Le travail mené dans cette thèse porte sur la consommation d’énergie, et plus particulièrement le chauffage dans le logement social. Il vise à (i) analyser l'influence des caractéristiques de bâtiments des indicateurs socio-économiques des occupants sur la consommation de chauffage et (ii) à développer des modèles numériques pour la prédiction de cette consommation. La recherche est basée sur des données fournies par le Lille Métropole Habitat, qui est en charge de la gestion d'un grand parc de logement social à Lille Métropole. La thèse comprend quatre parties. La première présente une analyse bibliographique, qui couvre le logement social en Europe, notamment en France, les facteurs qui affectent la consommation d'énergie dans le logement social et les politiques proposées pour les économies d'énergie dans ce secteur. La deuxième partie présente les données utilisées dans ce travail, qui ont été fournies par LMH. Ces données concernent un grand parc de logement social à Lille Métropole (Nord de la France). Elles comprennent les dépenses de chauffage, des caractéristiques des bâtiments et des indicateurs socio-économiques sur les occupants. La troisième partie présente une analyse de l'influence des caractéristiques des bâtiments (âge, DPE, superficie et nombre d'étages) et des paramètres socio-économiques des occupants (âge, situation matrimonial et revenues) sur la consommation de chauffage. La dernière partie présente l'élaboration des modèles de prévision des dépenses de chauffage dans le parc de LMH et l'utilisation de ces modèles pour la politique de rénovation. Deux méthodes sont utilisées: La Méthode des Moindres Carrés (OLS) et les Réseaux de Neurones Artificie. / The research conducted in this doctoral thesis concerns a major socio-economic issue, that of the heating consumption in social housing. It aims at understanding the influence of both building characteristics as well as socio-economic indicators on the heating consumption in this sector and the development of numerical models for the prediction of this consumption. The research is based on data provided by Lille Métropole Habitat, who is in charge of the management of a large social housing stock in Lille Metropolis. The thesis includes four parts. The first part presents a literature review which covers the social housing in Europe, in particular in France, the factors affecting the energy consumption in social housing, and policies proposed for the energy saving in this sector. The second part presents the data used in this work that are provided by LMH. The data concern a large social housing stock in Lille Metropolis (North of France). They include heating expenses as well as the buildings characteristics and some socio-economic indicators on the tenants. The third part presents analysis of the influence of both building characteristics (age, DPE, dwellings’ area, number of floors) and socio-economic parameters (tenants’ age, marital status and income) on the heating consumption. The last part presents the elaboration of prediction models for the heating expenses in the LMH housing stock and the use of these models to analyze the investment policy in the renovation of this stock. Two methods are used: the classical Ordinary Least Squares method (OLS) and the Artificial Neural Networks.

Selon les objectifs d’efficacité énergétique à l’horizon 2020 en France, le secteur du bâtiment évolue vers des constructions dites à « énergie positive ». Ces nouveaux enjeux imposent l’intégration de nouvelles composantes aux aspects architecturaux et techniques, ainsi qu’une rupture dans les modes de conception et d’évaluation d’un projet. Mais la recherche de la performance énergétique dépend d’instruments numériques de mesure qui ne sont parfois pas adaptés à la démarche de conception des architectes, ce qui se traduit par la difficulté de mettre en cohérence le projet architectural et les objectifs de performance énergétique.L’objectif de ce travail est d’analyser la complexité de l’intégration des aspects énergétiques dans les différentes phases du processus de conception, afin de proposer une démarche qui permette d’optimiser la performance énergétique. Pour étudier ces questions, nous proposons d’analyser et de reconstituer la démarche de conception de l’architecte d’un point de vue méthodologique, pour aborder postérieurement la question de l’optimisation de la performance énergétique à l’aide d’outils numériques.L’étude du processus de conception permet d’évaluer l’impact de la composante énergie et son importance dans les phases initiales dans la démarche du concepteur. L’analyse systémique des aspects énergétiques montre l’interrelation entre les problématiques générales et les différents choix de conception. La formulation d’une stratégie de conception à travers un outil méthodologique, nous permet de proposer une démarche d’optimisation de la performance énergétique basée sur la structure morphologique du bâtiment.Cette approche ouvre de nouvelles perspectives méthodologiques dans la conception de bâtiments à énergie positive. La complexité des relations entre l’énergie, la morphologie des bâtiments, les outils numériques seraient en train de modifier le processus de conception en architecture et la future organisation des ensembles urbains. / According to the French energy efficiency target for 2020, the building industry is moving