L’entrée des polluants gazeux du sol (Radon, COV,…) dans les environnements intérieurs peut occasionner des risques sanitaires significatifs. Or les modèles d’évaluation de risques sanitaires liés à ces polluants gazeux du sol contiennent beaucoup d’incertitudes qui peuvent conduire à une mauvaise appréciation des risques. Dans un premier temps, cette thèse contribue à l’amélioration des modèles d’évaluation des risques. Dans un second temps, elle propose le développement d’un modèle de dimensionnement des Systèmes de Dépressurisation du Sol (SDS) passifs utilisés pour protéger les bâtiments des pollutions gazeuses venant du sol. L’amélioration des modèles a porté sur la prise en compte des principaux phénomènes de convection et diffusion à l’interface entre le sol et le bâtiment, en tenant compte des différentes typologies de soubassement. La première contribution porte sur le développement de modèles analytiques fournissant les débits d’air dus à la convection à travers le sol pour différents types de soubassement : dallage indépendant, dalle portée, vide sanitaire et cave. Les bâtiments avec des murs enterrés et les soubassements avec un lit de gravier sous le plancher bas sont également traités. Une méthodologie permettant la prise en compte de la fissuration et des points singuliers du plancher bas est aussi proposée. La deuxième contribution porte sur la prise en compte du transfert couplé des polluants des sols par convection et diffusion auprès des fondations. Une étude numérique a permis une meilleure compréhension du comportement des polluants à l’interface sol/bâtiment. Sur la base de cette compréhension, des lois semi-empiriques d’estimation des flux d’entrée de polluant dans les bâtiments sont proposées. Les différents modèles développés ont été validés numériquement avec un modèle CFD et expérimentalement avec des données issues de la littérature. La confrontation de ces modèles avec ceux existants a montré les améliorations apportées. L’impact de la typologie du soubassement sur le transfert de polluants gazeux des sols a été constaté. Une première application des modèles est illustrée par leur intégration dans un code de simulation thermo-aéraulique multizone afin de pouvoir étudier l’impact de ces polluants sur la qualité de l’air intérieur. Ce travail se termine par le développement d’un modèle de dimensionnement des Systèmes de Dépression du Sol (SDS) passifs. Ce modèle aéraulique de dimensionnement des SDS a été validé par des mesures effectuées au CSTB dans une maison expérimentale. Les premières applications du modèle de dimensionnement portent notamment sur l’impact de la météorologie (vent et tirage thermique) sur le fonctionnement du SDS passif et sur l’impact des stratégies de ventilation du bâtiment sur le fonctionnement du SDS passif. On voit ainsi l’intérêt de l’utilisation d’un tel modèle pour tester l’aptitude de ce système de protection des bâtiments dans des situations environnementales données. / Transfer of soil gas pollutants (Radon, VOC) into buildings can cause significant health risks. However, analytical models used today to estimate health risks associated with these pollutants contain many uncertainties which can lead to poor risk assessment. Initially, the main objective of this thesis is to contribute to the improvement of these models for risk assessment. Secondly, we propose the development of air flow model for passive Sub slab Depressurization Systems (SDS) design used to protect buildings. The improvement of models focused on the inclusion of the main phenomena of convection and diffusion at building/soil interface, taking into account different types of building substructures. The first improvement concerns the assessment of convection phenomenon through the development of analytical models to quantify air flow rates entering through many kinds of building substructures: floating slab, bearing slab, crawl space and basement. Buildings with buried walls and substructures with a sub slab gravel layer are also treated. A methodology taking into account the presence of cracks, holes and singular leakages of the slab is also proposed. The second improvement of the models is the inclusion of coupled transfer of convection and diffusion near foundations. A numerical study allowed a better understanding of the behavior of pollutants at soil / building interface. Based on this understanding, semi-empirical laws for estimating soil gas pollutants entry rate into buildings are proposed. The various models developed have been validated numerically using a CFD model and experimentally with data from the literature when available. The impact of building substructure on pollutant transfer has been highlighted. A first application of the model is illustrated by their integration into a multizone simulation code to study the impact of these transfers on indoor air quality. Finally, the work ends with the development of a model for designing passive sub slab depressurization systems. The design model developed is validated with in situ experimental data. Preliminary applications using this model focused at first on the impact of meteorological conditions (stack effect, wind) on the sub slab system running. At second, the impact of ventilation strategies on sub slab depressurization performance is studied. Thus, we see the potential interest of this model to test the effective running of passive sub slab depressurization systems in given configuration.

