Les bâtiments à très basse consommation d’énergie bénéficient d’une isolation thermique performante et d’une bonne étanchéité à l’air, souvent couplées à une conception bioclimatique du bâtiment. L’apport d’énergie nécessaire au chauffage et au rafraîchissement de l’ambiance s’en trouve considérablement réduit. Dans ce contexte, il devient possible d’utiliser l’air comme unique vecteur d’énergie, à des débits suffisamment faibles pour permettre son intégration dans le système de ventilation sanitaire, et avec un écart de température réduit entre l’air soufflé et l’ambiance. Une unité terminale de soufflage, ou diffuseur d’air, a alors pour rôle d’assurer un mélange optimal de l’air neuf avec l’air ambiant, de façon à obtenir une répartition homogène de température et de vitesse dans les pièces d’habitation, et un bon renouvellement de l’air intérieur. Ce travail de thèse propose une étude du confort thermique et de l’efficacité de ventilation dans une cellule climatique à échelle 1 en conditions contrôlées, dans le contexte d’utilisation d’un système combiné de ventilation, chauffage et rafraîchissement. Une stratégie de ventilation par mélange est mise en œuvre à l’aide d’un diffuseur d’air composé de douze buses lobées de géométrie complexe, et l’occupation est prise en compte par des mannequins cylindriques, qui constituent des sources de chaleur sensible et de dioxyde de carbone. La vitesse d’air, la concentration en CO2 ainsi que les températures d’air, de globe noir et des parois de la cellule sont suivies expérimentalement pour différentes conditions de soufflage d’air chaud et froid. Les mesures expérimentales sont complétées par des simulations numériques de mécanique des fluides (CFD), qui visent à caractériser l’écoulement dans la cellule. Cette approche fait intervenir une méthode de modélisation en deux temps afin d’intégrer correctement la géométrie complexe du diffuseur d’air dans les simulations. Des études paramétriques sont ensuite proposées pour des conditions non testées expérimentalement. Celles-ci visent à mettre en évidence l’impact des conditions de soufflage et des charges internes sur l’écoulement et sur le confort, pour les conditions spécifiques aux bâtiments à très basse consommation d’énergie. / Low-energy buildings benefit from a good thermal insulation and air tightness, associated with a smart integration of the building in its environment. Consequently, the required power for heating and cooling of the building is reduced to a great extent. This allows the use of conditioned ventilation air as the only energy vector: the air is supplied into the rooms at a low-velocity and with a low temperature difference with the indoor air. Air terminal devices are used, whose aim is to provide a homogeneous distribution of temperature and velocity inside of the rooms, and an efficient disposal of the indoor air pollutants. In this prospect, the thermal comfort and ventilation effectiveness in a test room (scale 1) resulting from an integrated heating, cooling and ventilation system is assessed both experimentally and numerically. The air is supplied close to the ceiling through a wall-mounted diffuser of complex geometry composed of twelve lobed nozzles, and the occupancy is modeled by two cylindrical manikins releasing sensible heat and carbon dioxide. Experimentally, the air velocity, CO2 concentration, indoor air, wall and black globe temperatures are monitored in order to assess the Predicted Mean Vote and draught rate in the occupied zone as well as the ventilation efficiency. Computational Fluid Dynamics (CFD) simulations are then performed in order to provide valuable information on the airflow patterns in the room. The air diffuser’s geometry being too complex for a direct simulation, a two-step modeling approach is adopted in order to take it into account in the simulations and to accurately represent the heat and mass transfers in the room. Furthermore, parametric studies are performed in order to investigate the influence of the supplying conditions and the internal heat gains on the airflow and on the resulting comfort, for particular conditions corresponding to those of low-energy buildings.

