Grâce au confort d’utilisation qu’elles procurent, les technologies sans fil se retrouvent aujourd’hui dans un vaste panel d’applications. Ainsi le nombre d’éléments de transmission/réception radio se multiplie. Aujourd’hui pour réduire les consommations des éléments radio, il faut les rendre davantage efficaces notamment pour la partie réception. En effet, pour les communications asynchrones, les récepteurs consomment inutilement de l’énergie à attendre qu’une transmission soit faite. Dans l’objectif de réduire ce gaspillage d’énergie, des nouveaux standards ont vu le jour tel que le Zigbee et le Bluetooth Low Energy. Les performances en consommation procurées par ces deux standards résident sur leur fonction périodique à très faible rapport cyclique. Une nouvelle solution émergente pour réduire drastiquement la consommation des récepteurs en les rendant plus efficaces est l’utilisation de récepteur d’activation. Les récepteurs d’activation ou récepteur de réveil sont des récepteurs simples ce qui leur permet d’atteindre une ultra basse consommation uniquement en charge de guetter l’arrivée d’une trame et de réveiller le récepteur principal, placé en veille au préalable, pour traitement de cette dernière. Le récepteur d’activation proposé ici a été réalisé dans la technologie CMOS 160 nm de NXP. Il offre une sensibilité de -54 dBm, pour une consommation moyenne de 35 μA, prodiguant une portée de 70m à 433,92 MHz pour une puissance de 10 dBm émis. Ce récepteur ASK se distingue des autres récepteurs d’activation par le système de calibration breveté avec ajustement automatique la tension de référence requise pour la démodulation. Ce système rend le circuit robuste au problème d’offset DC et ne consomme aucun courant lorsque le circuit est en écoute. Le récepteur d’activation reconnaît un code de Manchester de 24 bits à 25 kbps, programmable grâce à une interface SPI. / Wireless technologies are now widespread due to the easiness of use they provide. Consequently, the number of radio devices increases. Despite of the efforts to reduce radio circuits power consumption as they are more and more numerous, now they must achieve ultra-low power consumption. Today, radio devices are made more efficient to reduce their power consumption especially for the receiving part. Indeed, for asynchronous communication, a lot of energy is wasted by the receiver waiting for a transmission. In order to avoid this waste, new standards have been created such as Zigbee and Bluetooth Low Energy. Due to periodic operation with ultra-low duty cycle, they provide ultra-low power consumption. Another solution to drastically reduce the power consumption has emerged, wake-up receiver. Wake-up receivers are based in simple architecture to provide ultra-low power consumption, they are only in charge to wait for a frame and when it occurs, wake-up the main receiver put in standby mode before that. The proposed wake-up receiver has been designed in NXP CMOS technology 160 μm. It provides a-54 dBm sensitivity, consuming 35 μA which allows a 70m range considering a 10 dBm emitter at 433,92 MHz. This wake-up receiver operates with ASK modulation, compared to others it provides a smart patented calibration system to get the necessary reference voltage for demodulation. This mechanism provide DC offset robustness and does not drain any current while the wake-up receiver is operating. To wake up the main receiver a 24 bits programmable Manchester code is required. This code at 25 kbps is programmable by the use of an SPI interface.

