Th. 3e cycle--Génie chim.--Toulouse--I.N.P., 1981. N°: 104.

Th. doct.-ing.--Méc.--Toulouse--I.N.P., 1981. N°: 132.

Th.--Sci. math.--Lille 1, 1979. N°: 470.

Th.--Sci.--Bordeaux 1, 1978. N°: 558.

Les vagues de chaleur sont encore peu documentées au Sahel, malgré un impact très fort sur les populations. L'objectif de cette thèse est d'apporter de nouvelles connaissances et une meilleure compréhension des processus et mécanismes mis en jeu dans les vagues de chaleur au Sahel au printemps. L'étude se structure autour de trois axes : (i) la détection des vagues de chaleur, (ii) la documentation de leurs caractéristiques morphologiques, dynamiques et thermodynamiques ainsi que leurs tendances climatiques et (iii) la compréhension des processus et mécanismes en jeu lors de ces événements. Dans un premier temps, une nouvelle méthodologie d’identification des vagues de chaleur, définies ici comme une forte augmentation de la température à des échelles synoptiques à intra-saisonnières, a été développée. Cette définition permet de détecter des vagues de chaleur « météorologiques », associées au temps sensible et qui constituent un véritable enjeu pour la prévision. La détection repose sur trois étapes : (i) un filtrage sélectionne les échelles souhaitées, ici synoptiques à intra-saisonnières ; (ii) les valeurs extrêmes des anomalies de températures ainsi calculées sont conservées, grâce à un seuil limite fixe égal au quantile Q90 ; et (iii) une contrainte morphologique est finalement appliquée pour identifier les événements de grande échelle cohérents dans le temps et l’espace. Par ailleurs, les températures maximales (Tmax) et minimales (Tmin) sont considérées séparément car leurs fluctuations résultent de processus distincts. Cette méthodologie a été appliquée à plusieurs types de jeux de données : un produit basé sur des observations locales (BEST), trois réanalyses météorologiques (ERA-Interim, NCEP2 et MERRA) et des simulations climatiques (CMIP5). Les vagues de chaleur détectées sont ensuite documentées en termes de caractéristiques morphologiques et thermodynamiques, et leurs tendances climatiques sont analysées. L’occurrence de ces événements se concentre particulièrement en début de printemps, et la tendance à la hausse de leurs températures s’explique principalement par le réchauffement moyen au Sahel. Les biais moyens de température dans les simulations, atteignant plus de 5°C dans certaines simulations climatiques, expliquent la plus grande partie des erreurs sur les températures des vagues de chaleur. Les événements détectés dépendent aussi de la méthodologie utilisée, c’est pourquoi nos résultats sont comparés avec ceux obtenus à partir d’autres méthodologies communément utilisées dans la littérature. Les processus et mécanismes mis en jeu lors des vagues de chaleur sont ensuite étudiés. Au printemps, les sols sont secs et le flux de chaleur latente très faible. Les vagues de chaleur détectées sur les Tmax sont anormalement sèches, celles en Tmin anormalement humides. Une dépression est présente lors des deux types d’événements et centrée sur la zone impactée. Les vagues de chaleur diurnes sont associées à un vent de nord-ouest alors que les vagues de chaleur nocturnes correspondent à un vent de sud-ouest, qui favorise l’advection d’humidité par le flux de mousson. La vapeur d’eau joue un rôle majeur sur les vagues de chaleur nocturnes, amplifiant l’effet de serre de l’atmosphère. Une première analyse indique que les vagues de chaleur détectées en Tmax ne sont pas associées à des couches limites plus profondes. Ces résultats soulignent qu’au Sahel, les vagues de chaleur sont associées à des mécanismes différents de ceux observés dans d’autres régions du monde, comme en Europe, où les vagues de chaleur font souvent intervenir des conditions anticycloniques et un assèchement des sols. La méthodologie a été finalement adaptée à la prévision des vagues de chaleur en temps réel et implémentée sur le site Internet http://acasis.sedoo.fr/. Ce travail a permis de suivre et prévoir en temps réel les vagues de chaleur impactant l’Afrique de l’ouest pendant les printemps 2016-2017.

Nous avons étudié le bruit électronique généré par une jonction tunnel dont les contacts sont portés à des températures différentes, de sorte qu'elle est traversée par un courant de chaleur. Nous avons calculé le bruit attendu, montré que le bruit en excès est proportionnel au courant de chaleur, et effectué des mesures à très basse température. Nous avons bien observé un bruit hors d'équilibre dû à la différence de température entre les contacts mais l'accord théorie-expérience n'est pas encore atteint.

