Les projections climatiques prévoient une amplification du réchauffement climatique, potentiellement exacerbée en milieu urbain du fait du phénomène d’îlot de chaleur urbain. La recrudescence d’évènements extrêmes comme les canicules peut avoir des conséquences écologiques, sanitaires, et économiques dramatiques à l’échelle des villes qui concentrent la population. Parmi les mesures d’adaptation visant à améliorer le confort climatique et la demande énergétique, la climatisation et le verdissement urbain constituent deux leviers d’action aux effets parfois antagonistes. Ce travail de thèse – mené dans le cadre des trois projets de recherche CLIM2, MUSCADE et VegDUD, propose d’évaluer ces effets par des simulations du climat urbain à l’échelle de l’agglomération parisienne. La modélisation repose en particulier sur le modèle de canopée urbaine TEB qui permet de simuler les échanges de chaleur, d’eau et de quantité de mouvement entre les surfaces urbaines et l’atmosphère, et depuis peu l’énergétique des bâtiments et des indices de confort thermique dans les bâtiments et dans les rues. Afin d’améliorer la prise en compte de la végétation urbaine dans TEB, un modèle de toitures végétalisées extensives a tout d’abord été développé et évalué. Différentes pratiques d’arrosage de la végétation urbaine au sol ou sur les toits ont également été paramétrées. Les scénarios d’adaptation de la ville de Paris par la climatisation, évalués dans le cadre de CLIM2 pour la canicule 2003 par des simulations couplées de TEB avec un modèle atmosphérique, ont mis en évidence que toutes les formes de climatisation qui rejettent de la chaleur dans l’atmosphère (sèche ou humide) génèrent une augmentation de la température des rues au niveau des piétons. Ce réchauffement, proportionnel à la puissance des rejets de chaleur sensible dans l’atmosphère, est en moyenne de 0.5 à 2°C, selon le niveau de déploiement de la climatisation. Différentes stratégies de verdissement ont ensuite été mises en œuvre et évaluées toujours sur Paris, en faisant varier soit la végétation au sol (plusieurs taux et types de végétation testés), soit celle en toiture (avec ou sans arrosage), soit les deux. Ces simulations, réalisées dans la configuration générale du projet MUSCADE, i.e. en mode forcé avec une version de TEB disposant d’un générateur dynamique d’îlot de chaleur urbain, ont montré que l’augmentation de la couverture végétale au sol a un pouvoir rafraîchissant plus efficace que les toitures végétalisées, et ce d’autant plus que le taux de verdissement et que la proportion d’arbres sont importants. Les toitures végétalisées quant à elles constituent le moyen le plus efficace de réduire la consommation d’énergie, non seulement estivale mais aussi à l’échelle annuelle, essentiellement grâce à leur pouvoir isolant. / Climate projections predict an amplification of global warming, potentially exacerbated in urban areas by the urban heat island effect. More frequent extreme events such as heat waves may have severe public health, ecological, and economic consequences as cities concentrate population. Among the measures aiming at improving thermal comfort or energy demand, air conditioning and urban greening are measures that may have antagonistic effects. This PhD work is undertaken within the framework of three research projects, CLIM2, MUSCADE and VegDUD. Its objective is to evaluate the respective effects of air conditioning and urban greening based on urban climate simulations across the Paris area. The modelling relies on the Town Energy Balance (TEB) model, which simulates the exchange of heat, water and momentum between the urban surface and the atmosphere. It has been recently improved to simulate building energetics, as well as indoor and outdoor thermal comfort indices. To improve the description of urban vegetation within TEB, a green roof model has been developed and evaluated. In addition, watering practices have been implemented to model the watering of urban vegetation at ground or roof level. Within CLIM2, the air conditioning scenarios tested for adapting Paris city to the extreme temperatures of the 2003 heatwave have been evaluated based on simulations using TEB coupled with an atmospheric model. Results shows that all forms of conditioning that release waste heat (dry or wet) into the atmosphere generate a temperature increase in the streets. This warming is proportional to the power of the sensible heat releases in the atmosphere and is on average 0.5 to 2_C, depending on the level of deployment of the air conditioning. Then, the greening of Paris city has been evaluated based on simulations carried out with the general configuration of the MUSCADE project, i.e. with climate forcings and a dynamic urban heat island generator. The scenarios tested consisted in an increase in ground-base vegetation or an implementation of green roofs on compatible buildings, or the two combined, with the option of watering green roofs or not in summer. Results show that increasing the ground cover has a stronger cooling effect than implementing green roofs, and even more so when the greening rate and the proportion of trees are important. The green roofs are however the most effective way to reduce energy consumption, not only in summer but also on an annual basis, mainly due to their insulating properties.

