitochondriale. Combinée à la spectroscopie RMN du 31P, cette approche a permis de montrer in vivo dans le muscle gastrocnemius une diminution de la réponse de phosphorylation oxydative mitochondriale face à des variations de concentration des intermédiaires énergétiques chez les rats âgés (21 mois vs. 6 mois). Suivant les principes de l’analyse Top-Down, les propriétés de la phosphorylation oxydative ont été étudiées sur des mitochondries isolées à partir du muscle gastrocnemius. La capacité maximale de production d’ATP est réduite chez les rats âgés, alors que le rendement maximal (rapport ATP/O) de la phosphorylation oxydative reste inchangé. L’application de l’analyse modulaire in vitro a révélé chez les rats âgés une augmentation de la réponse (élasticité) du module phosphorylation face à des variations du potentiel de membrane. Cette élasticité plus élevée explique la modification du schéma de contrôle de la phosphorylation oxydative pour des activités de phosphorylation compatibles avec celles étudiées in vivo. Elle explique également le plus faible potentiel de membrane généré par les mitochondries de rats âgés pour un même niveau d’activité de phosphorylation. De nombreux processus pourraient de fait être affectés : production de radicaux libres, homéostasie calcique, voies de signalisation impliquées dans le contrôle de la masse musculaire. Les modifications des propriétés fonctionnelles de l’ANT démontrées dans cette thèse sont en mesure d’expliquer, au moins en partie, les modifications de l’énergétique mitochondriale révélées à la fois in vitro et in vivo chez les rats âgés. / Skeletal muscle aging is characterized by a progressive loss of muscle mass and function. Involvement in this process of an impaired mitochondrial bioenergetics was proposed but is still extensively debated. The aim of this thesis was to take adventage of the capabilities of modular control analysis approach to get better insights in the effects of aging on mitochondrial function. We first studied the integrated muscle energetics in adult (6 months) and aged (21 months) rats using the modular control analysis approach combined with non-invasive 31P NMR spectroscopy measurements of energetic intermediates. The in vivo activation of mitochondrial oxidative phosphorylation in response to an increase in ATP demand was markedly decreased in the gastrocnemius muscle of aged rats. To further define the effects of aging on mitochondrial energetics, we thus studied the oxidative phosphorylation in mitochondria isolated from the gastrocnemius muscle. Maximal oxidative phosphorylation capacity is clearly reduced in aged rats, while mitochondrial efficiency is unaffected. Application of modular control analysis to the study of oxidative phosphorylation revealed an increased sensitivity (elasticity) of the phosphorylation module in response to changes in membrane potential in aged rats. This increased elasticity is responsible for a modified control pattern of oxidative phosphorylation under low phosphorylation activities. Interestingly these low activities certainly correspond to those we studied in vivo. This increased elasticity of the phosphorylation module is responsible for a modified mitochondrial response toward changes in cellular ATP demand, leading to a decreased membrane potential, which may in turn affect many cellular processes such as ROS production, calcium homeostasis and some signaling pathways involved in the control of muscle mass. The modified ANT properties evidenced in this thesis certainly explain, at least in part, the modified mitochondrial energetics reaveled both in vitro and in vivo in aged rats.

