La recherche de la performance énergétique dans les bâtiments est devenue un objectif sociétal et réglementaire. De nos jours, un bâtiment doit assurer des conditions de confort, tout en limitant son impact énergétique et environnemental. Les demandes de performances sont telles qu’il n’est plus possible d’appliquer des solutions standards à l’ensemble du bâtiment. Un critère énergétique doit donc être pris en compte au plus tôt dans la conception, ce qui exige dès l’esquisse un travail de plus en plus lourd et complexe. Pour faciliter la prise en compte du critère énergétique, nous avons choisi une approche d’optimisation valorisant la mise en œuvre de la simulation énergétique du bâtiment (quelque soit la méthode de simulation choisie) afin de fournir un outil d’aide à la décision au concepteur à partir du métré et de l’esquisse. La thèse consiste au développement d’une méthodologie commençant par le développement d’un algorithme d’optimisation valorisant la construction séquentielle d’un Kriging sur des paramètres globaux du bâtiment qui permet de rendre le temps de calcul nécessaire compatible avec le contexte de conception d’un bâtiment. Le méta-modèle de Kriging construit peut ensuite être valorisé pour restituer les solutions optimales, permettre l’exploration de l’espace de solutions respectant les contraintes, et mettre en valeur la sensibilité énergétique du bâtiment face aux différents paramètres d’entrée. Le concepteur peut alors faire des choix constructifs optimisés, tout en conservant un certain espace de liberté, ou encore réaliser des modifications à postériori. La dernière étape consiste à inverser la relation liant les paramètres globaux choisis à l’ensemble des données élémentaires de l’ouvrage. L’ensemble de la démarche est appliqué au cas d’une cellule monozone de référence. / Contribution to the use of surrogate models for constrained optimization of energy criteria: application to building design

La notion de confort dans les habitats est une problématique majeure pour résoudre des problèmes écologiques (consommation et émissions des bâtiments), économiques (réduction de coûts d'exploitation) et sociaux (maintien et assistance à domicile) qui définissent le développement durable. Cependant, cette notion de confort est complexe, par le nombre de paramètres qu'elle intègre, paramètres à la fois humains (perception) et physiques (mesure). Notre étude vise à modéliser cette notion de confort dans un contexte d'habitat intelligent. L'habitat intelligent émerge depuis le début des années 2000, et se positionne en héritier de la domotique, bénéficiant des progrès technologiques illustrés par l'informatique ubiquitaire et l'intelligence artificielle, concepts formants l'intelligence ambiante. La première partie de notre étude consiste à définir l'habitat intelligent, en formalisant les acquis (domotique) et les problématiques de recherche, sous l'angle de la représentation de connaissances par les modèles. Notre approche du bâtiment intelligent nous à permis de définir un cadre d'interopérabilité : un intergiciel capable de concentrer les paramètres et commandes d'un environnement. Cette interopérabilité est nécessaire de par l'hétérogénéité des objets communicants qui composent un habitat : hétérogénéité des applications, des protocoles de communication, de savoir-faire et d'usages. Les travaux réalisés dans cette première partie de l'étude nous ont permis d'instrumenter une plate-forme d'expérimentation : la plateforme Domus. Ainsi, en reconstituant un appartement, et en le dotant d'objets communicants, nous avons pu mettre en œuvre, par le biais de l'interopérabilité, un environnement intelligent, environnement qui se caractérise par une forte densité d'information et une capacité de réaction. La réalisation de cette plate-forme est nécessaire pour aborder des thématiques diverses liées à l'habitat, comme le confort. En effet, l'intelligence ambiante apporte une nouvelle dimension dans ce cadre de recherche : l'ubiquité. La densité croissante de capteurs nous permet de collecter plus d'informations, non seulement sur l'environnement mais également sur l'utilisateur et son comportement, définissant ainsi une nouvelle approche du confort : le confort adaptatif. Les travaux sur l'étude du confort dans les bâtiments se focalisent sur le confort thermique. Dans nos travaux, nous avons voulu nous intéresser au confort multi-sensoriel. Celui-ci permet d'une part de prendre en compte l'ensemble des paramètres qui agrémentent un environnement (l'air, le son, la vue) mais permet également de nous intéresser aux effets sensoriels croisés que peuvent induire ces modalités sur l'occupant. Par exemple, on soupçonne la température d'éclairage (éclairage rouge/chaud, éclairage bleu/froid) d'avoir une incidence sur la perception thermique. Des expérimentations ont en effet démontré l'approche pratique et l'approche théorique de ces effets multi-sensoriels. La mise en place de notre cadre d'interopérabilité, en première partie, dans