L'hétérogénéité des espaces urbains et l'interaction avec les bâtiments sont à l'origine de processus complexes à prendre en compte dans les études de pollution atmosphérique et de climat urbain à petite échelle. Afin d'estimer l'impact des bâtiments sur l'écoulement et la dispersion de polluants, une étude détaillée dans un milieu urbain idéalisé a été effectuée avec le modèle numérique tridimensionnel Mercure_Saturne, en modélisant à la fois les concentrations moyennes et leurs fluctuations. Pour prendre en compte le rayonnement atmosphérique en milieu bâti et les effets thermiques des bâtiments, nous avons implémenté un modèle radiatif tridimensionnel adapté à la géométrie complexe. Ce modèle, adapté d'un schéma utilisé pour le rayonnement thermique, résout l'équation des transferts radiatifs en milieu semi-transparent, en utilisant la méthode des ordonnées discrètes. Le nouveau schéma a été validé en milieu transparent sur des cas idéalisés et comparé à un cas complet.

A notre époque, la maîtrise des consommations énergétiques est un enjeu très important pour la préservation des ressources naturelles terrestres. Outre le domaine des transports, des gains énergétiques significatifs existent dans le domaine des bâtiments résidentiels ou tertiaires. Alors que la construction basse consommation est aujourd'hui une réalité, la rénovation n'est que très rarement mise en pratique. Ainsi, l'objectif de cette thèse est d'évaluer les gains énergétiques potentiels issus de la rénovation d'un bâtiment ancien pour être en cohérence avec son environnement et ses modes d'exploitation. Au coeur de ce travail se trouvent les problématiques du système bâtiment, et du confort des occupants. Au regard de ces connaissances, nous proposons une architecture globale de contrôle du bâtiment répondant à des missions de confort optique et thermique, et de réduction des consommations énergétiques. Pour cela nous nous appuyons sur l'approche systémique et l'Automatique qui permettent depuis la modélisation jusqu'à l'élaboration de lois de commande de faire coopérer toutes les installations domotiques. L'évaluation du contrôle est réalisée en simulation sur un bâtiment ancien équipé d'un chauffage central, de luminaires et de stores vénitiens intérieurs pilotés. L'architecture de contrôle présentée est issue d'une analyse systémique du bâtiment et se base sur une approche hiérarchique en adéquation avec les exigences des utilisateurs et les différentes échelles de représentation. Afin d'expérimenter cette architecture de contrôle, un modèle physique de bâtiment multi-échelle a été réalisé en utilisant une approche Bond-Graph et permet d'estimer le comportement optique et thermique du bâtiment en séparant les dynamiques lentes et rapides. La synthèse des lois de commande a ensuite été effectuée en réduisant ce modèle de simulation et a permis d'implémenter deux lois de commandes. La première s'exprime à l'échelle du bâtiment par une commande prédictive du chauffage central et considère l'évolution future de la température extérieure et de la puissance radiative solaire. La seconde prend place au niveau des pièces sous la forme d'une commande optimale des radiateurs, des stores et des luminaires afin d'assurer la température opérative moyenne et l'éclairement moyen souhaité par les occupants. L'étude des gains énergétiques offerts par la rénovation du système de contrôle a permis de mettre en valeur l'intérêt de l'architecture de contrôle présenté. Les résultats ont montré que l'implantation d'une commande prédictive sur le chauffage central permet de réduire de plus de 20% ses consommations énergétiques. Par ailleurs, le contrôle optimal dans les pièces offre un gain d'environ 20% sur le confort thermique et de 75% sur le confort optique.

