Dans les bâtiments résidentiels à haute performance, le comportement des ménages est maintenant l'un des principaux facteurs affectant le confort et la consommation d'énergie. Malgré les progrès technologiques importants en matière d'efficacité énergétique, il demeure un écart considérable entre les prédictions réalisées au moment de la conception et la consommation réelle du bâtiment. À ce jour, il existe peu d'outils d'optimisation du bâtiment prenant en compte la diversité du comportement des occupants. Les outils actuels utilisent généralement des horaires d'occupation fixes, ce qui perpétue l'écart entre les estimations et la performance réelle du bâtiment. De plus, les simulations énergétiques tenant compte du comportement des occupants demandent un grand temps de calcul et sont complexes à implanter en entreprise. Ainsi, il devient essentiel de développer des outils adaptés pour les concepteurs afin d'améliorer l'exactitude des prédictions énergétiques. L'objectif de ce projet est de proposer des outils pour l'optimisation du bâtiment résidentiel, tout en considérant la variabilité du comportement, au moyen de simulations énergétiques. D'une part, une analyse paramétrique sur l'influence de la taille des fenêtres a été menée avec 1000 profils d'occupant différents. Cette étude a permis de conclure que l'importance de chacun des facteurs du comportement changeait selon la taille des fenêtres. Par exemple, lorsque les fenêtres étaient agrandies, l'ouverture des fenêtres influençait moins la demande en chauffage, mais le choix de la température de consigne devenait plus important. D'autre part, une méthode pratique et simplifiée pour considérer le large spectre du comportement, mais en ne générant qu'un nombre réduit de simulations choisies stratégiquement, a été développé. Les simulations énergétiques confirment qu'il est possible de représenter la consommation d'énergie et le confort thermique avec un nombre limité de trois profils d'occupations. En somme, la méthode permet de comparer différentes solutions de design en considérant la diversité du comportement des occupants. / Occupant behavior is now known to be one of the most important parameters affecting thermal comfort and energy consumption, in particular in the residential sector. Despite great technological progress in the field of energy efficiency, huge energy consumption disparities remain to a great extent between prior-to-construction estimations and real energy demand. Nowadays, few optimization tools exist to account for occupant behavior diversity. Usually, single schedules are used to represent occupant behavior, which broaden the gap between estimations and actual consumption. Moreover, energy simulations that include occupant behavior diversity are time-consuming and complex to implement in the industry. Il becomes essential to develop tools that are adapted for practitioners to increase energy predictions reliability. The objective of this study is to propose optimisation tools for the residential sector considering the occupant behavior variability through energy simulations. First, a parametric study has been conducted to measure the influence of window-to-wall ratio with 1000 different occupancy profiles. This exploratory work shows that the relative importance of different occupant behavior aspects can change depending on the window-to-wall ratio. For example, when windows are enlarged, window opening becomes less influential on the heating demand, but, on the other hand, the choice of temperature set point becomes more influential. Afterward, a practical and simple method has been developed to consider thew hole spectrum of occupant behavior, but with a reduced number of strategically chosen profiles. Energy simulations showed that it was possible to represent energy demand and thermal comfort with a limited number of three occupancy profiles. In short, this method allows one to compare different design solutions by considering occupant behavior diversity.