la plateforme Domus et les résultats de nos évaluations expérimentales, en seconde partie, sur le confort réalisés dans cette même plateforme, nous permettent de participer à la définition d'un « confort-mètre », qui s'appuie à la fois sur les capteurs, les objets de l'habitat et la perception des habitants. / The notion of comfort in homes is a major problem to solve environmental problems (consumption and emissions of buildings), economic (reduction of operating costs) and social (maintenance and home care) that define sustainable development. However, this notion of comfort is complicated by the number of parameters that integrates both human (perception) and physical (measurement) parameters. Our study aims to model the concept of comfort in a smart home. Smart homes emerged in the early 2000s, and are positioned as heir to home automation, benefiting from technological advances illustrated by ubiquitous computing and artificial intelligence, ambient intelligence concepts formants. The first part of this study was to define habitat intelligent, formalizing the gains (home automation) and research issues, in terms of knowledge representation by the models. Our approach to intelligent building allowed us to define a framework for interoperability: a middleware able to focus and control the parameters of an environment. This interoperability is required by the heterogeneity of communicating objects that make up a habitat: heterogeneity of applications, communication protocols, know-how and practices. This first part of the study allowed us to instrument an experimental platform: the platform Domus. Thus, by restoring an apartment, and by providing it with smart objects, we could implement, through interoperability, an intelligent environment, environment characterized by high information density and capacity reaction. The realization of this platform is needed to address various topics related to housing, such as comfort. Indeed, ambient intelligence brings a new dimension in this research framework: ubiquity. The increasing density of sensors allows us to collect more information, not only the environment but also on the user and its behavior, thus defining a new approach to comfort: Adaptive comfort. Most of the work focusing on thermal comfort, we are interested in multi-sensory comfort. This allows one hand to take into account all the parameters that enhances an environment (air, sound, sight) but also allows our attention to cross-sensory effects that can induce these terms on the occupier. For example, it is suspected the temperature light (red light / heat, light blue / cold) to affect the perception of heat. Experiments have shown the practical approach and the theoretical approach of multi-sensory effects. The results of this study will be led to participate in the definition of "comfortmeter", a tool to sense comfort for both habitat and the inhabitant.

À l’heure actuelle, les stratégies de gestion de l’énergie pour les bâtiments sontprincipalement basées sur une concaténation de règles logiques. Bien que cette approcheoffre des avantages certains, particulièrement lors de sa mise en oeuvre sur des automatesprogrammables, elle peine à traiter la diversité de situations complexes quipeuvent être rencontrées (prix de l’énergie variable, limitations de puissance, capacitéde stockage d’énergie, bâtiments de grandes dimension).Cette thèse porte sur le développement et l’évaluation d’une commande prédictivepour la gestion de l’énergie dans le bâtiment ainsi que l’étude de l’embarcabilité del’algorithme de contrôle sur une cible temps-réel (Roombox - Schneider-Electric).La commande prédictive est basée sur l’utilisation d’un modèle du bâtiment ainsique des prévisions météorologiques et d’occupation afin de déterminer la séquencede commande optimale à mettre en oeuvre sur un horizon de prédiction glissant.Seul le premier élément de cette séquence est en réalité appliqué au bâtiment. Cetteséquence de commande optimale est obtenue par la résolution en ligne d’un problèmed’optimisation. La capacité de la commande prédictive à gérer des systèmes multivariablescontraints ainsi que des objectifs économiques, la rend particulièrementadaptée à la problématique de la gestion de l’énergie dans le bâtiment.Cette thèse propose l’élaboration d’un schéma de commande distribué pour contrôlerles conditions climatiques dans chaque zone du bâtiment. L’objectif est de contrôlersimultanément: la température intérieure, le taux de CO2 ainsi que le niveaud’éclairement dans chaque zone en agissant sur les équipements présents (CVC, éclairage,volets roulants). Par ailleurs, le cas des bâtiments multi-sources (par exemple:réseau électrique + production locale solaire), dans lequel chaque source d’énergie estcaractérisée par son propre prix et une limitation de puissance, est pris en compte.Dans ce contexte, les décisions relatives à chaque zone ne peuvent plus être effectuéesde façon indépendante. Pour résoudre ce problème, un mécanisme de