Dans cette thèse nous proposons des algorithmes de contrôle commande optimaux ayant pour but d’aider au bon choix des systèmes multi sources et leur utilisation optimale dans les bâtiments. L'estimation des charges de chauffage est transformée en un problème de contrôle où le régulateur calcule la charge de chauffage optimale du bâtiment. Le régulateur proposé pour ce but est de type Model Predictive Programming (MPP), qui est obtenu en modifiant l’algorithme de type Model Predictive Control (MPC). Comme le MPP requiert un modèle du bâtiment d'ordre réduit, nous proposons une méthode de modélisation par projection des paramètres sur une structure fixe obtenue à partir des connaissances physiques. Pour le contrôle du système multi sources, nous proposons un système de gestion technique du bâtiment (GTB) qui est divisé en deux : un régulateur de la température du bâtiment et un contrôleur des sources. Pour la régulation thermique on utilise l’algorithme MPC, pour lequel nous proposons une nouvelle fonction de coût, car la fonction classique ne minimise pas la consommation d'énergie. La fonction de coût proposée permet de maintenir le confort thermique avec une consommation d'énergie minimale. Nous la formulons de telle façon qu’elle puisse être optimisée en utilisant la Programmation Linéaire (PL). Pour pouvoir utiliser la PL, nous proposons une linéarisation du modèle, basée sur des connaissances physiques, qui permet d'utiliser le modèle sur toute la plage de fonctionnement. Pour le contrôle des sources, nous proposons une solution qui prend en compte la commande MPC afin d'utiliser les ressources d'énergie plus efficacement. La GTB proposée est évaluée en émulation sur la maison Mozart et comparée avec deux GTB basées sur des régulateurs PID. Les résultats obtenus montrent que la GTB proposée a toujours maintenu le confort thermique dans le bâtiment, a réduit la consommation d'énergie et l'usure des pompes hydrauliques et de la pompe à chaleur. / This thesis proposes methods and solutions to improve the choice and the optimal use of renewable energies in buildings. The heating load assessment is transformed into a control problem where the regulator calculates the optimal heating load of the building. The proposed regulator for this aim is Model Predictive Programming (MPP), which is obtained by modifying Model Predictive Control (MPC). The required information by MPP is a low order building model and data records of the local weather. Therefore, we propose a modelling method in which the detailed model of the building is projected on a reduced order model having its structure obtained from physical knowledge. For the control of the multi source system, we proposed a Building Energy Management System (BEMS) which is divided in two parts: the first for the building temperature control and the second for the source control. For building thermal control we utilize MPC, for which we propose a new cost function because the classical one does not minimize the energy consumption. The proposed cost function permits to maintain the thermal comfort with minimal energy consumption. We formulate this function such that it can be optimized by using Linear Programming (LP) algorithm. To be able to use LP we give a solution to linearization of the building model based on the physical knowledge, which permits to use the model on the entire operating range. For the source control, we propose a solution which takes into account the command given by MPC in order to use the energy resources more effectively. The proposed control system is evaluated and compared with two PID based BEMS, against comfort and energetic criteria. The evaluation is performed in emulation on a reference detached house. The obtained results show that the proposed control system always maintains the thermal comfort in the building, reduces the energy consumption and the wear and tear of the hydraulic and heat pumps from the heating system.