L’efficacité énergétique limite la croissance de la consommation d’énergie tout en réduisant les externalités négatives liées à la consommation d’énergie à l’échelle planétaire. C’est une solution aux défis environnementaux et énergétiques auxquels nous faisons face aujourd’hui. Actuellement, il n’existe pas de consensus quant à la manière d’estimer les gains en efficacité énergétique : la méthode utilisée dépend du but de la recherche et des données disponibles. Dans ce mémoire, nous estimons les tendances d’épargne de consommation de gaz naturel réalisées par l’efficacité énergétique des ménages québécois clients d’Énergir. Pour ce faire, nous utilisons des modèles économétriques linéaires sur des données de panel de consommation de gaz naturel des clients d’Énergir. Le coefficient de la tendance temporelle est considéré comme l’estimateur de l’efficacité énergétique. Une variable de tendance temporelle est parfois intégrée dans les modèles énergétique dans la littérature comme proxy pour les progrès techniques. Nos résultats indiquent que l’amélioration de l’efficacité énergétique permet des économies annuelles en consommation de gaz naturel de 0,72 % pour le chauffage et 2,97 % pour les autres emplois. Les régions géographiques, les volumes de gaz naturel consommés et les cohortes de construction ont une incidence sur ces tendances en efficacité énergétique. La superficie des habitations a peu d’impact sur l’efficacité énergétique. Nous avons également détecté un ralentissement de la tendance en efficacité énergétique pour la consommation de chauffage. Depuis 2013, 0,53 % d’économies de gaz naturel sont réalisées annuellement par cette utilisation finale. En conclusion, nous recommandons l’utilisation de la méthode et des résultats pour l’utilisation finale du chauffage. Pour les autres utilisations finales, nous ne recommandons pas l’utilisation de la méthode et des résultats. La fiabilité de ces estimateurs est trop faible.

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Le bois est un matériau souvent utilisé par les architectes pour améliorer l'ambiance générale d'un espace, mais peu de recherches en présentent l’impact réel du matériau sur les impressions visuelles et les effets lumineux. Cette recherche étudie l'influence de la matérialité du bois par rapport à la création d'ambiances d'éclairage spécifiques dans l'architecture. Plus particulièrement, elle se concentre sur l'impact des panneaux décoratifs en bois à générer de la diversité lumineuse dans les espaces intérieurs et son potentiel à améliorer la satisfaction environnementale et l'efficacité énergétique. La recherche utilise des maquettes à l’échelle pour leur précision dans la représentation des ambiances lumineuses d’espaces éclairés naturellement ainsi que les technologies récentes d'imagerie digitale pour capturer et analyser les résultats. La méthodologie permet la comparaison entre les différents réglages des espaces intérieurs créés par une sélection des types de matérialités du bois: la réflectance (valeur), la couleur et la réflectivité. Les modalités spatiales sont comparées en présence d’ensoleillement direct et sous des conditions de ciel couvert puisque les modèles d'éclairage et les ambiances diffèrent considérablement. Les résultats permettent d’établir une discussion sur les ambiances en termes de brillance et de contraste, sur la couleur ainsi que la répartition des zones lumineuses dans l'espace. La recherche souligne le rôle des matérialités que peuvent prendre le bois pour optimiser la diversité lumineuse et la création d'ambiances visuellement confortables, ainsi que ses possibilités d'améliorer les ambiances architecturales par rapport à la lumière. / Wood is a material often used by architects to enhance the overall ambiance of a space but few research discuss its actual impact on visual impressions and luminous effects. This research studies the influence of wood materialities in relation to creating specific lighting ambiances in architecture. More particularly, it focuses on the impact of decorative wood indoor panels on the creation of daylighting diversity in interior spaces and the potential to improve environmental satisfaction and energy efficiency. The research uses scale models for their accuracy in rendering complex daylighting ambiances in conjunction with the latest imaging technologies to capture and analyze the results. The methodology enables the comparison between different settings of interior spaces created by a selection of wood type materialities: ratio (percentage), color and gloss. Spatial modalities are compared in the presence of direct sunlighting and diffuse skylight conditions since lighting patterns and ambiances differ considerably. The results enable a discussion of ambiances in terms of brightness and contrast, color, as well as the luminous distribution in the space. The research underlines roles of wood materialities to achieve luminous diversity and creating visually comfortable interior ambiances as well as its opportunities to enhance architectural ambiances in relation to light.

