<p dir="ltr">This thesis presents a comprehensive dynamic modeling and model calibration framework and experimental validations for air-source heat pumps under cycling of frosting and reverse-cycle defrosting operations. </p>

Ce travail présente une méthodologie de Conception Optimale Intégrée (COI) d'un système éolien entièrement passif pour offrir un compromis coût-fiabilité–performance très satisfaisant. En l'absence d'électronique de puissance et de contrôle par MPPT, le dispositif n'est efficace que si l'adaptation des constituants est optimale. L'extraction de vent ainsi que les pertes globales du système sont donc optimisées à l'aide d'un algorithme génétique multicritère pour augmenter l'efficacité énergétique et minimiser la masse pour un profil de vent donné. La globalité du système (turbine – génératrice – redresseur - stockage) a été modélisée pour parvenir aux résultats d'optimisation et à la réalisation d'un prototype correspondant à une solution particulière. Les résultats obtenus montrent, d'une part, la cohérence entre modèles et expérience. D'autre part, il est possible, pour un profil de vent donné, d'obtenir une configuration optimale de l'ensemble génératrice – pont redresseur présentant des caractéristiques analogues à celles d'architectures « actives" plus complexes, associées à des lois de contrôle par MPPT. Suite à une analyse de sensibilité des performances aux paramètres, une de nos contributions concerne une approche de conception intégrant les questions de robustesse au sein même du processus d'optimisation. / This work deals with an Integrated Optimal Design (IOD) methodology of a full passive wind turbine system offering very good tradeoff in terms of cost, reliability and performance. Without active electronic device (power and MPPT control), efficiency of such architecture can only be obtained if all devices are mutually adapted: this can be achieved through an Integrated Optimal Design (IOD) approach. Wind energy extraction as whole losses are then optimized from a multiobjective genetic algorithm which aims at concurrently optimizing the energy efficiency while reducing the weight of the wind turbine system given a wind cycle. The whole system (turbine, generator, diode reducer, battery DC bus) has been modeled to obtain optimization results and finally to select a particular solution for an experimental validation. On the one hand, the obtained results put forward coherency between models and experience. On the other hand, given a reference wind cycle, it is possible to obtain optimal devices (generator – reducer – DC bus) whose energy efficiency is nearly equivalent to the ones obtained with active and more complex systems with MPPT control. Based on a sensitivity analysis of performance versus parametric uncertainties, one major contribution deals with a design methodology integrating robustness issues inside the optimization process.

Alors que certains mécanismes pourtant jugés cruciaux pour la transformation de la pluie en débit restent peu ou mal compris, le concept de connectivité hydrologique a récemment été proposé pour expliquer pourquoi certains processus sont déclenchés de manière épisodique en fonction des caractéristiques des événements de pluie et de la teneur en eau des sols avant l’événement. L’adoption de ce nouveau concept en hydrologie reste cependant difficile puisqu’il n’y a pas de consensus sur la définition de la connectivité, sa mesure, son intégration dans les modèles hydrologiques et son comportement lors des transferts d’échelles spatiales et temporelles. Le but de ce travail doctoral est donc de préciser la définition, la mesure, l’agrégation et la prédiction des processus liés à la connectivité hydrologique en s’attardant aux questions suivantes : 1) Quel cadre méthodologique adopter pour une étude sur la connectivité hydrologique ?, 2) Comment évaluer le degré de connectivité hydrologique des bassins versants à partir de données de terrain ?, et 3) Dans quelle mesure nos connaissances sur la connectivité hydrologique doivent-elles conduire à la modification des postulats de modélisation hydrologique ? Trois approches d’étude sont différenciées, soit i) une approche de type « boite noire », basée uniquement sur l’exploitation des données de pluie et de débits sans examiner le fonctionnement interne du bassin versant ; ii) une approche de type « boite grise » reposant sur l’étude de données géochimiques ponctuelles illustrant la dynamique interne du bassin versant ; et iii) une approche de type « boite blanche » axée sur l’analyse de patrons spatiaux exhaustifs de la topographie de surface, la topographie de subsurface et l’humidité du sol. Ces trois approches sont ensuite validées expérimentalement dans le bassin versant de l’Hermine (Basses Laurentides, Québec). Quatre types de réponses hydrologiques sont distingués en fonction de leur magnitude et de leur synchronisme, sachant que leur présence relative dépend des conditions antécédentes. Les forts débits enregistrés à