A notre époque, la maîtrise des consommations énergétiques est un enjeu très important pour la préservation des ressources naturelles terrestres. Outre le domaine des transports, des gains énergétiques significatifs existent dans le domaine des bâtiments résidentiels ou tertiaires. Alors que la construction basse consommation est aujourd'hui une réalité, la rénovation n'est que très rarement mise en pratique. Ainsi, l'objectif de cette thèse est d'évaluer les gains énergétiques potentiels issus de la rénovation d'un bâtiment ancien pour être en cohérence avec son environnement et ses modes d'exploitation. Au coeur de ce travail se trouvent les problématiques du système bâtiment, et du confort des occupants. Au regard de ces connaissances, nous proposons une architecture globale de contrôle du bâtiment répondant à des missions de confort optique et thermique, et de réduction des consommations énergétiques. Pour cela nous nous appuyons sur l'approche systémique et l'Automatique qui permettent depuis la modélisation jusqu'à l'élaboration de lois de commande de faire coopérer toutes les installations domotiques. L'évaluation du contrôle est réalisée en simulation sur un bâtiment ancien équipé d'un chauffage central, de luminaires et de stores vénitiens intérieurs pilotés. L'architecture de contrôle présentée est issue d'une analyse systémique du bâtiment et se base sur une approche hiérarchique en adéquation avec les exigences des utilisateurs et les différentes échelles de représentation. Afin d'expérimenter cette architecture de contrôle, un modèle physique de bâtiment multi-échelle a été réalisé en utilisant une approche Bond-Graph et permet d'estimer le comportement optique et thermique du bâtiment en séparant les dynamiques lentes et rapides. La synthèse des lois de commande a ensuite été effectuée en réduisant ce modèle de simulation et a permis d'implémenter deux lois de commandes. La première s'exprime à l'échelle du bâtiment par une commande prédictive du chauffage central et considère l'évolution future de la température extérieure et de la puissance radiative solaire. La seconde prend place au niveau des pièces sous la forme d'une commande optimale des radiateurs, des stores et des luminaires afin d'assurer la température opérative moyenne et l'éclairement moyen souhaité par les occupants. L'étude des gains énergétiques offerts par la rénovation du système de contrôle a permis de mettre en valeur l'intérêt de l’architecture de contrôle présenté. Les résultats ont montré que l'implantation d'une commande prédictive sur le chauffage central permet de réduire de plus de 20% ses consommations énergétiques. Par ailleurs, le contrôle optimal dans les pièces offre un gain d'environ 20% sur le confort thermique et de 75% sur le confort optique. / Today, the control of energy consumption is a very important issue for the preservation of the natural resources. Besides transportation domain, substancial energetic gains exist in residential and office buildings. While low energy building is now a reality, the renovation is rarely put into practice. The objective of this thesis is to evaluate the potential energy savings resulting from the renovation of old buildings. In the core of this work are the problematics of the building system and of the household comfort. Based on this knowledge, we propose here a global control architecture of the building, which accomodates thermal and optical confort, and reduction of energy consumption. Specifically, we focus on automatic control and systemic approach, which enable, from modelling to control law synthesis, a global cooperation of all home automation equipments. Our approach is to design a hierarchical control architecture and simulate it in the case of an old building with central heating, lighting and interior Venetian blinds. The control architecture is designed from a systemic analysis of buildings. It is based on a hierarchical approach in order to adapt to user requirements and to different scales of spatial representation (from the building to the room). To experiment this control architecture, a physical multi-scale model of building was developed using a Bond-Graph approach. This model allows to estimate the optical and thermal behavior of the building separating the slow dynamics of the fast ones. The synthesis of actuators control laws was then performed after reducing the simulation model. It helped to implement two control laws : The first is expressed throughout the building by a predictive control of central heating system and considers the future behaviour of the outdoor temperature and solar radiative power. The second takes place at the rooms level as an optimal control of radiators, Venetian blinds and lighting to ensure the operative temperature and illumination desired by the occupants. The study of energy savings offered by the renovation of the control system helped to highlight the interest of the presented control architecture. The results showed that the implementation of predictive control on the central heating leads to reduce more than 20% of the energy consumption. Moreover, the optimal control in rooms increase thermal comfort around 20% and the visual comfort by 75%.

