Th. doct.-ing.--Toulouse, I.N.P., 1977. N°: 6.

Le chauffage par induction est un procédé qui consiste à plonger un matériau conducteur d'électricité dans un champ magnétique variable, ayant ainsi pour effet, la création de FEM donc de courants de Foucault dont la circulation élève la température du matériau par effet Joule. Ce mode de chauffage est déjà implanté industriellement dans de nombreux secteurs parmi lesquels des fonderies et s'intègre bien dans les processus de traitement des matériaux en raison de ses divers avantages. Il permet notamment, l'atteinte de densités de puissances très élevées dont la distribution peut être contrôlée. Il est ainsi possible d'obtenir des chauffages localisés ou de l'ensemble du matériau suivant le traitement désiré. Cette souplesse du contrôle des profils de chauffe et une forte puissance de chauffe requièrent traditionnellement l'usage de systèmes comportant plusieurs bobines. Leur caractérisation aussi précise que possible et le contrôle des courants des inducteurs sont nécessaires. L'étude présentée ici recense dans un premier temps, les quelques solutions existantes dont la puissance est réglée en déplaçant des culasses et/ou des écrans magnétiques, permettant de mieux répartir les champs magnétiques produits, afin de disposer du profil de chauffe souhaité mais pour une faible gamme de tôles. Les rares solutions qui s'intéressent au contrôle électrique sont orientés vers du chauffage monophasé. La transposition directe de ces commandes aux cas multi-bobines ne suffit pas à résoudre le problème dans son intégralité car les inducteurs se perturbent mutuellement. Nous nous sommes donc orientés vers une solution ambitieuse qui permet de s'affranchir de pièces mobiles et rend le système plus fiable, plus précis et lui confère plus de souplesse pour s'adapter à différents profils de chauffe et différentes largeurs de matériaux. Cette solution se base sur une méthode qui consiste à contrôler les profils de chauffe par la seule action sur les courants d'alimentation des inducteurs tout en maitrisant les échanges d'énergie entre les inducteurs fortement couplés. Cette solution est appliquée sur un prototype construit par EDF. Dans un premier temps, nous avons modélisé le système dans son ensemble tant du point de vue électrique et magnétique que thermique, afin de disposer d'un modèle global simplifié qui permet de mieux en étudier le comportement. Une procédure d'optimisation permet de générer les amplitudes et les phases des courants inducteurs pour différents profils de chauffe. Après une étape d'identification paramétrique, nous avons défini et implanté un modèle simplifié dans le logiciel PSim, qui nous fournit des délais de simulation relativement courts. Les résultats obtenus ont été ensuite comparés à des expérimentations en boucle ouverte tout d'abord, qui nous ont conduits à une étude de sensibilité des grandeurs du système aux variations paramétriques. Il nous a été possible de commander le système grâce à un FPGA dans lequel nous avons implanté une commande numérique pour le contrôle des courants des inducteurs en vue du chauffage en statique d'un disque de tôle pour différents profils de consigne. Nous avons ensuite amélioré nos modèles dans différentes directions, par la prise en compte du rayonnement et de la conduction thermique, en les transposant à un système plus complexe à six phases et avec une prise en compte du défilé des matériaux. L'extension du principe de l'induction multi-bobines de 3 à 6 phases a révélé de fortes perturbations harmoniques des courants des inducteurs. Notre travail a permis de maîtriser les harmoniques en choisissant judicieusement les angles de commande et de caractériser les pertes dans les onduleurs. / Induction heating is a process that consists in immersing an electrically conductive material in a variable magnetic field, thus having the effect to create FEM and then eddy currents flow which heat up the material by Joule effect. This heating method is already established in many industrial sectors such as smelters and fits well in materials processing due to various advantages. In fact it allows particular achievement with very high power densities whose distribution can be controlled. It is then possible to obtain localized or complete heating subsequent to the desired treatment. This flexibility of temperature profile control and high power heating traditionally require the use of systems with multiple coils. For that, characterization as accurate as possible and currents control of the inductors are needed. As a first step, the present study identifies the few existing solutions whose power adjustment is made by moving magnetic yokes and / or magnetic screens. These adjustments allow a better distribution of magnetic fields produced in order to achieve the desired heating profile, but for a small range of metal sheet. The existing few works interested in electrical control solutions are geared toward single phase heating. Direct transposition of these commands in multi-coil case is not sufficient to solve the problem in its entirety because