En France, le secteur du bâtiment est le plus grand consommateur d'énergie et représente environ 43% de la consommation totale d'énergie. L'isolation thermique dans le bâtiment est nécessaire afin d'améliorer son efficacité énergétique. Dans certains pays dont la France, la rénovation des bâtiments occupe une place essentielle dans la stratégie de transition énergétique. La stratégie mise en place consiste donc à renforcer l'isolation thermique des enveloppes de bâtiment et ceci en perdant le moins de surface habitable possible. Ceci justifie le fait de développer et de mettre en œuvre à l'avenir des matériaux super isolants comme les aérogels. Les objectifs de cette étude sont d'examiner le comportement thermique des bâtiments et d'étudier l'amélioration possible de leur efficacité énergétique en utilisant un nouvel enduit isolant à base d'aérogels de silice et ainsi que l'énergie solaire. Tout d'abord, la performance thermique et hygrothermique des murs extérieurs est étudiée afin de trouver la meilleure structure de ces murs. Deuxièmement, nous étudions l'évolution du confort thermique et du comportement énergétique des maisons en adoptant le nouvel enduit isolant comme isolation extérieure. Cette évolution a aussi été représentée par un modèle mathématique. On a comparé les résultats obtenus à l'aide de ces modèles avec les mesures expérimentales faites sur une maison récemment construite. Enfin, le potentiel de réduction de la charge de chauffage en adoptant un système actif dans la paroi est analysé. Ce système est proposé pour capter une partie de l'énergie solaire qui tombe sur la façade sud et qui est disponible pendant les journées non nuageuses en hiver, et la transférer vers la façade nord par l'intermédiaire de canalisations d'eau intégrées dans l'enduit isolant objet de l'étude. / In France, the building sector is the largest consumer of energy and accounts for about 43% of the total energy consumption. The building sector offers significant potential for improved energy efficiency through the use of high-performance insulation and energy-efficient systems. For existing buildings, renovation has a high priority in France because these buildings represent a high proportion of energy consumption and they will be present for decades to come. Nowadays, there is a growing interest in the so-called super-insulating materials, such as Aerogels. The objectives of this study are to examine the thermal behavior of buildings and to foster energy efficiency through the use of a newly developed aerogel-based insulating coating as well as the use of renewable energy sources, specifically solar energy. Firstly, the thermal and hygrothermal performance of exterior walls having different layer composition structures are examined. Secondly, the heating energy demand as well as the risk of summer overheating is examined for different construction periods and under different climates. Also, a mathematical model is built and compared to experimental measurement of a recently built full-scale house. Finally, the potential to decrease the heating load by adopting a closed wall loop system is scrutinized. The latter is a proposed system to capture some of the solar energy falling on the south facade available during non-cloudy winter days and transfer it to the north facade through water pipes embedded in the aerogel-based coating.

Le comportement humain est modélisé de manière sommaire dans les logiciels de simulation énergétique des bâtiments. Or son impact est considérable et il est à l'origine d'écarts importants entre résultats de simulation et mesures in situ. Les occupants influencent les consommations d'énergie des bâtiments par leur présence et leurs activités, les ouvertures/fermetures de fenêtres, la gestion des dispositifs d'occultation, l'utilisation de l'éclairage artificiel et des appareils électriques, la gestion des consignes de chauffage et les puisages d'eau chaude sanitaire. La thèse propose une modélisation de l'occupation incluant l'ensemble de ces aspects suivant une approche stochastique statistique, pour les bâtiments résidentiels et de bureaux. La construction des modèles fait appel à un grand nombre de données issues de campagnes de mesures, d'enquêtes sociologiques et de la littérature scientifique. Le modèle d'occupation proposé est couplé à l'outil de simulation thermique dynamique Pléiades+COMFIE. En propageant les incertitudes des facteurs du modèle d'occupation et du modèle thermique (enveloppe, climat, systèmes), un intervalle de confiance des résultats de simulation peut être estimé, ouvrant ainsi la voie à un processus de garantie de performance énergétique. / Human behaviour is modelled in a simplistic manner in building energy simulation programs. However, it has a considerable impact and is identified as a major explanatory factor of the discrepancy between simulation results and in situ measurements. Occupants influence buildings energy consumption through their presence and activities, the opening/closing of windows, the actions on blinds, the use of artificial lighting and electrical appliances, the choices of temperature setpoints, and the water consumptions. The thesis proposes a model of occupants' behaviour including all these aspects, according to a stochastic approach, for residential and office buildings. Models' development is based on numerous data from measurements campaigns, sociological surveys and from the scientific literature. The proposed model for occupants' behaviour is coupled to the simulation tool Pléiades+COMFIE. By propagating the uncertainties of factors from the occupants' behaviour model and the thermal model (envelope, climate, systems), the simulation results confidence interval can be estimated, opening the way to an energy performance guarantee process.