Dans les bâtiments scolaires existants, la ventilation naturelle constitue souvent l'unique solution pour le contrôle de la qualité de l'air intérieur et le confort thermique. Cependant, de nombreuses études montrent que les salles de classe sont insuffisamment ventilées et entrainent des problèmes de qualité de l'environnement intérieur. Plusieurs études ont été menées sous différents climats, mais peu dans des climats très froids où l'usage de la ventilation naturelle peut entraîner une surconsommation énergétique. Cette recherche vise à étudier l'impact de la ventilation naturelle sur le confort thermique, la qualité de l'air intérieur et l'efficacité énergétique des bâtiments scolaires dans les climats froids. Divers paramètres architecturaux associés aux fenêtres ont été analysés pour une classe type du corpus Schola. Dans cette recherche, l'orientation des fenêtres, leur taille, leur position, la taille et la position de l'ouverture des fenêtres, le programme de ventilation naturelle et les méthodes de ventilation naturelle (unilatérale et transversale) ont été simulés numériquement avec le logiciel Ladybug Tools. Les résultats des simulations produisent données numériques annuelles de température, humidité, température radiante moyenne, concentration de CO₂, pour traiter les conditions thermiques et de Qualité de l'Air Intérieur QAI dans les bâtiments scolaires et de leur impact sur la performance énergétique. L'analyse des résultats utilise les modèles standards 55 ASHRAE, Predicted Mean Vote PMV et extended Adaptive Thermal Comfort ATC pour l'analyse du confort thermique, la Santé Canada et le Centre de collaboration nationale en santé environnementale, la Federation of European Heating, Ventilation and Air Conditioning Associations REHVA pour le contrôle de la COVID-19. Les résultats montrent que l'ouverture répétitive des fenêtres de courte durée pourrait être une solution optimale en termes de confort thermique, de qualité de l'air intérieur et d'efficacité énergétique. Étant donné que la plupart de ces bâtiments scolaires ne sont pas équipés de systèmes CVC et qu'ils ne disposent que de systèmes de chauffage classiques, le manque de qualité de l'air intérieur est un problème inévitable. La solution de la ventilation naturelle pourrait compenser le manque de qualité de l'air intérieur et le coût de la rénovation du système CVC ; cependant, elle devrait être appliquée avec précision pendant les périodes hivernales pour éviter un inconfort thermique et une surconsommation énergétique. / In existing school buildings in Quebec, natural ventilation is often the only solution for thermal comfort and indoor air quality control. However, many studies show insufficiently ventilated classrooms, leading to indoor environment quality problems. Where the arbitrary use of natural ventilation can lead to energy over consumption, several studies have been conducted on the role of natural ventilation on this issue, but few of them are addressed in very cold climates. This research investigates the impact of natural ventilation on thermal comfort, indoor air quality, and energy efficiency of school buildings in cold climates. Various architectural parameters associated with windows were analyzed for a typical classroom in the Schola.ca corpus. Since most of these school buildings are not equipped with HVAC systems and have only infrastructures for conventional heating systems, the lack of indoor air quality is an inevitable problem. In this research, the windows' orientation, position, opening size, and opening position, natural ventilation program, and window-opening modes (single-sided and cross-window openings) were numerically simulated with the Ladybug Tools software. The software outputs consist of annual numerical data (temperature, humidity, mean radiant temperature, CO₂ concentration, energy, and thermal) representing thermal comfort and IAQ performances in school buildings and their impacts on energy consumption efficiency. In analyzing the result, several standards and guidelines were used, including ASHRAE 55 standard models (Predicted Mean Vote PMV and Adaptive Thermal Comfort models ATC for thermal performance), the Health Canada and National Collaboration Centre for Environmental Health guideline, and the Federation of European Heating, Ventilation and Air Conditioning Associations REHVA to evaluate the building thermal and IAQ performances compared to there commended benchmark models. The results show that repetitive short-term opening of the windows could be an optimal solution in terms of thermal comfort, indoor air quality, and heating energy consumption efficiency. Natural ventilation solutions could retrieve the lack of indoor air quality and the cost of HVAC system renovation; however, they should be only applied during cold seasons to avoid thermal discomfort and energy over consumption.

L'efficacité énergétique du bâtiment occupe une place importante dans les projets de construction. La façade, intermédiaire entre l'environnement et l'intérieur, joue un rôle clé pour déterminer les performances énergétiques du bâtiment. Les systèmes de fenestration complexes sont généralement utilisés pour améliorer son efficacité. L'étude des performances de la façade inclut généralement la consommation d'énergie, l'éclairage naturel et les aspects de confort visuel et thermique. Les efforts récents s'orientent vers l'utilisation de modèles intelligents tels que le Building Information Modeling. CFS pourraient être facilement comparées dans la phase de conception du bâtiment afin d'optimiser ses performances. Nous présentons une méthodologie pour transformer le modèle architectural du BIM en modèle énergétique ainsi que des modèles optique et thermique du CFS compatibles avec le BIM. Ces modèles sont validés par une comparaison avec des données expérimentales et les normes actuelles. / The energy efficiency of the building occupies an important place in construction projects. The facade plays a key role in determining the performance of the building. Complex fenestration systems (CFS) are therefore generally used to improve its efficiency. The facade's performance evaluation usually includes energy consumption, natural lighting, visual and thermal comfort aspects in order to choose the optimal CFS. Recent efforts have focused on using rich models such as Building Information Modeling (BIM). These models provide an opportunity for automation and cost savings. Several CFS models could easily be compared to optimize the building's performance. In this thesis, we present a methodology to transform the architectural model of the BIM into a Building Energy Model compatible with several simulation software. We also present optical and thermal models compatible with BIM. These models are validated by comparison with experimental data and current standards.