towards "positive energy". These new challenges require the integration of new components to architectural and technical aspects, as well as a break in the methods of design and evaluation of the project. But the research for energy efficiency depends of digital measurement instruments which are not adapted to the design process of architects, which results in the difficulty of consistency between architectural and energy performance targets.The objective of this work is to analyze the complexity of integrating energy issues in the design process, to propose a methodological approach which optimizes energy efficiency. To address these issues, we propose to analyze and reconstruct the design process from a methodological point of view, later to study the optimization of energy performance using digital tools.The study of the design process shows the impact of the energy component and its important role in the early stages of the design process. The methodological analysis of energy issues shows the interrelation between general principles and design decisions. The formulation of a design strategy using a methodological tool allows us to propose an approach for optimizing the energy performance based on the morphological structure of the building.This approach opens new methodological perspectives in the design of positive energy buildings. The complexity of the relationship between energy, the morphology of buildings and the use of digital tools would be changing the design process in architecture and the future organization of urban complexes. / De acuerdo con los objetivos de eficiencia energética para el año 2020 en Francia, la industria de la construcción se dirige hacia las construcciones de "energía positiva". Estos nuevos desafíos exigen la integración de nuevos componentes a los aspectos arquitectónicos y técnicos del proyecto, así como una ruptura en sus métodos de diseño y evaluación. Pero la optimización de la eficiencia energética depende del uso de herramientas digitales de medición que usualmente no se encuentran adaptadas al proceso de diseño arquitectónico, lo que dificulta la coordinación entre el proyecto arquitectónico y los aspectos energéticos.El objetivo de este trabajo es analizar la complejidad de la integración de la componente energética en el proceso de diseño, proponiendo un enfoque que permita optimizar la eficiencia energética. Para estudiar este tema, se propone analizar y reconstruir el proceso de diseño del arquitecto desde un punto de vista metodológico, para abordar posteriormente la problemática de la optimización de la eficiencia energética a través de herramientas digitales.El estudio del proceso de diseño muestra el impacto de la energía y su importancia de las primeras etapas del proceso de diseño. El análisis metodológico de los aspectos energéticos muestra la interrelación entre los temas principales y las decisiones de diseño. La formulación de una estrategia de diseño utilizando una herramienta metodológica permite proponer un enfoque para la optimización de la eficiencia energética basado en la estructura morfológica del edificio.Este enfoque abre nuevas perspectivas metodológicas en el diseño de edificios de energía positiva. La complejidad de las relaciones entre la energía, la morfología de los edificios y el uso de herramientas digitales estarían cambiando el proceso de diseño y la organización futura de los complejos urbanos

Les services d'efficacité énergétique sont en forte croissance en Europe mais leur rôle est encore limité. Afin d'évaluer leur potentiel futur en termes d'économies, nous étudions d'abord les mécanismes politiques, économiques et environnementaux ayant soutenu leur développement. Le marché des énergies de réseau presque totalement libéralisé est donc analysé et comparé à la situation antérieure. En introduisant l'incertitude dans les prix, cette nouvelle donne sensibilise davantage les utilisateurs au coût réel de l'énergie. Pour les clients qui en profitent, les « contrats de performance énergétique » limitent l'impact de ces incertitudes en garantissant financièrement un résultat. En modélisant ces contrats, d'exploitation/maintenance notamment, nous prouvons qu'ils transfèrent également les risques technique et financier vers le prestataire facilitant la réalisation des économies potentielles. Ces contrats sont relativement fréquents en matière de chauffage ou d'air comprimé mais quasiment inexistants en climatisation. Garantir sur le long terme le rendement énergétique en climatisation requiert des méthodes permettant (1) de maîtriser le process et ses performances et (2) de chiffrer précisément le potentiel et ses coûts d'obtention. Un audit énergétique est donc inévitable, pour lequel nous proposons une procédure. Les conclusions des audits menés montrent que ce potentiel se trouve principalement au niveau de la régulation et de la gestion des appareils. Ces optimisations ne sont pas toujours mises en oeuvre par manque d'incitation contractuelle et par la faiblesse des procédures d'audit. Par l'intervention d'un expert indépendant, la future inspection périodique et obligatoire des installations de climatisation doit permettre de contrôler et de limiter ces pratiques. Une méthode d'analyse en trois étapes est donc conçue pour maximiser le potentiel de cette mesure et pour pouvoir tirer pleinement profit de ce type de contrats.