the coils have mutual influence. We therefore directed towards an ambitious solution that cancels the need of moving parts and makes the system more reliable, more accurate and gives more flexibility for adaption to different heating profiles and material widths. This solution is based on a method of controlling the heating profile by acting on coils currents while mastering the energy exchange between the strongly coupling of the inductors. This solution was applied on a prototype built by EDF. We modeled the whole system considering electrical, magnetic and thermal parts, in order to provide a global simplified model to better study the system behavior. An optimization procedure leads to coils current amplitudes and phase shift calculation for different heating profiles. After a parametric identification step, we defined and implemented a simplified model in PSIM software, which provides relatively short simulation times. The results were then compared to experiments in open loop first and led to a sensitivity analysis of the magnitudes of the system to parametric variations. The system control was made by an FPGA in which we implemented a digital command program for controlling inductors currents. It was thus possible to perform a static metal disc heating with different profiles. We then improved our models in different directions, by taking into account the radiation and heat conduction, transposing them to a more complex system with six phases for moving sheet heating. The extension of the principle of multi-phases induction heating from three to six phases showed high harmonic disturbances of inductors currents. Our work has helped to control harmonics by choosing judicious control angles; we also characterize the inverters losses.

Le secteur tertiaire représente une source potentielle d'économie incontournable pour parvenir à réduire la dépendance énergétique de la France. Le taux de renouvellement du parc immobilier Français étant relativement faible, un effort doit être porté sur l'existant. Dans ces travaux, nous étudions un procédé innovant de rénovation par l'intérieur, dont l'élément principal est une paroi ventilée multifonctionnelle, assurant l'isolation, l'émission de chaleur basse température ainsi que la finition des surfaces murales. Les premiers travaux sur cette paroi ventilée furent menés sur un prototype dimensionné _a l'aide d'un modèle numérique simplifié. Deux séries d'expériences menées dans une cellule climatique nous ont permis de quantifier les flux de chaleur à travers le système. Le bon fonctionnement de la paroi ventilée repose sur les mécanismes de convection naturelle dans un canal vertical. Les résultats issus du prototype ont montré la présence de phénomènes complexes intervenant au sein de l'écoulement. Nous avons donc choisi d'étudier plus en détails les phénomènes thermoconvectifs dans un système du type source chaude/cheminée avant de poursuivre l'étude sur le système global. Une étude théorique et une expérience ont été menées sur un cas académique du problème. A l'issue des résultats expérimentaux, nous avons observé plusieurs régimes d'écoulements, dépendants du rapport de forme du canal et du nombre de Richardson en sortie. Enfin, nous proposons un modèle analytique de la paroi ventilée comprenant l'ensemble des variables géométriques influentes. Ce modèle a été implémenté dans l'environnement de simulation Trnsys, dans la perspective d'effectuer des simulations annuelles à l'échelle du bâtiment. / In France, energy consumption due to buildings heating is an important part of the global primary energy consumption. The tertiary sector represents an unavoidable source of economy in order to reduce energy dependency of France. The turnover of French real estate being relatively low, an effort must be focused on the existing. In this work, we investigate on an innovative process of internal thermal renovation, whose main element is a multifunctional ventilated wall, providing insulation, low temperature heat emission and the wall surfaces finishing. The first works on this ventilated wall were conducted on a prototype designed using a simplified numerical model. Two series of experiments conducted in a climatic cell allowed us to quantify the heat flow through the system. The smooth functioning of the ventilated wall is based on the natural convection in a vertical channel and the results from the prototype showed the presence of complex phenomena within the flow. We therefore chose to study in detail the thermoconvective phenomena in a chimney-like system before continuing the study of the overall component. A theoretical study and PIV experiment were conducted on an academic case of the problem. At the end of the experimental results, we observed several flow regimes, depending on the channel aspect ratio and the outlet Richardson number. Finally, we propose an analytical model of the ventilated wall including all influential geometrical variables. This model has been implemented in the simulation environment Trnsys with the perspective to make annual simulations on a building scale.