L'efficacité énergétique limite la croissance de la consommation d'énergie tout en réduisant les externalités négatives liées à la consommation d'énergie à l'échelle planétaire. C'est une solution aux défis environnementaux et énergétiques auxquels nous faisons face aujourd'hui. Actuellement, il n'existe pas de consensus quant à la manière d'estimer les gains en efficacité énergétique : la méthode utilisée dépend du but de la recherche et des données disponibles. Dans ce mémoire, nous estimons les tendances d'épargne de consommation de gaz naturel réalisées par l'efficacité énergétique des ménages québécois clients d'Énergir. Pour ce faire, nous utilisons des modèles économétriques linéaires sur des données de panel de consommation de gaz naturel des clients d'Énergir. Le coefficient de la tendance temporelle est considéré comme l'estimateur de l'efficacité énergétique. Une variable de tendance temporelle est parfois intégrée dans les modèles énergétique dans la littérature comme proxy pour les progrès techniques. Nos résultats indiquent que l'amélioration de l'efficacité énergétique permet des économies annuelles en consommation de gaz naturel de 0,72 % pour le chauffage et 2,97 % pour les autres emplois. Les régions géographiques, les volumes de gaz naturel consommés et les cohortes de construction ont une incidence sur ces tendances en efficacité énergétique. La superficie des habitations a peu d'impact sur l'efficacité énergétique. Nous avons également détecté un ralentissement de la tendance en efficacité énergétique pour la consommation de chauffage. Depuis 2013, 0,53 % d'économies de gaz naturel sont réalisées annuellement par cette utilisation finale. En conclusion, nous recommandons l'utilisation de la méthode et des résultats pour l'utilisation finale du chauffage. Pour les autres utilisations finales, nous ne recommandons pas l'utilisation de la méthode et des résultats. La fiabilité de ces estimateurs est trop faible.

Bien que le domaine de la construction au Québec soit en pleine expansion et qu'il joue un rôle clé dans l'économie du pays, le coût énergétique engendré par le chauffage et le refroidissement des bâtiments est un enjeu important de ce secteur. Avec la règlementation sur l'énergie qui devient de plus en plus contraignante, il devient difficile d'utiliser le mur-rideau dans les bâtiments en raison de leur faible performance énergétique, et ce, malgré le fait que ce système puisse permettre de valoriser l'aluminium produit au Québec. Le mur-rideau intelligent dont les propriétés sont modulées en fonction d'un contrôleur est une façon de résoudre cet enjeu. C'est dans cette optique que s'insère cette maitrise dont le but est d'étudier le mur-rideau intelligent intégrant l'aluminium de façon à comprendre son mode de conception, à cerner les points à améliorer, de même qu'à dégager des pratiques d'avenir afin de favoriser un déploiement plus large de ce produit dans l'industrie du bâtiment au Québec. Pour ce faire, une revue de littérature a été réalisée, afin d'investiguer les différents aspects du mur-rideau intelligent, notamment leur constitution et leur chaîne de valeur. Des entrevues semi-dirigées ont ensuite été réalisées avec des experts de la construction au Québec et aux États-Unis, pour mieux comprendre la situation actuelle du mur-rideau intelligent et bonifier ou ajuster les informations recueillies lors de la revue de la littérature. Cet exercice visait également à permettre l'élaboration de pistes de solutions pour guider le déploiement à plus grande échelle du produit sur le marché. Une analyse de contenu des entrevues a dès lors pu être conduite, ce qui a mené à l'élaboration d'une liste de recommandations et au dégagement de perspectives d'avenir en lien avec le mur-rideau intelligent. La forme de la chaîne de valeur du produit a de plus été repensée suite aux informations recueillies lors des entrevues. Les diverses analyses menées lors de la recherche ont entre autres permis de proposer une définition standardisée du mur-rideau intelligent, d'établir les critères qui devraient guider le choix du mur-rideau intelligent dans les projets de construction au Québec, de mettre l'accent sur les types de vitrage à incorporer dans ce produit, d'établir les différentes étapes de conception à mener pour favoriser la pérennité du mur, de même que de regrouper