Dans un objectif de réduction des consommations énergétiques et des impacts environnementaux, la pompe à chaleur (PAC) s'est imposée comme une alternative aux systèmes à combustion fossile pour le chauffage et la production d'eau chaude sanitaire dans les secteurs résidentiel et tertiaire. Les industriels ne cessent de chercher à accroitre la performance énergétique des pompes à chaleur. Toutefois, un phénomène encore mal maitrisé limite les progrès : le givrage. En effet, dans certaines conditions de température et d'humidité de l'air extérieur, du givre peut se former sur la surface de l'évaporateur de la PAC, provoquant ainsi une chute de performance. En France, près de 98 % des PAC du marché utilisent l'air extérieur comme source de chaleur et sont donc exposées à ce phénomène. Malgré des logiques de dégivrage de plus en plus sophistiquées mises en œuvre par les industriels, le fonctionnement cyclique givrage/dégivrage réduit fortement les performances des PAC. Pour optimiser les méthodes de dégivrage, il est nécessaire de comprendre en amont, les mécanismes d'apparition et de croissance du givre. Ce travail de thèse propose ainsi d'étudier la formation et le développement du givre sur une plaque plane refroidie. Une étude approfondie de la bibliographie a permis d'établir des bases de données regroupant des points expérimentaux de l'épaisseur et de la masse volumique du givre. Des modèles et corrélations de formation du givre disponibles dans la littérature ont été reproduits et appliqués à ces bases de données afin d'évaluer la capacité de prédiction de chacun de ces modèles. Les plus performants ont ainsi pu être identifiés. En parallèle, un banc d'essais a été conçu pour observer la formation et la croissance du givre sur une plaque plane. L'étude de sensibilité menée sur la température de l'air, la température de la plaque froide, la vitesse de l'air et l'humidité relative a permis d'évaluer l'impact de ces paramètres sur la formation du givre, et plus particulièrement sur trois de ses propriétés : l'épaisseur, la masse volumique et la conductivité thermique. L'humidité relative et la température de la plaque froide ont été identifiées comme les paramètres prépondérants. Un des résultats importants de ce travail a été de mettre en évidence le rôle de la structure du givre sur ses propriétés (masse volumique et conductivité). Les points expérimentaux obtenus sur le banc d'essais ont été comparés aux résultats issus des modèles de la littérature. Les méthodes de prédiction identifiées comme satisfaisantes dans la partie bibliographique de cette thèse ont fourni des résultats similaires d'un point de vue statistique. Des perspectives de travail ont également été proposées. / In the energy consumption and environmental impact reduction goal, heat pumps emerged as an alternative to fossil fuel systems for space heating and hot water production in residential and tertiary sectors. Manufacturers still try to improve energy performance of heat pumps. However, a non-controlled phenomenon is limiting progress: frosting. Indeed, in some outdoor air temperature and relative humidity conditions, frost can form on the heat pump evaporator surface, leading to performance reduction. On the French market, almost 98 % of the heat pumps are using outdoor air as heat source and are thus affected. Despite more and more sophisticated defrosting strategies, the frosting/defrosting cyclic operation strongly reduces heat pump performance. For optimizing defrosting strategies, there is a need understanding frost appearance and growth mechanisms. This PhD work thus proposes to study frost formation and development on a cold plane plate. An in-depth bibliography study helped establishing databases gathering experimental points on frost thickness and frost density. Models and correlations of frost formation available in the literature have been reproduced and applied to the databases in order to evaluate their prediction capacity. The most performing models have been identified. Meanwhile, an experimental bench allowing visualization of frost formation and development on a cold plane plate has been set up. The sensitivity analysis on air temperature, cold plate temperature, air velocity and relative humidity allowed an evaluation of these parameters impact on frost formation, and more particularly on three of its properties thickness, density and thermal conductivity. Relative humidity and cold plate temperature have been identified as the leading parameters. One of the main results of this work was to highlight the frost crystal structure role on properties (i.e. density and thermal conductivity). Experimental data points obtained with the test bench have been compared to the results provided by literature models. Predictive methods identified as satisfying in the bibliography study gave similar results (from a statistical point of view). Perspectives for future work have also been proposed.