La mauvaise qualité de l'air intérieur a été classée parmi les cinq principaux risques environnementaux sur la santé publique (EPA, 2013). La ventilation est une solution bien connue pour réduire la variété de contaminants qui pourraient être trouvés à l'intérieur de bâtiments résidentiels. Cependant, comme l'air propre est un facteur essentiel pour une vie saine et un bâtiment sain, une faible consommation d'énergie est essentielle pour une planète saine. Pour ces raisons, différentes recherches scientifiques sont menées pour l'amélioration des performances des systèmes de ventilation afin de créer un équilibre entre la distribution de l'air et la qualité de l'air intérieur d’un côté et le confort thermique et l'efficacité énergétique d’un autre côté. Un des systèmes de ventilation existants est la ventilation mécanique par insufflation (VMI). Son principe consiste à introduire mécaniquement de l’air neuf depuis l’extérieur, après l’avoir filtré et préchauffé. Les systèmes existant à ce jour en France introduisent l’air via un ou deux points d’insufflation (situés généralement au centre de l’habitation). Quant à l'évacuation de l’air vicié, celui-ci est véhiculé par les sorties naturelles installées dans chaque pièce de la maison. L’objectif de ce travail est tout d’abord d’étudier les performances de la ventilation par insufflation dans un environnement réel puis de trouver des pistes d’amélioration qui permettront d’atteindre une meilleure qualité de l’air intérieur. En se basant sur deux études préliminaires présentées par le chapitre II, on a installé un système à insufflation répartie (un point d’insufflation/pièce de vie) dans une maison réelle où l’on a mené des expérimentations. Des scénarios d’émission de polluant ont été effectués à l’aide de la technique de gaz traceur. L’étude a montré que, malgré un débit de ventilation global du système VMI inférieur à celui du système de référence (ventilation mécanique par extraction hygroréglable B), la VMI fournit des résultats satisfaisants. En outre, elle aide à lutter contre le confinement des chambres et à réduire à l'intérieur, les concentrations des particules provenant des sources extérieures. Une étude numérique est réalisée en utilisant un modèle aéraulique et de transfert de masse multizone. Les résultats ont montré un bon accord avec l'expérience et sont prometteurs pour l’avenir ; une étude paramétrique permettant d'améliorer la performance de la VMI vient parachever ce travail. / Poor indoor air quality has been ranked among the top five environmental risks on public health (EPA, 2013). The ventilation is a well-recognized solution for reducing the variety of contaminants that could be found inside residential buildings. However, as well as clean air is an essential factor for a healthy life and a healthy building, low energy consumption is significant for a healthy planet. For these reasons, scientific research are conducted to improve the performance of ventilation systems in order to obtain a balance in the controversial relationship between the air distribution and indoor air quality on the one hand and the thermal comfort and energy efficiency on the other hand. One of the existing ventilation systems is the Supply-Only Ventilation (SOV), known also as positive input ventilation (PIV). It functions by mechanically introducing fresh, filtered and preheated air into the center of the building. So far, the existing systems in France introduce air through one or two supply points (usually located in the center of the house). As for the evacuation, steal air goes out through natural vents installed in each room of the house. The aim of this study is to evaluate the performance of this system in terms of indoor air quality in a real environment and to find improvement field that will help in increasing the indoor air quality. Based on preliminary studies and on the airflow path principle required by French regulation, we decided to investigate a Multi Supply-Only Ventilation system (M-SOV). The idea is to have an insufflation point in the bedrooms and living room, while the free air outlets are located in the utility rooms (kitchen, bathroom and toilets). Different emission scenarios are experimentally simulated using tracer gas methods. The study shows that even though the flow rate of this system is lower than the extract only ventilation system (EOV), it provides satisfactory results. In addition, it helps fight against the confinement room and reduce the indoor particles concentrations originated from outdoor sources. A numerical study using a multizone airflow and contaminant transport model is performed. The numerical results show a good agreement with that of the experimental ones. Moreover, they are promising for the future parametric study in order to improve the SOV performance.

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