The context of this PhD is the reduction of sizes involved in material development and the confinement of heat in modern devices, which are known to lead to the apparition of hot spots. The goal is to investigate heat conduction from micro- to nanoscale wide Joule-heated wires standing on flat layered materials. A particular focus is given to the analysis of phonon heat dissipation when departing from the well-known Fourier diffusive conduction and entering the ballistic regime. The manuscript starts with a summary of the main observed effects on the effective thermal conductivity in nanoscale materials, especially in light of the values of thermallyaveraged phonon mean free paths and the associated Knudsen number. Then the advantages and drawbacks of various measurement techniques are discussed. The analysis of the experimental configuration requires 2D analytical and 3D finite-element method based numerical studies of diffusive heat conduction from a finite source into a medium. Limitations of the 3! method due to wire length, substrate geometry and thin oxide layers are highlighted. The electro-thermal setup developed and the procedure used to deposit the devices on top of the samples are then detailed. A set of well-known materials with mean free path ranging from few nanometers to hundreds of nanometers is characterized with microwires. The thermal conduction properties of multilayer materials are investigated. Heat dissipation from finite sources on top of silicon substrates is then measured as a function of temperature. The mean free path is known to become large when temperature decreases. As a result, this configuration provides clues for understanding heat conduction from ballistic sources. The observed behavior is very different from the one predicted by Fourier’s law and shows a strong reduction of the dissipation. It is found that the results are comparable to earlier measurements involving ridges. They are analyzed with various levels of approximations of predictions using the Boltzmann transport equation. The results obtained may be useful in many fields, in particular for electronics and thermoelectric designs. / Le contexte de ce doctorat est la réduction des tailles impliquées dans le développement des matériaux et le confinement de la chaleur dans les dispositifs modernes, qui sont connus pour conduire à l'apparition de points chauds. L'objectif est d'étudier la conduction de la chaleur à partir de fils chauffés par Joule à l'échelle nanométrique et à l'échelle nanométrique, reposant sur des matériaux à couches planes. Une attention particulière est accordée à l'analyse de la dissipation thermique des phonons en partant de la conduction de Fourier bien connue et en entrant dans le régime balistique. Le manuscrit commence par un résumé des principaux effets observés sur la conductivité thermique effective dans les matériaux à l'échelle nanométrique, en particulier à la lumière des valeurs des voies libres moyennes des phonons et du nombre de Knudsen associé. Ensuite, les avantages et les inconvénients des différentes techniques de mesure sont discutés. L'analyse de la configuration expérimentale nécessite des études numériques 2D basées sur la méthode des éléments finis et des éléments finis de la conduction de chaleur par diffusion à partir d'une source finie dans un milieu. Limitations du 3! méthode en raison de la longueur du fil, de la géométrie du substrat et des couches minces d'oxyde sont mises en évidence. La configuration électro-thermique développée et la procédure utilisée pour déposer les dispositifs sur les échantillons sont ensuite détaillées. Un ensemble de matériaux bien connus avec un chemin libre moyen allant de quelques nanomètres à des centaines de nanomètres est caractérisé par des microfils. Les propriétés de conduction thermique des matériaux multicouches sont étudiées. La dissipation thermique des sources finies sur les substrats de silicium est ensuite mesurée en fonction de la température. Le libre parcours moyen est connu pour devenir important lorsque la température diminue. En conséquence, cette configuration fournit des indices pour comprendre la conduction de la chaleur à partir de sources balistiques. Le comportement observé est très différent de celui prédit par la loi de Fourier et montre une forte réduction de la dissipation. On trouve que les résultats sont comparables à des mesures antérieures impliquant des crêtes. Ils sont analysés avec différents niveaux d'approximations de prédictions en utilisant l'équation de transport de Boltzmann. Les résultats obtenus peuvent être utiles dans de nombreux domaines, en particulier pour les conceptions électroniques et thermoélectriques.

