Les régions froides sont à la recherche de méthodes plus efficaces pour déneiger les voies de circulation et les espaces publiques afin de diminuer les accidents, la pollution et la dégradation des milieux environnants, tout en diminuant leurs budgets annuels de déneigement. Plusieurs universités et centres de recherche, pendant ces 20 dernières années ont développé des mélanges de béton électriquement conducteurs (BEC) et certains ont poussé la recherche jusqu'au développement et à l'installation de ces systèmes afin de tester leur viabilité. C'est dans l'optique d'apporter sa contribution, que L'Université Laval s'est lancée dans le projet béton chauffant dont la première phase s'est terminée en 2018 avec la création d'un système déglaçant, automatisé, en béton électriquement conducteur. Ce mémoire marque la fin de la seconde partie du projet sur les bétons chauffants à l'Université Laval lors de laquelle le système développé dans la phase 1 a été mis à l'échelle et amélioré afin de le préparer à la commercialisation. Cette mise à l'échelle s'est traduite par l'installation d'un espace de 4m² en dalles électriquement conductrices, avec un banc et un caniveau eux aussi électriquement conducteurs. L'étude de ce système a eu lieu pendant l'hiver 2019-2020 et s'est couronné par une analyse statistique des performances du système. Il est important de souligner que le mobilier et les canalisations en BEC étudiés font de ce projet le premier à proposer des applications autres que les chaussées pour un système en BEC. De plus, une formulation d'un béton conducteur ultra performant (BCUP) a été développée afin d'étendre la technologie à ce type de béton pour multiplier les options d'utilisation de ce système. Même si le mélange proposé requiert de plus amples analyses afin d'être amélioré et caractérisé, cela constitue un pas important pour l'utilisation d'un BCUP dans un système déglaçant. / Cold regions are looking for more efficient and cost-effective methods to clear snow from roads and public spaces to reduce accidents, pollution, and degradation of the surrounding environment. Over the past 20 years, several universities and research centers have developed electrically conductive concrete mixes (ECC). Some have even pushed their research to the point of developing and installing these systems to test their sustainability. With a desire to contribute to this field of research, Université Laval embarked on the heated concrete project, the first phase of which ended in 2018 with the creation of an automated de-icing system made of electrically conductive concrete. This submission marks the end of phase 2 of that heating concrete project. The system developed in phase 1 was scaled up and improved to be ready for commercialization. This scale-up phase prompted the realization of three slabs, one bench, and one gutter, all electrically conductive. The study of these ECC elements occurred during the 2019-2020 winter, more precisely from the end of January to the beginning of March and was crowned by a statistical analysis of the system's performance. It is essential to point out that this project's ECC furniture and drainage channel makes it the pioneer in proposing applications other than pavements for ECC systems. In addition, an Electrically Conductive high-performance concrete (EC-UHPC) formulation was developed to extend the technology to this type of concrete and multiply the range of options for the applications of the system. Although the proposed mix requires further analysis to be improved and characterized, this work is essential to using EC-UHPC in a de-icing system.