Cette thèse porte sur La question du financement de la transition énergétique bas-carbone et le rôle du secteur financier et bancaire dans la réussite des objectifs climatiques internationaux. Les enjeux de la transition énergétique pour le secteur financier sont triples. Il faut d’abord comprendre la nécessité d’adopter une analyse différenciée de la consommation énergétique des ménages, en particulier celle liée à leur logement, dans la recherche d’adéquation des objectifs macroéconomiques avec ceux des arbitrages financiers et économiques individuels. Le premier chapitre conduit une analyse par typologie des dépenses énergétiques des ménages et propose une segmentation des comportements microéconomiques des acteurs et du marché de la transition énergétique dans le logement. Il faut ensuite trouver une manière de valoriser les investissements privés dans la transition énergétique, encore aujourd’hui difficiles à massifier notamment lorsqu’il est question de la performance énergétique du logement. Le chapitre 2 s’emploie à déployer un modèle issu d’une technique d’optimisation par les fonctions frontières, pour rendre compte de la présence d’une valeur verte sur un marché local du logement privé en France. Enfin il s’agit d’intégrer les multiples risques liés au changement climatique au sein de la cartographie des risques finaux (spécifiques, systématiques et systémiques) qui pèsent sur les institutions financières, dans l’évaluation de leur activité (la gestion des flux financiers) mais aussi dans l’évaluation du profil de risque de leur bilan. Les intermédiaires financiers mais également les institutions qui les régulent ont un rôle clé à jouer dans l’établissement d’une valeur sociale du carbone endogène aux marchés financiers (chapitre 3). / This thesis deals with the main challenges that we need to address to foster the private financing of a low-carbon energy transition. A massive amount of investment in low carbon assets is needed and most of the effort must come from final energy consumers such as households. Their ability as well as the ability of the financial intermediation institutions (that is banks in Europe) to valorise low-carbon investments and risk profile is the key for a successful low-carbon energy transition in France and in every industrialized country. These researches focus more particularly on the housing sector which represents 44% of the final energy consumption and 21% of the total greenhouses gases emissions in France. The first chapter of this thesis takes the viewpoint that only a disaggregated approach can actually permit macroeconomic and nationwide objectives to reduce final energy consumption match microeconomic arbitrages regarding energy spending in the private residential housing sector. Using segmentation and decision tree growing econometric techniques, the chapter proposes a typology of energy spending and a segmentation analysis and of the energy transition “market” in the housing sector. The second chapter uses frontier functions estimation technique on a local French private housing market to determine if selling prices contain a “Green Property Value”. An empirical analysis is then conducted to determine if this value can offset the upfront cost of energy retrofit. The last chapter takes the prism of the financial institutions. It attempts a first evaluation of the impact and exposition to climate related risks, those are physical, transition, liability and systemic risks, on the banking system and its prudential regulation framework.