Afin de mieux comprendre les effets des changements climatiques sur le pergélisol, il s’avère essentiel d’obtenir une meilleure connaissance des facteurs physiques et biologiques l’influençant. Même si plusieurs études font référence à l’influence de la végétation sur le pergélisol à grande échelle, l’effet de la végétation sur la profondeur du front de dégel du pergélisol à l’échelle de mètres, tel qu’exploré ici, est peu connu. L’étude s’est effectuée dans une forêt boréale tourbeuse dans la zone à pergélisol discontinu au sud des Territoires du Nord-Ouest (N61°18’, O121°18’). Nous avons comparé la profondeur de dégel aux mesures du couvert végétal suivantes : densité arborescente, couvert arbustif, indice de surface foliaire et présence de cryptogames (lichens et bryophytes). Nous avons trouvé qu’une plus grande densité arborescente menait à une moins grande profondeur de dégel tandis que le couvert arbustif (<50cm de hauteur) n’avait aucune influence. De plus, la profondeur de dégel dépendait de l’espèce des cryptogames et des microformes. Cette recherche quantifie l’influence de la végétation par strate sur la dégradation du pergélisol. Ultimement, les résultats pourront être pris en considération dans la mise en place des modèles, afin de valider les paramètres concernant la végétation, la dégradation du pergélisol et le flux du carbone. / In order to better understand the impacts of climate change on permafrost degradation, it is important to understand the influence of abiotic and biotic factors on permafrost dynamics. While studies allude to the effect of broad vegetation groups on permafrost dynamics at landscape-scale, the role vegetation plays in affecting the spatial variability of active-layer development on the scale of metres, as explored here, is largely unknown. The study was carried out in a boreal forest-peatland landscape in the discontinuous permafrost zone in the southern Northwest Territories (N61°18’, W121°18’). We examined the influence of the following vegetation characteristics on the spatial variability of thaw depth: tree density, shrub cover, leaf area index, and cryptogam presence (lichen and bryophyte). We found that greater tree density was associated with shallower thaw depths while shrub cover (<50cm height) had a negligible influence. Furthermore, thaw depth depended on the cryptogam species cover and microform. This research quantifies the impact of vegetation by strata on thaw depth and may ultimately serve to refine vegetation parameters in ecosystem models and land surface schemes as part of climate models.

Le contexte général de cette thèse est la Simulation Numérique Directe des écoulements diphasiques dilués anisothermes. Un accent particulier est mis sur la détermination précise de la dispersion des particules et du transfert de chaleur entre la phase porteuse et dispersée. Cette dernière est décrite à l’aide d’une approche Eulérienne aux moments : le Formalisme Eulérien Mésoscopique (FEM) [41, 123], récemment étendu aux écoulements anisothermes [78]. Le principal objectif de ce travail est de déterminer si ce formalisme est capable de prendre en compte de manière précise l’inertie dynamique et thermique des particules dans un écoulement turbulent, et particulièrement dans une configuration avec un gradient moyen. Le code de calcul utilisé est AVBP. La simulation numérique d’un spray dilué avec une approche Eulerienne soulève des questions supplémentaires sur les méthodes numériques et les modèles employés. Ainsi, les méthodes numériques spécifiques aux écoulements diphasiques implémentées dans AVBP [69, 103, 109] ont été testées et revisitées. L’objectif est de proposer une stratégie numérique précise et robuste qui résiste aux forts gradients de fraction volumique de particule provoqués par la concentration préférentielle [132], tout en limitant la diffusion numérique. Ces stratégies numériques sont comparées sur une série de cas tests de complexité croissante et des diagnostics pertinents sont proposés. Par exemple, les dissipations dues `a la physique et au numérique sont extraites des simulations et quantifiées. Le cas test du tourbillon en deux dimensions chargé en particules est suggéré comme une configuration simple pour mettre en évidence l’impact de l’inertie des particules sur leur champ de concentration et pour discriminer les stratégies numériques. Une solution analytique est aussi proposée pour ce cas dans la limite des faibles nombres de Stokes. Finalement, la stratégie numérique qui couple le schéma centré d’ordre élevé TTGC et une technique de stabilisation, aussi appelée viscosité artificielle, est celle qui fournit les meilleurs résultats en terme de précision et de robustesse. Les paramètres de viscosité artificielle (c'est-à-dire les senseurs) doivent néanmoins être bien choisis. Ensuite, la question des modèles nécessaires