Les décharges Nanosecondes Répétitives Pulsées (NRP) dans l'air à pression atmosphérique ont de nombreuses applications potentielles. Ces applications dépendent de la nature des décharges NRP. Les décharges NRP spark stabilisent les flammes pauvres, qui émettent moins d’oxydes d’azote. Un chauffage ultrarapide de plusieurs milliers de degrés en une vingtaine de nanosecondes a également été observé dans de telles décharges, ce qui permettrait par exemple la production de nanomatériaux. Les décharges NRP glow ont l'avantage de produire un grand nombre d'espèces actives comme le radical O tout en échauffant très peu le gaz ambiant, ce qui les rend utilisables dans des applications sensibles à la température comme la bio-décontamination. Dans une première partie, nous validons expérimentalement le mécanisme chimique à l'origine du chauffage ultra-rapide grâce à des mesures résolues en temps de la densité absolue de deux états excités du diazote ainsi que des mesures de température du gaz. Dans un deuxième temps, nous montrons expérimentalement l'existence du régime glow à température ambiante, celui-ci n'ayant été observé jusqu’à présent que pour des températures supérieures à 750 K. En effet, nous avons démontré que son existence dépend de nombreux paramètres : température et pression du gaz, tension entre les électrodes, distance inter-électrodes, durée de l’impulsion de tension, rayon de courbure des électrodes. Grâce à une étude expérimentale paramétrique détaillée et à l’analyse des résultats obtenus, nous avons réussi à identifier les conditions permettant d’obtenir le régime NRP glow à température ambiante et un nouveau régime de décharge de type “multi-canal” a été mis en évidence. / Nanosecond Repetitively Pulsed (NRP) discharges in atmospheric pressure air have many potential applications. Spark NRP discharges have applications in plasma assisted combustion. These discharges tend to stabilize lean flames which produce less NOx. Furthermore, an increase of several hundreds of Kelvins in less than 20 ns has been observed following NRP spark discharges, which could be used to create nanomaterials. NRP glow discharges, while creating an important number of actives species such as atomic oxygen, do not heat the ambient gas, which allows them to be used in temperature-sensitive applications such as bio-decontamination. In the first part of this thesis, we validate experimentally the mechanism that was proposed to explain the ultrafast heating observed. Time-resolved measurements of the absolute densities of two excited states of nitrogen and of the gas temperature have been performed with calibrated Optical Emission Spectroscopy. The second part of the thesis deals with the NRP glow regime. We have shown that its existence depends on several parameters, gas temperature and pressure, voltage across the electrodes, inter-electrode distance, pulse duration, radius of curvature of the electrodes. This regime had not been observed for temperatures lower than 750 K so far. Thanks to a detailed parametrical experimental study and the analysis of the obtained results, we have succeeded in identifying the NRP glow regime at ambient temperature and we observe a new type of “multi-channel” glow regime.