De nos jours, une forte croissance des objets connectés est constatée, dépassant même la population mondiale. Devant l'ampleur de ce phénoméne, l'efficacité énergétique des objets communicants est une sérieuse problématique. La maximisation de leur durée de vie est requise pour assurer une qualité de service. Dans cette optique, les travaux de cette thèse visent à optimiser la consommation énergétique des communications sans fil dans un réseau de capteurs. Le télé-réveil, un concept imaginé depuis une dizaine d'années, consiste au déclenchement du réveil du noeud communicant par un signal radio à distance. Par défaut, le noeud reste en mode veille de façon permanente à très basse consommation. Au besoin, il peut être réveillé à la demande par un signal radio spécifique. Ainsi, la consommation énergétique du module radio est grandement réduite par l'écoute passive du canal en mode veille. Ce principe de télé-réveil nécessite toutefois le développement de nouvelles architectures matérielles associées à des protocoles de communication adaptés et innovants. Malgré les propositions récentes, le niveau de maturité technologique n'a pas encore été atteint sur ce sujet. Par conséquent, un système de télé-réveil est proposé dans cette thèse, en incluant une caractérisation théorique de ses performances. Le récepteur de télé-réveil consomme 363 nW en mode veille contre 49,8 µW en mode de réception. De plus, deux nouveaux protocoles de télé-réveil DoRa et DC-DoRa sont proposés avec une évaluation de leurs performances par simulation. Les résultats obtenus montrent que ces protocoles de télé-réveil diminuent fortement l'énergie consommée par le module radio, en comparaison des protocoles MAC actuellement utilisés dans les réseaux de capteur. Enfin, la mise en œuvre expérimentale du système et des protocoles de télé-réveil a permis de mesurer les performances réelles de notre approche dans un environnement de surécoute et d'interférence. / Nowadays, a significant growth of connected things is observed, exceeding even the worldpopulation. Given the magnitude of this phenomenon, the energy efficiency of communicatingobjects is a crucial issue. Maximizing their lifetime is necessary to ensure a qualityof service. In this regard, the aim of this thesis is to optimize the energy consumption ofwireless communications in a wireless sensor network.The concept of wake-up radio was created a decade ago, which consists of waking up thecommunicating node by a remote radio signal. By default, the node remains in sleepingmode at a very low power consumption. If needed, the node can be woken up on demandthrough a specific radio signal. Thus, the energy consumption of the radio module is greatlyreduced by idle listening to the channel in sleeping mode. However, this wake-up radioprinciple requires the development of new hardware architectures associated with adaptedand innovative communication protocols. Despite recent proposals, the level of technologymaturity has not yet been reached on this subject.Therefore, a wake-up radio system is proposed in this thesis, including a theoreticalcharacterization of its performances. The wake-up receiver consumes 363 nW in sleepingmode and 49.8 µW in receiving mode. Moreover, two new protocols called DoRa and DC-DoRaare proposed with an evaluation of their performances by simulation. The resultsshow that these wake-up radio protocols greatly reduce the energy consumed by the radiomodule, compared to the MAC protocols currently used in wireless sensor networks. Finally,the experimental implementation of the wake-up radio system and protocols enabled thereal performance measurement of our approach in an environment with overhearing andinterference.

Les réseaux maillés sans fil sont une solution efficace, de plus en plus mise en œuvre en tant qu’infrastructure, pour interconnecter les stations d’accès des réseaux radio. Ces réseaux doivent absorber une croissance très forte du trafic généré par les terminaux de nouvelle génération. Cependant, l’augmentation du prix de l’énergie, ainsi que les préoccupations écologiques et sanitaires, poussent à s’intéresser à la minimisation de la consommation énergétique de ces réseaux. Ces travaux de thèse s’inscrivent dans les problématiques d’optimisation de la capacité et de la minimisation de la consommation énergétique globale des réseaux radio maillés. Nous définissons la capacité d’un réseau comme la quantité de trafic que le réseau peut supporter par unité de temps. Ces travaux s’articulent autour de quatre axes. Tout d’abord, nous abordons le problème d’amélioration de la capacité des réseaux radio maillés de type WIFI où l’accès au médium radio se base sur le protocole d’accès CSMA/CA. Nous mettons en lumière, les facteurs déterminants qui impactent la capacité du réseau, et l’existence d’un goulot d’étranglement qui limite cette capacité du réseau. Ensuite, nous proposons une architecture de communication basée sur l’utilisation conjointe de CSMA/CA et de TDMA afin de résoudre ce problème de goulot d’étranglement. Dans la deuxième