coordinationbasé sur une décomposition du problème d’optimisation centralisé est proposé. Cettethèse CIFRE 1 a été préparée au sein du laboratoire Gipsa-lab en partenariat avecSchneider-Electric dans le cadre du programme HOMES (www.homesprogramme.com). / Currently, energy management strategies for buildings are mostly based on a concatenationof logical rules. Despite the fact that such rule based strategy can be easilyimplemented, it suffers from some limitations particularly when dealing with complexsituations. This thesis is concerned with the development and assessment ofModel Predictive Control (MPC) algorithms for energy management in buildings. Inthis work, a study of implementability of the control algorithm on a real-time hardwaretarget is conducted beside yearly simulations showing a substantial energy savingpotential. The thesis explores also the ability of MPC to deal with the diversity ofcomplex situations that could be encountered (varying energy price, power limitations,local storage capability, large scale buildings).MPC is based on the use of a model of the building as well as weather forecasts andoccupany predictions in order to find the optimal control sequence to be implementedin the future. Only the first element of the sequence is actually applied to the building.The best control sequence is found by solving, at each decision instant, an on lineoptimization problem. MPC’s ability to handle constrained multivariable systems aswell as economic objectives makes this paradigm particularly well suited for the issueof energy management in buildings.This thesis proposes the design of a distributed predictive control scheme to controlthe indoor conditions in each zone of the building. The goal is to control thefollowing simultaneously in each zone of the building: indoor temperature, indoorCO2 level and indoor illuminance by acting on all the actuators of the zone (HVAC,lighting, shading). Moreover, the case of multi-source buildings is also explored, (e.g.power from grid + local solar production), in which each power source is characterizedby its own dynamic tariff and upper limit. In this context, zone decisions can nolonger be performed independently. To tackle this issue, a coordination mechanismis proposed. A particular attention is paid to computational effectiveness of the proposedalgorithms. This CIFRE2 Ph.D. thesis was prepared within the Gipsa-lab laboratoryin partnership with Schneider-Electric in the scope of the HOMES program(www.homesprogramme.com).

Le secteur du bâtiment est le plus gros consommateur d'énergie au niveau mondial. Pour en réduire l'impact environnemental, l'utilisation de solutions passives pour améliorer le confort est nécessaire. Malgré ce constat, la climatisation est de plus en plus utilisée dans les DROM-COM. Le développement de la ventilation naturelle est incontournable pour inverser cette tendance. Les méthodes multizones, modèles historiques de la simulation thermique du bâtiment, peinent à décrire ce type d'écoulement. Les modèles de mécanique des fluides numériques (MFN) sont prometteurs pour lever ce frein à l'utilisation de la ventilation naturelle.Ce manuscrit traite de l'adaptation d'un code de résolution directe des équations de Navier-Stokes à la description d'écoulements d'air dans le bâtiment. À cette fin, le développement, l'implémentation et la comparaison de différents types de conditions aux limites en pression sur les ouvertures ont été nécessaires. Ce travail nous a permis d'étudier le comportement d'une chambre soumise à de la convection naturelle et mixte. Pour intégrer ces développements à une simulation de bâtiment, nous avons développé un objet qui appelle le code de MFN sur un serveur de calcul distant depuis un environnement multizone de façon transparente. Le refroidissement partiel des murs d'une cavité soumise à de la convection naturelle a pu être simulé à l'aide de cette méthode. / The building sector is the global largest energy consumer. To reduce environmental impact of buildings, passive tools must be developed. Still, air conditioning is increasingly used in the DROM-COM. The development of natural ventilation is essential to reverse this trend. Multizone models are not really suited for describing natural ventilation flows. Computational fluid dynamics (CFD) seem to be a promising way too model those flows.This thesis deals with the adaptation of a direct resolution of the Navier-Stokes equations code to describe airflows in buildings. The development, implementation and comparison of different types of pressure boundary conditions on the openings were required. The behavior of a room subjected to natural and mixed convection has been studied thanks to this work. To integrate this model into a building simulation, a “black box” object that transparently calls the CFD code on a remote server from a multizone environment has been developed. Partial cooling of the walls of a cavity subjected to natural convection has been simulated using this method.