l’exutoire du bassin versant sont associés à une contribution accrue de certaines sources de ruissellement, ce qui témoigne d’un lien hydraulique accru et donc d’un fort degré de connectivité hydrologique entre les sources concernées et le cours d’eau. Les aires saturées couvrant des superficies supérieures à 0,85 ha sont jugées critiques pour la genèse de forts débits de crue. La preuve est aussi faite que les propriétés statistiques des patrons d’humidité du sol en milieu forestier tempéré humide sont nettement différentes de celles observées en milieu de prairie tempéré sec, d’où la nécessité d’utiliser des méthodes de calcul différentes pour dériver des métriques spatiales de connectivité dans les deux types de milieux. Enfin, la double existence de sources contributives « linéaires » et « non linéaires » est mise en évidence à l’Hermine. Ces résultats suggèrent la révision de concepts qui sous-tendent l’élaboration et l’exécution des modèles hydrologiques. L’originalité de cette thèse est le fait même de son sujet. En effet, les objectifs de recherche poursuivis sont conformes à la théorie hydrologique renouvelée qui prône l’arrêt des études de particularismes de petite échelle au profit de l’examen des propriétés émergentes des bassins versants telles que la connectivité hydrologique. La contribution majeure de cette thèse consiste ainsi en la proposition d’une définition unifiée de la connectivité, d’un cadre méthodologique, d’approches de mesure sur le terrain, d’outils techniques et de pistes de solution pour la modélisation des systèmes hydrologiques. / As core processes of the transformation of rainfall into runoff are not fully understood, the concept of hydrologic connectivity has been put forward to explain why some processes occur episodically, in a very discrete short-lived manner, as a response to intermittent atmospheric water input, storm characteristics and soil moisture storage. Even though emerging as a very powerful tool for explaining the growing numbers of nonlinear hydrologic behaviours documented around the world, the hydrologic connectivity concept raises major issues for future research in catchment hydrology in terms of its definition, its measure, its integration into hydrological models and its scaling in the space and the time domains. The aim of this doctoral work is to precise the definition, the measure, the scaling and the prediction of processes underlying hydrologic connectivity while focusing on the following research questions: (1) What methodological framework should guide investigations of hydrologic connectivity?, (2) How to assess hydrologic connectivity from field data?, and (3) To what extent can the ongoing knowledge acquisition on hydrologic connectivity be used to improve success with hydrological modeling? Three study approaches are discriminated, namely: (i) a black box approach that only relies on rainfall and runoff data without examining the internal catchment behaviour; (ii) a grey box approach based on punctual geochemical data illustrating the catchment internal state; and (iii) a white box approach involving exhaustive spatial patterns of surface and subsurface topographic variables and soil moisture. These three approaches are then tested against field data from the Hermine catchment (Lower Laurentians, Quebec). It is possible to classify the Hermine catchment hydrological responses with regards to their magnitude and their timing, the switching from one response type to another depending on antecedent conditions. It is revealed that high discharge values monitored at the catchment outlet are produced by increased contributions from specific runoff sources, thus hinting towards a reinforced hydraulic linkage and an enhanced degree of connectivity between runoff sources and the stream channel. It is established that saturated areas whose spatial extent exceeds 0.85 ha are critical for high runoff generation. Soil moisture spatial patterns in temperate humid forested catchments are shown to have statistical properties that are very different from those encountered in temperate rangelands; hence the necessity of using different spatial connectivity metrics in these contrasted environments. The co-existence of “linear” and “nonlinear” contributing sources is also illustrated in the Hermine catchment. These results suggest that some concepts should be revised for hydrological modeling purposes. The originality of the present thesis is mainly inherited from its prime focus. The pursued research objectives are in accordance with the future trend in catchment hydrology, especially as hydrologists are urged to move from site-specific experiments and results to more easily generalizable concepts that favour the study of emergent catchment properties such as connectivity. Thus, the major contribution of this thesis is the proposal of a unified definition of connectivity, a comprehensive methodological framework, technical tools and operational ideas for the better performance of hydrological models.