Le secteur du bâtiment est un consommateur énergétique majeur, par conséquent, un cadre d’actions a été décidé au niveau international dans le but de limiter son impact. Afin de mettre en œuvre ces mesures, il est nécessaire d’avoir à disposition des modèles offrants une description fiable du comportement thermique des bâtiments. A cet effet, cette thèse propose l’application d’une nouvelle technique guidée par les données pour la modélisation thermique des bâtiments en se basant sur l’approche des systèmes hybrides, caractérisés par des dynamiques continues et événementielles. Ce choix est motivé par le fait qu’un bâtiment est un système complexe caractérisé par des phénomènes non-linéaires et l’apparition de différents événements. On utilise les modèles affines par morceaux ou PWARX pour l’identification de systèmes hybrides. C’est une collection de sous-modèles affines représentant chacun une configuration caractérisée par une dynamique particulière. Le manuscrit commence par un état de l’art sur les principales techniques de modélisation thermique des bâtiments. Ensuite, le choix d’une approche hybride est motivé par une interprétation mathématique basée sur les équations d’un circuit thermique. Ceci est suivi par une brève présentation des modèles hybrides et une description détaillée de la méthodologie utilisée. On montre ensuite comment utiliser la technique SVM pour classifier les nouvelles données. Enfin, l’intégration des modèles PWARX dans une boucle de contrôle hybride afin d’estimer le gain en performance énergétique d’un bâtiment après rénovation est présentée. La méthodologie est validée en utilisant des données issues de cas d’études variés. / The building sector is a major energy consumer, therefore, a framework of actions has been decided on by countries worldwide to limit its impact. For implementing such actions, the availability of models providing an accurate description of the thermal behavior of buildings is essential. For this purpose, this thesis proposes the application of a new data-driven technique for modeling the thermal behavior of buildings based on a hybrid system approach. Hybrid systems exhibit both continuous and discrete dynamics. This choice is motivated by the fact that a building is a complex system characterized by nonlinear phenomena and the occurrence of different events. We use a PieceWise AutoRegressive eXogeneous inputs (PWARX) model for the identification of hybrid systems. It is a collection of sub-models where each sub-model is an ARX equation representing a certain configuration in the building characterized by its own dynamics. This thesis starts with a state-of-the-art on building thermal modeling. Then, the choice of a hybrid system approach is motivated by a mathematical interpretation based on the equations derived from an RC thermal circuit of a building zone. This is followed by a brief background about hybrid system identification and a detailed description of the PWARX methodology. For the prediction phase, it is shown how to use the Support Vector Machine (SVM) technique to classify new data to the right sub-model. Then, it is shown how to integrate these models in a hybrid control loop to estimate the gain in the energy performance for a building after insulation work. The performance of the proposed technique is validated using data collected from various test cases.

Face à la problématique énergétique, les solutions envisagées dans le domaine du bâtiment s’orientent sur un mix énergétique favorisant la production locale ainsi que l’autoconsommation. Concernant l’électricité, les systèmes photovoltaïques intégrés au bâtiment (BiPV) représentent l’une des rares technologies capables de produire de l’électricité localement et sans émettre de gaz à effet de serre. Cependant, le niveau de température auquel fonctionnent ces composants, influence sensiblement leur efficacité ainsi que leur durée de vie. Ces deux constats mettent en lumière l’importance du refroidissement passif par convection naturelle de ces modules. La configuration privilégiée est une configuration d’intégration au sein d’une enveloppe ventilée qualifiée de double-peau photovoltaïque. La présente étude expérimentale porte sur les transferts de chaleur et les caractéristiques de l’écoulement en convection naturelle dans des canaux chauffés verticaux ou inclinés. Deux bancs d’essais existants ont été complétés afin d’obtenir des données. Ils sont composés de deux plaques planes parallèles séparées par une lame d’air. Les parois sont soumises à des conditions aux limites de type densité de flux imposée. Les températures moyennes à la paroi ont été mesurées par thermocouples. Un système de vélocimétrie par image de particules a permis d’obtenir des profils de vitesse moyenne ainsi que les distributions d’intensité turbulente dans l’écoulement. Les champs de vitesse instantanée ont également été examinés. Trois configurations ont été étudiées avec un nombre de Rayleigh variant entre 3,86 x 105 et 6,22 x 106. La première est un canal vertical avec une des deux parois chauffée uniformément. La seconde est un canal vertical dans lequel les deux parois sont chauffées de façon non-uniforme et alternée. La troisième est de type canal incliné chauffé