Ce travail propose un modèle thermique dynamique des appareils électriques dans les bâtiments basse consommation. L'objectif de ce travail est d'étudier l'influence des gains thermiques de ces appareils sur le bâtiment. Cette étude insiste sur la nécessité d'établir un modèle thermique dynamique des appareils électriques pour une meilleure gestion de l'énergie du bâtiment et le confort thermique de ses habitants.Comme il existe des interactions thermiques entre le bâtiment et les appareils électriques, sources de chaleur internes au bâtiment, il est nécessaire de modéliser le bâtiment. Le bâtiment basse consommation est modélisé dans un premier temps par un modèle simple reposantl'étude d'une pièce quasi-adiabatique. Ensuite, dans le but d'établir le modèle des appareils électriques, ceux-ci sont classés en quatre catégories selon leurs propriétés thermiques et électriques. A partir de cette classification et du premier principe de la thermodynamique, un modèle physique générique est établi. Le protocole expérimental et la procédure d'identification des paramètres thermiques des appareils sont ensuite présentés. Afin d'analyser la pertinence du modèle générique appliqué à des cas pratiques, plusieurs appareils électriques utilisés fréquemment dans les résidences – un écran, un ordinateur, un réfrigérateur, un radiateur électrique à convection et un micro-onde – sont choisis pour étudier et valider ce modèle ainsi que les protocoles d'expérimentation et d'identification. Enfin, le modèle proposé est intégré dans le modèle d'un bâtiment résidentiel développé et validé par le CSTB. Ce modèle couplé des appareils et du bâtiment est implémenté dans SIMBAD, un outil de simulation du bâtiment. A travers cette simulation, le comportement thermique du bâtiment et la quantité d'énergie nécessaire à son chauffage sur une période hivernale, ainsi que l'inconfort thermique dû aux appareils électriques durant l'été, sont observés.Ce travail fournit des résultats quantitatifs de l'effet thermique de différents appareils électriques caractérisés dans un bâtiment basse consommation et permet d'observer leur dynamique thermique et leurs interactions. Finalement, cette étude apporte une contribution aux études de gestion de l'énergie des bâtiments à basse consommation énergétique et du confort thermique des habitants. / This work proposes a dynamic thermal model of electrical appliances within low energy buildings. It aims to evaluate the influence of thermal gains of these appliances on the buildings and persuades the necessity of dynamic thermal modeling of electrical appliances for the energy management of low energy buildings and the thermal comfort of inhabitants.Since electrical appliances are one of the free internal heat sources of a building, the building which thermally interact with the appliances has to be modeled. Accordingly, a test room which represents a small scale laboratory set-up of a low energy building is first modeled based on the first thermodynamics principle and the thermal-electrical analogy. Then, in order to establish the thermal modeling of electrical appliances, the appliances are classified into four categories from thermal and electrical points of view. After that, a generic physically driven thermal model of the appliances is derived. It is established based also on the first thermodynamics principle. Along with this modeling, the used experimental protocol and the used identification procedure are presented to estimate the thermal parameters of the appliances. In order to analyze the relevance of the proposed generic model applied to practical cases, several electrical appliances which are widely used in residential buildings, namely a monitor, a computer, a refrigerator, a portable electric convection heater, and microwave are chosen to study and validate the proposed generic model and the measurement and identification protocols. Finally, the proposed dynamic thermal model of electrical appliances is integrated into a residential building model which was developed and validated by the French Technical Research Center for Building (CSTB) on a real building. This coupled model of the appliances and the building is implemented in a building energy simulation tool SIMBAD, which is a specific toolbox of Matlab/Simulink®. Through the simulation, thermal behavior and heating energy use of the building are observed during a winter period. In addition, thermal discomfort owing to usages of electrical appliances during a summer period is also studied and quantified.This work therefore provides the quantitative results of thermal effect of differently characterized electrical appliances within a low energy building and leads to observe their thermal dynamics and interactions. Consequently, it permits the energy management of low energy buildings and the thermal comfort of inhabitants in accordance with the usages of electrical appliances.