Le réseau de capteurs porté est une technologie d’avenir prometteuse à multiple domaines d’application allant du médical à l’interface homme machine. Le projet BoWI a pour ambition d’évaluer la possibilité d’élaborer un réseau de capteurs utilisable au quotidien dans un large spectre d’applications et ergonomiquement acceptable pour le grand public. Cela induit la nécessité de concevoir un nœud de réseau ultra basse consommation pour à la fois convenir à une utilisation prolongée et sans encombrement pour le porteur. La solution retenue est de concevoir un nœud capable de travailler avec une énergie comparable à ce que l’état de l’art de la récolte d’énergie est capable de fournir. Une solution ASIC est privilégiée afin de tenir les contraintes d’intégration et de basse consommation. La conception de l’architecture dédiée a nécessité une étude préalable à plusieurs niveaux. Celle-ci comprend un état de l’art de la récolte d’énergie afin de fixer un objectif de budget énergie/puissance de notre système. Une étude des usages du système a été nécessaire notamment pour la reconnaissance postures afin de déterminer les cas d’applications types. Cette étude a conduit au développement d’algorithmes permettant de répondre aux applications choisies tout en s’assurant de la viabilité de leurs implantations. Le budget énergie fixé est un objectif de 100µW. Les applications choisies sont la reconnaissance de posture, la reconnaissance de geste et la capture de mouvement. Les solutions algorithmiques choisis sont une fusion de données de capteurs inertiels par Filtre de Kalman étendu (EKF) et l’ajout d’une classification par analyse en composante principale. La solution retenue pour obtenir des résultats d’implémentation est la synthèse de haut niveau qui permet un développement rapide. Les résultats de l’implantation matérielle sont dominés principalement par l’EKF. À la suite de l’étude, il apparait qu’il est possible avec une technologie 28nm d’atteindre les objectifs de budget énergie pour la partie algorithme. Une évaluation de la gestion haut niveau de tous les composants du nœud est également effectuée afin de donner une estimation plus précise des performances du système dans un cas d’application réel. Une contribution supplémentaire est obtenue avec l’ajout de la détection d’activité qui permet de prédire la charge de calcul nécessaire et d’adapter dynamiquement l’utilisation des ressources de traitement et des capteurs afin d’optimiser l’énergie en fonction de l’activité / Wireless Body Sensor Network (WBSN) is a promising technology that can be used in a lot of application domains from health care to Human Machine Interface (HMI). The BoWI project ambition is to evaluate and design a WBSN that can be used in various applications with daily usage and accessible to the public. This necessitates to design a ultra-low power node that reach a day of use without discomfort for the user. The elected solution is to design a node that operates with the power budget similar to what can be provided by the state of the art of the energy harvesting. An Application Specific Integrated Circuit (ASIC) solution is privileged in order to meet the integration and low power constraints. Designing the dedicated architecture required a preliminary study at several level which are: a state of the art of the energy harvesting in order to determine the objective of energy/power budget of our system, A study of the usage of the system to determine and select typical application cases. A study of the algorithms to address the selected applications while considering the implementation viability of the solutions. The power budget objective is set to 100µW. The application selected are the posture recognition, the gesture recognition and the motion capture. The algorithmic solution proposed are a data-fusion based on an Extended Kalman FIlter (EKF) with the addition of a classification using Principal Component Analysis (PCA). The implementation tool used to design the architecture is an High Level Synthesis (HLS) solution. Implementation results mainly focus on the EKF since this is by far the most power consuming digital part of the system. Using a 28nm technology the power budget objective can be reached for the algorithmic part. A study of the top level management of all components of the node is done in order to estimate performances of the system in real application case. This is possible using an activity detection which dynamically estimates the computing load required and then save a maximum of energy while the node is still.

