Le travail de thèse porte sur l’optimisation des consommations d’énergie de chauffage dans le logement social. Il s’inscrit dans une démarche globale de réduction des consommations d’énergie. Ce travail a été réalisé grâce à une collaboration entre l’Université de Lille et le bailleur Lille Métropole Habitat. Il s’appuie sur une instrumentation des logements occupés afin d’explorer les possibilités de réduction des consommations à travers le contrôle du système de chauffage et la sensibilisation des occupants. Le travail comporte 4 parties. La première partie comprend une étude bibliographique sur la précarité énergétique dans le logement social ainsi que les réglementations thermiques. La deuxième partie présente le site d’étude qui sert de support pour cette thèse. Cette partie décrit la méthode expérimentale et le système d’instrumentation utilisé pour réaliser les mesures du confort thermique. La troisième partie comporte une analyse de la température et de l’humidité relative pendant les différentes saisons. L’étude montre des périodes de surchauffe, qui se traduisent par des surconsommations. La dernière partie s’appuie sur le logiciel de simulation thermique dynamique Archiwizard. Elle montre le calage des paramètres numériques sur les mesures, ensuite elle donne une estimation des économies potentielles que nous pouvons réaliser par la simple application de la réglementation thermique. / This work concerns the optimization of heating energy consumption in social housing.It is a part of a global approach to reduce energy consumption in social housing. It was realized within a collaboration between Lille University and Lille Métropole Habitat. The research is based on monitoring occupied dwellings to explore the possibilities of reducing energy consumption through control of the heating system and the implication of tenants. This thesis is composed of four parts. The first part includes a literature review concerning energy precarity in social housing and thermal regulations. The second part presents the social housing residence used in this research. It presents in details the monitoring system and the experimental protocol used to follow the comfort conditions in the residence. The third part presents analysis of temperature and relative humidity recorded in three apartments. Analysis shows an overheating during the heating period, which leads to important increase in the heating expenses. The last part presents thermal simulation using the software “Archiwizard”. It shows the calibration of the numerical model as well as an estimation in heating energy savings.

L’objectif de cette thèse est de permettre une meilleure évaluation du bioclimatisme d’un projet d’aménagement urbain dès les premières étapes de la conception: de sa capacité à capter la lumière naturelle à l’intérieur des bâtiments, de l’efficacité énergétique de ces derniers et du confort thermique des espaces extérieurs. Une première esquisse de la géométrie extérieure d’un projet est proposée dès la phase concours, dans le plan masse. A ce stade, les bâtiments sont généralement assimilés à des prismes droits, avec éventuellement des toitures inclinées. Les détails architecturaux tels que la forme et la position des fenêtres, le cloisonnement intérieur ou la composition des parois ne sont pas définis, et il est donc impossible de modéliser l’éclairage naturel à l’intérieur des locaux ou encore le comportement thermique des enveloppes dans le plan masse. Nous montrons qu’il est toutefois possible d’identifier dès cette étape les sources de rayonnement extérieures les plus favorables au bioclimatisme des bâtiments. Nous introduisons notamment les notions de luminances utiles et suffisantes, qui traduisent la part d’une année pour laquelle une source de lumière permet un éclairement adapté à l’intérieur des locaux, et de températures radiantes, qui traduisent l’impact des sources de rayonnement de grandes et courtes longueurs d’ondes sur le réchauffement des surfaces et le confort thermique extérieur. Nous analysons leur distribution sur la voûte céleste et mettons en évidence sa variabilité sous différents climats. L’objectif final de ce travail est de proposer un outil de modélisation à même de guider les aménageurs dans leur recherche de formes urbaines bioclimatiques, dès le plan masse. / The main objective of this work is to evaluate the bioclimatism of an urban project at its early stages: its capacity to harness daylight, the energy efficiency of the projected building and the thermal comfort of the outdoor environment. A first proposal for the exterior geometry is made in the mass plan. At this stage, buildings are commonly represented as mass blocks. Architectural details, such as windows shapes, interior coatings or wall composition are not defined, and daylighting inside the buildings or thermal behavior of their envelope are impossible to model. Nevertheless, we show that it is possible to evaluate as soon as in the mass plan the impact of the exterior radiative sources on the bioclimatism of the project. The concepts of sufficient and useful luminances and radiant temperatures are introduced. The first two criteria traduce the percentage of the year in which an outside luminous source induces a convenient illuminance inside the buildings; the third one traduces the impact of an outside radiative source on the heating and cooling of the outside surfaces and the outdoor thermal comfort. We analyze their distribution on the sky vault and highlight its variability under different climates. The final objective of this thesis is to propose a software likely to lead the urban planners in their search of bioclimatic urban forms: ensuring daylight access inside the buildings, energy efficiency and outdoor thermal comfort.