Les modèles actuels de prédiction de la sensation thermique et du confort thermique ainsi que les solutions visant à améliorer l’état de bien-être thermique des occupants d’un bâtiment sont insuffisants. Ils ne prennent pas assez en compte les différences interindividuelles de jugement thermosensoriel. Pourtant, ces différences, souvent associées à la sensibilité thermique de chaque individu, existent mais restent inexpliquées sur le plan physiologique. Ces travaux de thèse, qui se sont déroulés en deux étapes, ont pour objectif d'identifier les causes physiologiques potentielles des différences interindividuelles du ressenti thermique, à travers des expérimentations multiparamétriques basées sur des mesurées cutanées. Toutes les mesures ont été réalisées après 30 minutes d’acclimatation en environnement thermique contrôlé. La première étape, exploratoire, a permis d’analyser à la fois l’activité neurosensorielle, les propriétés thermo-vasculaires et les propriétés du film hydrolipidique cutané de deux groupes présentant des sensibilités au froid distinctes (selon leur sensation thermique déclarée). Ainsi, les expérimentations ont montré qu’il était plus pertinent d’analyser davantage les propriétés cutanées thermiques et hydriques (reliées aux mécanismes de thermorégulation) plutôt que l’activité neurosensorielle des volontaires pour caractériser les différences interindividuelles de jugement thermosensoriel. Elles ont également mis en évidence la nécessité de contrôler les facteurs non thermiques des environnements et de sélectionner rigoureusement les sujets. La deuxième étape s’est focalisée sur l’analyse des propriétés thermo-vasculaires et des propriétés du film hydrolipidique de deux groupes de sensibilité au froid. Pour cela, 13 femmes ont été confrontées à 6 environnements de températures modérées comprises entre 17°C et 30°C (avec 2 transitions chaudes et 2 transitions froides) et les groupes ont été construits à partir du degré de frilosité déclaré par les sujets. Des différences sur les paramètres cutanées ont alors pu être relevées entre les deux groupes. Le résultat le plus significatif est que les individus dits « frileux » présentent une activité microcirculatoire plus intense sur les joues avec une vasoconstriction plus forte au froid et une vasodilatation plus forte au chaud que l’autre groupe « non sensible au froid » (p=0,002 d’après le test de l’ANCOVA pour l’effet des groupes). De plus, il a été montré que l’approche multiparamétrique (introduction de variables non thermiques comme variables prédictives) ainsi que la prise en compte des sensibilités thermiques individuelles améliorent la prédiction du confort thermique surtout pour le groupe « frileux » (+ 6,4 %). / Current models for predicting thermal sensation and thermal comfort as well as the solutions to improve the state of thermal well-being of the occupants of a building are insufficient. They do not sufficiently take into account interindividual differences of thermosensory judgment. However, these differences, often associated with thermal sensitivity of each person, exist but remain unexplained physiologically. This work, divided into two stages, is intended to identify the potential physiological causes of interindividual differences of thermal feeling through multiparametric experiments based on skin measurements. All measurements were performed after 30 minutes of acclimatization in controlled environment. The exploratory phase allowed to analyze both neurosensory activity, thermo-vascular properties and properties of the skin hydrolipidic film of two groups with different cold sensitivities (depending on their declared thermal sensation). For example, experiments have shown that it was more appropriate to analyse thermal and hydric skin properties (related to thermoregulation mechanisms) rather than neurosensory activity of volunteers to characterize interindividual differences of thermosensory judgment. They have also highlighted the need to control the non-thermal factors of environments and rigorously select subjects. The second step focused on the analysis of thermo-vascular properties and properties of the hydrolipidic film of two groups of different cold sensitivity. Thirteen women have faced in 6 environments of moderate temperatures between 17 ° C and 30 ° C (with 2 warm transitions and 2 cold transitions). Groups were built according to their degree of cold sensitivity. Differences in skin parameters have been found between the two groups. The most significant result is that cold-sensitive individuals have a more intense microcirculatory activity on cheeks with a stronger vasoconstriction in cold environments and a stronger vasodilation in warm environement than the non cold-sensitive group (p = 0. 002 according to ANCOVA test for groups effect). In addition, it has been shown that the multi-parametric approach (introduction of non-thermal parameters as predictors) as well as taking into account individual thermal sensitivities improve the prediction of thermal comfort especially for the cold-sensitive group (+ 6.4%).