La construction de bâtiments dans les régions nordiques isolées est confrontée à des défis importants tels qu'une logistique de transport complexe en raison d'un accès limité au site de construction, des conditions climatiques sévères, le manque de travailleurs qualifiés, ainsi qu'un approvisionnement en énergie et en matériaux coûteux et limité. Les différentes communautés du nord du Canada sont souvent qualifiées « d'isolées », justement en raison de leur éloignement géographique. Par exemple, la plupart ne sont pas reliées au réseau électrique principal ni au réseau routier du reste du pays. Le manque criant d'unités de logement disponibles a entraîné le surpeuplement des logements en place et a récemment poussé les gouvernements à augmenter le financement pour aider ces communautés à construire et à rénover davantage d'unités [1]. Parallèlement, l'utilisation de la main-d'œuvre locale est fortement encouragée, car le secteur de la construction est une source importante d'emplois et d'autonomisation [2]. Bien que la construction modulaire (ou préfabrication) puisse être considérée comme une solution facilitant la viabilité de la construction de bâtiments dans ces communautés isolées, la préfabrication de composants peut avoir des répercussions négatives sur les emplois locaux. Par conséquent, les solutions de préfabrication peuvent être écartées à certains moments. Ce projet vise donc à acquérir une meilleure compréhension des éléments à considérer dans la conception de systèmes de chauffage préfabriqués et durables dans le contexte de ces régions. En particulier, le territoire du Nunavik au nord de la province de Québec (Canada) a été choisi en tant que région type pour cette étude. Dans le même ordre d'idées, et considérant la pertinence de ce type de logement, la thèse se concentre spécifiquement sur les bâtiments sociaux. Le terme « social » fait référence au fait que les gouvernements subventionnent la construction et l'exploitation de ces bâtiments et que ceux-ci sont dédiés aux familles à faibles revenus. Dans un premier temps, le projet a proposé un cadre conceptuel pour identifier les facteurs affectant la création de valeur au sein de la chaîne d'approvisionnement de la construction de logements sociaux dans cette région. La recherche s'est appuyée sur une revue de la littérature et sur les informations recueillies lors d'entrevues semi-dirigés avec les principales parties prenantes pour identifier les caractéristiques souhaitées de l'amélioration ou des solutions (par exemple, la préfabrication) en ce qui concerne la création de valeur. Une analyse des forces, faiblesses, opportunités et menaces (FFOM), une carte d'influence et de dépendance et un diagramme de boucle causale ont été élaborés pour représenter la chaîne d'approvisionnement. La création d'emplois locaux et le nombre de bâtiments à construire ont été identifiés comme les principaux facteurs pouvant représenter la performance de la création de valeur. Par ailleurs, les ressources énergétiques, le temps de construction, le type et la quantité de main-d'œuvre, les contraintes d'expédition, le nombre de pièces de rechange et l'élimination des déchets ont été identifiés comme les principaux facteurs limitant l'éventail des solutions de construction à mettre en œuvre. Dans un deuxième temps, le projet a proposé un cadre computationnel pour identifier la modularité optimale des tuyauteries à assembler dans les bâtiments résidentiels situés au Nunavik. Initialement, les algorithmes ont été testés en utilisant une étude de cas avec 40 composants du réseau de distribution du glycol. Pour ce cas, l'algorithme cherchait simultanément à minimiser le coût d'installation du système et à maximiser la création d'emplois locaux en considérant deux sites possibles de préfabrication et des contraintes de poids, de dimensions et de collision. Des modèles de logique floue et l'algorithme NSGA-II (Non-dominated Sorting Genetic Algorithm-II) ont été utilisés pour évaluer les configurations et identifier les solutions non dominées. Par la suite, afin de prendre en compte une autre facette importante du développement durable, un troisième objectif relatif à la minimisation des émissions de CO₂ liées au transport des modules par bateau a été ajouté aux algorithmes. En particulier, pour l'étude de cas analysée, le cadre computationnel a trouvé des solutions réduisant les coûts d'installation jusqu'à 81,9%, générant jusqu'à 23,4 heures d'emplois locaux, mais augmentant les émissions de CO₂ jusqu'à 36,7%. Finalement, le projet a adapté le cadre de calcul pour modulariser l'ensemble du réseau de distribution du fluide caloporteur. Au total, 627 composants ont été pris en compte. Quelques heuristiques supplémentaires ont été incluses pour réduire l'espace de recherche, afin de prendre en compte les contraintes particulières du système et les résultats précédemment trouvés dans l'étude de cas avec 40 composants. Le cadre computationnel développé prend donc en compte la minimisation des coûts d'installation, la maximisation de l'emploi local ainsi que l'impact de la modularisation sur les émissions de gaz à effet de serre (CO₂). L'éventail des solutions trouvées permet de générer entre 225 heures et 536,8 heures d'emplois locaux liés à la plomberie et à la menuiserie par logement à construire, tout en réduisant le coût d'installation actuel de 79 % et 58 %, respectivement. Cependant, les émissions de CO₂ peuvent être multipliées par plus de 2,8. / Building