Dans le contexte énergétique français actuel, deux principaux enjeux émergent. À court terme, des pointes de consommation électrique croissantes sont observées les dernières années pendant la période hivernale. Ces pointes sont fortement liées au chauffage électrique et ont des conséquences économiques, environnementales et sociales importantes. Dans un long terme, des objectifs environnementaux ambitieux ont été fixés au niveau national et européen, nécessitant la technologie de stockage thermique et une gestion efficace de l'environnement bâti. Les Matériaux à Changement de Phase (MCP) ainsi que les dispositifs de type échangeurs thermiques offrent des résultats promettant grâce au stockage thermique et le déplacement des consommations. Dans ce cadre, l’objectif de cette thèse est de développer des solutions de déplacement des consommations énergétiques qui prennent en compte le confort thermique des occupants et la qualité de l’air intérieur. Pour ce faire, deux outils sont nécessaires: un échangeur thermique expérimental (prototype) et un modèle numérique capable de simuler son comportement. L'échangeur contient du MCP macroencapsulé (paraffine) et est conçu de manière à faciliter son intégration dans un système de ventilation. Il a comme but de décaler la consommation due au chauffage électrique vers la période hors pointe. Le dispositif a été caractérisé expérimentalement lors des cycles thermiques complets (charge et décharge) en utilisant une quantité importante de capteurs. Il a ensuite été couplé à une cellule expérimentale, afin de tester des stratégies de contrôle préliminaires. Le modèle numérique est basé sur la discrétisation spatiale et l’établissement du bilan de chaleur des couches considérées, la méthode de la capacité thermique apparente, ainsi que l’utilisation des différences finies. Après validation à l’aide des données expérimentales, le modèle a été utilisé pour optimiser la performance de l'échangeur. Plusieurs paramètres ont été étudiés, y compris les dimensions de l'échangeur, la quantité et les propriétés du MCP, en cherchant la configuration avec le compromis optimal entre la chaleur emmagasinée et le temps nécessaire pour la charge et la décharge. Le modèle numérique a été couplé à un modèle de simulation du bâtiment et un logement de 80m2 a été conçu pour la mise en oeuvre et l'évaluation des stratégies de contrôle, en investiguant différents scénarios sur une période hivernal d’un mois. Les scénarios varient avec une complexité croissante, d'abord en considérant l’effacement énergétique et le confort thermique, ensuite en ajoutant le prix final de la consommation électrique et enfin en prenant compte la qualité de l'air intérieur avec la présence d'une famille de quatre personnes. 6 Cette étude a été menée dans le cadre d'un projet financé par l'Agence National de la Recherche (Stock-Air: ANR-Stock-E) et a également été soutenu par le ministère de l'Ecologie, du Développement durable et de l'Energie. / Considering the current French energy context, two major challenges are emerging. In the short term, significant peak power consumption has been observed in the past few years during the winter season. These peaks are strongly linked to electrical space heating and have important economic, environmental and social implications. In the long term, ambitious environmental goals have been set at national and European levels, requiring thermal storage technology and efficient management of the built environment. As part of the solution, Phase Change Materials (PCM) and heat exchanger applications offer promising results through thermal storage and load shifting techniques. Within this framework, the objective of this thesis is to develop load shifting solutions which also take into account the thermal comfort of the occupants and the indoor air quality. To achieve this, two tools were necessary: an experimental heat exchanger unit (prototype) and a numerical model that accurately simulates its behavior. The exchanger contains macroencapsumated PCM (paraffin) and is conceived in a way that facilitates its integration in a ventilation system. It is aimed to shift space heating electrical consumption from peak to off-peak period. The unit was experimentally characterized, using an important amount of sensors through full thermal cycles (charging and discharging) and was coupled to an experimental test cell, which led to the testing of preliminary control strategies. The numerical model is based on the heat balance approach and the apparent heat capacity method, using finite differences for differential equation solution under Matlab/Simulink environment. After validation with experimental data, the model was used to optimize the performance of the exchanger. Several