Thèse doctorat : Génie Civil : Villeurbanne, INSA : 2001. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. p. 219-226.

Thèse (M.Sc.)--Université Laval, 2007. / Bibliogr.: f. 142-144. Publié aussi en version électronique dans la Collection Mémoires et thèses électroniques.

Thèse (Ph.D.)--Université Laval, 2008. / Titre de l'écran-titre (visionné le 9 mai 2008). Bibliogr.

Thèses (M.Sc.A.)--Université de Sherbrooke (Canada), 2000. / Titre de l'écran-titre (visionné le 17 juillet 2006). Publié aussi en version papier.

Thèse (M.Sc.)--Université Laval, 2009. / Bibliogr.: f. 111-112. Publié aussi en version électronique dans la Collection Mémoires et thèses électroniques.

Th. doct.-ing., vibrations et oscillateurs--Besançon, 1984. N°: 7.

Th. doct.-ing.--Physico- chim. des matér.--Toulouse--I.N.P., 1980. N°: 81.

Dans le contexte actuel de durcissement de la réglementation thermique visant à améliorer l’efficacité énergétique des bâtiments, il est nécessaire de repenser les installations de chauffage, de rafraîchissement et d’eau chaude sanitaire. Un système thermodynamique multifonction, appelé thermofrigopompe (TFP), produisant simultanément de l’énergie frigorifique et calorifique, semble alors une solution intéressante. L’emploi d’un fluide frigorigène à faible potentiel de réchauffement global (le GWP exprimé en émissions équivalentes de CO2), dans les machines frigorifiques, permet de répondre de manière efficace à la problématique de réduction des émissions de gaz à effet de serre. Cette thèse présente un prototype préindustriel de thermofrigopompe utilisant le propane comme fluide frigorigène. Le propane (R290) est intéressant d’abord pour son faible impact environnemental (ODP nul et GWP100ans =3) et pour ces performances énergétiques. Le prototype est le fruit d’une collaboration entre le Pôle cristal, centre technique froid et génie climatique de Dinan, et le laboratoire LGCGM de Rennes. Une nouvelle architecture du circuit frigorifique de la TFP est proposée avec une réduction significative du nombre d’électrovannes. Cette architecture permet une récupération efficace de la charge en fluide frigorigène lors des basculements entre les différents modes. Les besoins en chauffage, rafraîchissement et eau chaude sanitaire de trois types de bâtiments situés dans différents climats sont obtenus par simulation sous TRNSYS. La nature du bâtiment ainsi que le climat influencent fortement le caractère simultané des besoins. Un indicateur de besoins simultanés (TBS) est proposé afin d’identifier le bâtiment le plus adapté à une solution de production simultanée. Des essais en chambre climatique ont permis de valider le fonctionnement du prototype et de caractériser ses performances. Ces résultats expérimentaux ont servis à calibrer les modèles de composants et de machines frigorifiques pour chaque mode de fonctionnement développés avec le logiciel EES. Un bâtiment résidentiel collectif et un immeuble de bureaux ont été choisis dans l’étude comparative, afin d’évaluer l’influence de la nature des besoins sur les performances de la TFP. Les performances annuelles simulées par la méthode de corésolution (EES-TRNSYS) de la TFP sont comparées à une solution référence qui combine une PAC air/eau réversible pour le chauffage, et le rafraîchissement et un ballon thermodynamique pour l’ECS. Les résultats des simulations des performances saisonnières ont démontré que la piste des bureaux est intéressante dans le cas de zones nécessitant un fort besoin en rafraîchissement tout au long de l’année. / In the current context of hardening of thermal regulations to improve the energy efficiency of buildings, it is necessary to reconsider the heating, cooling and domestic hot water installations. A multifunctional heat pump system for simultaneous heating and cooling (HPS), which simultaneously produces cooling and heating energy, seems to be an interesting solution. The use of a refrigerant with low global warming potential (GWP expressed in equivalent emissions of CO2) in the refrigeration machinery can respond effectively to the problem of reducing greenhouse gas emissions. This work presents a pre-industrial prototype of HPS using propane as refrigerant. Propane (R290) is interesting firstly for its low environmental impact (zero ODP and GWP100 = 3) and for the energy performance. The prototype is the result of the collaboration between the Technical Centre for refrigeration and HVAC, Pôle Cristal and LGCGM laboratory. A new architecture of the refrigerant circuit of the HPS is proposed with a significant reduction in the number of valves. This architecture allows for efficient recovery of the refrigerant charge when switching between modes. The needs for heating, cooling and domestic hot water for three types of buildings in different climates are obtained by simulation using TRNSYS. The nature of the building and climate strongly influence the simultaneous nature of the needs. A ratio of simultaneous needs (RSN) is proposed to identify the most suitable building for the simultaneous production of heating and cooling energy. Climate chamber tests were used to validate the operation of the prototype and characterize its performance. These experimental results were used to calibrate the models of components and refrigerating machines for each operation developed with EES software. A collective residential building and an office building were selected in the comparative study, in order to evaluate the influence of the nature of the requirements on the performance of the HPS. Annual performance simulated by the co-solving method (EES-TRNSYS) of HPS is compared to a reference solution that combines a reversible air / water heat pump for heating, cooling and thermodynamic water heater for domestic hot water. The simulation results of the seasonal performance showed that the office building is interesting in the case of areas requiring a strong need for refreshment throughout the year.