pour d´écrire correctement la dispersion des particules dans une configuration avec un gradient moyen est abordée. Pour ce faire, un des modèles RUM (appel´e AXISY-C), proposé par Masi [78] et implémenté dans AVBP par Sierra [120], est validé avec succès dans deux configurations: un jet plan diphasique anisotherme 2D et 3D. Contrairement aux anciens modèles RUM, les principales statistiques de la phase dispersée sont désormais bien prédites au centre et aux bords du jet. Finalement, l’impact de l’inertie thermique des particules sur leur température est étudié. Les résultats montrent un effet important de cette inertie sur les statistiques mettant en évidence la nécessité pour les approches numériques de prendre en compte ce phénomène. Ainsi, l’extension du FEM aux écoulements anisothermes, c’est-à-dire les flux de chaleur RUM (notés RUM HF), est implémentée dans AVBP. L’impact des RUM HF sur les statistiques de température des particules est ensuite évalué sur les configurations des jets 2D et 3D. Les champs Eulériens sont comparés à des solutions Lagrangiennes de référence calculées par B. Leveugle au CORIA et par E. Masi à l’IMFT pour les jets 2D et 3D, respectivement. Les résultats montrent que les RUM HF améliorent la prédiction des fluctuations de température mésoscopique, et dans une moindre mesure la température moyenne des particules en fonction de la configuration. Les statistiques Lagrangiennes sont retrouvées lorsque les RUM HF sont pris en compte alors que les résultats sont dégradés dans le cas contraire. / This work addresses the Direct Numerical Simulation of non-isothermal turbulent flows laden with solid particles in the dilute regime. The focus is set on the accurate prediction of heat transfer between phases and of particles dispersion. The dispersed phase is described by an Eulerian approach : the Mesoscopic Eulerian Formalism [41, 123], recently extended to non-isothermal flows [78]. The main objective of this work is to assess the ability of this formalism to accurately account for both dynamic and thermal inertia of particles in turbulent sheared flows. The CFD code used in this work is AVBP. The numerical simulation of dilute sprays with an Eulerian approach calls for specific modelling and raises additional numerical issues. First, the numerical methods implemented in AVBP for two-phase flows [69, 103, 109] were tested and revisited. The objective was to propose an accurate and robust numerical strategy that withstands the steep gradients of particle volume fraction due to preferential concentration [132] with a limited numerical diffusion. These numerical strategies have been tested on a series of test cases of increasing complexity and relevant diagnostics were proposed. In particular, the two-dimensional vortex laden with solid particles was suggested as a simple configuration to illustrate the effect of particle inertia on their concentration profile and to test numerical strategies. An analytical solution was also derived in the limit of small inertia. Moreover, dissipations due to numerics and to physical effects were explicitly extracted and quantified. Eventually, the numerical strategy coupling the highorder centered scheme TTGC with a stabilization technique –the so called artificial viscosity– proved to be the most accurate and robust alternative in AVBP if an adequate set-up is used (i.e. sensors). Then, the issue of the accurate prediction of particle dispersion in configurations with a mean shear was adressed. One of the RUM model (denoted AXISY-C), proposed by Masi [78] and implemented by Sierra [120], was successfully validated in a two-dimensional and a three-dimensional non-isothermal jet laden with solid particles. Contrary to the former RUM models [63, 103], the main statistics of the dispersed phase were recovered at both the center and the edges of the jet. Finally, the impact of the thermal inertia of particles on their temperature statistics has been investigated. The results showed a strong dependency of these statistics to thermal inertia, pinpointing the necessity of the numerical approaches to account for this phenomenon. Therefore, the extension of the MEF to non isothermal conditions, i.e. the RUM heat fluxes, has been implemented in AVBP. The impact of the RUM HF terms on the temperature statistics was evaluated in both configurations of 2D and 3D jets. Eulerian solutions were compared with Lagrangian reference computations carried out by B. Leveugle at CORIA and by E. Masi at IMFT for the 2D and 3D jets, respectively. Results showed a strong positive impact of the RUM HF on the fluctuations of mesoscopic temperature, and to a lesser extent on the mean mesoscopic temperature depending of the configuration. Neglecting the RUM HF leads to erroneous results whereas the Lagrangian statistics are recovered when they are accounted for.