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

Ce travail de thèse porte sur la gestion énergétique des bâtiments par l'application de la programmation dynamique. Cet algorithme d'optimisation permet de développer des commandes prédictives, c'est à dire un ensemble de commandes à appliquer pendant une période donnée pour réduire la consommation énergétique du bâtiment ou améliorer le confort thermique des habitants.Un premier cas d'étude développe le cas du pilotage du chauffage d'un bâtiment pour effacer sa consommation en période de pointe électrique ou de pointe d'émission de CO2.Un second cas d'étude s'intéresse à une période de forte chaleur estivale ou le pilotage des protections solaires et de la ventilation mécanique contrôlée permet l'amélioration du confort thermique des occupants. Le pilotage des ouvertures (porte, fenêtre) est également étudié avec une comparaison de la régulation obtenue avec une régulation mise en place sur une maison test "Air et Lumière".Enfin la dernière partie du travail s'intéresse à la prévision des données climatiques locales grâce aux méthodes des chaînes de Markov et des réseaux de neurones artificiels. L'influence des erreurs de prévision sur la mise en place d'une stratégie d'effacement de la consommation de pointe dans le bâtiment est également étudiée. / The subject of this work is the control of building equipments with the use of a dynamic programming optimization. This algorithm allows to develop a predictive controller in order to reduce the energy counsumption of the building or to increase the comfort of the occupants.A first case study is developed with the control of the heating system in order to shift the load from peak hours to off-peak hours according to utility rate incentives or carbon emissions.A second case study is about the control of stores and mechanical ventilation in order to increse comfort in the building during a strong heat wave summer week. The control of openings, like windows and doors, is also developed to use natural ventilation in order to increase comfort. The results of such a control strategy are compared with another control strategy set up in a test house "Air et Lumière".The last part of this work is about weather forecast of local climatic data by using Markov chains and artificial neural networks. The influence of weather forecast errors on the developed control strategy is also studied.

Les contextes énergétique et environnemental actuels rendent nécessaire la réduction de la consommation en énergie primaire des secteurs énergivores tels que le secteur du bâtiment. Pour y parvenir, plusieurs études se sont penchées sur la réduction des besoins de chauffage et de climatisation. Mais un autre potentiel d'amélioration réside dans l'étude de la qualité de l'énergie employée pour répondre à ces besoins. En effet, le contenu exergétique des besoins du bâtiment étant faible, il est possible de réduire le contenu exergétique de l'énergie consommée par les systèmes assurant ces besoins. Cette réduction permet de baisser la consommation en énergie primaire.Dans cette optique, une étude des interactions thermiques possibles entre un capteur PV et une pompe à chaleur a été menée. Elle vise la valorisation de l'énergie thermique à faible contenu exergétique dissipée par les panneaux photovoltaïques. Des modèles aérothermique coté PV et semi-physique du système thermodynamique de la pompe à chaleur on été développés. Cette modélisation a permis la conception d'un système global composé d'un capteur PV-T hybride, d'une pompe à chaleur et d'un ballon de stockage. Son interaction est gérée en dynamique avec un modèle de bâtiment basse consommation via un outil de simulation thermique du bâtiment. Une étude énergétique et exergétique a permis d'évaluer le potentiel de ce système en le comparant avec des systèmes classiques. Un banc d'essai dédié à la validation du modèle de la pompe à chaleur a été réalisé. Une maison basse consommation a été construite. Le système conçu y a été installé et instrumentalisé. Les données recueillies ont permis une validation expérimentale du modèle global. / The energetic consumption of high consuming sectors such as the building sector should be reduced due to the actual environmental context. Many studies studied the reduction of heating and cooling capacities. But amelioration can be done when studying the exergy used. In fact, the exergetic content of energetic building demand is low. Then, it is possible to reduce the exergetic content of energetic systems used to match this demand. In this optic, a study of the possible thermal interaction between a PV system and a heat pump is lead. It aims to promote the thermal energy with a low exergetic content produced by the PV system. Aerothermal model for PV system and semi empirical model for heat pump system are used. Models help in the conception of a global system including a hybrid photovoltaic thermal PV system, a heat pump, and a storage device. A dynamic building model is used. Energetic and exergetic study allowed evaluating the potential of such a system. An experimental bench is used to validate the heat pump model. Experimental data coming from an experimental building are used to validate the global model results.