Les bâtiments à très basse consommation d’énergie bénéficient d’une isolation thermique performante et d’une bonne étanchéité à l’air, souvent couplées à une conception bioclimatique du bâtiment. L’apport d’énergie nécessaire au chauffage et au rafraîchissement de l’ambiance s’en trouve considérablement réduit. Dans ce contexte, il devient possible d’utiliser l’air comme unique vecteur d’énergie, à des débits suffisamment faibles pour permettre son intégration dans le système de ventilation sanitaire, et avec un écart de température réduit entre l’air soufflé et l’ambiance. Une unité terminale de soufflage, ou diffuseur d’air, a alors pour rôle d’assurer un mélange optimal de l’air neuf avec l’air ambiant, de façon à obtenir une répartition homogène de température et de vitesse dans les pièces d’habitation, et un bon renouvellement de l’air intérieur. Ce travail de thèse propose une étude du confort thermique et de l’efficacité de ventilation dans une cellule climatique à échelle 1 en conditions contrôlées, dans le contexte d’utilisation d’un système combiné de ventilation, chauffage et rafraîchissement. Une stratégie de ventilation par mélange est mise en œuvre à l’aide d’un diffuseur d’air composé de douze buses lobées de géométrie complexe, et l’occupation est prise en compte par des mannequins cylindriques, qui constituent des sources de chaleur sensible et de dioxyde de carbone. La vitesse d’air, la concentration en CO2 ainsi que les températures d’air, de globe noir et des parois de la cellule sont suivies expérimentalement pour différentes conditions de soufflage d’air chaud et froid. Les mesures expérimentales sont complétées par des simulations numériques de mécanique des fluides (CFD), qui visent à caractériser l’écoulement dans la cellule. Cette approche fait intervenir une méthode de modélisation en deux temps afin d’intégrer correctement la géométrie complexe du diffuseur d’air dans les simulations. Des études paramétriques sont ensuite proposées pour des conditions non testées expérimentalement. Celles-ci visent à mettre en évidence l’impact des conditions de soufflage et des charges internes sur l’écoulement et sur le confort, pour les conditions spécifiques aux bâtiments à très basse consommation d’énergie. / Low-energy buildings benefit from a good thermal insulation and air tightness, associated with a smart integration of the building in its environment. Consequently, the required power for heating and cooling of the building is reduced to a great extent. This allows the use of conditioned ventilation air as the only energy vector: the air is supplied into the rooms at a low-velocity and with a low temperature difference with the indoor air. Air terminal devices are used, whose aim is to provide a homogeneous distribution of temperature and velocity inside of the rooms, and an efficient disposal of the indoor air pollutants. In this prospect, the thermal comfort and ventilation effectiveness in a test room (scale 1) resulting from an integrated heating, cooling and ventilation system is assessed both experimentally and numerically. The air is supplied close to the ceiling through a wall-mounted diffuser of complex geometry composed of twelve lobed nozzles, and the occupancy is modeled by two cylindrical manikins releasing sensible heat and carbon dioxide. Experimentally, the air velocity, CO2 concentration, indoor air, wall and black globe temperatures are monitored in order to assess the Predicted Mean Vote and draught rate in the occupied zone as well as the ventilation efficiency. Computational Fluid Dynamics (CFD) simulations are then performed in order to provide valuable information on the airflow patterns in the room. The air diffuser’s geometry being too complex for a direct simulation, a two-step modeling approach is adopted in order to take it into account in the simulations and to accurately represent the heat and mass transfers in the room. Furthermore, parametric studies are performed in order to investigate the influence of the supplying conditions and the internal heat gains on the airflow and on the resulting comfort, for particular conditions corresponding to those of low-energy buildings.

Au cours des dernières années, la révolution numérique a continué sa progression. Les technologies de l'information et des communications (TIC) ont totalement changé la vie quotidienne des gens à leur domicile (concept de « maison numérique »). Pendant ce temps, non seulement le volume des émissions de CO2 produit par les TIC, ce qu'on appelle l'empreinte carbone, est sans cesse en croissance mais elle s'accompagne également d'une hausse du prix de l'électricité, augmentant fortement la part des équipements numériques dans la budget global des ménages. Ainsi, pour des raisons environnementale et économique, réduire la consommation d'énergie dans les nombreux équipements du réseau domestique est devenu un enjeu majeur. Dans ce contexte, la thèse porte sur la conception, l'évaluation et la mise en œuvre d'un ensemble de mécanismes dans le but de répondre aux problèmes de consommation d'énergie sur les réseaux locaux rassemblant les équipements numériques domestiques. Nous proposons un réseau de contrôle qui est formé par des noeuds de contrôle de l'énergie placés au-dessus du réseau traditionnel. Chaque nœud de contrôle est relié à un dispositif en vue de coordonner les états d'alimentation de l'équipement domestique associé.. Un démonstrateur pour un système Home Power Efficiency (HOPE) a également été mis en œuvre. Il démontre la faisabilité de la solution technique que nous proposons pour le contrôle de l'énergie dans un réseau domestique réel avec des scénarios réels qui sont souvent utilisées par utilisateur. Après avoir analysé le mode d'utilisation des équipements du réseau domestique, nous proposons un système de gestion d'énergie qui contrôle ces équipements minimisant ainsi que leur