uniformément sur la paroi supérieure. Le rapport de forme du canal (largeur/hauteur) est de 1/15 pour le deux premières configurations et de 1/16 pour la troisième. Une attention particulière a été portée sur l’identification de la zone de transition laminaire-turbulent. L’étude a permis de mettre en évidence la sensibilité de l’écoulement aux perturbations extérieures. Pour un chauffage uniforme et asymétrique, à partir d’un nombre de Rayleigh Ra* de 3.5 x 106 et pour θ = 60° et 90°, il a été constaté que la propagation de structures cohérentes dans le canal a lieu à partir de la mi-hauteur de ce canal. Ces instabilités favorisent alors les transferts thermiques. Dans le cas d’un chauffage non-uniforme sur les deux parois du canal, l’écoulement est fortement perturbé ce qui conduit à l’augmentation du brassage et de la contrainte de Reynolds sur la majorité de la largeur du canal. Enfin, pour chacune des configurations, des corrélations permettant de quantifier les transferts de chaleur à la paroi et au sein de la lame d’air (nombre de Nusselt moyen en fonction du nombre de Rayleigh) ont été établies. / Among technologies capable to produce electricity locally without contributing to GHG releases, building integrated PV systems (BIPV) could be major contributor. However, when exposed to intense solar radiation, the temperature of PV modules increase significantly, leading to a reduction in efficiency so that only about 14% of the incident radiation is converted into electrical energy. The high temperature also decrease the life of the modules, thereby making passive cooling of the PV components through natural convection a desirable and cost-effective means of overcoming both difficulties. An experimental investigation of heat transfer and fluid flow characteristics of natural convection of air in vertical and inclined open-ended heated channels is therefore undertaken so as provide reliable information for the design of BIPV. Two experimental set ups were developed and used during the present investigations; one located at the CETHIL laboratory in Lyon, the F-device and the other located at the University of New South Wales in Sydney, the R-device. Both channels consisted of two wide parallel plates each of which could be subjected to controlled uniform or non-uniform heat fluxes. The investigation has been conducted by analyzing the mean wall temperatures, measured by thermocouples and mean velocity profiles and turbulent quantity distributions of the flow, measured with a PIV system. Flow patterns close to the heated faces were also investigated. The study is particularly focused on the transition region from laminar to turbulent flow. Three different heating geometric arrangements are examined in the modified Rayleigh number range from 3.86 x 105 to 6.22 x 106. The first is a vertical channel with one wall uniformly heated while the other was unheated, the second was a vertical channel in which both walls were non-uniformly heated and the third is an inclined channel uniformly heated from above. In the vertical configurations the width-to-height channel aspect ratio was fixed at 1:15 and in the inclined ones at 1:16. It is shown that the flow is very sensitivity to disturbances emanating from the ambient conditions. Moreover, the propagation of vortical structures and unsteadiness in the flow channel which are necessary to enhance heat transfer, occurred downstream of the mid-channel section at Ra* = 3.5 x 106 for uniformly and asymmetrically heated channels inclined between 60° and 90° to the horizontal. Indeed, these unsteady flow phenomena appears upstream the location of the inflexion point observed in the temperature excess distribution of the heated wall. In the case of non-uniform heating on both sides of the channel, a stronger ‘disruption mechanism’ exists, which leads to enhanced mixing and increased Reynolds stresses over most of the width of the channel. Empirical correlations of average Nusselt number as a function of modified Rayleigh number were obtained for each configuration.

L’évolution actuelle des exigences en termes de performance énergétique des bâtiments a fait apparaître de nouveaux enjeux et problématiques scientifiques, dont ceux liés à l’humidité. Cette étude s’appuie sur une cellule expérimentale construite sur la technologie des maisons à ossature bois et soumise aux conditions climatiques réelles de Grenoble. L’instrumentation de ce bâtiment et le suivi de l’évolution en température et en humidité dans les différentes couches de l’enveloppe permettent de définir des séquences nécessaires à la validation de modèles numériques. Dans cet objectif, un modèle existant nommé HAM-Tools a été utilisé pour simuler les transferts couplés de chaleur, d’air et d’humidité à l’échelle du bâtiment. La démarche de validation a été décomposée en plusieurs étapes, de manière à cibler des transferts spécifiques et d’en améliorer la modélisation. Ces études localisées concernent les transferts couplés de chaleur et de masse à travers les parois solides, la modélisation des transferts de chaleur à travers une lame d’air ventilée et enfin la modélisation du renouvellement de l’air intérieur en conditions naturelles. Pour estimer la précision globale du