La population mondiale fait face, globalement, à une urbanisation expansive. Cet étalement urbain, souvent mal contrôlé, menace aussi bien l’environnement que la santé, la qualité de vie et la sécurité alimentaire des humains. Il est possible de le limiter en lui préférant la densification urbaine. Néanmoins, la complexité des phénomènes en jeu dans un tel contexte nous incite à penser que les responsables d’opérations de densification urbaine ont besoin d’outils pour les aider à faire les choix les plus pertinents possibles. Dans un premier temps, l’état de l’art présenté dans cette thèse montre que l’outil idéal n’existe pas, et que l’optimisation multicritère par algorithme génétique est une technique adaptée à l’aide à la conception de bâtiments. Les caractéristiques souhaitables pour une méthode d’assistance des concepteurs de projets de densification urbaine sont alors précisées. Nous recommandons de baser cette méthode sur le couplage entre un algorithme génétique et un outil capable de réaliser des simulations thermiques dynamiques (STD) de quartiers. Les capacités des logiciels de STD Pleiades+COMFIE (P+C) et EnergyPlus (E+) sont situées par rapport à ces exigences, puis un premier test d’optimisation d’un projet de densification urbaine en associant EnergyPlus à un algorithme génétique est présenté. Certaines lacunes de cette méthode peuvent être comblées par la plateforme en cours de développement dans le projet ANR MERUBBI. Dans un second temps, nous analysons donc les résultats d’une étude comparative entre P+C, E+ et l’outil MERUBBI, menée sur un projet de densification d’un îlot à forte densité urbaine. Ils montrent que ce dernier est fiable et particulièrement pertinent pour l’évaluation précise des interactions entre bâtiments. Dans un troisième temps, nous abordons la problématique de la diminution des temps de calcul, enjeu crucial pour que notre méthode d’aide à la conception soit réellement accessible aux professionnels du bâtiment. Nous proposons une technique de réduction de la période de simulation que nous présentons en détail. Enfin, la méthode d’optimisation développée est appliquée à la résolution de différents problèmes de conception du projet sus-cité, en utilisant E+. Nous montrons en quoi l’utilisation de l’outil MERUBBI enrichira cette approche, avant de conclure sur des perspectives de développement de notre méthode pour améliorer son interactivité. / The world’s population is facing an expansive urbanization. This urban sprawl, which is often not well managed, is endangering the environment as well as human health, quality of life and food security. It can be controlled by favouring urban densification. Nonetheless, the complexity of the phenomena involved in such a context leads us to think that supervisors of urban densification operations need some tools to help them make the most relevant choices. This thesis begins with a literature review that shows the ideal tool does not exist, and explains why multi-objective optimization using a genetic algorithm is a suitable technique for building design aid. Then we clarify the desirable features of an assistance method for urban densification projects designers. We recommend to base this method on the coupling of a genetic algorithm with a district-scale dynamic thermal simulation (DTS) tool. We compare capabilities of EnergyPlus (E+) and Pleiades+COMFIE (P+C) DTS software with these requirements, then we present a first urban densification project optimization test associating EnergyPlus with a genetic algorithm. The platform under development in the ANR MERUBBI project can offset certain shortcomings of this method. Hence, in a second phase we analyze the results of a comparative study of P+C, E+ and the MERUBBI tool, carried out using a high-density district densification project as a test case. It shows that the latter is reliable and particularly relevant to precisely assess interactions between buildings. In a third phase we address the problematic of reducing the computing time, a major issue to make our design aid method truly accessible to building professionals. We propose a way of reducing the operating period length and present it in detail. Finally, our optimization method is used to solve various design problems of the above-mentioned project, using E+. We show how the use of the MERUBBI platform will enrich this approach before concluding with development ideas to make our method more user-friendly and interactive.