Les toitures végétalisées ont des répercussions très positives sur la performance énergétique des bâtiments. L’objectif est d’évaluer l’incidence des toitures végétalisées sur la performance énergétique des bâtiments à travers des moyens numériques et expérimentaux. La modélisation du comportement thermo-hydrique des toitures végétalisées permet de quantifier ces effets et contribue à promouvoir cette technique.Cette thématique requiert en premier lieu des compétences en énergétique du bâtiment et de modélisation thermique dynamique, si l’on souhaite établir un modèle représentatif du comportement thermo-hydrique d’un composant de toiture végétalisée. Afin de développer ces différents aspects, un travail préliminaire qui consiste en une étude bibliographique approfondie portant sur les modèles proposés dans la littérature a été entrepris. Sur la base de cette étude bibliographique, un modèle couplé de transfert de chaleur et d’humidité a été développé. Ce modèle est basé sur l’établissement des équations de bilan énergétique sur la surface du feuillage et la surface du sol. Afin d’affiner le modèle développé et d’obtenir de meilleurs résultats numériques, diverses caractérisations expérimentales des matériaux qui entrent dans la composition de la toiture végétalisée ont été effectuées. Une plateforme expérimentale (Climabat, échelle 1/10) a été conçue sur le site de l’Université de La Rochelle dans le but de mesurer l’incidence des toitures végétalisées sur les bâtiments et fournir des données permettant de calibrer et de vérifier le modèle développé. Des comparaisons ont été entreprises entre toiture végétalisée et toiture classique, une différence de température de surface extérieure de 30°C a été notée pendant la période d’été. Les résultats des simulations montrent aussi que la végétalisation des toitures de bâtiment améliore non seulement les conditions de son confort thermique mais aussi sa performance énergétique. Des campagnes de mesures ont été également effectuées sur des bâtiments réels équipés avec des toitures végétalisées. La validation expérimentale du modèle développé a été ensuite entreprise à deux échelles, l’une à échelle réduite (maquette échelle 1:10) sur des bancs d’essais sur le site de l’Université de La Rochelle et une à échelle réelle, sur des pavillons BBC existants où différentes typologies de toitures végétalisées ont été instrumentées. Une fois le modèle développé et sa pertinence vérifiée par comparaison à des mesures expérimentales, il a été couplé à un code de simulation thermique dynamique des bâtiments (TRNSYS). Cela a permis de prédire la performance énergétique et le calcul des besoins de chauffage et de climatisation des bâtiments équipés d'une toiture végétalisée. Les résultats de simulations ont montré que la présence d'une toiture végétalisée permet une réduction des besoins des bâtiments et protège la membrane d’étanchéité de la toiture des températures extrêmes et des grandes fluctuations de température. De plus, il a été constaté que l'effet des toitures végétalisées sur la réduction de la température de l'air intérieur est plus important en été. Aussi, il a été constaté que les besoins de climatisation et de chauffage dépendent fortement du niveau d'isolation de la toiture. Enfin, les simulations réalisées pour différents climats ont montré que la toiture végétalisée est bénéfique pour le climat des pays européens. / Green roofs have a positive effect on the energy performance of buildings, providing a cooling effect in summer, along with a more efficient harnessing of the solar radiation, due to the reflective properties of the foliage. To assess these effects, a thermodynamic model was developed as well as the thermo-physical properties of the green roof components were characterized.The proposed model is based on energy balance equations expressed for foliage and soil media. The influence of the mass transfer on the thermal properties, and evapotranspiration were taken into account. Then, the water balance equation was added into the developed model and numerical simulations were performed. In order to evaluate the temperatures evolution at foliage and soil ground levels.Three of the main physical properties of green roofs were experimentally investigated to determine some of the green roofs’ modeling key parameters. First, the thermo-physical properties of green roofs were characterized by correlating the thermal conductivity of the substrate with the water content for different substrates and maximum water capacities. Next, the moisture storage was characterized using the dynamic vapor sorption technique. Third, themicro-structural properties of green roof substrate were characterized using mercury intrusion porosimetry. In addition to these characterizations, the evapotranspiration term, which is very important in the water balance, was measured.The model was experimentally validated according to a green roof platform (scale 1:10) constructed on the site of the University of La Rochelle. Measurements have also been conducted in a full scale building equipped with green roofs. Once the proposed model validated, it has been coupled to a building thermal code (TRNSYS) to evaluate the impact of green roofs on the energy performance of buildings.The results show that the effect of mass transfer in the subtract was very effective in reducing the model errors. Comparisons were undertaken with a roof slab concrete model; a significant difference in temperature (up to 30 °C) between the outer surfaces of the two roofs was noticed in summer. The heat flux through the roof was also evaluated. The roof passive cooling effect was three times more efficient with the green roof. In the winter, the green roof reduced roof heat losses during cold days; however, it increased these losses during sunny days. With a green roof, the summer indoor air temperature was decreased by 2 °C, and the annual energy demand was reduced by 6% for an oceanic climate such as that of La Rochelle. Finally, the simulations performed for different climates suggest that green roofs are thermally beneficial for hot, temperate, and cold European climates.