consommation. Le système est basé sur l'analyse des services collaboratifs, chaque service est découpé en blocs fonctionnels atomiques, distribués dans les différents équipements. Cela permet de gérer avec plus de précision les besoins énergétiques de chaque équipement de manière à n'alimenter que les composants nécessaires au service demandé. Pour conclure ces travaux, nous avons également cherché à minimiser les impacts de l'économie d'énergie sur la qualité d'expérience perçue par l'utilisateur (notamment le délai d'activation des services). Nous proposons un système de gestion d'énergie pour des services collaboratifs offrant plusieurs compromis possibles entre la consommation d'énergie et le délai d'activation des services dans un réseau domestique. Il est complété par un algorithme d'apprentissage du comportement des utilisateurs domestiques. / In recent years, Information and Communications Technology (ICT) has totally changed the people daily life in the Digital Home. Meanwhile, not only the amount of CO2 emission of ICT, so called ''footprint'', is increasing without cease, but also the price of electricity is constantly rising. Thus, it is quite important to reduce energy consumption in the home network and home devices for the environmental and economic reasons. In order to cope with this context, the thesis concerns the design, the evaluation, and the implementation of a novel set of mechanisms with the purpose of responding to home network energy consumption problems. We proposed firstly an Overlay Energy Control Network which is formed by the overlay energy control nodes. Each node is connected to one device which forms an overlay control network to coordinate the power states of the device. Then, a testbed for HOme Power Efficiency system (HOPE) is implemented to demonstrate the technical solution for energy control in a real home network environment with several frequently used scenarios. After analyzing user's way of use of their home network equipment, we propose a power management which controls the devices based on the analysis of the collaborative services. These frequently used collaborative services require different functional blocks in different devices. This model provides the possibility to turn on the right requested functional blocks in the right device at the right moment. Finally, based on the former contribution, the collaborative overlay power management offers several possible tradeoffs between the power consumption and the waiting delay in the home network.

Une solution de gestion de puissance d’un système sur puce peut être définie par une architecture de faible puissance composée de multiples domaines d'alimentation et de leur stratégie de gestion. Si ces deux éléments sont économes en énergie, une solution efficace en énergie peut être obtenue. Cette approche nécessite l’ajout d’éléments structurels de puissance et de leurs comportements. Une stratégie de gestion doit respecter les dépendances structurelles et fonctionnelles dues au placement physique des domaines d'alimentation. Cette relation forte entre l'architecture et sa stratégie de gestion doit être analysée tôt dans le flot de conception pour trouver la solution de gestion de puissance la plus efficace. De récentes normes de conception basse consommation définissent des sémantiques pour la spécification, simulation et vérification d’architecture de faible puissance au niveau transfert de registres (RTL). Mais elles manquent une sémantique d’interface de gestion des domaines d'alimentation réutilisable ce qui alourdit l’exploration. Leurs sémantiques RTL ne sont pas aussi utilisables au niveau transactionnel pour une exploration plus rapide et facile. Pour combler ces lacunes, cette thèse étend ces normes et fournit une étude complète des possibilités d'optimisation de puissance basées sur la composition et la gestion des domaines d'alimentation pour des modèles fonctionnels transactionnels utilisant un environnement commun USLPAF. USLPAF comprend une méthodologie alliant conception et vérification des modèles transactionnels de faible consommation, ainsi qu’une bibliothèque de techniques de modélisation et fonctions prédéfinies pour appliquer cette méthodologie. / A SoC power management solution can be defined by a low-power architecture composed of multiple power domains and a power management strategy for power domains states control. If these two elements are energy-efficient, an energy-efficient solution can be obtained. This approach requires inferring power structural elements and their related behavior in the chip internal logic. A strategy adjusting the power domains states must respect structural and functional dependencies due to the physical power domains composition. This strong relationship between power architecture and its management strategy must be explored at early design stages to find the most energy-efficient solution. Low-power design standards have recently enabled low-power architecture exploration starting from the Register Transfer Level (RTL) by defining semantics to specify power architecture, simulate and check its behavior along with the initial functional one. But, these standards miss semantics for reusable power domain control interface making power management strategies exploration tedious. The RTL-based semantics defined by these standards constrain also their use at Transaction-Level of Modeling (TLM) for fast and easy exploration. This dissertation proposes extensions to low-power standards to fill these gaps. It provides a complete study of power optimization opportunities based on composition and management of power domains in Transaction-Level (TL) functional models within a common USLPAF framework. USLPAF includes a methodology that combines design and verification of TL low-power models. To apply this methodology, USLPAF incorporates a library of modeling techniques and built-in features.