modèle, c'est-à-dire à l’échelle du bâtiment, une séquence expérimentale a été simulée en prenant en compte l’ensemble des transferts couplés simultanément. Les performances du modèle sont discutées à partir des mesures locales, c'est-à-dire dans les parois, puis globales. La bonne concordance entre mesures et résultats de simulation permet de conclure sur la validité et la généricité de la démarche mise en œuvre et les hypothèses de simulation. Plus particulièrement, il est apparu que l’outil de modélisation permet de prédire correctement le comportement moyen des parois en humidité et en température. Il est donc envisageable de l’utiliser pour simuler et estimer l’impact des constituants des parois en termes de durabilité, de performances énergétiques et de confort de l’occupant. / As energy saving is so important in buildings nowadays, envelopes performances have to be more efficient and have to deal with more obligations, such as moisture accumulation and mould growth. This study relies on an experimental wooden frame house exposed to the natural conditions of Grenoble, France. It has been widely instrumented so the wall’s temperature and humidity is monitored at different depths. As a consequence, complete dataset are available and can be used to validate numerical model. In this work, an existing numerical model named HAM-Tolls has been used to simulate the heat, air and moisture coupled transfers at the building scale. The method developed here consists in validating the numerical model step by step, with studying specific transfers separately. The first step deals with heat and mass transfers across the walls. Then, the heat transfers across a ventilated air gap and the air change rate under natural conditions have been studied much in detail. The final step of this works consists in simulating simultaneously every transfer at the building scale. This latest simulation’s results were compared both on a local and on a global point of view with the measurements. As they were found to be in good agreement, this allows concluding on the methodology efficiency, the validity of the modelling assumption and gives good hope with extending this methodology to other studies. Specifically, the simulation tool is able to predict correctly the average temperature and humidity content within the walls. Therefore, it should be suitable with estimating the wall components influence on the wall durability, its energy efficiency and its impact on the occupant’s thermal comfort.

Notre investigation porte sur la simulation numérique des échanges thermo-convectifs dans un canal vertical ouvert à flux imposé. Cette étude rentre dans le cadre des recherches sur le rafraîchissement passif des composants PV intégrés au bâtiment. À cet effet, un code numérique en Différences Finies est utilisé pour résoudre les équations de Navier-Stokes et simuler la convection naturelle dans un canal. Ce problème reste difficile à résoudre parce que l'écriture des conditions aux limites d'entrée et de sortie reste un problème ouvert. Notre travail consiste d'abord en étude des différentes conditions aux limites pour le benchmark numérique AMETH. Les travaux réalisés ont permis de faire un premier choix sur les conditions aux limites. L'étude s'oriente ensuite sur la qualification et la quantification numériques et expérimentales pour deux fluides : l'air (convection-rayonnement) et l'eau (convection pure). Les résultats numériques/expérimentaux ont été comparés et les discordances ont été analysées. Plusieurs aspects phénoménologiques (rayonnement entre surfaces, variation des propriétés thermo-physiques, variation du nombre de Prandtl) ont été abordés afin de caractériser leurs influences respectives sur l'écoulement et le transfert thermique. Enfin, dans le but d'apporter des éléments de réponses sur les conditions aux limites dynamiques, nous avons simulé la convection naturelle d'un canal dans une cavité et tenté une modélisation. / The present investigation deals with natural convection flow in a vertical open-ended channel with wall constant heat flux. This study falls under the framework of research on passive cooling of building integrated PV components. For this purpose, a numerical code developed with Finite Differences scheme is used to solve Navier-Stokes equations and simulate the natural convection in a channel. This problem is difficult to solve because the writing of inlet/outlet boundary conditions remains an open problem. First, our work consists of studying different boundary conditions for the the numerical benchmark AMETH. The work carried out has enabled a first choice of boundary conditions. The study then focuses on numerical and experimental quantification and qualification for two fluids : air ( convection - radiation) and water ( pure convection) . Experimental and numerical results were compared and discrepancies were analyzed. Several phenomenological aspects ( surface radiation, thermophysical properties variation, Prandtl number variation ) were discussed in order to characterize their influence on flow and heat transfer. Finally, in order to provide some answers on dynamical boundary conditions, we simulated natural convection of a channel inside a cavity and tried a modeling.