L'inquiétude croissante concernant le futur des ressources énergétique a fait de l'optimisation énergétique une priorité dans tous les secteurs. De nombreux sujets de recherche se sont focalisés sur celui du bâtiment étant le principal consommateur d'énergie, en particulier à cause de ses besoins en chauffage. Beaucoup de propositions pour réduire la consommations ont été faites. Ceux-ci vont de l'amélioration de l'isolation au changement du système de gestion du thermostat en passant par la formation des occupants à une meilleure gestion de leur bâtiment. Cette thèse propose une nouvelle méthode de contrôle qui permet de minimiser la consommation énergétique et dépenses budgétaires. La méthode génère un planning énergétique sur une période de temps pré-définie, ceci en prenant compte du confort thermique des occupants. Elle est basée sur l'application de la méthode de Monte Carlo, un générateur aléatoire appliqué au système de chauffage. L'objectif est de déterminer le planning de chauffage optimal, qui respecte les trois contraintes suivantes: - Le confort thermique des résidents; - La minimisation de l'énergie consommée / du budget; - Le déplacement de la charge. De plus, pour tester cette méthode, l'identification du comportement thermique du bâtiment a été requise. De ce fait, un modèle thermique du bâtiment a été développé. Ce modèle a été volontairement simplifié afin de l'intégrer plus simplement dans le processus de contrôle. De plus, une nouvelle approche d'identification thermique du bâtiment aussi bien qu'une nouvelle méthode de contrôle en temps réel ont été présentées. / With the highly developing concerns about the future of energy resources, the optimization of energy consumption becomes a must in all sectors. A lot of research was dedicated to buildings regarding that they constitute the highest energy consuming sector mainly because of their heating needs. Many proposals of new strategies to minimize building consumption were done. These proposals vary between recommending better insulation, advising change in occupants' behavior and changing the heating control management. This thesis proposes a new control method that helps minimizing the heating consumption and expenses. This method generates an energy plan over a defined prediction horizon respecting the occupants’ thermal comfort. It is based on the application of Monte Carlo method, i.e., a random generator for the heating system scenarios. The aim is to determine the optimal heating plan for the prediction horizon that fulfills the constraints regarding the following three factors: • The thermal comfort of occupants; • The minimization of the energy consumption/expenses; • Load shifting. However, to test this method, an identification of the building thermal behavior was needed. Thus, a building thermal model to simulate the building behavior was developed. This model was meant to be simplified in order to better integrate it in the control process. Furthermore, a new parameter estimation approach as well as a real time temperature control method are presented to ensure the implementation of the optimal predicted plan.