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

La conception des bâtiments à faible consommation d’énergie est devenue un enjeu très important dans le but de réduire au maximum la consommation d’énergie et les émissions de gaz à effet de serre associées. Pour y arriver, il est indispensable de connaître les sources potentielles de biais et d’incertitude dans le domaine de la modélisation thermique des bâtiments d’un part, et de les caractériser et les évaluer d’autre part.Pour répondre aux exigences courantes en termes de fiabilité des prévisions du comportement thermique des bâtiments, nous avons essayé dans le cadre de cette thèse de quantifier les incertitudes liés à des paramètres influents, de proposer une technique de diagnostic de l’enveloppe, propager les incertitudes via une méthode ensembliste sur un modèle simplifié et puis proposer une démarche permettant d’identifier les paramètres de modélisation les plus influents et d’évaluer leur effet sur les performances énergétiques avec le moindre coût en termes de simulations. / Designing buildings with low-energy consumption has become a very important issue in order to minimize energy consumption and the emissions of associated greenhouse gas. To achieve this, it is essential to know the potential sources of bias and uncertainty in the field of buildings thermal modeling and to characterize and evaluate them.To meet the current requirements in terms of reliable predictions of buildings thermal behavior, we have tried in this thesis, to quantify uncertainties associated to influential parameters, to propose a technique for diagnosing the building’s envelope, propagate uncertainties via a set-method for the case of a simplified model. We finally proposed an approach to identify the most influential modeling parameters to evaluate their impact on energy performance.

Ce travail propose un modèle thermique dynamique des appareils électriques dans les bâtiments basse consommation. L'objectif de ce travail est d'étudier l'influence des gains thermiques de ces appareils sur le bâtiment. Cette étude insiste sur la nécessité d'établir un modèle thermique dynamique des appareils électriques pour une meilleure gestion de l'énergie du bâtiment et le confort thermique de ses habitants.Comme il existe des interactions thermiques entre le bâtiment et les appareils électriques, sources de chaleur internes au bâtiment, il est nécessaire de modéliser le bâtiment. Le bâtiment basse consommation est modélisé dans un premier temps par un modèle simple reposantl'étude d'une pièce quasi-adiabatique. Ensuite, dans le but d'établir le modèle des appareils électriques, ceux-ci sont classés en quatre catégories selon leurs propriétés thermiques et électriques. A partir de cette classification et du premier principe de la thermodynamique, un modèle physique générique est établi. Le protocole expérimental et la procédure d'identification des paramètres thermiques des appareils sont ensuite présentés. Afin d'analyser la pertinence du modèle générique appliqué à des cas pratiques, plusieurs appareils électriques utilisés fréquemment dans les résidences – un écran, un ordinateur, un réfrigérateur, un radiateur électrique à convection et un micro-onde – sont choisis pour étudier et valider ce modèle ainsi que les protocoles d'expérimentation et d'identification. Enfin, le modèle proposé est intégré dans le modèle d'un bâtiment résidentiel développé et validé par le CSTB. Ce modèle couplé des appareils et du bâtiment est implémenté dans SIMBAD, un outil de simulation du bâtiment. A travers cette simulation, le comportement thermique du bâtiment et la quantité d'énergie nécessaire à son chauffage sur une période hivernale, ainsi que l'inconfort thermique dû aux appareils électriques durant l'été, sont observés.Ce travail fournit des résultats quantitatifs de l'effet thermique de différents appareils électriques caractérisés dans un bâtiment basse consommation et permet d'observer leur dynamique thermique et leurs interactions. Finalement, cette étude apporte une contribution aux études de gestion de l'énergie des bâtiments à basse consommation énergétique et du confort thermique des habitants. / This work proposes a dynamic thermal model of electrical appliances within low energy buildings. It aims to evaluate the influence of thermal gains of these appliances on the buildings and persuades the necessity of dynamic thermal modeling of electrical appliances for the energy management of low energy buildings and the thermal comfort of inhabitants.Since electrical appliances are one of the free internal heat sources of a building, the building which thermally interact with the appliances has to be modeled. Accordingly, a test room which represents a small scale laboratory set-up of a low energy building is first modeled based on the first thermodynamics principle and the thermal-electrical analogy. Then, in order to establish the thermal modeling of electrical appliances, the appliances