construction in isolated northern regions faces important challenges such as a complex transportation logistics due to a limited access to the construction site, severe climatic conditions, a lack of skilled workers, as well as expensive and limited energy and material supply. The different communities of the northern part of Canada are often qualified as isolated due to their remoteness. For example, most are not connected to the main power grid nor to the road network of the rest of the country. The stringent lack of available housing units has resulted in dwelling overcrowding and has recently pushed governments to increase funding to help these communities to build and refurbish more units [1]. At the same time, the use of local labor is highly promoted as the construction industry is an important source of employment and empowerment [2]. Therefore, while modular construction (or prefabrication) can be seen as a solution that facilitates the sustainability of building construction in these remote communities, the prefabrication of components can generate negative impacts on local jobs. As a result, prefabrication solutions can be discarded at certain times. Hence, this project aims to gain a better understanding of the elements to consider in the development of sustainable prefabricated heating systems in the context of these regions. In particular, the Nunavik territory in the northern part of the province of Quebec (Canada) was chosen as a typical region for this study. In the same vein, and considering the relevance of this type of housing, the thesis focuses specifically on social buildings. The term "social" refers to the fact that governments subsidize the construction and operation of these buildings which are intended for low-income families. As a first step, the project proposed a conceptual framework to identify the factors affecting value creation within the supply chain of social housing construction in that region. The research used a literature review and information collected from semi-structured interviews with key stakeholders to identify the desired features of improvement or solutions (e.g., prefabrication) with respect to value creation. A strengths, weaknesses, opportunities, and threats analysis (SWOT), an influence/dependence map, and a causal loop diagram were developed to represent the supply chain. Local job creation and the number of buildings to build were identified as the key factors that can better represent the performance of the value creation. On the other hand, energy resources, the construction time, the type and amount of labour force, shipping constraints, the number of replacement parts, and waste disposal were identified as the main factors constraining the range of construction solutions to implement. Secondly, this project proposed a computational framework to identify the optimal modularity of piping to be assembled in residential buildings located in Nunavik. Initially, the algorithms were tested using a case study with 40 components of the glycol distribution network. For this case, the algorithm simultaneously minimizes the system installation cost and maximizes the local job creation by considering two possible prefabrication sites and constraints on weight, size, and collision. Fuzzy logic models and the Non-dominated Sorting Genetic Algorithm-II (NSGA-II) were used to evaluate configurations and identify non-dominated solutions. Subsequently, in order to consider another important facet of sustainable development, a third objective based on the minimization of CO₂ emissions related to the transportation of the modules by ships was added to the algorithms. In particular, for the case studied, the computational framework found solutions that reduce installation costs by up to 81.9%, generate up to 23.4 hours of local employment, but increase CO₂ emissions by up to 36.7%. Finally, the project adopted the computational framework to modularize the whole heat transfer fluid distribution network. In total, 627 components were considered. Some additional heuristics were included to reduce the search space, in order to consider particular constraints of the system and results previously found in the case study with 40 components. The computational framework developed contemplates, therefore, minimizing installation costs, maximizing local employment as well as the impact of modularization on greenhouse gas (CO₂) emissions. The range of solutions found generates between 225 hours and 536.8 hours of local employment related to plumbing and carpentry per unit to be built while reducing the current installation cost by 79% and 58%, respectively. However, CO₂ emissions can be increased by more than 2.8 times.