Dans le cadre de la recherche de solutions visant à réduire les consommations d’énergie liées au rafraîchissement des bâtiments, une plateforme d’essais a été mise en place en 2012 à l’I2M et installée sur le site de l’IUT de l’Université de Bordeaux. Cette plateforme est issue d’un prototype de bâtiment BEPos, dénommée Sumbiosi, réalisée par un consortium rassemblé autour du campus de Bordeaux dans le cadre de sa participation à la compétition interuniversitaire du Solar Decathlon Europe 2012. Elle a notamment été conçue de façon à favoriser le stockage passif d’énergie diurne en hiver et le déstockage semi-passif d’énergie nocturne en été. Deux éléments principaux permettent a priori ces fonctions de stockage et déstockage passifs d’énergie : une dalle de forte masse thermique située du côté de la façade Sud vitrée du bâtiment, et des protections solaires et ouvertures pilotables sur les façades Sud, Nord et en lanterneau du bâtiment ; ces dernières assurent les trois principes fondamentaux en ventilation naturelle qui ont lieu grâce aux effets du tirage thermique et de la force du vent. L’objet des travaux menés actuellement ont pour objectif initial d’appréhender qualitativement le stockage-déstockage d’énergie dans la dalle, celle-ci étant soumise à des échanges radiatifs (extérieur et d’intérieur) et convectifs (générés par convection naturelle, forcée ou mixte). Ils visent par la suite à caractériser précisément et quantitativement le couplage entre ce stockage-déstockage, et les circulations d’air et apports radiatifs constatés. La mise en place d’une modélisation, reliant l’ensemble de ces paramètres est envisagée, dans le but d’avancer vers une loi de pilotage de ces éléments mobiles amenant à des conditions de confort internes au bâtiment optimales. Cette dernière doit nous permettre de montrer qu’un choix adéquat de stratégie de ventilation permet une minimisation de consommations électrique en évitant autant que possible le recours à la climatisation. Pour atteindre cet objectif, la démarche scientifique adoptée a consisté à mettre en évidence le rôle de la dalle en béton dans stockage/déstockage d’énergie thermique, sous l’effet de différents scénarii de ventilation naturelle de la plateforme. Cette dalle a été instrumentée, de façon discrète sur l’ensemble de sa surface, en termes de capteurs de flux de chaleur (Peltier et Captec), de températures (thermocouples T), et de la vitesse d’air proche de la dalle. Les premiers résultats, obtenus en période estivale, mettent clairement en évidence le couplage entre les phénomènes de stockage et déstockage d’énergie quotidiens et le cycle météorologique correspondant, ceci pour divers scénarii de pilotage des éléments mobiles de l’enveloppe du bâtiment (persiennes, ouvertures). / As part of the search for solutions to reduce the energy consumption related to the refreshment of buildings, a test platform was set up in 2012 at the I2M and installed on the IUT site of the " University of Bordeaux. This platform is the result of a prototype of a PEHs building called Sumbiosi, carried out by a consortium gathered around the Bordeaux campus as part of its participation in the inter-university competition of the Solar Decathlon Europe 2012. It was conceived in such a way as to favor the passive storage of diurnal energy in winter and the semi-passive destocking of nighttime energy in summer. Two main elements allow a priori these functions of passive storage and retrieval of energy: a slab of high thermal mass located on the side of the glazed south facade of the building, and solar protections and openings controllable on the facades South, North and skylight of the building ; the latter provide the three fundamental principles of natural ventilation, which take place through the effects of thermal draft and wind force. The object of the work currently carried out has the initial objective of qualitatively understanding the storage and de-stocking of energy in the slab, the latter being subjected to radiative (external and internal) and convective exchanges (generated by natural convection, forced or mixed). They are intended to characterize precisely and quantitatively the coupling between this storage and release, and the circulations of air and radiative contributions observed. The implementation of a modeling, linking all these parameters is envisaged, with the aim of advancing towards a law controlling these mobile elements leading to optimum internal comfort conditions for building. The latter must enable us to show that an adequate choice of ventilation strategy allows a minimization of electrical consumption by avoiding the use of air conditioning as much as possible. To achieve this objective, the scientific approach adopted consisted in highlighting the role of the concrete slab in the storage / destocking of thermal energy, under the effect of different scenarios of natural ventilation of the platform. This slab was instrumented, discretely over its entire surface, in terms of heat flux sensors (Peltier and Captec), temperatures (T thermocouples), and air speed close to the slab. The first results, obtained during the summer period, clearly show the coupling between the phenomena of daily energy storage and destocking and the corresponding meteorological cycle for various scenarios controlling the moving elements of the building envelope (shutters, openings).