partie de cette thèse, nous nous intéressons aux réseaux maillés sans fil basés sur un partage des ressources temps-fréquence. Afin de calculer des bornes théoriques sur les performances du réseau, nous développons des modèles d’optimisation basés sur la programmation linéaire et la technique de génération de colonnes. Ces modèles d’optimisation intègrent un modèle d’interférence SINR avec contrôle de puissance continue et variation de taux de transmission. Ils permettent, en particulier, de calculer une configuration optimale du réseau qui maximise la capacité ou minimise la consommation d’énergie. Ensuite, dans le troisième axe de recherche, nous étudions en détail le compromis entre la capacité du réseau et la consommation énergétique. Nous mettons en évidence plusieurs résultats d’ingénierie nécessaires pour un fonctionnement optimal d’un réseau maillé sans fil. Enfin, nous nous focalisons sur les réseaux cellulaires hétérogènes. Nous proposons des outils d’optimisation calculant une configuration optimale des stations de base qui maximise la capacité du réseau avec une consommation efficace d’énergie. Ensuite, afin d’économiser l’énergie, nous proposons une heuristique calculant un ordonnancement des stations et leur mise en mode d’endormissement partiel selon deux stratégies différentes, nommées LAFS et MAFS. / Wireless mesh networks (WMN) are a promising solution to support high data rate and increase the capacity provided to users, e.g. for meeting the requirements of mobile multimedia applications. However, the rapid growth of traffic load generated by the terminals is accompanied by an unsustainable increase of energy consumption, which becomes a hot societal and economical challenges. This thesis relates to the problem of the optimization of network capacity and energy consumption of wireless mesh networks. The network capacity is defined as the maximum achievable total traffic in the network per unit time. This thesis is divided into four main parts. First, we address the problem of improvement of the capacity of 802.11 wireless mesh networks. We highlight some insensible properties and deterministic factors of the capacity, while it is directly related to a bottleneck problem. Then, we propose a joint TDMA/CSMA scheduling strategy for solving the bottleneck issue in the network. Second, we focus on broadband wireless mesh networks based on time-frequency resource management. In order to get theoretical bounds on the network performances, we formulate optimization models based on linear programming and column generation algorithm. These models lead to compute an optimal offline configuration which maximizes the network capacity with low energy consumption. A realistic SINR model of the physical layer allows the nodes to perform continuous power control and use a discrete set of data rates. Third, we use the optimization models to provide practical engineering insights on WMN. We briefly study the tradeoff between network capacity and energy consumption using a realistic physical layer and SINR interference model. Finally, we focus on capacity and energy optimization for heterogeneous cellular networks. We develop, first, optimization tools to calculate an optimal configuration of the network that maximizes the network capacity with low energy consumption. We second propose a heuristic algorithm that calculates a scheduling and partial sleeping of base stations in two different strategies, called LAFS and MAFS.

La consommation énergétique est devenue un problème majeur dans la conception des systèmes aussi bien d'un point de vue de la fiabilité des circuits que de l'autonomie d'un équipement embarqué. Cette thèse vise à caractériser et modéliser le coût énergétique du système d'exploitation (OS) embarqué en vue d'explorer des solutions faibles consommation. La première contribution consiste à définir une approche globale de modélisation de la consommation des services de base de l'OS: la stimulation de l'exécution de ces services, tels que le changement de contexte, l'ordonnancement et la communication interprocessus, est effectuée à travers des programmes de test adéquats. Sur la base de mesures de la consommation d'énergie sur la carte OMAP35x EVM, des paramètres pertinents soit matériels soit logiciels ont été identifiés pour en déduire des modèles de consommation. Dans une seconde étape, la prise en compte de ces paramètres doit intervenir au plus haut niveau de la conception. L'objectif sera d'exploiter les fonctionnalités offertes par un langage de modélisation et d'analyse architecturale AADL tout en modélisant les aspects logiciel et matériel en vue d'estimer la consommation d'énergie. Ensuite, les modèles énergétiques de l'OS ont été intégrés dans un simulateur multiprocesseur de politique d'ordonnancement STORM afin d'identifier la consommation de l'OS et ceci pour des politiques d'ordonnancement mettant en œuvre des techniques de réduction de la consommation tel que le DVFS et le DPM. Enfin, la définition et vérification de certaines contraintes temps-réel et