are classified into four categories from thermal and electrical points of view. After that, a generic physically driven thermal model of the appliances is derived. It is established based also on the first thermodynamics principle. Along with this modeling, the used experimental protocol and the used identification procedure are presented to estimate the thermal parameters of the appliances. In order to analyze the relevance of the proposed generic model applied to practical cases, several electrical appliances which are widely used in residential buildings, namely a monitor, a computer, a refrigerator, a portable electric convection heater, and microwave are chosen to study and validate the proposed generic model and the measurement and identification protocols. Finally, the proposed dynamic thermal model of electrical appliances is integrated into a residential building model which was developed and validated by the French Technical Research Center for Building (CSTB) on a real building. This coupled model of the appliances and the building is implemented in a building energy simulation tool SIMBAD, which is a specific toolbox of Matlab/Simulink®. Through the simulation, thermal behavior and heating energy use of the building are observed during a winter period. In addition, thermal discomfort owing to usages of electrical appliances during a summer period is also studied and quantified.This work therefore provides the quantitative results of thermal effect of differently characterized electrical appliances within a low energy building and leads to observe their thermal dynamics and interactions. Consequently, it permits the energy management of low energy buildings and the thermal comfort of inhabitants in accordance with the usages of electrical appliances.

L'augmentation de la densité des transistors dans les circuits électroniques conduit à une augmentation de la consommation d'énergie induisant des phénomènes thermiques plus complexes à maitriser. Dans le cas de systèmes embarqués en environnement où la température ambiante varie dans des proportions importantes (automobile par exemple), ces phénomènes peuvent conduire à des problèmes de fiabilité. Parmi les mécanismes de défaillance observés, on peut citer les cycles thermiques (CT) qui induisent des déformations dans les couches métalliques de la puce pouvant conduire à des fissurations. L’objectif de la thèse est de proposer pour des architectures de type multiprocesseur sur puce une technique de réduction des CT subis par les processeurs, et ce en respectant les contraintes temps réel des applications. L’exemple du circuit MPC5517 de Freescale a été considéré. Dans un premier temps un modèle thermique de ce circuit a été élaboré à partir de mesures par une caméra thermique sur ce circuit décapsulé. Un environnement de simulation a été mis en oeuvre pour permettre d’effectuer simultanément des analyses thermiques et d’ordonnancement de tâches et mettre en évidence l’influence de la température sur la puissance dissipée. Une heuristique globale pour réduire à la fois les CT et la température maximale des processeurs a été étudiée. Elle tient compte des variations de la température ambiante et se base sur les techniques DVFS et DPM. Les résultats de simulation avec les algorithmes d’ordonnancement globaux RM, EDF et EDZL et avec différentes charges processeur (sur un circuit type MPC5517 et un UltraSparc T1) illustrent l’efficacité de la technique proposée. / Increasing the density of transistors in electronic circuits leads to an increase in energy consumption resulting in more complex thermal phenomena to master. For systems embedded in environments where the ambient temperature can vary in large range (e.g. automotive), these thermal effects can induce reliability problems. Among classical failure mechanisms thermal cycles (CTs) produce deformations in materials and play a major role in the cracking of the metal layers in the chip. The aim of the thesis is to propose a reduction technique of CTs suffered by the processor cores in a multiprocessor on chip architecture such that real-time application constraints are met. The example of the Freescale MPC5517 circuit has been considered. In a first step a thermal model of this circuit was developed. This was achieved from measurements taken by a thermal camera on a decapsulated circuit. Next, a simulation environment has been implemented allowing both the analysis of thermal behavior and the scheduling of tasks so as to highlight the influence of temperature on the dissipated power. A global heuristic to reduce both the CTs and the maximum temperature of processors has been studied. It takes into account variations in the ambient temperature and is based on DVFS and DPM techniques. Simulation results with global scheduling algorithms RM, EDF and EDZL and different processor loads (for a MPC5517 type circuit and a T1 UltraSparc from Sun Microsystems) illustrate the effectiveness of the proposed technique.