Le parc de bâti ancien représente un potentiel d’économies d’énergie avéré. Cependant, sa diversité et certaines caractéristiques des matériaux d’enveloppe gênent la mise en place de stratégies de réhabilitation efficaces. Parmi ce patrimoine, les maisons individuelles en pierre calcaire présentent des problématiques spécifiques vis-à-vis de la réhabilitation. Le tuffeau, plus spécifiquement, est une pierre calcaire à forte porosité dont la particularité est la facilité avec laquelle il se gorge d’eau. Ses propriétés hygrothermiques sont alors impactées et le matériau se dégrade. Par ailleurs, ce bâti bénéficie de températures intérieures confortables en été et de qualités architecturales certaines. Il s’agit là de contraintes à considérer lors de la réhabilitation énergétique de ces bâtiments. Les solutions proposées doivent donc répondre à des objectifs parfois divergents. Pour le patrimoine en tuffeau, quatre critères sont apparus indispensables : les besoins de chauffage, le confort hygrothermique intérieur, le risque de dégradation du matériau et l’investissement financier. Dans ce contexte, l’objectif est de développer une démarche d’aide à la décision multicritère de stratégie de réhabilitation pérenne des bâtiments en tuffeau. Cette démarche a vocation à s’adapter à tous types de bâtiments en tuffeau et à considérer l’ensemble de ses spécificités. Un panel d’actions de réhabilitation portant sur les éléments d’enveloppe est identifié et testé sur le bâtiment considéré. La mise en place du processus a nécessité l’utilisation d’un outil de modélisation traduisant la réalité du comportement énergétique de ces bâtiments. L’outil EnergyPlus avec l’algorithme de transfert de masse et de chaleur HaMT a été mis en place et vérifié avec des mesures expérimentales. L’ensemble des résultats des stratégies de réhabilitation sont alors agrégées dans une méthode d’analyse multicritère. L'incertitude de l'évaluation des stratégies de réhabilitation est intégrée à la méthode (ELECTRE III) pour que les recommandations soient réalisées avec un degré de confiance satisfaisant. L’application de cette démarche à deux cas de bâtiments en tuffeau a mis en évidence l’adaptabilité de la démarche à des bâtiments de typologie et de complexité variables. Elle permet par ailleurs de fournir des recommandations robustes sur les travaux les plus pertinents à mener / The old buildings stock represents a true potential for energy savings. However, its diversity and some characteristics of its envelop materials interfere with the setting of effective retrofitting strategies. Among this heritage, individual limestone dwellings present specific issues concerning retrofitting. Tuffeau, particularly, is a high porosity limestone which specificity is propensity to fill up with water. Its hygrothermal properties are then affected and it quickly deteriorates.Furthermore, this kind of building offers comfortable indoor summer temperatures and undeniable architectural qualities. Those factors have to be considered during the energetic retrofitting of those dwellings. Consequently, the solutions proposed have sometimes to meet divergent goals. Concerning limestone heritage, four criteria appeared as indispensable: the heating needs, the indoor hygrothermal comfort, the material deterioration risk, and the financial investment. In thiscontext, the goal is to develop a multicriteria decision aiding method of old limestone buildings retrofitting strategies. This method has a potential to adapt to every type of limestone buildings and to consider those specificities as a whole. A panel of retrofitting actions concerning the envelop elements is identified and then tested on the concerned building. The process implementation required the use of a modeling tool to translate the reality of those buildings behaviour. The tool EnergyPlus with its mass and heat transfer algorithm HaMT was implemented and validated with experimental measures. The uncertainty of the retrofitting strategies results are thenintegrated to the method (ELECTRE III) so that the recommendation can be performed with an acceptable level of confidence.The application of this process to two cases of limestone buildings emphasized the adaptability of this method to very different buildings in term of typology and complexity. It also allows providing with robust recommendations on which retrofitting work has to be performed.