énergétiques ont été effectuées avec des langages de spécification de contraintes (QAML, RDAL). / The ever-increasing complexity of embedded systems that are developing their computation performances poses a great challenge for embedded systems designers: power and energy consumption. This thesis focuses on power and energy characterization, modeling, estimation of embedded operating systems (OS) energy consumption. First, an OS energy consumption characterization flow is introduced: a set of benchmarks, which are test programs that stimulate each OS service separately, are implemented. These programs are executed on the hardware platform: OMAP 35x EVM board. Based on hardware measurements, several hardware and software parameters that influence the OS power/energy consumption are identified and energy consumption mathematical models are extracted. The second contribution consists in proposing a high level model of software application, the OS services and hardware platform using an architecture analysis and design language (AADL). Then, AADL and mathematical models of OS services energy consumption are integrated in a multiprocessor scheduling simulator (STORM) in order to evaluate the OS energy overhead when using DPM and DVFS low power techniques. Finally, a flow of definition and verification of system requirements when allocating application tasks to the processors is proposed. Using a set of languages, RDAL and QAML, various real time and energetic constraints are checked when exploring the design.

Les opérateurs de cloud IaaS (Infrastructure as a Service) proposent à leurs clients des ressources virtualisées (CPU, stockage et réseau) sous forme de machines virtuelles (VM). L’explosion du marché du cloud les a contraints à optimiser très finement l’utilisation de leurs centres de données afin de proposer des services attractifs à moindre coût. En plus des investissements liés à l’achat des infrastructures et de leur coût d’utilisation, la consommation énergétique apparaît comme un point de dépense important (2% de la consommation mondiale) et en constante augmentation. Sa maîtrise représente pour ces opérateurs un levier très intéressant à exploiter. D’un point de vue technique, le contrôle de la consommation énergétique s’appuie essentiellement sur les méthodes de consolidation. Or la plupart d'entre elles ne prennent en compte que l’utilisation CPU des machines physiques (PM) pour le placement de VM. En effet, des études récentes ont montré que les systèmes de stockage et les E/S disque constituent une part considérable de la consommation énergétique d’un centre de données (entre 14% et 40%). Dans cette thèse nous introduisons un nouveau modèle autonomique d’optimisation de placement de VM inspiré de MAPE-K (Monitor, Analyze, Plan, Execute, Knowledge), et prenant en compte en plus du CPU, les E/S des VM ainsi que les systèmes de stockage associés. Ainsi, notre première contribution est relative au développement d’un outil de trace des E/S de VM multi-niveaux. Les traces collectées alimentent, dans l’étape Analyze, un modèle de coût étendu dont l’originalité consiste à prendre en compte le profil d’accès des VM, les caractéristiques du système de stockage, ainsi que les contraintes économiques de l’environnement cloud. Nous analysons par ailleurs les caractéristiques des deux principales classes de stockage, pour aboutir à un modèle hybride exploitant au mieux les avantages de chacune. En effet, les disques durs magnétiques (HDD) sont des supports de stockage à la fois énergivores et peu performants comparés aux unités de calcul. Néanmoins, leur prix par gigaoctet et leur longévité peuvent jouer en leur faveur. Contrairement aux HDD, les disques SSD à base de mémoire flash sont plus performants et consomment peu d’énergie. Leur prix élevé par gigaoctet et leur courte durée de vie (comparés aux HDD) représentent leurs contraintes majeures. L’étape Plan a donné lieu, d’une part, à une extension de l'outil de simulation CloudSim pour la prise en compte des E/S des VM, du caractère hybride du système de stockage, ainsi que la mise en oeuvre du modèle de coût proposé dans l'étape Analyze. Nous avons proposé d’autre part, plusieurs heuristiques se basant sur notre modèle de coût et que nous avons intégrées dans CloudSim. Nous montrons finalement que notre approche permet d’améliorer d’un facteur trois le coût de placement de VM obtenu par les approches existantes. / IaaS cloud providers offer virtualized resources (CPU, storage, and network) as Virtual Machines(VM). The growth and highly competitive nature of this economy has compelled them to optimize the use of their data centers, in order to offer attractive services at a lower cost. In addition to investments related to infrastructure purchase and cost of use, energy efficiency is a major point of expenditure (2% of world consumption) and is constantly increasing. Its control represents a vital opportunity. From a technical point of view, the control of energy consumption is mainly based on consolidation approaches. These approaches, which