Depuis 1974, date de l'apparition des exigences thermiques sur les bâtiments en France, les réglementations thermiques n’ont cessé d'évoluer pour rendre les bâtiments de plus en plus performants énergétiquement. Aujourd'hui, il apparaît nécessaire d'introduire d'autres indicateurs que la seule consommation d'énergie comme critère de performance d'un bâtiment.L'évaluation environnementale des bâtiments se base sur l'analyse de cycle de vie (ACV). A l'heure actuelle, il existe différents logiciels dédiés à l'ACV bâtiment avec leurs données, leurs méthodologies et leurs indicateurs propres.Par ailleurs, le développement des bâtiments producteurs d'énergie et des systèmes de gestion de la demande électrique soulève de nouvelles problématiques. En effet, l'approche actuelle en ACV tend à utiliser des résultats de simulations thermiques agrégés à l'année alors que pour évaluer les avantages et inconvénients de tels systèmes une granulométrie temporelle plus fine est plus adaptée.Les travaux de cette thèse portent plus particulièrement sur le calcul des impacts environnementaux de la consommation d'énergie en phase d'utilisation et visent à répondre aux problématiques suivantes :Comment, à partir d'un bilan énergétique exhaustif, peut-on récupérer l'information nécessaire à l'évaluation de l'énergie utilisée tout au long du cycle de vie d'un bâtiment ?Par la suite, quelles données environnementales pertinentes peut-on lui affecter ?Comment exprimer et afficher les résultats des impacts liés à cette utilisation d'énergie ?Ainsi, pour les bâtiments producteurs d'énergie, l'échelle de temps à laquelle doit être effectué le bilan énergétique (calcul import/export/autoconsommation) pour évaluer de manière correcte les impacts environnementaux liés à l'usage d'énergie est identifiée. De plus, un bâtiment peut utiliser des énergies renouvelables en profitant de la synergie que peut créer un ensemble de bâtiments, (mutualisation des productions en utilisant les meilleurs emplacements, foisonnement des consommations qui permet une éventuelle meilleure autoconsommation de la production). La manière dont le bilan import/export doit être effectué dans ce cas est déterminée.Les variabilités temporelles et spatiales des mix énergétiques utilisés dans le bâtiment à court et moyen terme sont caractérisées pour mettre en évidence leur influence sur les impacts environnementaux. Puis, l'utilisation de facteurs de caractérisation dynamique sur des cas d'études permet de mieux cerner les potentialités de l'ACV dynamique dans le bâtiment.Enfin, les différences dues aux méthodologies de prise en compte de l'énergie produite localement sur l'expression des résultats d’ACV sont présentées. Par ailleurs, la sensibilité des résultats d'ACV et des valeurs de référence à la variabilité de la donnée environnementale du mix électrique est exposée. / In France, since 1974 when the first thermal regulation on buildings appeared, thermal regulations have never stopped evolving in order to make more and more energy efficient buildings. Today, it is necessary to add new indicators, and not only energy, to describe building performance.Life Cycle Assessment (LCA) is the basis for buildings environmental assessment. Several building LCA software currently exist; they have their own methodologies and indicators.Besides, the development of buildings producing energy and of electrical load management systems raises new questions. Indeed, the current LCA practice use results from dynamic energy simulation at yearly level whereas assessing benefits and drawbacks of such systems has to be done with a smaller time step.This thesis is particularly focused on the calculation of the environmental impacts from energy consumption during the building use phase and aims to answer the following questions:From a complete energy balance, how can we extract information necessary to the assessment of energy consumption during the building life cycle?Then, which environmental data are relevant and should be assigned?How can you express and display impacts linked to energy use?Thus, for buildings producing energy, the time step that should be used for the energy balance (i.e. differentiation between energy consumed on site, exported and imported) in order to assess properly environmental impacts of energy consumption is identified. Moreover, a building can benefit from renewable energy sharing and thus, the way to realize the energy balance for building block is determined.Temporal (short and long term) and spatial variations of energy mixes used in a building are characterized in order to show their influence on the environmental impacts. Then, the use of dynamic characterisation factors on case studies allows to better understand the potentials of dynamic LCA for buildings.Last but not least, the differences between methodologies to handle onsite energy production on the results are presented. Besides, the sensibility of the LCA results and reference values to the variation of the electricity mix environmental data is displayed.

