Cette étude a pour but de combler l'écart entre l'état actuel de la simulation énergétique dans le domaine du bâtiment (i.e. hypothèses et modèles) et la connaissance empirique sur le comportement des usagers en matière de contrôle environnemental. L'application principale issue de cette thèse est un module de simulation autonome qui vise la modélisation à haute résolution et à haute fréquence des interactions personne-milieu: de l'occupation des locaux (i.e. l'affectation individuelle d'un environnement modélisé), du contrôle basé uniquement sur la présence ou l'absence des occupants (e.g. détecteurs de mouvement), jusqu'aux modèles comportementaux plus avancés (e.g. commutation manuelle des appareils d'éclairage, l'utilisation des fenêtres ouvrantes). L'intégration du module au sein du logiciel libre ESP-r, un programme qui permet de simuler l'ensemble des interactions bâtiment-systèmes-environnement, permet d'étudier à quel point les modèles d'interactions personne-milieu, issus des études en milieu réel, peuvent influencer les besoins énergétiques d'un bâtiment donné. Certains traits comportementaux, couramment associés aux modèles de contrôle manuel des systèmes d'éclairage, caractérisent également le comportement individuel au niveau des fenêtres ouvrantes; une conclusion issue d'une étude pilote en milieu réel sur le campus de l'Université Laval (Québec). Cette constatation suggère certains traits communs pouvant décrire le comportement des usagers en matière de contrôle environnemental. Le module développé permet également d'étudier le potentiel écoénergétique de stratégies innovatrices: l'application de stratégies de contrôle reposant sur l'adaptation thermique dans un contexte de climatisation hybride, et basées sur l'opération de fenêtres ouvrantes en tant que commutateurs entre climat naturel et climat artificiel. Les résultats préliminaires suggèrent que pour les climats nordiques ou méridionaux, ces approches permettent effectivement de réduire les besoins en climatisation, mais qu'en contre partie les besoins en chauffage augmentent considérablement en raison de l'utilisation des fenêtres en périodes plus tempérées. L'intérêt de la méthode est ici mis en évidence dans sa capacité à simuler globalement l'ensemble des conséquences énergétiques de l'interaction sociale avec l'environnement bâti. / This study sets out to bridge the gap between building energy simulation and empirical evidence on occupant behaviour. The major output is a self-contained simulation module that aims to control all occupant-related phenomena which can affect energy use in buildings. It provides high resolution and high frequency occupancy prediction (i.e. when occupants as individual agents occupy a modelled environment), occupant-sensing control (i.e. as driven by the mere presence of one or more occupants, such as occupancy-sensing lighting controls), as well as advanced behavioural models (i.e. active personal control, such as manual switching of lights, manual adjustments to window blinds, operable windows, personalized air-conditioning units). The module is integrated within the ESP-r free software, a whole-building energy simulation program. Simulation results clearly show that occupants-based phenomena exert a strong influence on simulated energy use, revealing a number of limitations in key assumptions in current energy simulation practice. Key behavioural traits, commonly associated to lighting behavioural patterns, also appear to be associated to personal control of operable windows, as demonstrated in a pilot field study in a Université Laval pavilion in Québec. This may suggest an abstract quality to certain behavioural concepts regarding different environmental controls. The study then focuses on the use of the developed work to investigate the energy saving potential of novel yet untried strategies: adaptive comfort control algorithms in hybrid environments, based on the use of operable windows as switching mechanisms between natural and artificial modes of environmental control. Results suggest that for both heating- and cooling-dominant climates, adaptive comfort control effectively reduces cooling requirements, yet operable window use during cooler conditions appear to increase heating requirements. The usefulness of the original method is here illustrated by providing a more complete view on energy use attributed to occupant behaviour.