Ce mémoire de maîtrise introduit une nouvelle méthodologie de conception et d’optimisation techno-économique de systèmes géothermiques qui tient compte des écoulements souterrains. Une revue de littérature est complétée et la problématique est définie en s’appuyant sur les manques à combler au niveau des procédures de dimensionnement actuelles. La nouvelle procédure de dimensionnement inclut, entre autre, les données hydrogéologiques, les charges thermiques du bâtiment et les coûts du système géothermique. De plus, elle améliore les méthodologies actuelles en incluant une approche analytique pour la modélisation des écoulements souterrains lors de la simulation du champ de puits géothermiques. La méthodologie de recherche est présentée, y compris la stratégie d'optimisation, les fonctions G utilisées lors de la simulation énergétique et les défis rencontrés au cours de cette maîtrise. Les fonctions G sont calculées avec deux modèles analytiques: source cylindrique infinie et source linéique finie mobile. Une nouvelle simplification mathématique pour l'intégration des fonctions G dans la routine d'optimisation est démontrée, ce qui permet de réduire considérablement le temps de calcul (jusqu'à 25%), en plus de constituer un nouvel ajout aux méthodologies actuelles utilisant des fonctions G. Les procédures de test et l'analyse de la convergence sont également discutées. La nouvelle méthode de dimensionnement comprend le calcul des coûts initiaux et opérationnels. Des variables de conception optimales (profondeur de forage, distance entre les trous de forage consécutifs, etc.) et des aménagements de champ de puits (nombre de puits dans la direction x) sont présentés pour différentes valeurs de conductivité thermique du sol et de vitesse d’écoulement des eaux souterraines. En outre, une étude paramétrique est réalisée pour mesurer l’impact de l’écoulement des eaux souterraines par rapport au champ de puits sur l'aspect économique du projet. Une comparaison simultanée des coûts initiaux et opérationnels est également effectuée, ce qui permet de fournir des notions intéressantes pour les processus de conception à critères multiples. Enfin, les conceptions optimisées sont testées en dehors des conditions d’opération nominales. / This master’s thesis introduces a new sizing methodology for ground coupled heat pump (GCHP) systems which takes into account groundwater flow in order to achieve a technoeconomic optimization of the total cost of the project. A literature review is presented and the problem is defined in order to show missing elements from current GCHP sizing procedures. The new sizing procedure includes hydrogeological data, building thermal loads, and GCHP system costs, while improving actual design methodologies by including an analytical approach for groundwater flow in the heat transfer simulation of the borefield. The research methodology is presented, including the optimization strategy, the G-functions used during energy simulations, and the challenges encountered during this master’s degree. The G-functions are calculated with two analytical models: infinite cylinder source (ICS) and moving finite line source (MFLS). A new mathematical simplification for the integration of G-functions in the optimization routine is derived, which considerably reduces computational time (by up to 25%) and is a new addition to current methodologies using G-functions. Testing procedures and a convergence analysis are also discussed. The new sizing methodology includes the calculation of the initial and the annual operational costs. Optimal design variables (borehole depths, distance between consecutive boreholes, etc.) and borefield layouts (number of boreholes in the x -direction) are presented for different values of ground thermal conductivity and groundwater velocity. In addition, a parametric study is done to measure the impact of the groundwater flow velocity and angle with respect to the borefield on the economics of the project. A simultaneous comparison of the initial and operational costs is also completed, as it can provide interesting insights for multi-criterion design processes. Finally, optimized designs are tested under off-design operating conditions.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2013-2014. / Ce mémoire présente la méthodologie utilisée et les résultats d’optimisation de champs d’échangeurs géothermiques verticaux. Le contenu est présenté en deux articles de journaux scientifiques. Le premier article traite d’une étude sur l’impact de la stratigraphie du sol sur l’évaluation de performance d’échangeur géothermique. L’étude dévoile que les résultats des simulations prédisent une consommation d’énergie équivalente du système de thermopompe géothermique, que le sol soit stratifié ou homogène avec une conductivité thermique moyenne. Le premier article confirme donc l’hypothèse selon laquelle un système de pompe à chaleur couplée au sol peut être modélisé en utilisant une conductivité thermique moyenne. Le deuxième article présente une méthode d’optimisation de la conception d’échangeurs géothermiques afin de minimiser le coût du système global. Les résultats montrent entre autres que le nombre de puits dans une grille d’échangeurs, de même que leur profondeur, sont des paramètres d’importance dans la variation du coût. / This master thesis presents the method used and the optimization results for a ground coupled heat exchangers borefield. The content is divided into two papers submitted for publication to scientific journals. The first paper reports a study on soil stratigraphy impact on performance evaluation for a geothermal heat pump. The study reveals that the results obtained from simulation predict the same energy consumption of heat pump system for stratified soil and for homogenous soil defined by an average thermal conductivity. It confirms the assumption that a ground coupled heat exchanger system can be modeled using an average value of thermal conductivity. The second paper presents an optimization method of geothermal borefield design to minimize the cost of the system. Results show that number of boreholes in the grid, and their depth, are two influential parameters having strong effect on total cost.