Cette thèse de doctorat s’intéresse aux mécanismes d’amélioration des transferts dans des géométries de dissipateurs thermiques à plaques et ailettes. Une première partie est consacrée à l’étude d’une configuration académique à l’aide de simulations numériques visant à obtenir une amélioration du transfert de chaleur conjugué en modifiant uniquement par des découpes la forme géométrique des ailettes planes conductrices. Une analyse locale approfondie de l’écoulement et des champs thermiques a été effectuée avec notamment le principe de synergie locale, des champs de vitesse et de gradients thermiques, pour comprendre l’effet des modifications géométriques. Ce mémoire présente également le développement de dissipateurs aux performances thermo-aérauliques augmentées pour des applications de refroidissement de coffrets électronique embarqués. L’intensification des transferts thermiques est obtenue par la génération d’écoulements secondaires qui provoquent un brassage de fluide et réduisent la résistance thermique à la paroi en perturbant le développement de la couche limite thermique. Différentes configurations de dissipateurs avec deux types de générateurs d’écoulements secondaires, paires d’ailettes Delta et protrusions, ont été étudiées numériquement, en employant une modélisation de type « RANS ». Les performances thermo-aérauliques des géométries munies de générateurs de vorticité ont été comparées à celle d’un dissipateur thermique de référence « lisse ». Des prototypes ont également été fabriqués et testés sur un banc expérimental spécifiquement développé pour réaliser des mesures des performances globales en termes de puissance thermique et de pertes de charge. Les résultats expérimentaux et numériques ont été confrontés afin de qualifier les simulations réalisées. Par la suite, une étude d’optimisation employant l’analyse factorielle Taguchi a été utilisée afin d’optimiser les paramètres géométriques des dissipateurs retenus. Deux fonctions objectif ont été considérées : la maximisation du facteur de performance thermique à iso puissance de ventilation (PEC) et la réduction de la température moyenne de paroi du dissipateur par rapport au cas de référence. L’analyse des performances thermo-aérauliques globales des géométries étudiées a été complétée par une analyse qualitative locale des champs thermiques et d’écoulement notamment avec le principe de synergie. / This doctoral thesis focuses on mechanisms of heat transfer enhancement in plate and fin heat sink geometries. First part of the thesis is dedicated to study an academic configuration using numerical simulations to achieve an improvement in conjugate heat transfer by modifying only the geometrical shape (through punching) of the conductive plane fins. An in-depth local analysis of the flow and thermal fields was carried out with the local synergy principle, velocity and thermal gradients, to understand the effect of geometric modifications. This thesis also presents the development of heat sinks with increased thermo-hydraulic performance for on-board electronic box cooling applications. The intensification of the heat transfer is obtained by the generation of secondary flows which cause an intensive mixing of fluid and reduces the thermal resistance to the wall by disrupting the development of the thermal boundary layer. Different heat sink geometries with two types of secondary flow generators : delta winglet pair and protrusions were numerically studied using RANS approach. The thermo-hydraulic performances of the geometries equipped with vortex generators were compared with that of a smooth reference heat sink. The prototypes were also manufactured and tested on an experimental bench specifically designed to perform global performance measurements in terms of thermal power and pressure drops. Experimental and numerical results were compared to qualify the simulations performed. Subsequently, an optimization study using Taguchi factorial analysis was used to optimize the geometrical parameters of the chosen dissipaters. Two objective functions were considered : maximization of either iso-pumping power performance criteria (PEC) or average wall temperature of the dissipaters compared to the reference case. The global thermo-hydraulic performance analysis of the studied geometries was completed by a qualitative analysis of local flow and thermal fields, in particular with the local field synergy principle.