L’objectif de cette étude est de concevoir une structure textile auto-rafraîchissante. Le premier objectif consiste à définir le cahier des charges du produit. Après un état de l’art sur l’ensemble des technologies existantes, il a été mis en évidence qu’aucune ne correspond à la définition de textile intelligent auto-rafraichissant. Après une réflexion sur la cette notion, il a été proposé de développer une étoffe absorbant l’énergie du corps lors de l’apparition des phénomènes évaporatoires cutanés.Après une étude sur l’ensemble des matériaux à stockage d’énergie, il a été étudié les propriétés physico-chimiques des matériaux absorbant l’énergie par dissolution avec l’eau. Parmi ceux-ci les polyols, et en particulier le xylitol a été retenu pour être intégré au sein d’une matrice textile. A partir des propriétés particulières du xylitol, il a été mis au point une méthode d’encapsulation par polymérisation interfaciale visant à la formation d’un réseau de poly(urée-uréthane). Ainsi, il est proposé de protéger le xylitol par une membrane microporeuse assurant les transferts d’humidité et bloquant l’actif. L’étude de l’influence des paramètres de synthèse montre qu’il est possible de modifier à la fois la morphologie, la structure chimique, et le taux d’actif encapsulé. Il a été retenu une synthèse de microcapsules possédant une enthalpie de dissolution à 35°C de 124,5 J.g-1.A partir du mode de transfert particulier des microparticules vis-à-vis de leur environnement, celles-ci sont greffées sur différentes matrices textiles. La mesure de l’enthalpie de dissolution par calorimétrie de mélange a mis en évidence l’action de l’actif lors de la présence d’eau. De plus, la modélisation physiologique a permis d’apporter des données plus précises sur le comportement de l’étoffe vis-à-vis des réactions thermophysiologiques engagées. L’ensemble de ces résultats visent à prouver l’efficacité du refroidissement sur la sensation thermique en environnement chaud ou lors d’une activité intense. / The objective of this study is to design a self-refreshing textile structure. The first objective is to define the specifications of the product. After a state of the art on all existing technologies, it was revealed that none can correspond to the definition of a self-refreshing smart textile. It is proposed to develop an energy-absorbing material of the body at the onset of cutaneous evaporative phenomena.After a study of all materials which can store energy, it is studied the physico-chemical properties of materials absorbing the energy by dissolution with water. Among these polyols, especially xylitol is selected to be integrated within a fabric. From the properties of xylitol, it is developed a process of encapsulation by interfacial polymerization to form a network of poly (urea-urethane). Thus, it is proposed to protect xylitol by a microporous shell that ensures the transfer of moisture. The influence of synthesis parameters shows that it is possible to alter both the morphology, chemical structure, and the rate of encapsulated xylitol. He is chosen a synthesis of microcapsules having an enthalpy of dissolution at 35 ° C of 124.5 J.g-1. From the mode of transfer of particular microparticles against their environment, the microparticles are grafted onto different knitting fabrics. The measurement of the enthalpy of mixing with water revealed the action of dissolution. Furthermore, physiological modelling has led to give us precise data on the behaviour of the material against thermophysioloy reactions. All these results are intended to demonstrate the effectiveness of cooling on thermal sensation in hot environment or during intensive activity.