Les systèmes de chauffage utilisant des chaudières à charbon dans les bâtiments à occupation discontinue ont des caractéristiques particulières. Le travail présenté ici a pour objet l'étude de la gestion d'énergie de tels systèmes. Deux modèles de chaudière à charbon ont été développés : un modèle fin et un modèle simplifié. Le modèle fin a été élaboré dans le but de décrire le comportement dynamique de la chaudière. Le modèle simplifié a été développé pour répondre aux besoins du calcul de la commande. Une structure de commande optimale basée sur le principe d'optimisation quadratique a été étudiée, améliorée et adaptée au contrôle de systèmes de chauffage intermittent. En la complétant par une méthode d'auto-réglage, cette commande peut corriger automatiquement les erreurs de commande dues aux imprécisions du modèle utilisé ou à d'autres causes. Les études, par simulations, des applications de la commande optimale aux systèmes de chauffage à chaudière à charbon ont démontré l'efficacité et la souplesse de cette commande, ainsi qu'une économie énergétique importante par rapport à la commande classique.

Thèse doctorat : Génie Civil : Villeurbanne, INSA : 1997. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. p. 153-157.

Reproduction de : Thèse de doctorat : Sciences de l'ingénieur : Automatique : Toulon : 2008. Reproduction de : Thèse de doctorat : Automatique : Universidad autónoma del estado de Hidalgo (México) : 2008. / Thèse soutenue en co-tutelle. Titre provenant du cadre-titre. Bibliographie p. 169-175.

Th. doct.-ing.--Sci. des matér.--Toulouse--I.N.P., 1985. N°: 385.

Texte remanié de: Th. doct.--Hist.--Paris 4, 1995. Titre de soutenance : Réseaux urbains, monopole industriel et demande sociale, l'énergie gazière à Paris au XIXe siècle. / En appendice, choix de documents. Bibliogr. p. 697-722. Index.

Il est important de bien connaitre le comportement des combustibles nucléaires dans des conditions extrêmes afin d’assurer la sureté des réacteurs et de prévoir les conséquences d’un éventuel accident. L’objectif principal de cette thèse est l’étude des transitions de phase à très haute température de matériaux envisagés pour les combustibles nucléaires de quatrième génération. Dans ce but, une méthode a été développée à l’institut européen des transuraniens (ITU) pour étudier ces matériaux à des températures excédant 2500K. La technique utilisée consiste à chauffer l’échantillon à l’aide d’un laser de haute puissance et à mesurer sa température par pyrométrie. Le signal d’un second laser réfléchi par la surface de l’échantillon est aussi étudié afin de mieux caractériser les transitions de phase. Les avantages de cette technique résident dans la rapidité des expériences (de quelques dizaines de ms à quelques secondes), et dans le contrôle de l’atmosphère, ce qui permet de limiter les effets d’évaporation ou d’oxydation/réduction de l’échantillon. Il convient de signaler que seule la partie centrale de l’échantillon est fondue, la phase liquide sondée est ainsi confinée au sein de l’échantillon lui-même, ce qui évite toute interaction avec le système de fixation. Nos résultats sur les carbures d’uranium sont en accord avec ceux de la littérature, et ont permis d’affiner le calcul des diagrammes de phase pour ces matériaux stables à haute température. La technique que nous avons mise au point a été utilisée, pour la première fois, pour étudier des matériaux de haute activité. Des résultats originaux ont été obtenus sur les systèmes PuO2, NpO2, UO2-PuO2 et Pu-C. / Understanding the behaviour of nuclear materials in extreme conditions is of prime importance for the analysis of the operation limits of nuclear fuels, and prediction of possible nuclear reactor accidents, relevant to the general objectives of nuclear safety research. The main purpose of this thesis is the study of high temperature phase transitions in nuclear materials, with special attention to the candidate fuel materials for the reactors of the 4th Generation. In this framework, material properties need to be investigated at temperatures higher than 2500K, where equilibrium conditions are difficult to obtain. Laser heating combined with fast pyrometer is the method used at the European Institute for Transuranium Elements (JRC – ITU). It is associated to a novel process used to determine phase transitions, based on the detection, via a suited low-power (mW) probe laser, of changes in surface reflectivity that may accompany solid/liquid phase transitions. Fast thermal cycles, from a few ms up to the second, under almost container-free conditions and control atmosphere narrow the problem of vaporisation and sample interactions usually meet with traditional method. This new experimental approach has led to very interesting results. It confirmed earlier research for material systems known to be stable at high temperature (such as U-C) and allowed a refinement of the corresponding phase diagrams. But it was also feasible to apply this method to materials highly reactive, thus original results are presented on PuO2, NpO2, UO2-PuO2 and Pu-C systems.