Cette thèse porte sur le développement d’une approche pratique de modélisation/simulation des systèmes solaires combinés Photovoltaïques/Thermiques PV/T. Il s’agit d’une approche basée sur un modèle d’ordre réduit en représentation d’état (ORRE). En effet, les systèmes solaires thermiques, électriques et combinés intégrés aux bâtiments possèdent des spécificités permettant de s’affranchir des méthodes numériques classiques (mécanique des fluides numérique et thermique numérique). Ces méthodes sont réputées dans le domaine de l’aérodynamique, de l’aéraulique…etc. Par contre, dans le domaine du mix-énergétique tels que celui considéré dans ce mémoire, l’application directe de ce modèle peut conduire à des dépassements des capacités mémoire ou des temps de calcul exorbitants. Une alternative est de développer des méthodes adaptées au problème physique considéré, en traitant l’aspect multi-physique toute en restant dans une taille de données raisonnable et du temps de calcul réduit. La méthodologie de modélisation consiste à réduire les dimensions des équations qui régissent le problème. En se basant sur la symétrie du système, puis en découpant le système en zones de contrôle basées sur une valeur moyenne gouvernée par les nombres adimensionnels de Biot (Bi) et de Fourier (Fo). Les résultats obtenus en fonctionnement dynamique pourront nous fournir des paramètres de sorties, plus particulièrement, les rendements électrique, thermique et la puissance de circulation du fluide caloporteur. L’avantage de l’approche proposée réside dans la simplification du modèle résultant, qui est représenté par un seul système d’équations algébriques en représentation d’état regroupant tous les éléments physiques du système en fonctionnement dynamique (conditions aux limites variables dans le temps). Ce modèle regroupe la variable fondamentale qui est la température, et les deux types de contrôle et de conception. De plus, le modèle d’ORRE est intégrable dans le fonctionnement en temps réel des systèmes PV/T intégrés aux bâtiments (PV/T-Bât) afin d’accompagner leurs régulation et gestion des flux mise en jeu. Le modèle ainsi proposé a fait l’objet d’une validation où les résultats numériques ont été comparés aux résultats expérimentaux. En effet, quatre configurations ont été étudiées et évoquées dans une approche linéaire. Les résultats obtenus montrent une cohérence tolérable entre les résultats expérimentaux, et numériques. Cette cohérence a été évaluée en termes d’incertitude entre les résultats du modèle et le cas étudié expérimentalement. Le cas d’un système non-linéaire a été également abordé. En effet, rares sont les travaux qui ont été publiés mettant en valeur les phénomènes non-linéaires dans les systèmes complexes PV/T-Bât, Ainsi, on a développé avec la même stratégie, des modèles bilinéaires qui modélise le mieux possible le comportement thermique dans les systèmes PV/T-Bât. Une étude d’optimisation du système multi-physique en introduisant une étude paramétrique est menée en terme afin d’étudier la sensibilité des paramètres sur le rendement énergétique. Cependant, les études d’optimisation paramétriques restent limitées et insuffisantes à cause de la résolution mono-objectif du problème d’optimisation, alors que notre système manifeste un comportement combiné et multi-physique de nature contradictoire. Pour ce faire, une optimisation multi-objectifs est introduite avec trois fonctions objectif en employant l’algorithme génétique NSGA-II. L’originalité de notre méthode est d’employer l’algorithme en régime dynamique afin de choisir la conception du système la plus optimale. Les résultats trouvés peuvent contribuer à améliorer la conception des systèmes PV/T-Bât et l’optimisation de leur fonctionnement / This thesis consists to develop a simplified model approach for Photovoltaic / Thermal (PV / T) combined solar system based on state-space reduced order model. The building integrated solar systems are getting high attention in these last decencies, as well as the performance increasing which require high numerical methods to improve the design and reducing the costs. In one hand, the CFD methods are useful tool to predict the energy (mechanical and thermal) of combined PV/T systems, but it requires an expensive computing capacities and exorbitant calculation times, On the other hand, the PV/T systems can generate both the electrical and thermal flows, and requires an easily and performant optimization model. An alternative is to develop methods that are adapted to the physical problem under consideration, treating the multi-physics aspect while remaining in a reasonable data size and reduced computing time. The first part of the current thesis consists to develop a mathematical model which consists of reducing the dimensions of the governed equations. Based on the symmetry of the geometry, the system is subdivided into control areas which governed by the dimensionless Biot (Bi) and Fourier (Fo) numbers. The obtained results in dynamic mode can provide output key parameters, more particularly the electrical and thermal efficiencies and the dissipated hydrodynamic power. The advantage of this approach lies