Cette thèse définit une nouvelle approche de gestion technique de biens immobiliers et urbains. Pour cela, un processus de production et de gestion de l’information du bâtiment, de son environnement proche et des objets urbains est défini. Il permet de gérer ces objets tout au long de leur cycle de vie, au sein d’un concept appelé Urban Facility Management, ou gestion technique de patrimoine urbain. Cette technologie s’appuie sur un Modèle d’Information Urbain qui permet de modéliser dans une ontologie dynamique et évolutive toute l’information de la ville et du bâtiment. Un mécanisme de niveaux de détail géométrico-contextuels a par ailleurs été définit afin de supporter la montée en charge d’un tel système. En effet, le nombre d’objets à gérer dans une scène par rapport à un système de modélisation du bâtiment est bien supérieur, tout comme la superficie de l’information à traiter. Aussi, les niveaux de détail contextuels permettent d’optimiser la scène en fonction de critères sémantiques.La proposition que nous avons faite se base sur une architecture dérivée des travaux en systèmes hypermédia adaptatifs. Elle est composée de six couches permettant de résoudre les problématiques de manière systémique : une couche de connexion aux sources de données, une couche d’import de ces données dans le système, une couche sémantique, une couche de contextualisation, une couche de connexion et une couche d’interface avec l’utilisateur. Cette architecture autorise la définition d’un workflow que nous avons décomposé au sein d’une architecture de processus. Celui-ci décrit la manière d’acquérir des données à la fois de sources SIG mais aussi IFC ou plus généralement CAO. Ces données sont importées dans le modèle d’information de la ville au sein d’une ontologie définie à l’aide d’outils présents dans la couche sémantique. Ces outils consistent en un ensemble d’opérateurs permettant de définir des concepts, relations et énoncés logiques. Ils sont couplés à un mécanisme de contextes locaux qui permet de définir des niveaux de détail contextuels au sein de l’ontologie. Associé à des représentations graphiques provenant des sources données, il est ainsi possible d’associer plusieurs représentations géométriques, 2D ou 3D, à un objet de notre base de connaissance, et de choisir le modèle à appliquer en fonction de critères sémantiques. La couche de gestion du contexte apporte des informations contextuelles au niveau des modèles de données grâce à un mécanisme basé sur les named graphs. Une fois l’ontologie mise en place, les données peuvent être exploitées par l’intermédiaire d’un moteur graphique que nous avons développé et qui gère l’information contextuelle et les niveaux de détail.Cette architecture de processus a été implémentée et adaptée sur la plateforme Active3D. Une partie des travaux de recherche a consisté à adapter l’architecture formelle du modèle d’information urbain à l’architecture existante afin de répondre aux contraintes industrielles du projet et aux critères de performances requis. La dernière partie de cette thèse présente les développements techniques nécessaires à la réalisation de ces objectifs / This thesis defines a new approach in urban and building facility management. A production and information management process of the building, its immediate environment and urban objects has been defined. It allows to manage these objects throughout their life cycle, in a concept called Urban Facility Management. This technology relies on an Urban Information Model to model all the information of cities and buildings in a dynamic and evolutive ontology. A mechanism for geometric and semantic levels of detail has also been defined to support the scalability of such a system. Indeed, the number of objects to be managed in a scene, compared to a building modeling system, is much higher, as the area of information processing. Also, contextual levels of detail optimize the scene according to semantic criteria.The proposal we made is based on an architecture derived from work in adaptive hypermedia systems. It consists of six layers that aim at solving problems in a systemic form: a connecting layer to data sources, a layer to import these data into the system, a semantic layer, a level of contextualization, a connection layer and an interface layer with the user. This architecture allows the definition of a workflow that we decomposed in an architecture of processes. This one describes how to acquire data from both GIS sources and IFC, but also from CAD in general. Data are then imported into the city information model into an ontology defined using tools from the semantic layer. These tools are composed of a set of operators that aim at defining