L’objectif de ce travail est la prédiction numérique d’écoulements turbulents avec transfert thermique dans des cavités ventilées à l’aide d’un modèle à relaxation elliptique. Cette approche dite v² -f a été intuitivement proposée pour la modélisation de la turbulence en proche paroi. Pour mener à bien cette étude, les investigations numériques ont été mise en oeuvre sur trois configurations et validées en s’appuyant sur les résultats expérimentaux disponibles et des résultats numériques issus des modèles k -[epsilon] RNG de Yakhot & Orszag, le modèle k -[omega] SST de Menter et le modèle à contraintes de Reynolds (RSM). L’analyse et la confrontation des résultats obtenus permettent de constater que le modèle de relaxation elliptique présente une meilleure prédiction pour les champs thermique et aéraulique avec un temps de calcul raisonnable. Ensuite, les comparaisons des indices du confort thermique entre les modèles de turbulence et l’expérience nous confortent dans l’idée que le modèle v² -f est un bon candidat pour la prédiction du confort thermique dans les cavités ventilées. / The aim of this work is to predict numerically turbulent airflow with heat transfer in indoor environment using an elliptic relaxation model. This approach named v² -f has been proposed for modelling near-wall turbulence. In this study, numerical investigations have been carried out in three configurations and validated on available experimental data and numerical results from the models considered, k -[epsilon]RNG model of Yakhot & Orszag, k -[omega] SST model of Menter and Reynolds stress model. The analysis and comparison of results obtained shows that the v² -f model provides a better prediction for the velocity fields and temperature fields with a reasonable computational time. All comparisons of thermal comfort indices suggest that

L’objectif de cette thèse est la fabrication de membranes polymères pouvant être complexées à un textile pour améliorer le confort thermique ressenti. Celles-ci doivent être capables de moduler dynamiquement leurs propriétés optiques dans le moyen infrarouge (MIR) en fonction de leur environnement.La première partie de ce travail présente les notions théoriques liées au confort thermique et mécanismes physiques de transferts hydrique et thermique à travers les membranes textiles. Un état de l’art permet d’identifier les technologies existantes. Il introduit le concept des cristaux photoniques et leur application dans le MIR. Un cahier des charges pour la conception d’une membrane polymère structurée utilisant le principe des cristaux photoniques pour moduler l’interaction du rayonnement thermique humain est établi.La seconde partie de ce travail décrit la méthode de simulation FDTD utilisée pour prédire les propriétés optiques de membranes micro-structurées en fonction de leur géométrie. Une première réalisation en silicium polycristallin a permis de valider le calibrage du modèle numérique et le protocole de caractérisation infrarouge. Le procédé de fabrication utilise les technologies de salle blanche issues de la microélectronique et des microsystèmes.La dernière partie de ce travail est consacrée à l’étude FDTD de membranes polymères microstructurées à partir du modèle ‘in-silico’ calibré. Elle permet de définir des paramètres géométriques permettant de moduler la réflexion des infrarouges ayant une longueur d’onde entre 5 et 15 microns. Un procédé de fabrication est développé qui permet de réaliser des membranes structurées autosupportées aux dimensions appropriées. / The goal of this thesis is the manufacturing of polymer membranes that can be complexed to a textile to improve the thermal comfort felt. They must be able to dynamically modulate their optical properties in the mid-infrared (MIR) according to the environmental conditions.The first part of this work presents the theoretical notions related to thermal comfort and both physical mechanisms hydric and thermal transfers through the textile membranes. A state of the art makes it possible to identify the existing technologies. The concept of photonic crystals and their application in the field of infrared medium are presented. This part ends with the establishment of specifications for the design of a structured polymer membrane using the principle of photonic crystals to modulate the interaction of human thermal radiation.The second part of this work describes the method of finite differences in time domain simulation (FDTD) used to predict the optical properties of micro-structured membranes as function of their geometric characteristics. A first realization in polycrystalline silicon authorizes the validation of the numerical model calibration as well as the protocol of the infrared characterization. The manufacturing process uses cleanroom technologies from microelectronics and microsystems.The last part of this work is devoted to the study by FDTD of microstructured polymer membranes from the previously calibrated 'in-silico' model. This study makes it possible to define geometrical parameters able to modulate the reflection of the infrared having a wavelength between 5 and 15 microns. A manufacturing process is developed which makes it possible to realize self-supporting structured membranes to the appropriate dimensions.