in the simplification of the resulting model, which is represented by a single state-space representation that groups all the physical elements of the system into dynamic mode, i.e. in continuous variation of the boundary condition. This model groups the fundamental variable, which is the temperature, and two type parameters, which are the control parameters and the design parameters. In addition, the reduced order model can be integrated into real-time operation of building-integrated PV / T (BIPV/T) systems in order to support their regulation and management of intervening flows. In order to validate the use of our model, it is necessary to test it for several cases of Building Integrated PV/T systems (BIPV/T). For this, four major configurations were studied and discussed in a linear approach; the found results show a good agreement with experimental works. A second level has been developed as part of our thesis work, which is the non-linearity in combined PV / T and BIPV/T systems; in particular, bilinear models have been developed with the same strategy which best models the thermal behavior in BIPV/T systems. The second issue, related to Multi-physics aspect. Furthermore, in order to evaluate the sensitivity of the parameters, a parametric optimization has been made with dimensionless numbers. However, parametric optimization studies remain limited and insufficient because of the single-objective resolution of the optimization problem, whereas our system manifests a mixed and multi-physics behavior with contradictory nature. To do this, a multi-objective optimization is introduced with three objective functions using the NSGA-II genetic algorithm. The originality of our method is to use the algorithm in dynamic mode in order to choose the design of the optimal system. The found results can contribute to the design of BIPV/T systems and optimize their operation

La paramétrisation du transfert de chaleur par télédétection, basée sur le schéma SEBS, s'est déjà avérée très adaptée pour l'estimation de l'évapotranspiration (ET) sur des surfaces naturelles homogènes. Cependant, l'utilisation d'une telle méthode pour des paysages hétérogènes (e.g. régions semi-arides ou surfaces agricoles) est plus délicate, puisque le principe de la théorie de la similarité est compromis par la présence de différentes sources de chaleur et de hauteurs variées. Dans un premier temps, cette thèse a pour objectif de proposer et d'évaluer différents modèles basés sur la géométrie de la végétation qui permettent d'estimer la longueur de rugosité pour le transfert de quantité de mouvement à la surface (z0m), cette dernière étant un paramètre clé dans la caractérisation du transfert de chaleur. En revanche, une telle investigation ne peut être menée qu'à une petite échelle et à l'aide de données de télédétection très haute résolution permettant ainsi une description très détaillée de la surface. Ensuite, le second aspect de ce travail est de caractériser le transfert de chaleur dans le cas d'études régionales. Puis, la capacité de SEBS à estimer les flux de chaleur turbulents à de grandes échelles spatiales et temporelles sera évaluée. Pour ce faire, l’approche multi-échelle de SEBS (MSSEBS) a été implémentée afin de traiter une zone de 2,4 millions km2, incluant le Plateau du Tibet et l’amont des principaux fleuves d’Asie du sud-est. La combinaison de données horaires de température de surface FY-2 avec un rayonnement net journalier et des paramètres de surface avancés, permet de produire une série temporelle d’ET sur le Plateau du Tibet pour la période 2008-2010, et à une fréquence journalière. / The parameterization of heat transfer by remote sensing, and based on SEBS scheme for turbulent heat fluxes retrieval, already proved to be very convenient for estimating evapotranspiration (ET) over homogeneous land surfaces. However, the use of such a method over heterogeneous landscapes (e.g. semi-arid regions or agricultural land) becomes more difficult, since the principle of similarity theory is compromised by the presence of different heat sources with various heights. This thesis aims at first to propose and evaluate some models based on vegetation geometry for retrieving the surface roughness length for momentum transfer (z0m), which is a key parameter in the characterization of heat transfer. Such an investigation can only be led at a small scale with very-high resolution remote sensing data, for a precise description of the land surface. Therefore, the second aspect of this work is to determine how to address the characterization of heat transfer for regional studies. Then, the reliability of SEBS for estimating turbulent heat fluxes at large spatial and temporal scales has been evaluated. To do so, the Multi-Scale SEBS approach (MSSEBS) has been implemented for a 2.4 million km2 area including the Tibetan Plateau and the headwaters of the major rivers of East and South Asia. The addition of gap-filled hourly FY-2 LST data to advanced daily averaged net radiation and land surface parameters, allows to compute time-series of land surface ET over the Tibetan Plateau during the period 2008-2010, and on a daily basis.