les problématiques à résoudre afin de permettre l'expansion de son marché. Ce travail peut donc être vu comme une avenue pour regrouper toute une série d'informations concernant le mur-rideau intelligent qui guident la conception du produit ainsi que la mise en place de la chaîne de valeur pour sa fabrication. / Quebec's construction industry is booming and plays a key role in the country's economy. Nevertheless, the energy costs involved in heating and cooling buildings is a major challenge. With current energy regulations becoming more stringent, it is becoming challenging to continue using curtain walls in buildings due to their typically low energy performance, even though this product can valorize the aluminum produced in Quebec. The aim of this master's thesis is to study smart curtain walls to understand how smart curtain walls are designed, to identify areas for improvement, and to identify future practices to encourage wider deployment of this product in the industry. To this end, a literature review was carried out, with the aim of investigating the various aspects of the intelligent curtain wall, including its constitution and value chain. Semi-structured interviews were then conducted with construction experts in Quebec, to gain a better understanding of the current situation of intelligent curtain walls and to be able to improve or adjust the information gathered during the literature review. This exercise was also aimed at developing possible solutions to guide the product's wider deployment on the market. A content analysis of the interviews was carried out, leading to a list of recommendations and future prospects for the intelligent curtain wall. The structure of the product's value chain was also rethought as a result of the information gathered during the interviews. Among other things, the various analyses carried out during the research enabled us to propose a standardized definition of the intelligent curtain wall, to establish the criteria that should guide the choice for intelligent curtain walls in construction projects in Quebec, to identify the types of glazing used for this product, to establish the various design stages to be carried out to promote the wall's durability, and to highlight issues that need to be resolved to enable market expansion. This work can therefore be seen as a compilation of a wide range of information concerning the intelligent curtain wall, guiding the design of the product as well as the establishment of its value chain.

La Maîtrise de la Demande en Energie s'impose comme une priorité dans un contexte d'épuisement des ressources et de réduction des émissions polluantes.<br />En parallèle, les échelons locaux prennent une importance croissante dans la mise en oeuvre des activités de MDE, dont le cadre évolue (ouverture des marchés, nouveaux instruments d'intervention). Dans ce contexte, les besoins en évaluation ex-post augmentent, aussi bien pour des raisons réglementaires que pour aider à un nécessaire changement d'échelle. Notre thèse étudie la problématique originale de l'évaluation ex-post des opérations locales de MDE en France.<br />L'état de l'art, au travers de l'analyse des expériences américaines et européennes ainsi que des ouvrages de référence dans le domaine, fournit un matériau méthodologique conséquent et fait ressortir les questions clés liées à l'évaluation. En parallèle, les<br />opérations locales de MDE en France sont caractérisées par une analyse de leur contexte et un travail sur leurs critères de segmentation.<br />La combinaison de ces critères avec les questions clés de l'évaluation donne une grille d'analyse qui sert de base à la constitution de méthodes d'évaluation. L'étude des spécificités des opérations locales précise de plus les besoins associés en évaluation.<br />Une méthodologie est ensuite développée pour compléter et adapter les matériaux existants au cas des opérations locales afin de mettre au point des méthodes d'évaluation opérationnelles, facilement appropriables par les acteurs et permettant d'alimenter un processus de capitalisation d'expériences. Ces méthodes permettent de répondre aux deux objectifs principaux : quantifier les résultats obtenus, et détecter les facteurs de succès/échec. La méthodologie a été validée sur des cas concrets, pour lesquels ces objectifs ont été atteints.