La performance environnementale des produits influence largement la performance des systèmes. De plus, les systèmes présentent encore un potentiel d'économie d'énergie inexploité pour la performance environnementale globale, comparé aux produits individuels qui les composent.L'objectif de ce travail est de proposer une approche pour l'évaluation de performance énergétique de systèmes, en tenant compte d'information / de données livrées par les politiques européennes de produits (Directives Eco-conception et Étiquetage énergétique, Verdissement des marchés publics, Ecolabel Européen). L'hypothèse considérée ici est que les politiques environnementales des produits, qui ont été très utiles pour faciliter un système de notation homogène sur le marché européen des produits, peuvent également être avantageusement utilisées dans une démarche visant pour évaluer la performance énergétique des systèmes.Ce travail de recherche propose une méthode simplifiée pour soutenir la conception de systèmes de chauffage performants en utilisant les données des politiques environnentales de produits de l'Union Européenne, disponibles en phase de conception. Tout d'abord, une modélisation du système avec une approche "top-down" est utilisée pour prendre en compte les aspects système (conditions géographiques, caractéristiques du bâtiment, etc.). Deuxièmement, la performance énergétique du système est calculée à partir d'une approche "bottom-up", à partir de la performance des produits et des sous-systèmes composant le système. La méthode comporte 5 étapes divisées en deux phases principales: diagnostic du système initial et amélioration. La méthode est supportée par un outil de calcul original qui détermine les paramètres énergétiques (demande d'énergie, consommation d'énergie et rendement énergétique) au niveau du système en utilisant les données de performance telles que documentées par les politiques produits de l'Union Européenne. La méthode permet d'évaluer la performance d'un système de chauffage en définissant les systèmes les plus mauvais et les meilleurs possibles. La méthode est flexible et permet d'évaluer différentes configurations de produits et peut donc soutenir les activités de conception des systèmes de chauffage de bâtiment.La méthode est testée sur une étude de cas, la re-conception conception d'un système de chauffage existant d'une habitation dans le nord de l'Italie, incluant un système d'eau chaude sanitaire solaire et un système de chauffage des locaux. L'étude de cas démontre le potentiel d'amélioration du système de chauffage basé sur les résultats produits par la méthode, en aidant à sélectionner les produits actuellement disponibles sur le marché. En outre, sur la base de l'évaluation, plusieurs variantes de re-conception peuvent être proposées combinant différentes performances des produits qui composent les systèmes de chauffage. La thèse analyse également l'évolution des différentes approches adoptées par les politiques de produits de l'Union Européenne (approche produit, approche produit étendu et approche système). En particulier, le concept de "package" (ou produits combinés) défini dans les réglementations d'étiquetage énergétique des systèmes de chauffage est étudié en détail. L'étiquette du "package" du règlement 811/2013 est mise en œuvre dans la même étude de cas, de sorte que les résultats puissent être comparés à ceux des sections précédentes. Il est démontré que le concept de "package" peut également soutenir les décisions prises dans la phase de conception du système de chauffage, en particulier dans la sélection des composants appropriés en fonction de l'estimation de la performance du système. En outre, le chapitre 6, composé essentiellement d'un article publié dans un journal scientifique, analyse le lien entre les politiques publiques européennes relatives aux produits du bâtiment et celles liées à la performance énergétique des bâtiments: il est conclu qu'elles pourraient être mieux alignées. / Environmental performances of products largely influence performances of systems. Moreover, systems have still an untapped energy-saving potential concerning environmental performances at system level rather than at the level of the individual products of which they are composed.The objective of this work is to propose an approach to deal with energy performance assessments at system level considering information/data from European product policies (Ecodesign, Energy Labels, Green Public Procurement and EU Ecolabel). The hypothesis here is that environmental product policies, that have been very useful in facilitating a homogeneous rating scheme in the EU market for individual products, can also be advantageously used in a method to assess the energy performance of systems.This research work proposes a simplified method for supporting the design of good performing heating systems using data from EU product policies, which is available during the design stage. Firstly, a system modelling with a top-down approach is used so that system aspects (geographical conditions, building characteristics, etc.) are regarded. Secondly, the system energy performance is calculated from a bottom-up approach so that, from the performance of the products and sub-systems composing the system. The method has 5 steps divided in two main phases: diagnostic of the initial system and improvement. The method is supported by an original calculation tool which determines the energy parameters (energy demand, energy losses, energy consumption and