parameters were investigated, including heat exchanger dimensions, PCM quantity and properties, seeking the configuration with the optimal compromise between stored heat and the time needed for the charging / discharging process. The numerical model was coupled to a building simulation model and an 80m2 dwelling was conceived for control strategies implementation and evaluation, by investigating different scenarios over a one- month winter period. The scenarios vary with increasing complexity, first considering load shifting and thermal comfort, then adding the final price of electricity consumption and finally taking into account the indoor air quality with the presence of a four-person family. This study has been conducted within the framework of a project funded by the French National Research Agency (Stock-Air: ANR-Stock-E) and was also financially supported by the French Ministry of Sustainable Development.

Les bâtiments commerciaux et industriels présentent une part non négligeable de la demande énergétique. L’objectif de ce travail de thèse est d’étudier par des simulations numériques, le comportement thermoaéraulique des bâtiments de grand volume à usage commercial ou industriel et d’améliorer leurs performances afin de réduire leurs consommations énergétiques tout en assurant le confort thermique des occupants. La première partie de l’étude consiste à définir et à évaluer les paramètres d’enveloppe et de ventilation qui affectent la consommation d’énergie et le confort thermique de ce type de bâtiment. À travers des modèles développés (multizone et zonal) sur un bâtiment « générique », nous présentons l’impact des paramètres les plus importants (orientation du bâtiment, isolation thermique de l’enveloppe, propriétés radiatives de la toiture, sol, inertie thermique interne, diffusion de l’air…) sur la consommation énergétique et le confort. Ces paramètres sont déterminants surtout dans la conception de la toiture et du plancher de par leur influence sur les performances énergétiques du bâtiment étudié. Cette modélisation thermoaéraulique est ensuite appliquée à un bureau-entrepôt commercial existant. L’exploitation du modèle, dont les résultats sont confrontés aux mesures, et des études paramétriques permettent de démontrer l’efficacité de stratégies de ventilation naturelle nocturne. Dans la deuxième partie, nous évaluons certaines solutions de rafraîchissement passif (isolation thermique, ventilation naturelle nocturne, revêtement de toiture « cool roof ») permettant de maintenir le confort thermique en hiver aussi bien qu’en été tout en minimisant la consommation énergétique. Enfin, une étude d’optimisation nous permet de déterminer les paramètres optimums en fonction des conditions climatiques et des deux objectifs de confort et de performance énergétique. Ce travail ouvre de nombreuses perspectives sur la méthodologie de conception des enveloppes et l’adaptation du fonctionnement des installations de ventilation pour le rafraîchissement passif des bâtiments. / Commercial and industrial buildings represent a significant part of total energy demand. The objective of this thesis is to study the thermal behavior and airflows of commercial or industrial buildings (low-rise and large volume) by numerical simulations, to improve their thermal performance in order to reduce their energy consumption while maintaining thermal comfort of the occupants. The first part of this study consists in identifying and evaluating the keys factors that affect the energy demand and thermal comfort of these buildings. Using the developed models (multizone and zonal), we present the impact of the most important parameters (building orientation, thermal insulation, radiative properties of the roof, soil, internal thermal inertia, air diffusion…) on energy consumption and thermal comfort. We have identified here that the main influencing parameters can be found in the design of the roof and the ground floor considering the energy performance of the studied building. The developed model is then applied to a real commercial building. Results showed that the predictions are in good agreement with the measurements and that night-time natural ventilation can be an efficient passive cooling technique to avoid overheating in summer. In the second part, we evaluate the efficiency of different passive cooling techniques (thermal insulation, night-time natural ventilation, cool roof…) applied to ensure the thermal comfort in winter as well as in summer while minimizing the energy consumption. Finally, an optimization study is proposed to determine the optimal set of parameters for both objective functions considering the passive cooling techniques and the energy demand according to different climatic zones.