Titre de l'écran-titre (visionné le 19 juin 2023) / Une approche neurochirurgicale impliquant la stimulation intracérébrale profonde peut être utilisée afin d'atténuer les symptômes moteurs de la maladie de Parkinson lorsque l'efficacité des traitements pharmacologiques diminuent. La précision dans le placement des électrodes de stimulation à l'intérieur du cerveau est critique et les bienfaits cliniques qui découlent de cette chirurgie dépendent directement du positionnement des électrodes. Par conséquent, il est essentiel de mettre en œuvre des méthodes qui pourraient conduire à une meilleure précision du placement des électrodes lors de la chirurgie. Certaines méthodes, telles que l'enregistrement par microélectrode (MER) combiné à l'imagerie par résonnance magnétique (IRM), sont actuellement utilisées par les neurochirurgiens afin d'améliorer la précision du placement des électrodes. Le MER permet d'enregistrer les patrons de décharges d'un seul neurone afin d'identifier la cible et de confirmer l'emplacement des électrodes dans le cerveau. Même si le MER améliore le positionnement des électrodes, il a été démontré que cette méthode augmente le risque de saignement, la durée de l'opération ainsi que la quantité d'anesthésie administrée. Des électrodes contenant une sonde optique guidées grâce à la lumière pourraient être grandement utiles afin d'augmenter la précision durant la chirurgie. La spectroscopie de réflectance diffuse (DRS) est l'une des méthodes qui peut être efficace à cet égard. Cependant, un inconvénient possible de cette méthode est l'endommagement potentiel des tissus qui pourrait être causé par le transfert d'énergie et donc de chaleur vers les tissus. L'objectif général de cette étude est d'évaluer si l'utilisation de techniques de guidage optique utilisant la lumière serait sécuritaire afin d'améliorer la précision des chirurgies DBS. Brièvement, le logiciel PyTissueoptics a été utilisé afin de simuler le transport de la lumière dans le tissu cérébral et de trouver le volume quadratique moyen (RMS) d'absorption d'énergie. Avec ces informations en main, le tissu cérébral a été modélisé dans COMSOL afin de simuler la diffusion de la chaleur et de trouver la fraction de dommage. Dans l'ensemble, nos données suggèrent que l'augmentation de la température induite par l'utilisation de la lumière nécessaire au guidage optique est négligeable et ne serait pas suffisante afin d'induire un dommage significatif au parenchyme cérébral. / Deep brain stimulation surgery is commonly used to alleviate motor symptoms of Parkinson's disease (PD) in its late stages when pharmaceutical treatments become less effective. Precision in accurate placement of electrodes in deep brain structures is extremely important in the clinical outcome of the surgery. Therefore, it is essential to implement methods that can provide better accuracy for electrode placement during surgery. Some methods, such as microelectrode recording (MER), following pre-operative MRI trajectory planning, are currently used by neurosurgeons to gain precision during the surgery. MER records single neuron firing patterns in order to identify the target structure and confirm the location of the electrodes in the brain. Even though MER contributes to improved precision in electrode placement, it has been shown to increase bleeding risk, operation time, and either local or general anesthesia. Light-guided probes could be used to gain more precision during surgery. Diffuse reflectance spectroscopy (DRS) is one of the light-guided methods that can be effective in this regard. However, one possible drawback of this method is the potential tissue damage that could be caused by heat transferred to the tissue. The overarching goal of this study is to assess the safety of using light-guided techniques such as DRS, during DBS surgery. To reach this goal, computer simulations have been done with PyTissueoptics to simulate light transport in the brain tissue and find the root mean square (RMS) volume of energy absorbance and heat-up temperature. This information has then been used into COMSOL to simulate heat diffusion in brain tissue. By doing so, we were able to assess the temperature rise, in conjunction with possible fraction of damage that could occur in brain tissue. Using these simulations, we show that light needed for DRS guided surgery induces minimal temperature rise and non-significant damage to brain tissue.