La valorisation de chaleur fatale industrielle en flux gazeux à haute température peut bénéficier de technologies de stockage thermique thermocline, fonctionnant sur la base d’un matériau de stockage céramique et d’un caloporteur gazeux (air). La diversité des gisements de chaleur fatale et des débouchés potentiels met en évidence la nécessité d’un procédé de stockage versatile et robuste. Ce travail de thèse consiste à accompagner le développement de l’entreprise Eco-Tech Ceram, dont les deux activités sont le développement d’une unité de stockage thermique, et le développement de matériaux céramiques issus de sous-produits industriels destinés à une utilisation dans de telles unités. Concernant l’axe stockage, il s’agit de réaliser une validation expérimentale du concept EcoStock via des essais sur des pilotes représentatifs, notamment concernant la sensibilité des performances au débit de décharge, et à la nature de la ressource thermique disponible en charge (débits et températures d’entrées variables).Concernant l’axe matériau, il s’agit de développer une céramique frittée issue de mâchefer d’incinérateur, et destinée à une utilisation en tant que matériau de garnissage dans un système thermocline à lit en vrac, via une approche expérimentale, dans une démarche d’écologie industrielle et avec l’objectif de diminuer autant que possible les coûts de production et les impacts environnementaux, en calquant les méthodes d’élaboration sur celles des céramiques de batiment (briques et tuiles) dont les capacités industrielles sont pré-existantes. r. / The recovery and valorization of high-temperature gaseous waste heat streams can benefit from the development of thermocline thermal energy storage, based on the use of a ceramic material as a solid filler and gases (including air) as heat transfer fluid. The wide diversity of waste heat streams implies developping a versatile and robust system, able to operate in such various conditions.This thesis aims at supporting the development of the company Eco-Tech Ceram, which focuses on developing a compact thermocline air/ceramic thermal storage unit (named EcoStock), and developing ceramics produced from industrial inorganic byproducts, designed to be used as thermal energy storage material. Regarding the « thermal storage » topic, this thesis is focused on the experimental validation of the EcoStock concept, through experimental campaigns on a representative pilot-scale system, especially regarding the influence of operating conditions over performances, and the sensitiviy of the system’s efficiency when discharged at different power level, or charged with low-quality heat streams (varying mass flow rate and inlet temperature during charging phase). Regarding the « ceramic » topic, this thesis is focused on developing a sintered ceramic based on municipal waste incinerator bottom ashes compatible with high temperature thermocline system, with an experimental approach, taking in consideration industrial potential of such ceramics by making industrial mass production of such material realistic, using already widely available industrial processes from the bricks and tiles industries.Keywords: thermal storage, thermocline, experimental validation, waste heat, high temperature, sintered ceramics, incinerator bottom ash valorization.

Für den zielgerichteten Einsatz von präventiven und mitigativen Notfallmaßnahmen sowie zur Beurteilung ihrer Wirksamkeit während auslegungsüberschreitender Unfälle in Druckwasserreaktoren aber auch für Hinweise zum Störfallverlauf und für die Abschätzung der Auswirkungen auf die Anlagenumgebung müssen geeignete Störfallinstrumentierungen vorhanden sein. Insbesondere der Zustand des Reaktordruckbehälterinventars (RDB-Inventar) während der In-Vessel-Phase eines auslegungsüberschreitenden Unfalls lässt sich mit aktuellen Störfallinstrumentierungen nur stark eingeschränkt überwachen, wodurch die o. g. Forderungen nicht erfüllt werden können. Die vorliegende Arbeit beinhaltet detaillierte Untersuchungen für die Entwicklung einer Störfallinstrumentierung, welche eine durchgängige Zustandsüberwachung des RDB-Inventars während der In-Vessel-Phase eines auslegungsüberschreitenden Unfalls ermöglicht. Die Störfallinstrumentierung basiert auf der Messung und Klassifikation von unterschiedlichen Gammaflussverteilungen, welche während der In-Vessel-Phase außerhalb des Reaktordruckbehälters auftreten können. Ausgehend von der Analyse zum Stand von Wissenschaft und Technik wird der modell-basierte Ansatz für Structural Health Monitoring-Systeme genutzt, um eine grundlegende Vorgehensweise für die Entwicklung der Störfallinstrumentierung zu erarbeiten. Anschließend erfolgt eine detaillierte Analyse zu den Vorgängen während der In-Vessel-Phase und eine daraus abgeleitete Definition von Kernzuständen für einen generischen Kernschmelzunfall. Für die definierten Kernzustände werden mittels Simulationen (Monte-Carlo-Simulationen zum Gammastrahlungstransport in einem zu dieser Arbeit parallel laufenden Vorhaben) Gammaflüsse außerhalb des Reaktordruckbehälters berechnet. Die