Cette thèse, structurée en trois essais, porte sur l’économie de l’énergie et l’adaptation aux changement climatiques. Le premier essai (Chapitre 1) étudie la présence de bris structurels dans la demande d’essence au Canada en réponse aux politiques sur l’efficacité énergétique visant à réduire les émissions de gaz à effet de serre (GES). L’analyse est effectuée sur des données trimestrielles de 1965à 2012 en utilisant une approche bayésienne. Notre méthodologie est basée sur la méthode de Chib (1998) qui permet de multiples bris structurels et inconnus. Les résultats suggèrent l’existence de deux bris structurels définissant trois régimes. Dans le premier régime avant 1982, les élasticités prix et revenu se situent dans la plage de valeurs habituellement rapportée dans la littérature (-0,5 et 0,8 respectivement). Dans le troisième régime après 1986, le degré de réactivité du prix est quasiment nul alors que l’effet revenu est beaucoup plus faible (0,2). Le second régime fournit des résultats incohérents avec la théorie économique et correspond très probablement à une phase de transition perturbée par plusieurs chocs tels que la crise pétrolière, une récession et une réglementation de l’économie de carburant. Dans le deuxième essai (Chapitre 2), nous examinons la réaction ou l’ajustement du prix de l’essence aux prix du pétrole brut. Certaines études indiquent que le processus d’ajustement est asymétrique c’est-à-dire que le prix de l’essence réagit beaucoup plus rapidement à la hausse des prix du pétrole brut qu’à sa baisse, ce qui est communément appelé en anglais “rockets and feathers” process. Cependant, d’autres études concluent à un processus d’ajustement symétrique. Dans cet essai, nous estimons un modèle dans lequel des périodes d’ajustement symétrique et asymétrique alternent. Nous estimons plus précisément un modèle à changement de régime markovien à deux états en utilisant des données hebdomadaires sur le prix de l’essence et du pétrole brut couvrant la période de 21 janvier 1991 au 29 octobre 2018. Nos résultats confirment l’idée selon laquelle la transmission des chocs du brut alternent entre processus d’ajustements symétrique et asymétrique. Nos résultats indiquent qu’en moyenne la durée du régime asymétrique est nettement plus longue que celle du régime symétrique soit 139 semaines contre 71. En outre, l’occurrence d’un régime asymétrique est bien plus importante après l’an 2000. Par ailleurs, nous observons que les variances des prix de l’essence et du brut sont beaucoup plus importantes en période d’ajustement asymétrique, ce qui laisse supposer que ce régime est marqué par l’instabilité des marchés. Nos résultats sont également robustes à l’analyse en sous-échantillons. Les populations font face à des catastrophes naturelles (inondations, incendies et tornades par exemple) de plus en plus imprévisibles et dévastatrices. Dans le troisième essai (Chapitre 3),nous considérons un décideur responsable du lancement d’alertes d’inondation à l’intention de la population. La population est incertaine quant à la crédibilité des alertes et met à jour sa croyance à la suite de fausses alertes ou d’événements manqués. Nous montrons qu’une faible crédibilité amène le décideur à émettre des alertes pour de faible probabilités d’inondations. En pratique, ces probabilités sont fournies par des systèmes de prévisions hydrologiques. Dans un contexte réel, nous utilisons donc notre modèle pour comparer le bien-être social sous différentes prévisions hydrologiques. Nous observons que lorsque les prévisions incluent des scénarios extrêmes non réalistes, l’économie peut rester bloquée dans un état caractérisé par de nombreuses fausses alertes et une faible crédibilité. / This dissertation consists of three essays in energy economics and climate change adaptation. The first essay (Chapter I) focuses on the presence of structural breaks in the Canadian gasoline demand as a response to a fuel economy policy with a view to reducing greenhousegas (GHG) emissions. Using a Bayesian approach, the analysis is carried out on quarterly data from 1965 to 2012. Our methodology is based on Chib (1998) approach that allows for multiple and unknown breakpoints. The results suggest the existence of two breakpoints defining three regimes. In the first regime up to 1982, the price and income elasticities are in the range of values usually reported in the literature (-0.5 and 0.8 respectively). In the third regime after 1986, price reactiveness is close to zero while the income effect is much lower(0.2). The second regime provides results that are incoherent with economic theory and mostlikely corresponds to a transition phase disturbed by several shocks such as the oil crisis, are cession and fuel economy regulations. In the second essay (Chapter 2), we look at gasoline price