Titre de l'écran-titre (visionné le 16 octobre 2023) / La technologie de chauffage et de refroidissement urbain est l'une des solutions prometteuses pour réduire la consommation d'énergie afin d'atténuer les effets des changements climatiques. La tendance du développement des systèmes de chauffage et de refroidissement urbains est d'abaisser la température d'alimentation. Ainsi, les réseaux thermiques seraient en mesure de réduire les déperditions de chaleur et d'augmenter sensiblement le nombre de sources de chaleur récupérables. Cependant, la baisse de la température de fonctionnement du quartier peut entraîner divers problèmes. Le premier problème concerne les quartiers avec des bâtiments anciens dont la température pour le chauffage peut être élevés (80°C) alors que la température du réseau de chauffage urbain de 4ème génération est d'environ 50°C (30-70°C pour la 4ème génération). Bien que l'abaissement de la température du réseau puisse augmenter l'efficacité des centrales d'approvisionnement et réduire la perte de chaleur à travers le réseau, les conséquences connexes telles que l'augmentation des frais d'exploitation et l'augmentation des émissions de GES causées par l'augmentation de la consommation d'électricité des pompes à chaleur distribuées devraient être considéré. Par conséquent, la température d'alimentation doit être optimisée. Pour cette raison, la première étape de ce projet s'est concentrée sur la température d'alimentation optimale pour un quartier avec une demande de chauffage à haute température. Ce projet propose un nouveau cadre d'optimisation multi-objectifs pour déterminer la température d'alimentation en temps réel pour le chauffage urbain à basse température avec des pompes à chaleur distribuées. Les résultats montrent que le cadre proposé peut effectivement réduire les coûts et les émissions, mais la viabilité du système dépend fortement du type de combustible (c.-à-d. copeaux de bois ou gaz naturel), du prix de l'électricité, du facteur d'émission de l'électricité, du poids relatif des coûts et des émissions dans la fonction objective. Dans l'étude de cas avec des coûts d'électricité et des émissions typiques pour le Québec (Canada), la température de fonctionnement moyenne pourrait être réduite à 42 et 66°C selon le type de chaudières dans le système. Alors que les émissions étaient toujours plus faibles qu'avec un réseau conventionnel, les coûts d'exploitation pouvaient être plus élevés (avec une chaudière à copeaux de bois) ou plus bas (avec une chaudière au gaz naturel). Ces travaux peuvent contribuer au déploiement de réseaux basse température performants. Le deuxième problème concerne les nouveaux quartiers avec une demande simultanée de chauffage et de refroidissement. Dans ce cas, quelle est la combinaison et la taille optimales des systèmes à basse température compte tenu des facteurs économiques? Le réseau de chauffage et de refroidissement urbains de cinquième génération (5GDHC en anglais) offre une solution efficace pour les quartiers ayant des demandes simultanées de chauffage et de refroidissement. Cependant, la recherche sur les systèmes de chauffage et de refroidissement urbains de 5ème génération en est à ses débuts. Ce deuxième volet proposait un nouveau système de chauffage et de refroidissement urbains de 5ème génération assistés par le solaire hybride photovoltaïque-thermique avec stockage géothermique. Une plateforme décisionnelle de conception et d'exploitation de ce nouveau système est proposée sur la base de l'optimisation. L'optimisation minimise le coût global du cycle de vie en tenant compte des investissements en capital et de remplacement dans l'équipement de district, ainsi que des frais d'exploitation grâce à une conception et une exploitation optimisée du 5GDHC. Une analyse de sensibilité globale est utilisée pour réduire les dimensions de l'optimisation, et les résultats indiquent qu'une optimisation de dimension réduite permet d'obtenir des résultats similaires à une optimisation de dimension complète tout en économisant du temps de calcul. Notre étude montre que même dans les régions où les prix de l'électricité sont bas, comme le Québec, les investissements en capital dans les pompes à chaleur, les forages géothermiques et les systèmes photovoltaïques/thermiques (PVT) peuvent être récupérés à la fin de la durée de vie du projet. L'électricité peut être économisée à plus de 50% pour le nouveau système. Sur la base de l'optimisation, le nouveau système est comparé à un système sans stockage géothermique et 5GDHC avec stockage géothermique mais sans systèmes solaires sur la base d'évaluations économiques du cycle de vie. L'investissement en capital des pompes à chaleur, des forages géothermiques et des systèmes photovoltaïques/thermiques (PVT) peut être remboursé à la fin de la durée de vie du projet. De plus, les systèmes géothermiques peuvent augmenter la récupération de la chaleur résiduelle et de l'énergie solaire. Le 5GDHC à assistance d'hybride photovoltaïque-thermique solaire avec stockage géothermique a surpassé les systèmes sans système solaire ou les systèmes sans stockage géothermique. Les réseaux 5GDHC modifient les interactions énergétiques entre les individus du quartier tout en permettant l'interaction énergétique entre les prosommateurs afin que l'ensemble du quartier puisse bénéficier de l'amélioration de l'efficacité énergétique. La coordination des interactions énergétiques dans un tel système est un problème complexe, généralement résolu par une optimisation centralisée. En plus des problèmes de confidentialité pour les prosommateurs, l'optimisation centralisée peut s'avérer trop difficile à résoudre pour les grands systèmes 5GDHC et ne peut pas établir une répartition des bénéfices entre les prosommateurs. Ceci introduit le troisième problème : pour les individus, comment le bénéfice tiré de l'ensemble du quartier est-il réparti entre les prosommateurs ? En d'autres termes, à quoi ressemble le marché de l'énergie pour ce nouveau système énergétique de quartier ? Ce volet développe un cadre communautaire de marché transactionnel de l'énergie basé sur l'optimisation distribuée de 5GDHC. L'optimisation est basée sur la méthode des multiplicateurs à direction alternée proximale de Jacobi. L'approche repose sur des interactions itératives entre le coordinateur de réseau et les prosommateurs, les premiers ajustant le prix interne de l'énergie thermique et les seconds adaptant leur demande de chauffage et de refroidissement. La méthode proposée a permis d'ajuster dynamiquement le prix interne de l'énergie thermique et la demande des prosommateurs tout en tenant compte de leur insatisfaction thermique. En facilitant le fonctionnement du 5GDHC, ce travail pourrait contribuer à leur mise en œuvre pratique dans le futur. En résumé, ce projet a atteint les trois sous-objectifs suivants : 1) Ce projet a proposé une méthode d'optimisation et d'abaissement de la température du réseau thermique pour un quartier demandant une température élevée pour le chauffage à l'aide de pompes à chaleur distribuées. 