Simulationsergebnisse dienen dem Aufbau von Datenbasen für die Entwicklung und Analyse eines Modells zur Klassifikation von Gammaflussverteilungen. Für die Entwicklung des Klassifikationsmodells kommen drei diversitäre und unabhängig arbeitende Klassifikationsverfahren (Entscheidungsbaum, k-nächste-Nachbarn-Klassifikation, Multilayer Perzeptron) zur Anwendung, um die Identifikationsgenauigkeit und Robustheit der Störfallinstrumentierung zu erhöhen. Die abschließenden Betrachtungen umfassen die Validierung der Störfallinstrumentierung mittels eines Versuchstandes zur Erzeugung unterschiedlicher Gammaflussverteilungen. Im Ergebnis der Untersuchungen konnte die prinzipielle Funktionsweise der entwickelten Störfallinstrumentierung nachgewiesen werden. Unter der Voraussetzung, die Gültigkeit der definierten Kernzustände zu untermauern sowie weitere, nicht in dieser Arbeit betrachtete Kernschmelzszenarien mit in die Entwicklung der Störfallinstrumentierung einzubeziehen, steht somit insbesondere für zukünftige Kernkraftwerke mit Druckwasserreaktoren eine Möglichkeit für die messtechnische Überwachung des RDB-Inventars während auslegungsüberschreitender Unfälle bereit. Die Arbeit leistet einen wesentlichen Beitrag auf dem Gebiet der Reaktorsicherheitsforschung sowie für den sicheren Betrieb von kerntechnischen Anlagen.

La forte dépendance du pétrole et les contraintes écologiques et environnementales obligent de nombreux constructeurs automobiles à développer des programmes de recherche importants dans le développement des véhicules électriques (VEs) et des infrastructures associées. Les batteries embarquées dans les VEs peuvent être rechargées par le réseau électrique ou par une autre source d'énergie renouvelable. Dans ce contexte, cette thèse a pour but d'étudier un système de recharge de VEs à partir de l'énergie solaire. Pour ce faire, une étude de dimensionnement du système a été proposée afin d'évaluer les besoins énergétiques des VEs et déterminer les quantités d'énergie nécessaires pour les propulser. Les éléments principaux du système ont été dimensionnés. Il s'agit de panneaux photovoltaïques, de la batterie de stockage (au plomb), et de la batterie de traction (Li-ion). A partir de cette étude de dimensionnement, nous avons pu déterminer la puissance et la quantité d'énergienécessaire pour propulser un VE compte tenu de ses caractéristiques. Pour étudier le comportement des différents éléments du système et analyser leur adéquation avec le processus de recharge, une étude de modélisation a été réalisée, et chaque élément est représenté par un modèle mathématique. L'analyse et la comparaison des résultats obtenus (résultats de simulation et résultats expérimentaux) ont permis de valider les modèles proposés. De même, cette étude de modélisation a permis de valider le choix des composants du système de recharge. Dans le but de gérer efficacement les processus et les planifications de recharge, une étude d'optimisation d'affectation de VEs aux stations de recharge a été effectuée. Pour ce faire, le problème a été formalisé par un programme linéaire avec un objectif à atteindre et des contraintes, liées aux caractéristiques des VEs, des stations de recharge et des conditions de circulation, à satisfaire. Cette approche a permis d'affecter, de manière adéquate et optimale, les VEs aux stations de recharge. / The strong dependence on oil and ecological and environmental constraints force many car manufacturers to develop new research programs for the promotion of electric vehicles (EVs) and associated infrastructures. The embedded batteries into the EVs can be charged by the electrical network or by another source of renewable energy. In this context, the work presented in this thesis aims to study a system of EVs charging using solar energy through photovoltaic panels. To do so, a sizing study of the system has been proposed in order to evaluate the energy needs for an EV and determine the quantity of required energy for its propel. The key elements of the system have been sized: photovoltaic panels, storage battery (Lead-acid) and traction battery (Li-ion). From this sizing study and considering the EV characteristics, we determined the energy quantity required for itspropel. With the aim to study the behavior of each system component and analyze its adequacy with the charging process, a modeling study was conducted, and each element is represented by a mathematical model. The performed analysis and comparison of obtained results (simulation results and experimental results) allowed us to validate the developed models. In addition, this modeling study, allowed the validation of the choice of all components of charging system. In fact, the problem was formalized by a linear program with the aim to assign each EV to an adequate charging station. The assignment takes into account various constraints and characteristics of EVs, as well as those of charging stations, traffic conditions, interest points of drivers, etc. The proposed approach allowed to assign adequately and optimally EVs to charging stations while satisfying all constraints.