response to crude oil prices by investigating the relationship between gasoline prices and crude oil prices. Some studies indicate that the adjustment process is asymmetric with the price of gasoline responding much more quickly to crude oil price hikes than crude oil price drops what is referred as the “rockets and feathers” process. However, other studies find a symmetric adjustment process. In this essay, we estimate a model that allows switches between periods of symmetrical and asymmetrical adjustment processes. Specifically, we estimate a two-state Markov regime-switching model using weekly gasoline and crude oil prices in the United States from January 21, 1991 to October 29, 2018. My results support the idea that gasoline prices response to crude oil prices shocks sometimes with a symmetric pattern and sometimes with an asymmetric adjustment process. We find that the expected duration in the asymmetric regime is significantly longer than for the symmetric regime 139 weeks versus 71 weeks. In addition, the occurrence of asymmetric regime is greater up to 2000. Further, we find that the variances of gasoline and crude oil prices are much larger in periods of asymmetric regime suggesting that this regime is marked by market instability. My results are robust to subsamples analysis. Populations are faced with more unpredictable and devastating natural disasters (e.g. floods, fires, tornadoes). In the third essay (Chapter 3), we consider a decision maker who is responsible for is suing flood warnings for the population. The population is uncertain about the credibility of the warnings and adjusts its beliefs following false alerts or missed events. We show that low credibility leads the decision maker to issue warnings for lower probabilities of flooding. In practice, those probabilities are provided by hydrological forecasts. We thereforeuse our model to compare welfare under alternative real-world hydrological forecasts. We find that when forecasts include non-realistic extreme scenarios, the economy may remain stuck in a state characterized by many false alerts and poor credibility.

Les systèmes de distribution d'eau (SDE) efficaces sont cruciaux pour les sociétés modernes. Leur fonctionnement nécessite d'importantes quantités d'énergie, avec un impact financier significatif pour les fournisseurs d'eau, généralement les gouvernements. De plus, la conception et la maintenance de ces installations atteignent souvent des millions de dollars. Les méthodes actuelles pour résoudre ces problèmes sont souvent excessivement simplifiées ou ne peuvent résoudre que des réseaux schématiques de petite taille. Cette thèse comprend quatre projets de recherche abordant différentes étapes d'optimisation dans les SDE. Tout d'abord, nous étudions le problème de la planification des pompes pour les SDE, comprenant des pompes fournissant le débit et la pression nécessaires au réseau d'eau pour satisfaire les demandes des consommateurs. En plus de planifier le fonctionnement des pompes sur un horizon temporel donné, plusieurs contraintes liées aux propriétés hydrauliques sont prises en compte, certaines pour la première fois dans la littérature. L'objectif est de fournir un plan de pompage de coût minimum qui satisfait toutes les demandes et respecte de nombreuses contraintes opérationnelles et hydrauliques. Nous proposons une formulation non linéaire et non convexe ainsi qu'une heuristique performante, qui vissent la minimisation des coûts énergétiques. Le comportement hydraulique physique est assuré via un logiciel de simulation hydraulique. Notre méthode a significativement amélioré, jusqu'à 17%, les meilleures solutions pour plusieurs instances de référence, en obtenant des solutions plus rapidement que les méthodes de la littérature. Nos solutions réduisent également la consommation d'énergie pendant les périodes de pointe, lorsque le réseau électrique est le plus sollicité. La deuxième étude touche l'optimisation de la qualité de l'eau dans les systèmes de distribution d'eau. Ici, nous abordons le problème de la planification des pompes contraint par la qualité de l'eau, où en plus de planifier le fonctionnement des pompes et la maintenance du comportement hydraulique, nous devons garantir une qualité d'eau adéquate en gérant l'injection de chlore dans le système sur un horizon temporel d'une journée, avec une injection variable de chlore dans les sources d'eau, les réservoirs et les nœuds d'injection. Cette étude introduit un nouvel ensemble de contraintes pour assurer la continuité de la qualité de l'eau, ce qui permet au plan de fonctionner sur un horizon temporel étendu. Ce travail propose un algorithme génétique de tri non dominé (NSGA-II) pour aborder une adaptation d'un réseau de grande taille issu de la littérature sur le problème de planification des