Le confort humain devient un enjeu primordial en relation aux questions sur la chaleur urbaine liées aux changements globaux du climat qui émergent dans les climats nordiques. Les centres urbains rassemblent généralement un nombre élevé de piétons et représentent toujours le cœur dense d'une ville. Ces centres-ville présentent une densité de population élevée qui augmente graduellement la quantité de piétons se déplaçant dans les rues. Cette recherche étudie les ambiances lumineuses et thermiques pour évaluer et représenter la chaleur urbaine à l'échelle des piétons dans un centre urbain de la ville de Québec, Canada, qui se classe dans les régions à climat froid. Une étude sur les îlots de chaleur urbains est réalisée dans les quartiers de Saint-Jean-Baptiste et de Cap-Blanc pour visualiser la perception de la chaleur urbaine par les piétons en été. La recherche utilise une balade architecturale, la promenade urbaine, pour réaliser un sondage des propriétés physiques de l'environnement. La promenade urbaine désigne l'expérience sensorielle in situ d'un piéton en ville. Une stratégie innovante de représentation spatio-temporelle des données caractérise les résultats de la recherche. Les résultats sont ainsi tous présentés selon un axe spatial en ordonnée et un axe temporel en abscisse. La prise de mesures qualitatives et quantitatives selon le champ de vision de l'humain rythme la promenade urbaine. La méthodologie utilisée permet d'établir un protocole expérimental captant et représentant les données physiques environnementales (températures de surfaces et de l'air) et données photographiques. Les résultats permettent de localiser les éléments favorisant le phénomène d'îlot de chaleur urbain à travers l'étude des matériaux utilisés en surface. La spatio-temporalité des résultats présentés permet d'effectuer une comparaison des différentes typologies urbaines rencontrées durant la promenade urbaine dans la ville de Québec. L'analyse (des résultats) permet de réaliser d'une part une étude comparative de deux typologies urbaines à travers la réaction lumineuse et thermique des surfaces et d'autre part une étude sur l'expérience d'un piéton pendant une promenade urbaine complète. / Human comfort is essential in relation to urban heat issues related to global climate changes. City centers generally associate with a high concentration of pedestrians and still represent the district prone to urban heat. This research studies lighting and thermal atmospheres to evaluate and represent urban heat at the pedestrian scale in an urban center of Quebec City, Canada, which consists of a cold climate. The study on urban heat islands in the Saint-Jean-Baptiste and Cap-Blanc districts was performed at the pedestrian scale to visualize the perception of urban heat in summer. The research uses an architectural stroll, the urban walk, to carry out a survey of the environment physical properties. The urban walk designates the in situ sensory experience of a pedestrian in the city, La promenade urbaine. An innovative spatio-temporal representational strategy characterizes the results of the research. The results are thus synthesized along a spatial axis in ordinate and a temporal axis on the abscissa. Qualitative and quantitative measurements according to the human field of vision describe the urban promenade. The developed methodology enables to establish an experimental protocol linking environmental physical data (surface and air temperatures) and photographic data. The results allow locating the physical elements favoring the phenomenon of urban heat island through the study of the materials used on the surface. The spatio-temporality of the results compares the different urban types encountered during the urban walk in Quebec City. Results illustrate two different levels of environmental interpretations of the ambient evaluations in relation to urban heat island. The first level consists of a comparative study of two urban types through lighting and thermal reactions of surfaces while the second consists of a longitudinal study on the experience of a pedestrian during a complete urban walk.