exclusively take into account the CPU use of physical machines (PM) for the VM placement, present however many drawbacks. Indeed, recent studies have shown that storage systems and disk I/O represent a significant part of the data center energy consumption (between 14% and 40%).In this thesis we propose a new autonomic model for VM placement optimization based on MAPEK (Monitor, Analyze, Plan, Execute, Knowledge) whereby in addition to CPU, VM I/O and related storage systems are considered. Our first contribution proposes a multilevel VM I/O tracer which overcomes the limitations of existing I/O monitoring tools. In the Analyze step, the collected I/O traces are introduced in a cost model which takes into account the VM I/O profile, the storage system characteristics, and the cloud environment constraints. We also analyze the complementarity between the two main storage classes, resulting in a hybrid storage model exploiting the advantages of each. Indeed, Hard Disk Drives (HDD) represent energy-intensive and inefficient devices compared to compute units. However, their low cost per gigabyte and their long lifetime may constitute positive arguments. Unlike HDD, flash-based Solid-State Disks (SSD) are more efficient and consume less power, but their high cost per gigabyte and their short lifetime (compared to HDD) represent major constraints. The Plan phase has initially resulted in an extension of CloudSim to take into account VM I/O, the hybrid nature of the storage system, as well as the implementation of the previously proposed cost model. Secondly, we proposed several heuristics based on our cost model, integrated and evaluated using CloudSim. Finally, we showed that our contribution improves existing approaches of VM placement optimization by a factor of three.

La forte augmentation du nombre de terminaux connectés ces dernières années et l'utilisation croissante des technologies de communication impacte de manière non négligeable la facture énergétique. Pour enrayer cette augmentation de la consommation énergétique, il devient primordial de pouvoir comparer en termes de consommation les algorithmes de communications numériques, afin de développer l'architecture de transmission la moins énergivore. Dans cette thèse, la couche physique des standards Wi-Fi IEEE 802.11ac est analysée sous un angle énergétique. La puissance dissipée dans les circuits pour faire fonctionner les algorithmes de traitement de signal est prise en compte en plus de la puissance d'émission d'antenne classique. La méthodologie mise en œuvre inclut à la fois des simulations et des développements sur plateforme matérielle (FPGA), permettant d'obtenir des évaluations de la consommation plus réalistes. Nous avons dans un premier temps analysé de façon isolée les éléments composant les chaines de communications numériques. Puis nous avons intégré les périodes d'activité et d'inactivité de chaque élément dans le calcul de la consommation énergétique globale des chaines. Nous proposons une méthode pratique et efficace d'estimation de la consommation, incluant une base de données issue de simulations, et une analyse théorique des taux d'activité de chaque élément de la chaine. Ces résultats permettent d'analyser la répartition de la consommation en puissance des éléments composant les émetteurs et les récepteurs, et de comparer diverses architectures et jeux de paramètres. En particulier, nous avons évalué l'impact de deux architectures de Transformées de Fourier Rapides sur la consommation globale du système. / The strong increase of the number of connected devices in recent years and the increasing use of communication technologies has a significant impact on the energy bill. To stop the increase in energy consumption, it is essential to be able to compare the digital communication algorithms in terms of consumption, in order to develop the most energy-efficient transmission architecture.In this thesis, the IEEE 802.11ac Wi-Fi standard of physical layer is analyzed at an energy point of view. The power dissipated in the circuits for operating the signal processing algorithms is taken into account in addition to the antenna transmission power. The implemented methodology includes both simulations and developments on a hardware platform (FPGAs), resulting in more realistic consumption assessments.First, we analyzed separately the components of the digital communications chains. Then we integrated the periods of activity and inactivity of each element in the calculation of the global energy consumption of the chains. We propose a practical and efficient method of estimating consumption, including a database derived from simulations, and a theoretical analysis of the activity rates of each element of the chain.These results make it possible to analyze the distribution of the power consumption of the elements composing transmitters and receivers, and to compare various architectures and sets of parameters. In particular, we evaluated the impact of two Fast Fourier Transform architectures on overall system consumption.