pompes, avec des restrictions ajoutées pour la qualité de l'eau. Cette méthode a significativement amélioré les meilleures solutions de planification des pompes pour le réseau de Florianópolis, au Brésil, jusqu'à 3,74%, tout en assurant une gestion efficace de la qualité de l'eau. La troisième étude porte sur la conception et la maintenance des SDE. En particulier, le problème de conception du réseau de distribution d'eau, qui détermine le meilleur ensemble de conduites pour fournir de l'eau depuis les sources jusqu'aux consommateurs. La formulation générale du problème de conception optimale est très difficile à résoudre : elle nécessite de garder une pression minimale d'eau et de satisfaire les demandes de tous les nœuds tout en respectant des contraintes hydrauliques non linéaires. Cela nécessite des heuristiques complexes ou des simplifications qui réduisent la viabilité des solutions. Nous proposons une heuristique de recherche de voisinage parallèle, axée sur la minimisation des coûts de construction en exploitant deux opérateurs performants et plusieurs critères de réduction de l'espace des solutions. Notre méthode est testée sur plusieurs réseaux de référence, pour lesquelles nous avons obtenu les meilleures solutions de la littérature, tout en réduisant le nombre de simulations hydrauliques requises, offrant un meilleur compromis entre coût et performance. Enfin, notre quatrième recherche aborde la fiabilité lors de la conception de réseaux de distribution d'eau. Cette étude compare deux fonctions de résilience bien connues, qui servent de mesure substitutive de la fiabilité du réseau. Ce problème vise à déterminer le meilleur ensemble de conduites pour fournir la demande en eau avec une pression adéquate tout en minimisant les coûts de construction et en maximisant la fiabilité du réseau. Ensuite, un algorithme génétique multi-objectif est utilisé pour obtenir les fronts de Pareto coût-fiabilité pour chaque fonction. Les résultats des trois réseaux de référence sont ensuite soumis à une analyse comparative à l'aide de quatre tests distincts de fiabilité du réseau, couvrant des scénarios liés à la rupture de conduites, à l'augmentation de la demande, au débit en cas d'incendie et au vieillissement des conduites. En particulier, le test de fiabilité en cas de vieillissement des conduites intègre une fonction de régression conçue pour estimer la dégradation annuelle du coefficient de rugosité de la formule Hazen-Williams pour calculer les pertes de charge. De plus, cette recherche propose également une étude approfondie sur la prise de décision robuste visant à utiliser efficacement les résultats des tests de fiabilité afin de sélectionner une conception fiable pour un réseau de distribution d'eau. Les algorithmes développés dans cette thèse et les solutions que nous obtenons pour ces problèmes difficiles et pertinents sont non seulement importants du point de vue pratique, mais contribuent également à la littérature dans les domaines de l'optimisation et de la distribution d'eau. Les résultats obtenus avec cette thèse ont le potentiel de générer des économies de milliers de dollars pour les municipalités à court terme et de contribuer au développement durable à long terme. / Efficient Water Distribution Systems (WDS) are crucial for modern society. Their operation requires large amounts of energy with significant financial impact for the utility providers, typically governments. Moreover, the design and maintenance of these facilities often reach the scale of millions of dollars. Existing solution methods for these problems are often over-simplified or can only solve very small schematic networks. This thesis comprises four research projects addressing different optimization stages arising in WDS problems. First, we study the pumping scheduling problem for WDS, consisting of pumps providing the flow and pressure for the water network to satisfy consumers' demands. Besides scheduling the operation of pumps over a planning horizon, several constraints regarding hydraulic properties are considered, some for the first time in the literature. The goal is to provide a pumping plan of minimum cost that satisfies all demands and respects many operational and hydraulic constraints. We propose a nonlinear and non-convex formulation and a high-performance heuristic, focusing on minimizing the energy cost. Our method significantly improved the best solutions for several benchmark instances by up to 17%, obtaining solutions faster than the methods from the literature. Our solutions also reduce the energy consumed during peak periods, when the electrical grid is most strained. The second study delves into the water quality optimization of water distribution systems. Here, we address the quality-constrained pump scheduling problem, where besides scheduling the operation