low-emission energy efficiency) at system level using performance figures from EU product policies. It helps assessing how good a heating system is by setting worst, benchmark and best possible systems. The method is flexible, and allows different product configurations to be assessed and can hence support the design activities of heating systems.The method is tested on a real case study, the re-design of existing heating systems of a dwelling in north Italy, including a solar hot water system and a space heating system. The case study demonstrates the potential of improvement of the heating systems based on the results produced by the method, by helping selecting products currently available in the market. In addition, based on the assessment, several improved design alternatives can be proposed combining different performances of the products which compose the heating systems.The dissertation also analyses the evolution of the different approaches of EU product policies (product, extended product and system). In particular, the package concept set in the energy labelling regulations of heating systems is studied in detail. The package label of Regulation 811/2013 is implemented on the same prior case study so that results can be compared with the ones of previous sections. It is shown that the package concept can also support decisions made in the building design phase especially in the choice of appropriate components based on estimation of system performances. In addition, the peer-reviewed paper analyses the link of building-related product policies with the Energy Performance of Buildings Directive, and it is concluded that they should be somehow better aligned.

Dans un contexte de réduction des émissions de gaz à effet de serre et de raréfaction des ressources fossiles et fissiles, l'énergie solaire est l'une des sources d'énergie les plus prometteuses. La quantité d'énergie renouvelable dans le futur paysage énergétique dépend de sa disponibilité, de son coût et de son niveau d'efficacité. Plusieurs enjeux limitent actuellement le développement de l'énergie solaire. Parmi eux, l'élévation de la température des cellules induit une dégradation du productible d'environ 12% dans le cas général. En dépit de ce constat, la structure actuel des modules PV n'a pas variée depuis sa création dans les années 70. L'objectif de cette thèse est d'évaluer les facteurs d’impact qui gouverne l'élévation de la température du module PV en vue d’identifier les moyens de la réduire de manière significative. Un modèle multi-physique est construit pour prédire le comportement du module dans les conditions environnementales de production. Le modèle thermique est basé sur la radiation en milieu semi-transparent. Cette caractéristique conduit à déterminer les équations généralisées de Fresnel pour les milieux absorbants. Cela nous autorise à déterminer la caractéristique spectrale et angulaire de l’émissivité du verre. Le modèle de couplage optique-thermique-électrique est comparé aux mesures en conditions réelles et est capable de prédire le comportement du module sur une période de vingt-quatre heures. Le modèle est en mesure d’évaluer le gain obtenu en optimisant les composants du module. Une étude paramétrique identifie enfin les différentes améliorations permettant d’obtenir une réduction de la température de fonctionnement des modules PV. Cette thèse inclut un état de l'art (chapitre 1), une étude du transfert de chaleur radiative à l'échelle du module PV (chapitre 2), la description détaillée du modèle multiphysique (chapitre 3), l'étude du module PV au travers de la modélisation (chapitre 4), une étude paramétrique (chapitre 5) et une conclusion (chapitre 6). / In the context of greenhouse gas emissions and fossil and fissile resources depletion, solar energy is one of the most promising sources of power. The amount of renewable energies in the future energy mix depends on their availability, on their cost and on their level of efficiency. Various issues still limit the development of the solar energy. Among them, the temperature elevation into the module induces an efficiency degradation of 12% in standard cases. In spite of this statement, the actual solar module structure has not changed since its creation in the seventies, and the technologies are still evaluated at room temperature. The objective of this thesis is to study the impact factors which govern the module temperature elevation in order to identify ways to apply a significant reduction. A multi-physics modeling is built in order to predict the module behavior depending on the environmental conditions. The thermal modeling is grounded on the radiation into participating media. This feature leads to the determination of generalized Fresnel equation for absorbing media. It allows us to determine a spectral and hemispherical value of the glass emissivity. The optical-electrical-thermal modeling has been compared to measurement in real conditions and is able to predict the module behavior over a one-day period. It allows the evaluation of the gain obtained by optimizing the module components. A parametrical study identifies several improvements to lower the module operating temperature. The PhD work includes a state-of-the-art study (chapter 1), a study of the radiation heat transfer at PV module scale (chapter 2), the details of the multiphysics modeling (chapter 3), the study of the PV module through the modeling (chapter 4), a parametrical study (chapter 5) and a conclusion (chapter 6).