La congélation partielle du mix dans un échangeur de chaleur à surface raclée (ECSR)est l'étape la plus critique dans la fabrication d'un sorbet, car c'est la seule étape où de nouveaux cristaux de glace se forment; par la suite ces cristaux ne font que grossir. L'objectif principal est de produire un grand nombre de cristaux les plus petits possibles afin d'obtenir une texture onctueuse. Pendant le procédé de congélation, le produit est soumis à des interactions couplées d'écoulement du fluide, de transfert de chaleur, de changement de phase et de cisaillement. Ces interactions sont déterminées par les conditions opératoires du procédé de congélation et affectent l'évolution de la distribution de taille des cristaux de glace, ainsi que la texture finale du produit. Ce travail présente la caractérisation expérimentale et la modélisation du procédé de congélation d'un sorbet. La congélation du sorbet à été effectuée dans un ECSR à l'échelle pilote. L'objectif principal de ce travail est l'étude de l'influence des conditions opératoires du procédé de congélation sur les caractéristiques finales du produit: distribution de taille de cristaux de glace, température du produit, fraction volumique de glace et viscosité apparente. Le comportement de l'écoulement du produit dans l'ECSR a été caractérisé par une étude expérimentale et une modélisation de la distribution du temps de séjour (DTS). Une approche de modélisation de la cristallisation de la glace couplant le modèle de DTS avec des équations de transfert de chaleur et de bilan de population des différentes classes de taille de cristaux a été développée. À partir d'une première estimation des paramètres, le modèle de cristallisation prédit de façon satisfaisante les tendances expérimentales et donne un bon aperçu de l'évolution de la distribution de taille des cristaux de glace au cours du procédé de congélation dans l'ECSR. / The partial freezing of the mix inside the scraped surface heat exchanger (SSHE) is the most critical step in sorbet manufacturing, since it is the only stage where new ice crystals are produced; further in the process these ice crystals will only grow. The main objective of the freezing process is to form the smallest possible ice crystals, so as to assure a smooth texture in the final product. During the freezing process the product is subjected to coupled interactions of fluid flow, heat transfer, ice phase change and shear. These interactions are determined by the freezing operating conditions and affect the evolution of the ice crystals size distribution (CSD) and the final texture of the product. This work presents the experimental characterization and the modelling of the initial freezing process of a sorbet. The freezing of sorbet was carried out in a SSHE at the pilot scale. The main objective of this work was the study of the influence of the freezing operating conditions on the final product characteristics: ice CSD, product temperature, ice volume fraction, apparent viscosity. The product flow behaviour in the SSHE was characterized by an experimental and modelling study of the residence time distribution (RTD) of the product. An ice crystallization modelling approach, taking into account the coupling of an empirical RTD model with heat transfer equations and a population balance of the different ice crystal size classes was developed. With a first set of estimated parameters, the ice crystallization model predicts satisfactorily the experimental trends, and made it possible to have an insight on the evolution of ice CSD during the freezing process in the SSHE.

L'efficacité globale du procédé de vaporeformage du gaz naturel est affectée par la limitation au transfert thermique au sein du lit catalytique et la génération d'un excès de vapeur d'eau non valorisable. Une des clés possibles pour le rentabiliser davantage consiste à optimiser les transferts thermiques en faisant évoluer le design du réacteur. Un échangeur-réacteur microstructuré a ainsi été retenu. Cet appareil de par la taille submillimétrique de ses canaux permet d'intensifier les transferts de chaleur et de matière. Cependant, la modification de l'architecture traditionnelle oblige à développer de nouveaux catalyseurs (MgAl2O4) déposables dans les microcanaux et permettant d'atteindre conversion élevées (80%, 20 bar, 850°C) à faibles temps de passage (150 ms). La faisabilité du concept et la performance des catalyseurs ont été validées sur un canal dans les conditions industrielles du procédé. Un modèle de réacteur piston hétérogène a été utilisé pour estimer la cinétique de la réaction de reformage. Pour le design de l'échangeur-réacteur, deux approches de modélisation ont été développées en considérant l'équilibre thermodynamique à la surface du catalyseur ou en tenant compte du couplage entre la réaction et les transferts de chaleur et de matière. La simulation de ces modèles a permis de proposer la géométrie des canaux qui correspond au design optimal. Deux méthodologies de design ont été développées ainsi qu'un modèle permettant d'interpréter les résultats expérimentaux en tenant compte de la possibilité du bouchage des canaux. L'échangeur-réacteur fabriqué permet de réduire le coût de production pour une unité fonctionnant sans export de vapeur / Steam Methane Reforming (SMR) of natural gas is characterized by generation of an excess of steam and their low thermal efficiency resulting in a very large device with important heat losses. One of the possible keys to make this process more profitable is to optimize heat transfer by changing the reactor design. A microstructured heat exchanger reactor has been retained. It enables to have fast heat and mass transfers and therefore allow increasing catalytic activity. However, this change in production technology must be accompanied by the development of highly active catalysts (MgAl2O4) that enable to reach high methane conversion (80%, 20 bar, 850°C) at low residence time (150 ms). The concept feasibility and catalysts performance have been validated on one channel in industrial process conditions. Then, a detailed model for acquisition of reaction kinetics has been developed and validated from experimental catalytic tests. For heat exchanger reactor design, two modeling approaches have been developed: by considering that the catalyst is highly active and enables to reach instantaneous equilibrium conversion on the coated catalytic walls of the reactor and by tacking the measured kinetics. Simulation of these models by considering technical constraints on the design enabled to find channel characteristic dimensions, heat power needed and the optimum number of channel which determine the heat exchanger reactor volume. Two fast methods for preliminary design of heat-exchanger reactors have been developed. By using heat exchanger reactor, it is possible to suppress steam excess generation and to reduce syngas production cost