L'architecture des modèles de logement dans l'Arctique canadien doit être optimisée pour offrir aux occupants des liens positifs avec l'environnement extérieur, ce qui constitue le principal principe de conception biophilique. Les stratégies architecturales doivent également améliorer la performance énergétique des logements, la transition thermique et l'exposition à la lumière du jour lors des interactions intérieur-extérieur - lorsque l'on passe d'un environnement extérieur extrêmement froid à des espaces intérieurs climatisés. La biophilie est l'idée de relier les intérieurs à la nature extérieure pour améliorer le bien-être des occupants. Cependant, les modèles de logements arctiques existants n'offrent pas aux occupants des connexions positives et suffisantes avec l'environnement extérieur hostile. Les liens limités avec l'environnement extérieur et les éléments naturels ont eu un impact négatif sur le bien-être physique et psychologique des occupants de l'Arctique. Les espaces intermédiaires biophiliques se caractérisent par leur transparence et leur liberté de mouvement, c'est-à-dire des espaces non conditionnés situés entre l'environnement extérieur et le modèle de logement climatisé. L'intégration d'espaces intermédiaires biophiliques dans les modèles de logements arctiques peut créer une zone d'adaptation thermique qui assure des transitions thermiques efficaces et progressives avec l'environnement extérieur. La transparence des espaces intermédiaires peut maximiser l'accès à la lumière du jour, ce qui peut contribuer à la santé des occupants liée à la lumière et aux activités semi-extérieures. Les espaces intermédiaires à circulation libre peuvent optimiser l'efficacité énergétique globale du modèle de logement arctique en protégeant l'enveloppe du bâtiment et les ouvertures contre les pertes de chaleur. Cependant, les espaces intermédiaires biophiliques n'ont pas été adaptés aux modèles de logements arctiques canadiens. Les méthodologies de la thèse comprennent une revue de la littérature combinée à une analyse archétypale et à une observation in situ afin d'examiner de manière critique la conception des logements arctiques existants et les études de cas d'espaces intermédiaires reliant l'environnement intérieur à l'environnement extérieur. La thèse utilise également des méthodes numériques avec une simulation numérique paramétrique pour évaluer la performance thermique, l'éclairage et la performance énergétique des espaces intermédiaires libres pour un modèle de logement arctique au Nunavut, Canada. Grâce à la méthode paramétrique, les variables architecturales des espaces intermédiaires sont évaluées en termes (i) de variables de conception primaires, c'est-à-dire l'orientation, le volume de l'espace et le ratio de transparence, et (ii) de variables de conception secondaires, c'est-à-dire les matériaux et la contiguïté physique des espaces. La température (°C), le facteur de lumière du jour (FL) et l'intensité de la consummation d'énergie (ICE) sont considérés comme les principaux indicateurs de performance. 26 études de cas d'espaces intermédiaires ont été explorées en termes de performance optimale dans des conditions climatiques annuelles, hebdomadaires typiques (pour chaque saison) et quotidiennes. Les résultats de la thèse comprennent un cadre de bien-être biophilique établissant des connexions intérieures-extérieures positives en termes de performances thermiques, visuelles (liées à la lumière) et énergétiques. La thèse développe également un cadre de conception identifiant les principales variables architecturales et les indicateurs de performance pours intégrer les espaces intermédiaires biophiliques dans les modèles de logements arctiques. Les résultats suggèrent également la configuration architecturale optimale des espaces intermédiaires biophiliques pour l'habitat arctique, qui comprend des ratios de transparence de 50 à 80 % et une profondeur d'espace d'environ 6 mètres. Les modèles optimaux offrent une température intérieure moyenne comprise entre 13,5° C et 16° C et un facteur de lumière du jour supérieur à 30 % tout au long de l'année. Ces modèles optimaux d'espace intermédiaire biophilique et libre peuvent réduire la consommation d'énergie dans les logements arctiques d'environ 19 kWh/m2 par an. Les résultats de la thèse révèlent que les configurations architecturales optimales des espaces intermédiaires biophiliques et libres peuvent établir des connexions intérieures-extérieures efficaces, répondant efficacement aux besoins de bien-être des occupants de l'Arctique, y compris sur le plan thermique et de l'éclairage. En tant que résultat principal de la thèse, les résultats peuvent éclairer les architectes et les décideurs sur les avantages des espaces intermédiaires biophiliques pour améliorer le bien-être des occupants de l'Arctique et optimiser