Les écarts communément observés entre les prévisions de consommations énergétiques et les performances réelles des bâtiments limitent le développement des projets de construction et de réhabilitation. La garantie de performance énergétique (GPE) a pour vocation d’assurer des niveaux de consommations maximaux et donc de sécuriser les investissements. Sa mise en place fait cependant face à plusieurs problématiques, notamment techniques et méthodologiques. Ces travaux de thèse se sont intéressés au développement d’une méthodologie pour la GPE associant les outils de simulation énergétique dynamique (SED) à un protocole de mesure et vérification. Elle repose d’abord sur la modélisation physico-probabiliste du bâtiment. Les incertitudes sur les paramètres physiques et techniques, et les variabilités des sollicitations dynamiques sont modélisées et propagées dans la SED. Un modèle de génération de données météorologiques variables a été développé. L’étude statistique des résultats de simulation permet d’identifier des modèles liant les consommations d’intérêt à des facteurs d’ajustement, caractéristiques des conditions d’exploitation. Les méthodes de régression quantile permettent de déterminer le quantile conditionnel des distributions et caractérisent donc conjointement la dépendance aux facteurs d’ajustement et le niveau de risque de l’engagement. La robustesse statistique de ces méthodes et le choix des meilleurs facteurs d’ajustement ont été étudiés, tout comme l’influence des incertitudes sur la mesure des grandeurs d’ajustement en exploitation. Leur impact est intégré numériquement en amont de la méthodologie. Cette dernière est finalement mise en œuvre sur deux cas d’étude : la rénovation de logements, et la construction de bureaux. / Discrepancies between ex-ante energy performance assessment and actual consumption of buildings hinder the development of construction and renovation projects. Energy performance contracting (EPC) ensures a maximal level of energy consumption and secures investment. Implementation of EPC is limited by technical and methodological problems.This thesis focused on the development of an EPC methodology that allies building energy simulation (BES), and measurement and verification (M&V) process anticipation. The building parameters’ uncertainties and dynamic loads variability are considered using a Monte-Carlo analysis. A model generating synthetic weather data was developed. Statistical studies of simulation results allow a guaranteed consumption limit to be evaluated according to a given risk. Quantile regression methods jointly capture the risk level and the relationship between the guaranteed energy consumption and external adjustment factors. The statistical robustness of these methods was studied as well as the choice of the best adjustment factors to consider. The latter will be measured during building operation. The impact of measurement uncertainties is statistically integrated in the methodology. The influence of M&V process accuracy is also examined. The complete EPC methodology is finally applied on two different projects: the refurbishment of a residential building and the construction of a high energy performance office building.