En France, le secteur du bâtiment est le plus grand consommateur d'énergie et représente environ 43% de la consommation totale d'énergie. L'isolation thermique dans le bâtiment est nécessaire afin d'améliorer son efficacité énergétique. Dans certains pays dont la France, la rénovation des bâtiments occupe une place essentielle dans la stratégie de transition énergétique. La stratégie mise en place consiste donc à renforcer l'isolation thermique des enveloppes de bâtiment et ceci en perdant le moins de surface habitable possible. Ceci justifie le fait de développer et de mettre en œuvre à l'avenir des matériaux super isolants comme les aérogels. Les objectifs de cette étude sont d'examiner le comportement thermique des bâtiments et d'étudier l'amélioration possible de leur efficacité énergétique en utilisant un nouvel enduit isolant à base d'aérogels de silice et ainsi que l'énergie solaire. Tout d'abord, la performance thermique et hygrothermique des murs extérieurs est étudiée afin de trouver la meilleure structure de ces murs. Deuxièmement, nous étudions l'évolution du confort thermique et du comportement énergétique des maisons en adoptant le nouvel enduit isolant comme isolation extérieure. Cette évolution a aussi été représentée par un modèle mathématique. On a comparé les résultats obtenus à l'aide de ces modèles avec les mesures expérimentales faites sur une maison récemment construite. Enfin, le potentiel de réduction de la charge de chauffage en adoptant un système actif dans la paroi est analysé. Ce système est proposé pour capter une partie de l'énergie solaire qui tombe sur la façade sud et qui est disponible pendant les journées non nuageuses en hiver, et la transférer vers la façade nord par l'intermédiaire de canalisations d'eau intégrées dans l'enduit isolant objet de l'étude. / In France, the building sector is the largest consumer of energy and accounts for about 43% of the total energy consumption. The building sector offers significant potential for improved energy efficiency through the use of high-performance insulation and energy-efficient systems. For existing buildings, renovation has a high priority in France because these buildings represent a high proportion of energy consumption and they will be present for decades to come. Nowadays, there is a growing interest in the so-called super-insulating materials, such as Aerogels. The objectives of this study are to examine the thermal behavior of buildings and to foster energy efficiency through the use of a newly developed aerogel-based insulating coating as well as the use of renewable energy sources, specifically solar energy. Firstly, the thermal and hygrothermal performance of exterior walls having different layer composition structures are examined. Secondly, the heating energy demand as well as the risk of summer overheating is examined for different construction periods and under different climates. Also, a mathematical model is built and compared to experimental measurement of a recently built full-scale house. Finally, the potential to decrease the heating load by adopting a closed wall loop system is scrutinized. The latter is a proposed system to capture some of the solar energy falling on the south facade available during non-cloudy winter days and transfer it to the north facade through water pipes embedded in the aerogel-based coating.

La présente thèse porte sur la prédiction numérique de l’impact des transferts thermique et massique sur la qualité de l’air et sur le confort thermique à l’intérieur des cavités ventilées ou non et remplies de polluant. En effet, les cavités ventilées sont généralement considérées comme étant une approximation pour la modélisation des locaux ventilés.Pour mener à bien cette étude, nous avons choisi un modèle numérique basé sur la résolution des équations régissant les transferts de quantité de mouvement, de chaleur et de masse. La première partie du mémoire est consacrée à quelques généralités sur la ventilation, la qualité de l’air et le confort thermique ainsi qu’à la revue bibliographique des travaux réalisés. La démarche suivie est décrite dans le chapitre 2. Celle-ci est basée sur l’approximation de Boussinesq. Le modèle RNG k-ε est utilisé pour traiter la turbulence. La discrétisation des équations est réalisée à l’aide de la méthode des volumes finis associée à l’algorithme SIMPLEC pour traiter le couplage pression-vitesse. Dans la seconde partie, nous considérons d’abord la convection thermique et la convection thermosolutale dans des cavités fermées. Le principal but visé est: a) de valider le modèle considéré en confrontant nos résultats avec ceux de la littérature et b) d’étudier l’influence du nombre de Rayleigh thermique et du