2) Ce projet a proposé une nouvelle plate-forme décisionnelle basée sur l'optimisation de la conception et de l'exploitation des nouveaux systèmes de chauffage et de refroidissement urbains hybrides photovoltaïques-thermiques de 5e génération à assistance solaire. 3) Un concept de marché de l'énergie pour ordonnancer la demande thermique des prosommateurs distribués pour le 5GDHC. / District heating and cooling technology is one of the most promising solutions for reducing energy consumption and thus fight climate change. The trend of developing district heating and cooling systems is to lower the supply temperature. As such, thermal networks would be able to abate heat losses and substantially increase the number of recoverable heat sources. However, lowering down the operational temperature of the district may case the several problems. The first problem is for district with old buildings whose temperature requirement for space heating may be high (75°C) while the temperature of the network of 4ᵗʰ generation district heating is around 50°C (30-65°C for 4th generation). Although lowering the temperature of network can increase the efficiency of the supply plants and reduce the heat loss through the network, the related consequence such as increasing operational fees, and increasing GHG emissions caused by the increasing electricity consumption of the distributed heat pumps should be considered. Therefore, the supply temperature should be optimized. Therefore, the first step of this project focused on the optimal supply temperature for district with high temperature heating demand. This project proposes a new multi-objective optimization framework to determine the real-time supply temperature for low-temperature district heating with booster heat pumps. Results show that the proposed framework can indeed reduce costs and emissions, but the viability of the system depends strongly on the fuel type (i.e., wood chips or natural gas), price of electricity, emission factor of electricity, relative weight of costs and emissions in the objective function. In the case-study with typical electricity costs and emissions for Quebec (Canada), the average operating temperature could be reduced to 42 and 66°C depending on the type of boilers in the system. While emissions were always smaller than with a conventional network, operating costs could be higher (with wood chip boiler) or lower (with natural gas boiler). This work can contribute to the deployment of efficient low temperature networks. The second problem is for new district with simultaneous heating and cooling demand. What is the optimal combination and size for the new district with low temperature when considering economic factors? The Fifth Generation District Heating and Cooling (5GDHC) network offers an efficient solution for districts with simultaneous heating and cooling demands. However, research of the 5ᵗʰ generation district heating and cooling systems is in its early stage. This project proposed a novel hybrid photovoltaic-thermal solar-assisted 5ᵗʰ generation district heating and cooling systems with geothermal storage. A decision-making platform for design and operation for this new system is proposed based on optimization. The optimization minimizes the overall lifecycle cost by considering capital and replacement investments in district equipment, and operational fees through optimized design and operation of 5GDHC. A global sensitivity analysis is used to reduce the dimension of optimization, and the results indicate that a reduced-dimension optimization can achieve similar results as a full-dimension optimization while saving computational time. Our study shows that even in regions with low electricity prices, such as Quebec, the capital investments in heat pumps, geothermal boreholes, and photovoltaic/thermal (PVT) systems can be recovered by the end of the project's lifetime. The electricity can be saved up to 50% for the new system. Based on the optimization, the new system is compared with hybrid photovoltaic-thermal solar-assisted 5ᵗʰ generation district heating and cooling system without geothermal storage and 5GDHC with geothermal storage but without solar systems based on economic life cycle assessments. The capital investment of the heat pumps, geothermal boreholes and photovoltaic/thermal (PVT) systems can be paid back at the end of the lifetime of the project. Additionally, geothermal systems can increase the recovery of the waste heat and solar energy. The hybrid photovoltaic-thermal solar-assisted 5GDHC with geothermal storage outperformed for systems without solar system or systems without geothermal storage. 5GDHC has changed the energy interactions between individuals in the district while allowing the energy interactions between prosumers so that the whole district can benefit from improved energy efficiency. Coordinating the energy interactions in such a system is a complex problem, typically solved through centralized optimization. In addition to privacy issues for prosumers, centralized optimization can prove too hard to solve for large 5GDHC systems and cannot establish a profit distribution between prosumers. This introduces the third problem: For individuals, how the benefit gained from optimizing the whole district be allocated between the prosumers? In other words, what is the energy market looks like for this new district energy system? This project develops a community-based transactive energy market framework based on distributed optimization of 5GDHC. The optimization is based on the Jacobi-proximal alternating direction method of multipliers. The approach relies on iterative interactions between the network coordinator and the prosumers, the former adjusting the internal price of thermal energy and the latter adapting their heating and cooling demand. The proposed method allowed to dynamically adjust the internal price of thermal energy and the prosumers' demand while considering their thermal dissatisfaction. By facilitating 5GDHC operation, this work could help their practical implementation in the future. To summarize, this project has achieved the following three sub-objectives: 1) This project proposed a method for optimizing and lowering the temperature of the thermal network for district with high temperature demand with help of distributed heat pumps. 2) This project proposed a new decision-making platform based on optimization for design and operation of the new hybrid photovoltaic-thermal solar-assisted 5ᵗʰ generation district heating and cooling systems. 3) A concept of energy market to schedule the thermal demand of distributed prosumers for 5GDHC.