Cette thèse vise à étudier l'exploitation du rayonnement solaire grâce à un nouveau concept de mur capteur passif. Dans ce contexte, le comportement thermique d’un mur solaire semi-transparent a été étudié. Le mur fournit un éclairage naturel et est composé d’une couche d’aérogel de silice assurant une isolation thermique et acoustique, et d’un MCP. Ce dernier est contenu dans des briques de verre assurant l’absorption, le stockage et la restitution de chaleur. Ce mur a été caractérisé expérimentalement au centre PERSEE à Sophia. Il a été remarqué que la performance thermique du mur est élevée en hiver, tandis qu’une surchauffe estivale a été rencontrée. Un modèle numérique simplifié a été développé pour modéliser la convection naturelle et le rayonnement pendant la fusion du MCP. Ce modèle est validé à l’aide d’un modèle CFD, et des résultats de Benchmark. Pour optimiser la performance du mur en été, un modèle numérique du transfert de chaleur à travers le mur a été développé sous MATLAB. Ce modèle a été couplé à TRNSYS afin d’évaluer la performance thermique de l'ensemble du bâtiment. Le modèle couplé a été validé expérimentalement. Le comportement thermique du mur est testé dans des différents climats, et des solutions passives sont proposées pour assurer le confort thermique. Enfin, ce modèle a permis d'étudier le comportement thermique annuel d’un bâtiment intégrant un mur MCP- aérogel dans son enveloppe et une étude économique a été réalisée. Ces études ont confirmé l'intérêt du mur vis-à-vis de l'amélioration des performances énergétiques du bâtiment. La faisabilité économique de l'application du mur dépend du climat, du coût d’énergie, et du coût d'investissement. / This thesis aims to study the exploitation of solar radiation thanks to a new concept of passive sensor wall. In this context, the thermal behavior of a novel semi-transparent solar wall has been studied. The wall is composed of glazing, silica aerogel (TIM) and glass bricks filled with fatty acids (PCM). This wall provides storage and restitution of heat, thermal-acoustic insulation and daylighting. The thermal performance of the TIM-PCM wall is tested in a full-sized test cell located in Sophia, PERSEE center. In winter, particularly in sunny cold days, the PCM absorbs solar radiation, melts, and then releases the stored heat to the building at night. During summer, overheating is encountered, the PCM remains in its liquid state and is unable to release the stored heat. A simplified model for PCM melting in presence of natural convection and radiation is developed and validated using a CFD model, and benchmark solutions. Then, a numerical model describing the heat transfer mechanisms through the wall is developed. This model is linked to TRNSYS to assess the thermal performance of the whole building. The MATLAB-TRNSYS model is then validated experimentally. The thermal behavior of the wall is tested under different climates, and passive solutions are proposed to ensure thermal comfort in summer. Finally, the validated model is used to study the annual thermal behavior of a building integrating TIM-PCM wall and an economic study is conducted. These studies confirm the interest of the wall vis-à-vis the improvement of energy performance of the building. The economic feasibility of applying the TIM-PCM wall depends mainly on climate, energy costs, and investment cost.