L’économie d’énergie dans le bâtiment est devenue une question préoccupante d’envergure internationale. Le secteur du bâtiment en effet, est l’un des plus énergétivores avec par exemple plus de 43% du total d’énergie produite en France, mais aussi l’un des plus polluants avec environs, 23% des émissions de gaz à effet de serre. Avec l’accroissement des ménages, et la demande par conséquent d’énergie, les problèmes ci-dessus évoqués vont décupler et devenir rapidement ingérables les années à venir, si aucune mesure n’est prise. Ainsi, pour faire face à la situation, plusieurs stratégies sont mises en œuvre aux fins de réaliser l’économie d’énergie dans le bâtiment. Il y a le volet prédiction d’énergie qui oeuvre pour l’énergie juste heure après heure ; le volet recherche et élimination de ponts thermiques, afin de réduire au minimum les déperditions d’énergie représentant environ 30% de la consommation d’énergie ; et le volet conservation d’énergie dans les parois de bâtiment pour sa réutilisation future. Notre thèse s’est penchée sur les deux derniers volets en proposant différentes méthodes de CND et des traitements appropriés permettant la mise en évidence de défauts dans les structures de bâtiment. Des approches d’estimation de matrice de transfert ont été aussi abordées, pour permettre de prévoir le comportement thermique du bâtiment soumis à une sollicitation quelconque. La grande contribution de cette thèse concerne la mise au point d’une technique de mesure de capacité de stockage in-situ. Elle est importante, car il existe quantité de logiciels proposant la composition des structures d’un bâtiment pour une capacité de stockage d’énergie donnée. Mais il n’existe aucune méthode permettant de confirmer ou d’infirmer les résultats issus de calculs artificiels. Cette thèse apporte une solution à cette situation en proposant une méthode simple, sans encombrement, facile à mettre en œuvre et offrant un résultat satisfaisant. / Energy saving in buildings has become a major international issue. Indeed, the building sector is one the most energy consuming sectors, for instance in France it consumes more than 43% of the total produced energy, and also it is one of the most polluter with around 23% of the green house gas emissions. As more and more households appear, the energy demand will increase and the above mentioned problems will be ten times more sever making them unmanageable in the upcoming years if no measure is taken. Thus, to face this situation, many strategies have been setup in order to achieve some energy saving in buildings. Among these strategies we find the energy prediction part which deals with hour by hour right energy; the research and elimination part of thermal bridges which its main objective is to reduce as much as possible the energy losses representing around 30% of the energy consumption; and the energy conservation part in wall buildings for future recycling. Our thesis focuses on the last two parts by proposing different methods of CND as well as appropriate survey treatments which allow to highlight structural failure in buildings. Transfer matrix estimation approaches have been used to predict the thermal behavior for a building that is being put under any kind of stress.The main contribution of this thesis concerns the developing of an in-situ storage capacity measuring technique. This is important since there are many softwares proposing the structural composition of a building for a given amount of energy. Nevertheless, there isn’t any method available for confirming or invalidating the results coming from artificial calculations. This thesis brings a solution to this situation by proposing a simple method, with no obstacles, easy to setup and with satisfactory results.

Le domaine principal de cette thèse s’intéresse aux conséquences du changement climatique et des actions de rénovation dans le bâtiment sur les réseaux urbains de chaleur, ainsi qu’aux performances environnementales de ces derniers afin d’évaluer leur potentiel dans le futur. Dans ce but, deux modèles complémentaires ont été développés :•Un modèle dynamique de prévision de la demande de chaleur d’un bâtiment. Ce modèle repose sur une analogie thermoélectrique et a comme entrées, non exclusivement, des données climatiques et des scénarii de rénovation. Les résultats de ce modèle ont été comparés avec ceux d’un logiciel de référence (Energie Plus) : les erreurs sont acceptables. Ce modèle est générique et peut être utilisé dans différentes zones géographiques à l’échelle du quartier. Il a été appliqué sur des quartiers à Nantes et Lisbonne;•Un modèle d’évaluation environnementale (reposant sur le concept d’empreinte énergétique, éMergie) de réseau urbain de chauffage a été conçu. Ce modèle est générique et permet de tester différentes technologies de production et de distribution de chaleur. Il a été appliqué