rapport de flottabilité. Les résultats obtenus révèlent que le modèle adopté prédit correctement les transferts thermique et massique.Ensuite, nous appliquons cette approche au cas des cavités bidimensionnelles ventilées soumises à des gradients de température et de concentration. Les indices de qualité de l’air et d’efficacité de la ventilation sont calculés et discutés. Nous achevons ce travail en analysant l’influence de la ventilation sur la qualité de l’air intérieur dans une pièce tridimensionnelle en régime transitoire. Cette analyse concerne différents scénarios de ventilation mécanique simple flux en vue de trouver la meilleure configuration en termes d’efficacité et de qualité de l’air intérieur. / This thesis deals with the numerical prediction of heat and mass transfer impact on the air quality and thermal comfort within either ventilated or not cavities filled with pollutants. Indeed, ventilated areas are first modeled to be as ventilated cavities in a first approximation.To carry out this study, we adopt a numerical model based on solving equations governing momentum, heat and mass transfer. The first part of this thesis is dedicated to some generalities on ventilation, air quality and thermal comfort and the bibliographic review of previous works. The adopted approach is described in Chapter 2. It is based on the Boussinesq approximation. The RNG k-ε model is used to handle turbulence. The finite-volume method (FVM) is used to discretize of the set of equations, and the pressure-velocity coupling is achieved via the SIMPLEC algorithm. In the second part, we consider the thermal convection and thermosolutal convection in closed cavities. The main aim is a) to validate the considered model by comparing our results with those of literature, and b) to investigate influence of the thermal Rayleigh number and the buoyancy ratio. Our findings indicate that the model accurately predicts heat and mass transfer.Then, we apply this approach to the case of two-dimensional ventilated cavities subjected to temperature and concentration gradients. The indices of air quality and ventilation efficiency are calculated and discussed. We end this work by analyzing the influence of ventilation on the quality of indoor air in a three-dimensional room in transient regime. This investigation covers different scenarios from the simple flow mechanical ventilation which aims to find the best configuration in terms of efficiency and quality of indoor air.

Les constructions traditionnelles en bois en France et à Madagascar témoignent de l’utilisation ancienne d’abondantes ressources forestières locales. Le bois peut être considéré comme un matériau naturel et renouvelable dans la mesure où les ressources forestières sont gérées durablement. L’utilisation du bois dans la construction contribue largement à la maîtrise du cycle du carbone atmosphérique et à la limitation des émissions de gaz à effet de serre. Ce travail présente les principales caractéristiques physiques du matériau bois et des systèmes constructifs associés, montrant l’importance et l’influence du revêtement en bois sur l’environnement intérieur des habitations. La caractérisation des phénomènes hygrothermiques à l’échelle de la pièce d’habitation a été détaillée : présence d’eau dans le bois, comportement de l’équilibre hygroscopique, transfert thermique et transfert de masse, les paramètres physiques du bois et d’une ambiance intérieure. Enfin, ce travail apporte des connaissances sur l’évaluation des interactions entre le confort thermique, l’ambiance intérieure et le revêtement en bois, grâce à des campagnes de mesure in situ, à des mesures en laboratoire et à des modélisations de scénarios numériques. / Traditional wood buildings in France and in Madagascar use abundant local forest resources in architecture. Woodcan be considered as renewable and natural material when coming from sustainably managed forest. Using wood in construction contributes significantly in controlling the atmospheric carbon cycle and the emission of greenhouse gas. This study presents the main physical characteristics of wood materials and building systems showing the influence of wood coating on indoor environment. Hygrothermal phenomena across the living space are characterized and presented in this work : the presence of water in the wood, the behavior of equilibrium moisture, heat transfer and mass transfer, the physical parameters of wood material and physical parameters of indoor environment. Thermal comfort is similarly characterised. This work contributes knowledge on the evaluation of interactions between thermal comfort, indoor air and wood coating by means of in situ and laboratory measurements and numerical model simulations.