Alors que certains mécanismes pourtant jugés cruciaux pour la transformation de la pluie en débit restent peu ou mal compris, le concept de connectivité hydrologique a récemment été proposé pour expliquer pourquoi certains processus sont déclenchés de manière épisodique en fonction des caractéristiques des événements de pluie et de la teneur en eau des sols avant l’événement. L’adoption de ce nouveau concept en hydrologie reste cependant difficile puisqu’il n’y a pas de consensus sur la définition de la connectivité, sa mesure, son intégration dans les modèles hydrologiques et son comportement lors des transferts d’échelles spatiales et temporelles. Le but de ce travail doctoral est donc de préciser la définition, la mesure, l’agrégation et la prédiction des processus liés à la connectivité hydrologique en s’attardant aux questions suivantes : 1) Quel cadre méthodologique adopter pour une étude sur la connectivité hydrologique ?, 2) Comment évaluer le degré de connectivité hydrologique des bassins versants à partir de données de terrain ?, et 3) Dans quelle mesure nos connaissances sur la connectivité hydrologique doivent-elles conduire à la modification des postulats de modélisation hydrologique ? Trois approches d’étude sont différenciées, soit i) une approche de type « boite noire », basée uniquement sur l’exploitation des données de pluie et de débits sans examiner le fonctionnement interne du bassin versant ; ii) une approche de type « boite grise » reposant sur l’étude de données géochimiques ponctuelles illustrant la dynamique interne du bassin versant ; et iii) une approche de type « boite blanche » axée sur l’analyse de patrons spatiaux exhaustifs de la topographie de surface, la topographie de subsurface et l’humidité du sol. Ces trois approches sont ensuite validées expérimentalement dans le bassin versant de l’Hermine (Basses Laurentides, Québec). Quatre types de réponses hydrologiques sont distingués en fonction de leur magnitude et de leur synchronisme, sachant que leur présence relative dépend des conditions antécédentes. Les forts débits enregistrés à l’exutoire du bassin versant sont associés à une contribution accrue de certaines sources de ruissellement, ce qui témoigne d’un lien hydraulique accru et donc d’un fort degré de connectivité hydrologique entre les sources concernées et le cours d’eau. Les aires saturées couvrant des superficies supérieures à 0,85 ha sont jugées critiques pour la genèse de forts débits de crue. La preuve est aussi faite que les propriétés statistiques des patrons d’humidité du sol en milieu forestier tempéré humide sont nettement différentes de celles observées en milieu de prairie tempéré sec, d’où la nécessité d’utiliser des méthodes de calcul différentes pour dériver des métriques spatiales de connectivité dans les deux types de milieux. Enfin, la double existence de sources contributives « linéaires » et « non linéaires » est mise en évidence à l’Hermine. Ces résultats suggèrent la révision de concepts qui sous-tendent l’élaboration et l’exécution des modèles hydrologiques. L’originalité de cette thèse est le fait même de son sujet. En effet, les objectifs de recherche poursuivis sont conformes à la théorie hydrologique renouvelée qui prône l’arrêt des études de particularismes de petite échelle au profit de l’examen des propriétés émergentes des bassins versants telles que la connectivité hydrologique. La contribution majeure de cette thèse consiste ainsi en la proposition d’une définition unifiée de la connectivité, d’un cadre méthodologique, d’approches de mesure sur le terrain, d’outils techniques et de pistes de solution pour la modélisation des systèmes hydrologiques. / As core processes of the transformation of rainfall into runoff are not fully understood, the concept of hydrologic connectivity has been put forward to explain why some processes occur episodically, in a very discrete short-lived manner, as a response to intermittent atmospheric water input, storm characteristics and soil moisture storage. Even though emerging as a very powerful tool for explaining the growing numbers of nonlinear hydrologic behaviours documented around the world, the hydrologic connectivity concept raises major issues for future research in catchment hydrology in terms of its definition, its measure, its integration into hydrological models and its scaling in the space and the time domains. The aim of this doctoral work is to precise the definition, the measure, the scaling and the prediction of processes underlying hydrologic connectivity while focusing on the following research questions: (1) What methodological framework should guide investigations of hydrologic connectivity?, (2) How to assess hydrologic connectivity from field data?, and (3) To what extent can the ongoing knowledge acquisition on hydrologic connectivity be used to improve success with hydrological modeling? Three study approaches are discriminated, namely: (i) a black box approach that only relies on rainfall and runoff data without examining the internal catchment behaviour; (ii) a grey box approach based on punctual geochemical data illustrating the catchment internal state; and (iii) a white box approach involving exhaustive spatial patterns of surface and subsurface topographic variables and soil moisture. These three approaches are then tested against field data from the Hermine catchment (Lower Laurentians, Quebec). It is possible to classify the Hermine catchment hydrological responses with regards to their magnitude and their timing, the switching from one response type to another depending on antecedent conditions. It is revealed that high discharge values monitored at the catchment outlet are produced by increased contributions from specific runoff sources, thus hinting towards a reinforced hydraulic linkage and an enhanced degree of connectivity between runoff sources and the stream channel. It is established that saturated areas whose spatial extent exceeds 0.85 ha are critical for high runoff generation. Soil moisture spatial patterns in temperate humid forested catchments are shown to have statistical properties that are very different from those encountered in temperate rangelands; hence the necessity of using different spatial connectivity metrics in these contrasted environments. The co-existence of “linear” and “nonlinear” contributing sources is also illustrated in the Hermine catchment. These results suggest that some concepts should be revised for hydrological modeling purposes. The originality of the present thesis is mainly inherited from its prime focus. The pursued research objectives are in accordance with the future trend in catchment hydrology, especially as hydrologists are urged to move from site-specific experiments and results to more easily generalizable concepts that favour the study of emergent catchment properties such as connectivity. Thus, the major contribution of this thesis is the proposal of a unified definition of connectivity, a comprehensive methodological framework, technical tools and operational ideas for the better performance of hydrological models.