sur des applications en Suède et en Serbie;Les résultats des différentes applications indiquent que la nouvelle génération des réseaux urbains de chaleur ayant une infrastructure compacte (utilisant des matériaux à faible impact environnemental) et une production de chaleur à base de ressources renouvelables ou assimilées pourraient être une solution porteuse d’avenir. Cependant, pour maintenir la rentabilité de tels projets, la réduction de la consommation de chaleur des clients, conséquence en direct du changement climatique et en indirect des incitations aux rénovations du bâti, devrait être considérée dès la phase de conception, et intégrée dans de nouveaux business-plan afin de maintenir des prix de vente de la chaleur attractifs. / The main scope of this thesis is to assess the impacts of changed weather conditions and building renovation on district heating systems in the future, as well as the environmental performance of such systems within the urban environment, in order to evaluate the potential of district heating in the future. In order to do so, two models were developed:•A dynamic model for heat demand forecast, based on the thermo-electrical analogy, that takes into account weather and building renovation scenarios. The model had a satisfactory precision, and it can be applied on any location for a given number of buildings, which was proved on the example of multiple case studies;•An environmental assessment model (based onemergy theory) for the assessment of district heating systems environmental performance within the urban environment. The approach can be applied on any type of district heating systems, as well as on competitive urban heating technologies, which was proved by the application on multiple systems within the case studies considered;The results from case studies indicate that the new generation of district heating systems with compact infrastructure (made of non-environmentally intensive materials) and renewable heat production could be a solution for providing sustainable heating services to urban environments. However, in order to maintain the feasibility of these projects, potential heat demand reductions caused by the direct and indirect impacts of climate change should be considered during the design phase, along with the development of new business plans in order to maintain relatively low prices of district heating services. Moreover, the difference between these impacts in different climate types should be considered.

En Amérique du Nord, le chauffage de l'espace, l'eau chaude, et l'utilisation de la climatisation énergie secondaire plus que toute autre activité au sein de bâtiments, émettant ainsi la majorité des gaz périmètres 1 et 2 serre (GES). La pompe à chaleur géothermique (PCG) utilise un tiers de l'énergie des technologies traditionnelles de fournir un espace de services d'eau chaude et de climatisation. Bien géothermique est une technologie bien établie, les économies d'énergie et les émissions de GES ne sont pas traduits dans leur adoption généralisée. Les mesures de politique publique et les incitations financières adoptées pour promouvoir PCG ont échoué à conduire à une large adoption ou de réduire les coûts. Cette thèse examine l'adoption de pompes à chaleur géothermiques en réponse aux politiques de soutien parmi les adopteurs résidentiels, institutionnels, et la ville-échelle. Données au niveau détaillé du site et des panneaux permettent expériences naturelles sur la réponse des adoptants résidentiels au Canada et aux États-Unis à l'évolution des incitations. À des échelles supérieures, les procédures réglementaires relatives à l'offre de services de l'énergie thermique (TES) a fourni une étude de cas pour l'analyse des modèles d'utilité pour financer géothermique pour les clients commerciaux et institutionnels. Au Canada et aux États-Unis, les incitations financières ont échoué à soutenir l'adoption de la pompe à chaleur géothermique à travers ou après la période de la subvention pour les ménages résidentiels. Pas plus que les incitations conduisent à une diminution des prix dans le temps. Problèmes de resquillage au Canada et une incapacité à faire des incursions dans les zones desservies par le gaz naturel ont brin technologie géothermique. En outre, le coût en capital de pompes à chaleur géothermiques en résulte un coût de cycle de vie plus élevé que la plupart des solutions de rechange. Les avantages de l'économie à l'échelle d'incitations financières pour les pompes à chaleur géothermiques sont limitées au Canada, où la plupart des pompes à chaleur sont importés. TES fournissent innovations convaincantes pour combler les obstacles à des échelles supérieures. TES surmonter équilibrer les contraintes de bilan sur la dette commune aux organisations du secteur public par le financement de biens d'équipement et de rénovation que les paiements