Le chauffe-eau thermodynamique (CET), dont le principe repose sur une pompe à chaleur (PAC), est l’une des principales solutions pour répondre à l’enjeu de réduction des consommations énergétiques des bâtiments liées à l’eau chaude sanitaire. Le CET le plus courant sur le marché français est composé d’une PAC sur air extérieur, au R134a, dont le condenseur est de type manteau, entourant le ballon de stockage. Bien que le système arrive à maturité, les performances annuelles semblent encore loin des performances théoriques. Cette thèse a donc pour objectif l’optimisation des performances énergétiques des CET, en partant du CET standard français, selon un principe de compromis technico-économique. Pour cela, un modèle détaillé du CET standard est élaboré. La PAC est modélisée sous Dymola à l’aide de la bibliothèque TIL. Le ballon de stockage est modélisé par une combinaison d’une approche zonale et d’un modèle 1D. Ce modèle détaillé est calibré et validé expérimentalement grâce à des essais d’un CET standard réalisé en enceintes climatiques. Ce modèle est ensuite utilisé pour identifier les principaux gisements d’économie d’énergie. Une première analyse permet d’identifier les paramètres les plus influents sur les performances du CET. Cette sélection conduit ensuite à l’élaboration d’un modèle simplifié, plus apte à étudier des périodes longues de fonctionnement en intégrant des critères de coût et de confort. Une étude spécifique, à l’aide d’un algorithme génétique, permet d’évaluer le potentiel d’optimisation lié au pilotage du CET. Une étude multi-paramétrique montre ensuite que le design des échangeurs joue également un rôle important. Les résultats de ces deux voies prometteuses d’optimisation du CET étant inter-dépendants, une dernière partie consiste en une étude multi-critère. Les résultats montrent qu’avec la nouvelle configuration proposée sont obtenus, un meilleur confort thermique sur une plus large gamme de scénario, une augmentation de COP moyenne annuelle de 37 % et une réduction moyenne de facture électrique de 30 %. / Heat Pump Water Heaters (HPWH) are efficient and fast-developing sanitary hot water production systems relying on a heat pump thermodynamic cycle for heat generation, consequently offering a considerable energy saving potential in the buildings sector. The most forthcoming HPWH on the French market are Air-Source Heat Pump Water Heaters (ASHPWH) composed of an exterior air source R134a heat pump and using a wrap-around type condenser, surrounding the thermal storage tank (TST). However, it is found that although these ASHPWH have reached an important level of maturity, it seems that there is still room for improvement of their energy performance. Consequently, the main objective of this PhD thesis is to search for optimization pathways, starting of from the reference ASHPWH on the French market, leading a better technical and economical compromise in terms of ASHPWH design. To reach this objective, a detailed model is first developed using Dymola (Modelica langage). This model comprises of a zonal model and a 1D model for the TST associated to an air source heat pump modeled with the TIL thermal component modeling library. After model calibration, the model is validated thanks to a large set of experimental tests carried out on a standard ASHPWH in climatic cells. The validated model is then used to identify optimization pathways by carrying out annual simulations and identifying energy performance improvement potentials. It is found out that both thermodynamic cycle performance and improved ASHPWH control logics are major contributors to the final energy performance. Both being highly interdependent and impacting energy performances, but also comfort and ASHPWH cost, the last part of the study consists of a multi-criteria optimization. Finally, a new ASHPWH design is proposed achieving better thermal comfort upon a large variety of user draw-off profiles, achieving a 37 % average annual energy saving and a 30 % reduction of the electrical bill.

Cette étude s’inscrit dans le cadre du projet "ANR-Villes Durables VegDUD : Rôle du végétal dans le développement urbain durable ; une approche par les enjeux liés à la climatologie, l’hydrologie, la maîtrise de l’énergie et les ambiances" (2010-2013). Elle traite de la modélisation et de l’expérimentation de toitures et de façades végétales, en vue de l’évaluation de leurs impacts hygrothermiques sur les bâtiments et sur les microclimats urbains. Un modèle physique a été développé pour décrire les mécanismes de transferts couplés de chaleur et de masse au sein de la paroi végétale. L’implémentation de ce modèle dans un code de simulation thermique dynamique permet de prédire l’impact de la végétalisation sur la performance énergétique des bâtiments. L’extension de cette démarche à l’échelle d’une rue-canyon permet d’inclure l’interaction microclimatique dans la simulation thermohydrique des bâtiments. Sur le plan expérimental, une maquette reconstituant une scène urbaine est mise en place pour étudier l’impact de différentes typologies de parois végétales dans plusieurs configurations microclimatiques. La confrontation des résultats expérimentaux et ceux issus de la modélisation numérique a été entreprise à l’échelle du système constitué du bâtiment et du microclimat urbain environnant. Pour cela, l’étude du comportement d’un bâtiment et d’une rue végétalisés par rapport au comportement