On s’intéresse dans ce travail à la convection thermique en présence de champ magnétique, en lien avec les essais Vulcano du CEA de Cadarache. Ces essais ont pour but de reproduire en laboratoire les écoulements générés par un chauffage volumique dues aux matières radioactives issues d’accidents nucléaires. Le chauffage par induction électromagnétique de ces fluides permet de simuler en laboratoire la puissance volumique des désintégrations nucléaires en évitant l’utilisation de matériaux radioactifs. Néanmoins, ce forçage électromagnétique génère un couplage entre l’écoulement fluide et le champ magnétique, par la force de Lorentz d’une part, et d’autre part le chauffage volumique par effet Joule se concentre dans l’épaisseur de peau. De plus, il peut y avoir dans ces essais présence d’une phase dispersée métallique qui risque de perturber le chauffage inductif de la phase continue (oxyde). Il est nécessaire d’étudier comment ces effets d’origine électromagnétique modifient l’écoulement. À plus petite échelle, les phénomènes magnétiques en jeu peuvent être reproduits grâce à des métaux liquides à température ambiante. Lorsqu’un champ magnétique harmonique est appliqué à la frontière d’un métal liquide, l’effet stabilisant de la force de Lorentz sera prépondérant devant l’effet Joule à basses fréquences, alors que l’effet Joule devient significatif à hautes fréquences. On considère alors plusieurs situations canoniques permettant d’analyser l’effet d’un champ magnétique constant DC et alternatif AC sur un écoulement de convection naturelle monophasique, ou en présence d’une phase dispersée très conductrice. Une première partie est consacrée à l’étude expérimentale d’une méthode de vélocimétrie acoustique sur une cellule de convection naturelle en eau. Par comparaison avec des mesures de vitesse par imagerie de particules (PIV) et des simulations numériques directes (DNS), cela a permis de valider la méthode acoustique en vue de futures expériences en métal liquide. Une seconde étude est dédiée à l’analyse numérique de l’instabilité de Rayleigh-Bénard en présence d’un champ magnétique DC vertical. Les taux de croissance sont déterminés par analyse de stabilité linéaire pour des nombres de Hartmann 0 _ Ha _ 100 et des nombres de Rayleigh 103 _ Ra _ 1.5 × 105. Ces prédictions sont confirmées par DNS. En régime stationnaire, l’analyse des DNS a permis de mettre en évidence un effet marqué de la force de Lorentz sur les structures, à travers leur nombre d’onde et leur orientation. La troisième configuration étudiée est le chauffage inductif d’une couche de métal liquide en imposant un champ magnétique harmonique au niveau de la paroi basse pour des nombres de Rayleigh proportionnels à la puissance déposée 1.1×104 _ Ra _ 1.2×105 et pour des épaisseurs de peau inférieures à la moitié de l’épaisseur de liquide. Dans ce cas, les courants induits sont dissipés par effet Joule sur l’épaisseur de peau. La prédiction des taux de croissance requiert l’utilisation de méthodes adaptées car ici le développement de l’instabilité est concomitant à la conduction instationnaire de la chaleur. Malgré la perte de symétrie des équations introduite par le terme source d’effet Joule, l’écoulement présente une symétrie de réflexion apparente, que ce soit en régimes transitoire ou stationnaire. Cela est lié au brassage conséquent par convection naturelle. Enfin une situation modèle de particules métalliques immergées dans un liquide transparent au champ magnétique est étudiée. Ici, l’énergie magnétique est dissipée sous forme thermique dans les particules, qui transmettent toute leur chaleur au fluide. Des mouvements convectifs se mettent alors en place. La convection est décrite par la concentration relative en particules. Selon les valeurs des paramètres, on observe la formation d’amas de particules en réponse au panache qu’elles génèrent.

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.