de services publics. TES peut surmonter les contraintes de capitaux rencontrés par les développeurs en finançant des équipements à l'intérieur du bâtiment en réduisant les coûts de construction. Cependant, notre étude des marchés publics de cas révèle TES être une approche coûteuse dans le long terme. Les perspectives de cette recherche sont traduits dans les meilleures pratiques et des conseils stratégiques pour améliorer la passation des marchés, accroître la sensibilisation, et aligner les incitations pour une plus grande efficacité. / In North America, space heating, hot water, and air conditioning use more secondary energy thanany other activity within buildings, thus emitting the majority of scope 1 and scope 2 GreenhouseGases (GHG). The Ground Source Heat Pump (GSHP) uses one-third the energy of traditionaltechnologies to provide space conditioning and hot water services.While GSHP is a well-established technology, the energy savings and lower GHG emissionshave not translated into their widespread adoption. Public policy measures and financialincentives adopted to promote GSHP have failed to lead to broad adoption or lower costs. Thisthesis examines the adoption of GSHP in response to supportive policies among residential,institutional, and city-scale adopters.Detailed site-level and panel data permit natural experiments on the response of residentialadopters in Canada and the US to changing incentives. At higher scales, regulatory proceedingsconcerning the offering of Thermal Energy Services (TES) has provided a case study for analysisof utility models to finance GSHP for commercial and institutional clients.In Canada and the US, financial incentives failed to sustain the adoption of GSHP throughout orafter the period of subsidy among residential households. Neither did incentives lead to adecrease in price over time. Free-ridership problems in Canada and an inability to make inroadsto areas served by natural gas have stranded GSHP technology. Further, the capital cost ofGSHP results in a higher lifecycle cost than most alternatives. The economy-wide benefits offinancial incentives for GSHP are limited in Canada, where most heat pumps are imported.iiiTES provide compelling innovations to bridge barriers at higher scales. TES overcome balancesheet constraints on debt common to public sector organizations by financing capital equipmentand renovations as utility payments. TES can overcome capital constraints faced by developersby financing equipment inside the building lowering construction costs. However, our casestudy of public procurement reveals TES to be a costly approach in the long run. The insightsfrom this research are translated into best practices and policy advice to improve contracting,increase awareness, and align incentives for greater efficiency.

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Ce projet a pour objectif de développer un nouveau système solaire gonflable et portable qui facilitera les sports aquatiques en eau froide sur la période avril-octobre de l'année. En permettant la nage et le bronzage, ce projet peut bonifier considérablement le tourisme sur les côtes marines et sur les lacs. Le bateau solaire est muni de panneaux photovoltaïques. L'énergie ainsi recueillie dans la batterie marine joue un rôle dans la propulsion à l'aide du moteur électrique et dans le système de pompage, qui achemine de l'eau chaude à l'intérieur de l' habit hermétique pour nager en eau froide. Sur cet habit ont eu lieu des tests de performance validés par la comparaison des résultats expérimentaux avec les calculs théoriques.

Cette recherche propose d’analyser les opportunités solaires passives d’une serre accolée à un espace séjour en vue d’optimiser le confort et la consommation énergétique. La simulation numérique des différentes configurations à l’aide de l’outil PLEIADES+COMFIE 2.0 permet de traiter les différents phénomènes physiques présents dans un tel espace. Les résultats obtenus sont présentés sous forme de tableaux et d’histogrammes qui permettent de comparer l’incidence des différentes variables étudiées sur la température de la serre et la consommation énergétique du séjour. Ces solutions répondent aux conditions climatiques de la ville de Québec et visent une application résidentielle. / This research proposes to analyze the solar passive opportunities of a greenhouse attached to a living-room to maximize comfort and energy consumption. Numerical simulations of different configurations using the tool PLEIADES+COMFIE 2.0 can handle the different physical phenomena present in such space. The results are presented in tables and histograms that allow to compare the impact of different variables studied on the temperature of the greenhouse and energy consumption of the living-room. These solutions meet the climatic conditions of Quebec City and are a residential application.