L'astreinte thermique est l'ensemble des réponses physiologiques de l'organisme exposé à la contrainte thermique. La fréquence cardiaque, la température corporelle et le débit sudoral sont ces réponses. Ce mémoire présente une étude visant le développement d'un programme d'autosurveillance de l'astreinte thermique pour des adolescents qui engrangent du foin. Notre étude consistait à caractériser les niveaux d'astreinte, chez des jeunes travailleurs agricoles âgés de 15 à 21 ans, selon ses trois réponses et à vérifier que la réponse cardiaque atteigne les limites adaptées le plus précocement. Certaines limites concernant la fréquence cardiaque ont été ajustées pour tenir compte de l'âge des sujets lors des estimations du niveau d'astreinte. Au cours des étés 2004, 2005 et 2006, quarante sujets ont été étudiés. Tel qu'attendu, la réponse cardiaque a été la plus précoce. Ce rapport conclut que la surveillance de l'astreinte thermique peut se limiter par la lecture de la fréquence cardiaque.

Le coulis de glace est un fluide composé d'une phase solide, la glace, et une phase liquide, une solution aqueuse. Dû à la chaleur latente de la fonte de la glace, le coulis peut extraire une plus grande quantité d'énergie que le fait un fluide monophasique. Dans un premier temps, les corrélations permettant de calculer les propriétés thermophysiques des solutions aqueuses, soient la concentration de glace, la densité, la viscosité, la conductivité thermique et l'enthalpie, sont établies.Le coulis à base de propylène glycol est pris comme exemple afin de présenter la démarche suivie. Pour les trois autres additifs, l'éthylène glycol, le chlorure de calcium et le chlorure de sodium, seuls les coefficients des corrélations sont présentés. Dans un deuxième temps, une série d'expérimentations a été réalisée sur un échangeur de chaleur tubes et calandre afin d'évaluer les pertes de pression et le transfert de chaleur du coulis fait à base d'éthylène glycol. La perte de pression dans les tubes, ainsi que la température à l'entrée et à la sortie et le débit massique de chaque fluide ont été mesurés. Les mesures ont démontré que la concentration de glace a un impact plus grand sur le transfert de chaleur quand le débit de coulis est faible. De plus, le débit de coulis a un impact plus grand sur les pertes de pression que la concentration de glace. Dans un troisième temps, le transfert de chaleur en régime transitoire entre la patinoire, les fondations du bâtiment et le sol extérieur a été calculé par un modèle numérique d'aréna. Deux réfrigérants secondaires, la saumure et le coulis, servant à refroidir la glace sont comparés. La simulation montre que la température de la glace est plus uniforme avec le coulis qu'avec la saumure. Une analyse paramétrique est menée afin d'évaluer l'effet de la diminution du débit de réfrigérant secondaire sur la température de la surface de la glace et sur la puissance de pompage.