En Europe, le secteur du bâtiment est le plus énergivore et représente environ 40 % de l’énergie totale consommée. A court terme, la façon la plus efficace de baisser cette consommation est de réduire les déperditions thermiques à travers l’enveloppe du bâtiment en augmentant son isolation thermique, tout en minimisant la perte de surface habitable. Dans ce contexte, les travaux de thèse portent sur l’étude et la mise au point pour pré-industrialisation de matériaux super-isolants composites à base d'aérogel de silice. Le matériau composite étudié fait partie de la famille des blankets aérogels et est obtenu via un procédé de séchage ambiant innovant. Grâce à leur faible conductivité thermique et leurs propriétés mécaniques renforcées, les blankets aérogels sont d’un grand intérêt pour l’isolation thermique qui nécessite de fines épaisseurs d’isolants. Les travaux de thèse visent dans un premier temps à effectuer une analyse des propriétés thermophysiques des blankets aérogels étudiés à la sortie du moule de fabrication et vis-à-vis de leur mise en œuvre lorsqu’ils sont soumis à différentes sollicitations (mécaniques, hygriques ...). Des travaux de modélisation du transfert de chaleur dans le blanket aérogel sont développés afin d’étudier les relations entre le transfert thermique et les paramètres morphologiques du matériau. Dans un second temps, les travaux de thèse portent sur l’étude des performances à attendre d’un système d’isolation basé sur le blanket aérogel mis en œuvre sur un bâtiment, à la fois par l’analyse du comportement thermique d’une cellule test en climat réel, ainsi que par la conduite de simulations numériques de bâtiments prenant en compte plusieurs techniques constructives, configurations de murs, et ce, pour plusieurs climats européens. Les résultats obtenus montrent que les blankets aérogels étudiés ont une très faible conductivité thermique –0,016 W.m-1.K-1– et ont un fort potentiel d’application dans l’isolation thermique du bâtiment. / Buildings are the largest energy end-use sector and account for about 40 % of the total final energy consumption in the EU-28. A short-term strategy to efficiently reduce this consumption is to decrease thermal losses through the building envelope by improving its thermal insulation, while minimizing the reduction of the available indoor living space. In this context, the thesis deals with the study and development for pre-industrialization of super-insulating composite materials based on silica aerogel. The studied material is part of the aerogel blanket family and is obtained by an innovative ambient drying process. With a very low thermal conductivity and reinforced mechanical properties, aerogel blankets are of great interest for applications where they can offer a cost advantage due to a space-saving effect. Firstly, the thesis work aims at performing analyses of the thermo-physical properties of the studied aerogel blankets at the exit of the molding and drying processes, and during application, when they are subjected to different environmental stresses (mechanical, hygric …). Heat transfer modeling is developed to study the relationship between the morphological parameters of the material and thermal transfer within it. Secondly, the thesis work focuses on the study of the expected performances of an insulating system based on the aerogel blanket, by the study of the thermal behavior of an experimental building monitored under actual climate, as well as the use of whole building energy numerical simulations taking into account several constructive techniques, different wall configurations, for various European climates. The results obtained show that the aerogel blankets studied have a thermal conductivity as low as 0.016 W.m-1.K-1 and have promising applications for building thermal insulation needs.