Bien que la consommation énergétique des processeurs a considérablement diminué, la demande pour des techniques visant à la réduire n’a jamais été aussi forte. En effet, la consommation énergétique des machines haute performance a crûproportionnellement à leurs accroissements en taille. Elle a atteint un tel niveau qu’elle doit être minimisée par tous les moyens. Les processeurs actuels peuvent changer au vol leurs fréquences d’exécution. Utiliser une fréquence plus faible peut mener à une réduction de leurs consommations énergétiques. Cette thèse recherche jusqu’à quel point cette fonctionnalité, appelé DVFS, peut favoriser cette réduction. Dans un premier temps, une analyse d’une machine simple est effectuée pour une meilleure compréhension des différents éléments consommateurs afin de focaliser les optimisations sur ces derniers. La consommation d’un processeur dépend de l’application qui est exécutée. Une analyse des applications est donc effectuée pour mieux comprendre leurs impacts sur cette dernière. Basés sur cette étude, plusieurs outils visant à réduire cette consommation ont été créés. REST, adapte la fréquence d’exécution au regard du comportement de l’application. Le second, UtoPeak, calcule la réduction maximum que l’on peut attendre grâce au DVFS. Le dernier, FoREST, est créé pour corriger les défauts de REST et obtenir cette réduction maximum de la consommationénergétique. Enfin, les applications scientifiques actuelles utilisent généralement plus d’unprocesseur pour leurs exécutions. Cette thèse présente aussi une première tentative de découverte de la borne inférieure sur la consommation énergétique dans ce nouvel environnement d’exécution / Over the past decade, processors have drastically reduced their power consumption. With each new processor generation, new features enhancing the processor energy efficiency are added. However, the demand for energy reductiontechniques has never been so high. Indeed, with the increasing size of high performance machines, their power and energy consumptions have grown accordingly. They have reached a point where they have to be reduced by all possible means.Current processors allow an interesting feature, they can change their operating frequency at run-time. As granted by transistor physics, lower frequency means lower power consumption and hopefully, lower energy consumption. This thesisinvestigates to which extent this processor feature, called DVFS, can be used to save energy. First, a simple machine is analyzed to have a complete understanding of the different power consumers and where optimizations can be focused. It will be demonstrated that only fans and processors allow run-time energy optimizations. Betweenthe two, the processor shows the highest consumption, therefore potentially exposing the higher potential for energy savings. Second, the power consumption of a processor depends on the applications being executed. However, there are as many applications as problems to solve. The focus is then put on applications to understand their impacts on energy consumption. Based on the gathered insights, multiple tools targeting energy savings on a single processor are created. REST, the most naive, tries to adapt the processor state to the stress generated by the application, hoping for energy reduction. The second, UtoPeak, computes the maximum energy reduction one can expect for any tool usingDVFS. It allows to evaluate the efficiency of such systems. The last one, FoREST, was created in order to correct all the flaws of REST and target maximum energy reduction. Last, scientific applications generally need more than one processor to be executed in a decent time. The thesis also presents a first attempt to compute a lower bound in energy reduction when considering this new execution context

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.

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