L'objectif de cette étude est de comprendre, analyser et documenter les mécanismes hydriques d’interaction sous-vêtement/ peau en régime transitoire. Aucun appareil ne permet d'étudier les transferts hydriques en dynamique à travers les textiles en prenant en compte l'effet du microclimat; lame d'air présente entre la peau et le textile. Un banc de mesure est réalisé afin de répondre à ce problème. Ce dispositif permet de discriminer les échantillons textiles en fonction de la nature chimique des fibres. La vitesse de transfert des molécules de vapeur d'eau lors de la désorption et le temps précis où débute ce phénomène apportent des informations sur la gestion hydrique des textiles. En parallèle, une étude à l'échelle de la fibre, par l'utilisation du DVS (Dynamic Vapor Sorption), mesure la quantité d'eau emmagasinée et relarguée par les textiles. Les résultats modélisés permettent de connaître, à un taux d'humidité donné, les mécanismes d'intéraction eau-fibres mis en jeu. L'ensemble des méthodes développées dans cette étude apporte des éléments pour comprendre les résultats obtenus lors des tests au porté; et plus précisément sur la capacité des étoffes à assécher ou à maintenir une certaine humidité à la surface cutanée. / The objective of this study is to understand, analyze and document the hydric mechanisms of undergarment/skin interaction in a transient regime. No apparatus makes it possible to study dynamic water transfers through textiles taking into account the effect of the microclimate; the air gap between the skin and the textile. A measuring bench is being built to solve this problem. Thanks to this device, it is possible to discriminate textile samples according to the chemical nature of the fibres. The transfer rate of water vapour molecules during desorption and the precise time at which this phenomenon begins provide information on the water management of textiles. In parallel, a fibre-scale study, using DVS (Dynamic Vapor Sorption) test, measures the amount of water stored and released by textiles. The modelled results allow us to know, at a given humidity level, the water-fibre interaction mechanisms involved. All the methods developed in this study provide elements to understand the results obtained during wear tests; and more precisely on the ability of fabrics to dry out or maintain a certain humidity on the skin surface.

L'objectif de cette étude est d'élaborer une membrane thermosensible permettant une perméabilité à la vapeur d'eau contrôlée pour améliorer le confort et la sécurité des sapeurs-pompiers. Plusieurs membranes à base de polyuréthane segmenté ont été synthétisées. L'influence du type de polyol utilisé et sa longueur, et de la quantité de segments rigides a été étudiée. Deux types de mécanisme apparaissent selon la structure chimique du polymère, i.e. une modification en masse et une modification de surface. Celles-ci changent les propriétés de diffusion de l'humidité à travers la membrane. Ces membranes ont ensuite été complexées sur un textile pour renforcer la tenue mécanique, en vue de la confection de la couche entre le sous-vêtement et la veste des sapeurs-pompiers. Ce procédé modifie peu les propriétés des membranes et les produits obtenus semblent présenter une perméabilité à la vapeur d'eau contrôlée en fonction de la température. / This study aims at developing a thermosensitive membrane allowing the water vapor to cross with a function of the temperature to enhance the comfort and the safety of firefighters. Membranes with different chemical structure were synthesized from segmented polyurethane. The influence of the polyol type and its length, and the hard segment content was studied. Two kinds of mechanisms were identified depending on the chemical structure as a bulk modification and a surface modification, that change moisture management properties. Afterwards, membranes were pressed on a textile for higher mechanical properties. The purpose of the final product is to be made inside the firefighter’s personal protective equipment, between the underwear and the jacket. The systems membrane-textile keep the properties of the membrane and present controlled water vapor permeability with the function of the temperature.