du même bâtiment et d’une rue témoins a permis d’évaluer l’incidence des transferts thermiques, hygrométriques et radiatifs de la végétalisation. Ceci a permis d’entreprendre la validation des outils de prédiction numérique développés. Les résultats de l’étude montrent que les transferts thermiques et hydriques sont fortement couplés et que le comportement thermique des parois végétales est tributaire de l’état hydrique du substrat de culture. Pour l’été comme pour l’hiver, les simulations numériques et les données expérimentales montrent que la végétalisation permet d’améliorer la performance énergétique des bâtiments et de réduire les îlots de chaleur urbains. / This study was conducted in the framework of the National Program "ANR-VegDUD Project : Role of vegetation in sustainable urban development, an approach related to climatology, hydrology, energy management and environments" (2010 -2013). It deals with the experimental and numerical modeling of green roofs and green facades to evaluate their thermohydric effects on buildings and urban microclimates. A physical model describing the thermal and water transfer mechanisms within the vegetated building envelopes has been developed. The model’s program has been implemented in a building simulation program. Using this tool, we are able to predict the impact of green roofs and green facades on building energy performance. This approach is extended to the street canyon in order to assess the microclimatic interaction in building simulation. An experimental mockup modeling an urban scene at reduced scale is designed to study the impact of different types of green roofs and walls. The comparison of the measurements carried out on vegetated buildings and streets with the reference highlights the hygrothermal and radiative impacts of vegetated buildings envelopes. In addition, these experimental data are used to verify and validate the reliability of developed tools. The results show that thermal and water transfers are strongly coupled. Hence, the thermal behavior of green roofs and green walls depend on the water availability within the growing medium. In summer and winter, measurements and numerical simulations show that green envelopes improve the energy efficiency of buildings and reduce the urban heat island.

La thèse vise à établir une gestion du risque technologique optimal pour assurer la réduction des dangers de nouveaux risques émergents, sans entraver le chemin de l'innovation. Les travaux de recherche apportent une contribution aux stratégies ex-ante et ex-post de la gestion des risques et fournissent des données théoriques et empiriques pour aborder la gestion des nouveaux risques émergents. La première partie de la thèse examine, du point de vue juridique et économique, l'efficacité de la règle de la responsabilité civile lorsque le décideur manque d'information sur la probabilité d'un événement. La deuxième partie de la thèse porte une attention particulière à la transition énergétique en France afin de se concentrer sur l'assurabilité de la performance énergétique dans le secteur du logement. Les résultats théoriques et expérimentaux de la première partie de la recherche attestent d'une forte validité empirique selon laquelle le droit de la responsabilité civile ne peut pas fournir des incitations optimales ex-ante en absence d'information sur la probabilité d'accident. Les régimes de la responsabilité illimitée et limitée conduisent à un surinvestissement dans la prévention par rapport aux nouveaux risques émergents. Les résultats empiriques de la deuxième partie de la thèse révèlent que 23,75% des ménages, qui ont participé au programme de rénovation "Je Rénove BBC", ne peuvent pas atteindre l'objectif d'énergie prévu, mais l'amplitude de l'écart de performance énergétique est relativement faible. Les résultats des travaux de recherche impliquent plusieurs recommandations politiques pour gérer les nouvelles technologies émergentes dans le futur. / The thesis aims to establish an optimal technological risk management to ensure hazard reduction of new emerging risks without impeding the innovation path. The research work contributes to ex-ante and ex-post risk management strategies and provides theoretical and empirical evidence to address the management of new emerging risks. The first part of the thesis examines, from the perspective of Law and Economics, the effectiveness of the tort liability rule for the situation where the decision maker is lacking information about the probability of an event to occur. The second part of the thesis pays particular attention to the environmental energy transition in France and focus on the insurability of the energy performance in the housing sector. The theoretical and experimental findings from the first part of the research convey strong validity that tort law cannot provide ex-ante optimal incentives when there is lacking information about the probability of accident. The regime of unlimited and limited liability leads to overinvestment in prevention in regard to new emerging risks. The empirical results of the second part of the thesis reveal that 23.75% of households participated in the weatherization program "Je Rénove BBC" do not achieve the required energy target but the severity of the energy performance gap is relatively low. The findings of the research work imply several policy recommendations to manage new emerging technologies in the future.