A ce jour, les solutions de stockage d'énergie apparaissent comme des solutions pertinentes permettant d'atteindre les cibles énergétiques futures et de répondre aux exigences environnementales actuelles. Le but de cette thèse est d’optimiser un système de stockage d'énergie thermique innovant basé sur un échangeur eau – matériaux à changement de phase. Ce système est couplé à l’architecture énergétique multi-sources d’un îlot composé de trois bâtiments à énergie positive situé à Lyon : l’îlot HIKARI. Afin de disposer d’un outil numérique robuste pour pouvoir optimiser cette technologie, un modèle numérique du système de stockage d’énergie thermique a été développé dans le but de reproduire le comportement du système de stockage de référence. Une fois fini, le modèle a été validé en trois étapes: une numérique et deux expérimentales. Dans un premier temps il a été validé numériquement, en comparant ses résultats avec un modèle conçu en adoptant une approche numérique différente (« Computational Fluid Dynamics »), dans un second temps il a été validé à l’échelle réelle en exploitant les données in-situ du système de HIKARI. Enfin, le modèle numérique a été validé expérimentalement grâce à un prototype expérimental conçu et réalisé à l’ENTPE dans le cadre des travaux de cette thèse reproduisant le comportement du système de stockage étudié. Après avoir été validé, le modèle a été utilisé pour procéder à l’optimisation de sa performance en utilisant la technique des algorithmes génétiques. L’analyse des résultats de ces simulations a notamment abouti sur des recommandations de dimensionnement et d’usage pour l’Ilot HIKARI et des bâtiments futurs intégrant la technologie de stockage étudiée. La thèse a été financée par l’Agence de l’environnement et de la maîtrise de l’énergie (ADEME) dans le cadre du projet « Optimisation des architectures Énergétiques multi-sources couplées aux techniques avancées du stockage d'énergie dans le bâtiment » en partenariat avec Bouygues immobilier et Manaslu – CMDL. / One of the most promising technics used in building applications for energy efficiency purposes is the thermal energy storage (TES). Despite the thorough research on TES techniques of the last years, the release to market of cost effective technologies is quite recent. The aim of this study is to optimize the energetic behavior of an innovative TES technology consisting on a water/PCM exchanger that is part of the multi-energy production and storage systems of HIKARI, a positive energy district located in Lyon and consisting of three buildings. In order to optimize this innovative technic, a numerical model reproducing the functioning of the reference system was created. In order to make a numerical validation a second numerical model was developed using a different software based on a different numerical method and, once the in situ data obtained from the reference system monitoring, a first experimental validation was obtained. Subsequently, an innovative experimental prototype reproducing the behavior of the reference PCM-Water heat exchanger has been realized, in order to validate and calibrate the numerical model and carry out a large amount of operating scenarios. Once the model numerically and experimentally validated, the optimization of the HIKARI’s cold storage system technology has been obtained using Genetic Algorithms (GAs) finding the best values to allocate to four characteristics of the cold storage system, in order to minimize two predefined objective functions linked to its functioning. This work was supported by the French Agency for Environment and Energy Management (ADEME) and it was part of the project “Optimization of innovative energy storage technologies when coupled to multi-sources energy architectures”, in cooperation with Bouygues immobilier and Manaslu – CMDL.