Au Québec, la construction en bois massif pour les bâtiments de plus de trois étages gagne en popularité. Son caractère écologique et renouvelable est intéressant pour la construction de bâtiments commerciaux. Cependant, la faible utilisation de ce matériau dans le domaine commercial a suscité des questionnements par rapport au comportement thermique. Dans la présente étude, le comportement de la masse thermique a été analysé à l’aide de simulations numériques. Les variables étudiées sont les variables thermiques dynamiques, l’intensité énergétique et le confort. Deux logiciels ont été utilisés pour faire ces simulations. Le premier logiciel envisagé, e-Quest, ne s'est pas révélé pertinent pour les analyses sur l'effet de la masse thermique [1]. EnergyPlus a finalement été utilisé dans le cadre de cette étude. Les résultats ont démontré que le changement de type de masse thermique et la présence de masse thermique permettent de réduire la variation de température moyenne journalière des surfaces internes. Cette réduction atteint 27.8% (2.33°C) lorsque la construction en ossature légère de bois est changée pour une construction en béton massif de 4 W/m2-K RSI. Un constat majeur est que l’intensité énergétique varie surtout en fonction du type de masse thermique. En jumelant le type de masse thermique avec la résistance, un certain gain est obtenu en termes de réduction de l’intensité énergétique. L’épaisseur de masse thermique est le paramètre ayant le moins d’effet sur l’intensité énergétique. Les gains sont d’environ 2.5%, en combinant le type de masse thermique et l’épaisseur de celle-ci. Ce comportement peut s’expliquer par le fait que l’énergie emmagasinée dans l’enveloppe et retournée au bâtiment de façon décalée, ce qui réduit la charge de chauffage en hiver, mais génère des charges de climatisation durant l’été. La dimension du bâtiment étudié et la ventilation peuvent aussi expliquer les faibles gains observés en matière d’intensité énergétique. / In the province of Québec, massive wood buildings of three floors and more are becoming more and more popular. This material being ecological and renewable is interesting for commercial buildings. However, its use is fairly low in this type of buildings and this raises many questions related to the thermal behavior. In this study, the influence of thermal mass has been studied using numerical simulations. The variables analyzed are the dynamic thermal variables, the energy intensity and the comfort. Two programs have been used to perform the simulations. Since the simulations done using e-QUEST have not demonstrated their relevance for thermal mass analyses [1], EnergyPlus software was used to perform the simulations during this study. The results have demonstrated that the type of thermal mass change and the presence of thermal mass can reduce the mean daily temperature swing of the internal surfaces of the walls. This reduction is up to 27.8% (2.33°C) when the building type passes from a lightweight wood construction to a heavyweight concrete one with a 4 W/m2-K RSI. Another major notice is that the energy intensity principally varies in function of the thermal mass type. Coupled with the thermal resistance, this adds a certain reduction of the energy intensity. The thermal mass thickness is the parameter having the smallest effect on the energy intensity. Gains observed are around 2.5% when the modifications of the type of thermal mass and its thickness are combined. This behavior can be explained by the fact that the energy that is stocked in the envelope and returned to the building after a certain time lag reduces heating demand during winter, but generates cooling demand during summer. The size of the studied building and the ventilation system type could be an explanation of the weak gains obtained regarding the energy intensity.

Ce mémoire fait la synthèse de travaux que j'ai menés depuis près de 30 ans dans les domaines de la thermique des enceintes habitables et des applications de l'énergie solaire.<br /> La thermique des enceintes habitables (habitacles automobiles, bâtiments ...) a pour principales caractéristiques des grands volumes aux formes parfois complexes, un couplage fort des trois modes de transfert de chaleur et des conditions aux limites en constante évolution. Nous présentons ici une méthode numérique originale pour construire des simulateurs performants du comportement thermique des telles enceintes soumises à un environnement météorologique réel. Les équations sont écrites sous une forme algébro différentielle, en se basant sur une méthode nodale de découpage des volumes et des surfaces. La résolution est effectuée par un solveur commercial. Quelques exemples d'application, avec des validations expérimentales, illustrent les bons résultats obtenus par cette méthodologie. Cette méthodologie a été aussi appliquée au domaine des piles à combustible, et à d'autres applications industrielles où la thermique tient un rôle important. Les actions menées dans le cadre des recherches sur les applications solaires thermiques couvrent tous les niveaux de température. À basse température, nous présentons les travaux concernant la prise en compte des apports solaires dans les bâtiments, ainsi que la problématique du chauffage des locaux et de l'eau sanitaire. À haute température, obtenue par concentration du rayonnement solaire, nous faisons un résumé des résultats obtenus au cours de l'évaluation scientifique de la Centrale THEMIS, et décrivons les travaux de recherche en cours menés pour l'amélioration des performances des procédés solaires à concentration.