Les normes de construction pour des bâtiments de plus en plus économes en énergie (BBC) nécessitent une attention particulière. Ces normes reposent sur l’amélioration des performances thermiques de l’enveloppe du bâtiment associé à un effet capacitif des murs augmentant la constante de temps du bâtiment. La prévision de la demande en énergie de bâtiments BBC est plutôt complexe. Ce travail aborde cette question par la mise en œuvre d’intelligence artificielle(IA). Deux approches de mise en œuvre ont été proposées : « all data » et « relevant data ». L’approche « all data » utilise la totalité de la base de données. L’approche « relevant data » consiste à extraire de la base de données un jeu de données représentant le mieux possible les prévisions météorologiques en incluant les phénomènes inertiels. Pour cette extraction, quatre modes de sélection ont été étudiés : le degré jour (HDD), une modification du degré jour (mHDD) et des techniques de reconnaissance de chemin : distance de Fréchet (FD) et déformation temporelle dynamique (DTW). Quatre techniques IA sont mises en œuvre : réseau de neurones (ANN), machine à support de vecteurs (SVM), arbre de décision (DT) et technique de forêt aléatoire (RF). Dans un premier temps, six bâtiments ont été numériquement simulés (de consommation entre 86 kWh/m².an à 25 kWh/m².an) : l’approche « relevant data » reposant sur le couple (DTW, SVM) donne les prévisions avec le moins d’erreur. L’approche « relevant data » (DTW, SVM) sur les mesures du bâtiment de l’Ecole des Mines de Nantes reste performante. / High-energy efficiency building standards (as Low energy building LEB) to improve building consumption have drawn significant attention. Building standards is basically focused on improving thermal performance of envelope and high heat capacity thus creating a higher thermal inertia. However, LEB concept introduces alarge time constant as well as large heat capacity resulting in a slower rate of heat transfer between interior of building and outdoor environment. Therefore, it is challenging to estimate and predict thermal energy demand for such LEBs. This work focuses on artificial intelligence (AI) models to predict energy consumptionof LEBs. We consider two kinds of AI modeling approaches: “all data” and “relevant data”. The “all data” uses all available data and “relevant data” uses a small representative day dataset and addresses the complexity of building non-linear dynamics by introducing past day climatic impacts behavior. This extraction is based on either simple physical understanding: Heating Degree Day (HDD), modified HDD or pattern recognition methods: Frechet Distance and Dynamic Time Warping (DTW). Four AI techniques have been considered: Artificial Neural Network (ANN), Support Vector Machine (SVM), Boosted Ensemble Decision Tree (BEDT) and Random forest (RF). In a first part, numerical simulations for six buildings (heat demand in the range [25 – 85 kWh/m².yr]) have been performed. The approach “relevant data” with (DTW, SVM) shows the best results. Real data of the building “Ecole des Mines de Nantes” proves the approach is still relevant.