of pumps and the maintenance of the hydraulic behavior, we must ensure adequate water quality by managing the injection of chlorine through the system over a one-day planning horizon with variable chlorine injection at reservoirs, tanks, and booster nodes. This study introduces a new set of tank-quality continuity constraints that allow schedules to work over a long rolling horizon. This work proposes a Non-dominated Sorting Genetic Algorithm II to address a quality-constrained adaptation of a real big-size benchmark network from the pumping scheduling problem literature. This method significantly improved the best pumping scheduling solutions for the Florianópolis network by up to 3.74% while ensuring efficient water quality management. The third study addresses the design and maintenance of WDS. In particular, the water distribution network design problem determines the best set of pipes to supply water from the reservoirs to the consumers. The general formulation of the optimal cost design problem is very difficult to solve: it requires maintaining minimum water pressure and fulfilling the demand of all nodes while satisfying nonlinear hydraulic constraints. This leads to complex heuristics or simplifications that reduce the viability of the solutions. We propose a simple parallel neighborhood search heuristic, which focuses on minimizing the construction cost by exploiting two high-performance operators and multiple solution-space reduction criteria. Our method is tested on several benchmark instances, matching the best solutions from the literature while improving the number of hydraulic simulations required, providing a high-performance trade-off between cost and performance. Finally, our fourth research addresses the reliable water distribution network design problem. This study compares two well-known resilience functions, which work as a surrogate measure of network reliability. This problem seeks to determine the best set of pipes to supply the water demand with adequate pressure that minimizes the construction cost and maximizes the network reliability. Subsequently, a multi-objective genetic algorithm is employed to derive the cost-resilience Pareto-fronts for each function. The results from three benchmark networks are then subjected to a comparative analysis using four distinct network reliability tests, encompassing scenarios related to pipe failure, demand increase, fire flow, and pipe aging. In particular, the pipe aging reliability test incorporates a regression function designed to estimate the annual degradation of the Hazen-Williams roughness coefficient. Moreover, this research also provides a comprehensive study on robust decision-making to effectively utilize the results from the reliability tests in order to select a dependable design for a water distribution network. The algorithms developed in this thesis and the solutions we obtain for these difficult and relevant problems are not only important from a practical standpoint but also contribute to the literature of both optimization and water distribution fields. The results obtained with this thesis have the potential to save several thousands of dollars for municipalities in the short term and to contribute to sustainable development in the long term.

Dans ce mémoire, j’évalue les implications économiques d’une électrification efficace des usages du gaz naturel. Pour ce faire, je développe un modèle dynamique en équilibre partiel des marchés du gaz naturel et de l’électricité dans lequel la demande est détaillée par service énergétique. Le modèle tient également compte des contraintes de capacité et des coûts d’ajustement du réseau électrique. L’implémentation numérique du modèle, laquelle est calibrée au contexte québécois, révèle que la transition énergétique est guidée par le prix des émissions de GES. Une transition optimale implique que les investissements dans les énergies renouvelables débutent tôt et soient répartis à travers le temps. Par ailleurs, le prix du carbone en place ne mène pas à une électrification qui permette l’atteinte des cibles du gouvernement du Québec. / In this thesis, I evaluate the economic implications of the efficient electrification of natural-gas usages. To do so, I develop a dynamic partial equilibrium model of the electricity and natural gas markets with multiple energy demands. The model accounts for the capacity constraint and adjustment cost of the electric grid. The numerical implementation, calibrated to Québec’s contexts, reveals that the electrification’s main driver is the cost of greenhouse gas emissions. An optimal transition implies that investments in renewables start early-on and are smoothed through time. Québec’s actual carbon price does not lead to an electrification pathway that satisfies the province’s emission target.