concepts, relations and logical statements. They are coupled to a mechanism that allows the definition of local contexts used to express contextual levels of details within the ontology. Associated with graphical representations issued from diverse data sources, it become possible to combine several geometric representations, 2D or 3D, to an object of the knowledge base, and choose the representation to be displayed according to semantic criteria. The layer for context management provides contextual information on global data models through a mechanism based on named graphs. Once the ontology is developed, data can be exploited via a graphical engine that has been specially developed and that manages contextual information and levels of details.This architecture of processes has been implemented and adapted to the platform Active3D. Part of the research has been to adapt the formal architecture of the urban information model to the existing architecture. The goal was to provide a solution to the industrial constraints of the project and required performance criteria. The last part of this thesis therefore presents the technical developments necessary to achieve these goals

Le secteur du bâtiment est un acteur clé pour aider la France à atteindre ses objectifs de réduction en matière de consommation d’énergie et d’émissions de gaz à effet de serre (GES). L’analyse du cycle de vie (ACV) est la méthode la plus utilisée pour évaluer les impacts environnementaux d’un produit ou d’un système d’une manière systématique et holistique sur l’ensemble de son cycle de vie. Dans le secteur du bâtiment, la méthode ACV a été adaptée avec des outils appropriés, simplifiés, pour inciter les acteurs du bâtiment à évaluer la performance environnementale de leur produit. Cependant, la méthode ACV présente des limites dont une est le manque de notion de « temps », qui touche notamment trois points : (i) Manque de considération de l’évolution temporelle des systèmes, du système « bâtiment » dans notre cas, (ii) Non prise en compte du décalage temporel des activités et donc des émissions, and (iii) Non prise en compte du caractère dynamique des impacts environnementaux. Dans ce contexte, l’objectif de la thèse est de développer une méthodologie d’ACV dynamique appliquée au bâtiment, qui permet de prendre en compte ces trois aspects dynamiques, sur la base du projet ANR DyPLCA. L’application de la nouvelle méthode dynamique à un cas d’étude avec trois maisons individuelles accolées a permis d’obtenir des informations importantes sur le profil temporel des impacts. La même quantité des émissions de GES a un impact de changement climatique plus bas lorsque les émissions sont réparties sur une période longue. Les actions pour la réduction et l’adaptation doivent être décidées selon différents types de famille de produits de construction. Ainsi, il est nécessaire d’adapter les efforts de réduction d’impacts en fonction des substances chimiques. / The building sector is a key actor to meet the reduction targets in terms of energy consumption and greenhouse gases (GHG) emissions. Life Cycle Assessment (LCA) is the most used method for assessing the environmental impacts of a system. In the building sector, the LCA method was adapted with appropriate and simplified tools in order to encourage stakeholders to evaluate the environmental performance of their building products. However, LCA method has some limitations, one of which being the lack of “time dimension” that particularly concerns three points: (i) Lack of consideration of temporal evolution of the system under LCA study, “building system” in our case, (ii) Lack of consideration of temporal discrepancy of activities and associated emissions, (iii) Lack of consideration of dynamic characteristics of environmental impacts (stationary conditions, fixed time horizon, etc.). In this context, the primary objective of the thesis is to develop a dynamic LCA methodology applied to the building sector, on the basis of DyPLCA ANR project. The application of the new dynamic method to a case study with three attached single houses demonstrated that dynamic LCA provides important information on the temporal profile of impacts. The same amount of GHG emissions has a lower effect on temperature peaks when emissions are spread over a long period. The distinction is made between the various GHG, especially according to their lifetime. Instantaneous and cumulated effects (indicators) should be considered in a complete analysis. Actions for mitigation and adaptation need to be decided according to different types of construction product families. Besides, it is necessary to adapt the impact reduction efforts according to the chemical substances.