La piscine fait partie des établissements publics les plus fréquentés dans notre société. En effet, il ne s’agit pas uniquement d’un lieu de pratique d'activités physiques, mais également un espace de détente, de jeu, d’éducation et de lien familial. Il est de toute évidence essentiel, de fournir un environnement intérieur confortable et sain pour ses occupants. Cependant, en raison de sa dimension, son besoin excessif en énergie et la complexité des phénomènes physiques évoluant à l’intérieur, il est difficile de parvenir à un équilibre optimum entre : qualité de l’air intérieur, confort thermique des occupants et efficacité énergique du bâtiment. Il faut pour cela, parvenir à une description des mécanismes qui façonnent la structure de l’écoulement de l’air par une analyse profonde de ces phénomènes qui sont à l'origine des transferts de chaleur et de masse mis en jeu à l’intérieur. Ainsi, l’objectif visé de cette thèse est de présenter une étude numérique thermo aéraulique, par CFD en régime stationnaire et transitoire, qui permet d’évaluer le comportement dynamique, thermique et thermodynamique des différents phénomènes physiques qui évoluent à l’intérieur de la piscine intérieure semi-olympique de l’université Bishop’s (Sherbrooke, Canada) afin d’améliorer la qualité de l’air intérieur et le confort thermique ainsi que son rendement énergétique. Les simulations sont réalisées avec le logiciel libre OpenFOAM en utilisant une approche RANS. Une étude thermo-aéraulique par CFD a d’abord été réalisée sur une cavité rectangulaire avec plancher chauffé, afin d’appréhender les simulations thermo aérauliques. Cela a abouti à la détermination de la meilleure configuration d’aération pour une qualité de l’air et un confort thermique optimum. Plusieurs simulations CFD du flux d'air tridimensionnel avec transfert de chaleur et de masse ont été aussi effectuées ultérieurement pour la piscine, afin d’évaluer les effets des conditions climatiques extérieures et ceux des nageurs sur l'atmosphère intérieure. En adoptant plusieurs modèles de turbulence de type RANS, la comparaison des résultats obtenus avec les données expérimentales de référence a permis de valider le code OpenFOAM. Les données expérimentales ont été recueillies au préalable au sein de la piscine de l’Université Bishop’s à l’aide d’un dispositif conçu et adapté aux conditions internes propre à la piscine et qui est équipé de plusieurs capteurs pour la mesure de : température, humidité relative et vitesse. Enfin, une étude thermo-aéraulique de la piscine en régime turbulent transitoire pour une durée de 24 heures pour les jours typiques d'été et d'hiver a été réalisée afin de prédire l’évolution de la distribution des paramètres tels que la vitesse, la température et l'humidité relative. Une analyse statistique a permis de montrer que les conditions climatiques extérieures n'ont pas d'effet sur l'environnement interne de celle-ci. D’ailleurs, sa très bonne isolation thermique démontrée par un calcul détaillé des pertes thermiques à travers son enveloppe confirme ce constat. D’autre part, l’évaluation de la qualité de l'air intérieur et le confort thermique des occupants a révélé que ces derniers sont inacceptables. Suite auxquels, un ajustement des paramètres de conditionnement de l’air a été apporté pour fin d’amélioration. / Abstract : The swimming pool is one of the most popular public establishments in our society and is not just a place for physical activities but also a space for relaxation, play, education and family ties. It is therefore important to ensure a healthy and comfortable indoor environment for the occupants. However, given the size, energy requirement and complexity of the physical phenomena that take place within such space, it is difficult to achieve an optimum balance between interior air quality, thermal comfort of occupants and energy efficiency of the building. This requires a description of the mechanisms, which determine the structure of the airflow by a profound analysis of these phenomena, which are the origin of the heat and mass transfers involved inside such spaces. The objective of this thesis is to present a numerical thermo-ventilation study using CFD (computational fluid dynamic) in stationary and transient regime that allows to evaluate the dynamic, thermal and thermodynamic behaviors of the various phenomena that take place inside the semi-Olympic closed swimming pool at Bishop's University (Sherbrooke, Qc, Canada). The aim is to improve the indoor air quality and thermal comfort of occupants as well as its energy efficiency. The simulations are carried out using OpenFOAM (Open Field Operation and Manipulation) using a Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) approach. To do this, a CFD thermo-ventilation study was first carried out on a rectangular cavity with heated floor in order to understand the thermo-ventilation simulations. This has led to the determination of the best ventilation configuration for optimum air quality and thermal comfort. Several CFD simulations of the three-dimensional airflow with heat and mass transfer were also carried out later for the indoor swimming pool to evaluate the effects of outdoor climatic conditions and swimmers on the indoor atmosphere of the pool. By adopting several RANS turbulence models, the comparison of the results obtained with the experimental data allowed to validate the OpenFOAM code. The experimental data were collected in the pool at Bishop's University using a device designed and adapted to the pool’s internal conditions. The devise is equipped with several sensors to measure temperature, relative humidity and velocity. Finally, a thermo-ventilation study of the swimming pool in transient turbulent regime for a duration of 24 hours for typical days of summer and winter was conducted in order to predict the distribution of the various parameters such as velocity, temperature and relative humidity. A statistical analysis showed that the external climatic conditions have no effect on the internal environment of the swimming pool. Moreover, its good thermal insulation demonstrated by a detailed calculation of the thermal losses through building envelope confirms this observation. On the other hand, the evaluation of the indoor air quality and the thermal comfort of occupants revealed that the conditions inside the pool are unacceptable. After which, an adjustment of the air conditioning parameters was made for improvements.