Cette thèse s’inscrit dans le contexte du développement de Bâtiments Basse Consommation. La conception de telles constructions les rend sensibles aux sollicitations internes. Aussi, les outils de thermique du bâtiment existants ne sont pas adaptés pour simuler assez fidèlement ce type de bâtiments, si bien qu’un modèle tridimensionnel et dynamique a été développé ici. Celui-ci présente plusieurs particularités : il s’appuie sur une discrétisation spatiale optimisée des parois, la tache solaire y est localisée et l’intégration des dynamiques des conditions environnementales est assurée par un solveur numérique à pas de temps adaptatif et un seul nœud d’air est considéré. La validation du modèle s’est suivant une confrontation avec des mesures en conditions réelles réalisées dans une cellule de BESTlab d’EDF R&D. Un suivi visuel de la tache solaire a permis de confirmer sa bonne localisation par notre modèle. Des mesures de température en surface complétées par des cartographies thermographiques ont été comparées aux champs de températures simulés, montrant une bonne concordance. Les comparaisons de températures d’air mesurées et simulées ont montré des résidus ne dépassant pas 1,5 ˚C, pour des erreurs moyennes de 0,5 ˚C. La pertinence des deux principales innovations du modèle a été ensuite démontrée : l’utilisation d’entrées échantillonnées à la minute associées à un solveur à pas de temps adaptatif permet de minimiser les erreurs de simulation : en mi-saison, les résidus maximaux sont respectivement de 1 ˚C et 2 ˚C pour des entrées à la minute et à l’heure. En hiver, les températures d’air simulées tendent à plus osciller autour de la consigne quand le pas d’échantillonnage des entrées s’allonge. Deux modèles unidimensionnels, représentatifs de modèles courants, M1D,sol diluant le rayonnement solaire sur le sol seul et M1D,parois le distribuant de façon homogène sur les parois au prorata de la taille de la tache solaire censée les frappées, ne dégradent que légèrement la précision des calculs de température d’air. Cependant, ces modèles 1D ne permettent pas de calcul des champs de températures sur les parois si bien qu’ils présentent des erreurs locales dépassant 20 ˚C aux endroits touchés par la tache solaire. Enfin en hiver, le modèle 3D permet de prédire des consommations de chauffage surestimées de 6,5 % quand M 1D,parois les surestime de 11 % et M1D,sol de 22 %. Les améliorations apportées par notre modèle ont été confirmées pour d’autres types de cellules. D’ailleurs des écarts plus importants entre M1D,sol et le modèle 3D ont été observés pour une cellule dont parois et sol ont des compositions très différentes, alors que l’orientation a aussi un impact. Ce travail confirme la nécessité de représenter plus finement les phénomènes physiques pour des locaux fortement isolés. Des améliorations sont à intégrer, comme la description de l’anisothermie de l’air. / Low energy building constructions become sensitive to internal gains : any internal heating source has an impact on the envelope. Therefore, it is important to evaluate the performance of current transient thermal models when adapted to low energy buildings. This work describes a numerical model to simulate a single room, using a refined spatial three-dimensional description of heat conduction in the envelope but a single air node is considered. The model has been developed for environmental conditions that vary over short time-steps and has integrated the projection of solar radiation through a window onto interior walls : the sun patch. The validation of the model has been done through a detailed comparison between model and measurements. The in situ experiment has been carried out in one of the BESTlab cells (EDF R&D). The sun patch has been followed by a camera to validate its calculated position and surface. Temperature measurements by thermocouples and by thermal cameras have been compared to the models outputs. Differences between air and surface temperatures measured and simulated were never above 1.5 ˚C and mean errors reached 0.5 ˚C. The two innovations of the model have then be proven. Using minute wise weather data and inputs associated to an adaptative solver, enabled to pull down simulation errors : in May maximal differences rised from 1 ˚C to 2 ˚C for respectivelly one minute and hourly wise inputs. More important errors are seen in summer whereas in winter, air temperatures simulated tend to more fluctuate around the set up temperature when the sampling step gets longer. Two one dimensional models, close to traditional taken simulation tools, were used. Model M 1D,sol supposed the incoming radiation to reach only the floor. A 1D model with sun patch movement, called 1D,parois , was also used. These two models evaluated the air temperature with an acceptable error. However, their surface temperatures were still subject to important errors. Thus, for temperature surfaces evaluation, both 1D model presented differences up to 20 ˚C for surfaces touched by the sun patch. In winter, the 3D model can predict heating energy consumptions overestimated by 6.5 % when M 1D,parois overestimated them by 11 % and M1D,sol by 22 %. The improvements brought by our model have been proven also for other cells with different thermal masses. For these cells, differences between M1D,sol and the 3D model could reach 4.5 ˚C. Differences seemed to be more important for low thermal mass cells, and the orientation of the building had a strong impact. This work has confirmed the necessity of representing more accuratelly the descriptions of the enveloppe for strongly insulated rooms. To improve the model, the anisothermal hypotheses of the air should be considered.