l'efficacité énergétique des modèles de logement de l'Arctique. Les résultats de la recherche pourraient aider les décideurs politiques à promouvoir des conditions de vie plus saines et à améliorer le bien-être de la communauté. Les configurations optimales des espaces intermédiaires biophiliques peuvent profiter aux communautés inuites de l'Arctique canadien, en leur offrant la possibilité de se connecter à l'environnement extérieur et de promouvoir leur bien-être. / The architecture of Canadian Arctic housing models must be optimized to provide occupants with positive connections to the outdoor environment as the main biophilic design principle. Architectural strategies must also improve housing energy performance, thermal transition, and exposure to daylight during indoor-outdoor interactions – when moving from the extremely cold outdoor environment to air-conditioned indoor spaces. Biophilia is the idea of connecting indoors to the outdoor nature to improve occupants' well-being. However, existing Arctic housing models do not provide occupants with positive and sufficient connections to the harsh outdoor environment. Limited connections with the outdoor environment and natural elements have reportedly negatively impacted Arctic occupants' physical and psychological well-being. Biophilic intermediate spaces are characterized as transparent and free running, i.e., unconditioned spaces located between the outdoor environment and the air-conditioned housing model. Integrating biophilic intermediate spaces into Arctic housing models can create a thermal adaptation zone that provides efficient and gradual thermal transitions with the outdoor environment. The transparency of intermediate spaces can maximize access to daylight, that can contribute to occupants' light-related health and semi-outdoor activities. The free-running intermediate spaces can effectively optimize the overall energy efficiency of the Arctic housing model by protecting the building envelope and openings from heat loss. However, biophilic intermediate spaces have not been develop for Canadian arctic housing models. The thesis methodologies consist of a scoping literature review combined with archetypal analysis, and in-situ observation to critically review the design of existing Arctic housing and case studies of intermediate spaces connecting the indoor and the outdoor environment. The thesis also employs numerical methods with parametric digital simulation to evaluate the thermal, lighting, and energy performance of free running intermediate spaces for an Arctic housing model in Nunavut, Canada. Through the parametric method, architectural variables of intermediate spaces are evaluated in terms of (i) primary design variables, i.e., orientation, space volume, and transparency ratio, and (ii) secondary design variables, i.e., materials, and physical adjacency of spaces are evaluated. Temperature (°C), Daylight Factor (DF), and Energy Use Intensity (EUI) are considered as the main performance indicators. 26 case studies of intermediate spaces have been explored in terms of optimum performance under annual, typical weekly (for each season), and daily climatic conditions. The thesis results include a biophilic wellbeing framework establishing positive indoor-outdoor connections in terms of thermal, visual (light-related), and energy performance. The thesis also develops a design framework identifying main architectural variables and performance indicators to integrate biophilic intermediate spaces into Arctic housing models. Results also suggest the optimum architectural configuration of biophilic intermediate spaces for Arctic housing that includes 50% to 80% transparency ratios and approximately 6 meters space depth. The optimum models provide an average indoor temperature between 13.5° C to 16° C and a Daylight Factor above 30% around the year. Such optimum models of biophilic and free-running intermediate space can reduce energy in Arctic housing around 19 kWh/m2 annually. The thesis result reveals that the optimum architectural configurations of biophilic and free-running intermediate spaces could establish efficient indoor-outdoor connections, effectively addressing the Arctic occupants' well-being needs including thermal and lighting. As the major thesis outcome, the findings can enlighten architects and decision-makers about the advantages of biophilic intermediate spaces to improve the well-being of Arctic occupants and optimize the energy efficiency of Arctic housing models. Research findings could help policymakers promote healthier living conditions and improve the well-being of the community. Optimum configurations of biophilic intermediate spaces can benefit Inuit communities of the Caadian Arctic, offering them the opportunity to connect with the outdoor environment and promote their well-being.