Le couple zéolite/H2O, qui présente une densité énergétique importante et remplit les conditions d’innocuité requises pour un système de stockage de chaleur pour l’habitat, est mis en œuvre dans réacteur modulaire à lit fixe. Un modèle monodimensionnel de transferts couplés de masse et de chaleur dans un lit fixe de grains de zéolite parcourus par un flux d'air humide été élaboré. Ce dernier a été conçu de façon à pouvoir intégrer rapidement des données sur de nouvelles générations de matériaux et coupler le réacteur à d’autres modèles : bâtiment/sous-station/quartier. L'étape de validation expérimentale montre que le modèle permet une estimation satisfaisante de l'autonomie, la durée d'amorçage et la puissance moyenne fournie en phase de décharge ainsi que la durée de charge. Ce modèle est donc un bon outil de dimensionnement et de pilotage du réacteur. L'analyse de sensibilité a montré que l'amélioration des prévisions du modèle requiert une évaluation plus précise de la chaleur complémentaire de sorption et de la porosité du lit. Après avoir estimé les besoins de chauffage d'une maison BBC deux dimensionnements ont été proposés afin d'effacer soit l'hyper-pointe de 18h - 20h soit la semaine la plus froide. Si la première stratégie aboutit à un système de stockage plus compact, la seconde permet de réduire le nombre de cycles marche/arrêt. Pour un îlot de 50 maisons BBC, la notion de foisonnement est considérée lors de l'estimation des besoins en chauffage pendant la semaine la plus froide. La phase de charge du système de stockage se ferait par le biais de la chaleur fatale récupérée dans l'industrie. Pour des stratégies d'effacement similaires (semaine la plus froide en hiver), un volume équivalent de 544 litres par maison dans l'îlot suffit pour répondre aux besoins de chauffage à Nancy contre 580 litres pour une maison BBC seule. / Heat storage systems for residential house heating could contribute to smoothing the load curve and would help prevent the use of the most polluting power plants or electricity imports during consumption peaks. Thermochemical heat storage systems are suitable for the intended application since they have high energy densities and low thermal losses. This thesis focuses on the design of an adsorption heat storage system that would be used to shed the load curve of the heating device of a house or residential district during the winter peak consumption periods. The zeolite/H2O pair, which has interesting features such as a high energy density and meets the conditions of safety required for a heat storage system for housing, is implemented in a modular fixed bed reactor. A 1D pseudo-homogeneous model was developed in order to simulate the performance of a fixed bed of zeolite during the adsorption and desorption of water. The latter was designed so as to facilitate the integration of data on new generations of materials and model couplings. The need to obtain data on the sorption properties of the zeolite/H2O pair to have reliable simulation results has been demonstrated, particularly at low partial pressures of water vapor and under the operating conditions selected. The experimental validation phase shows that the pseudo-homogeneous model provides a satisfactory estimate of criteria such as the autonomy, the responsiveness and the average power delivered during the discharging phase and the charging time. The model is thus a good sizing and management tool of the reactor. A sensitivity analysis, with the method of Morris, showed that improved model estimates require a more accurate assessment of the additional heat of sorption and porosity of the bed. After assessing the heating needs of the LEB house with a thermal model of the latter in cold climate conditions, two heat storage reactors were sized in order to shed the heating system's load curve either between 6 and 8pm or during the coldest week of the year. While the first strategy results in a more compact storage system, the second makes it possible to reduce the number of on/off cycles. The need for predictive control for monitoring the storage system was highlighted. As for the residential district of 50 LEB houses, diversity is considered when estimating the heating needs of the latter during the coldest week in Nancy. The heat source during the charging phase of the container would be industrial waste heat. During the coldest week, two sizings are suggested. For similar load shedding strategies, the comparison of the equivalent storage volume per house in the district with the storage volume for a single house serves highlights the importance of taking into account diversity. In order to meet the heating needs in Nancy, an equivalent volume of 544 liters per house in the district is sufficient whereas 580 liters are needed for a LEB house.

La performance énergétique est un pilier pour réduire l'utilisation d'énergie non renouvelable, en plus de l'utilisation des énergies renouvelables. En fait, les bâtiments sont au cœur de la politique des performances énergétiques de l'UE puisque 40% de la consommation finale d'énergie et 36% des émissions de gaz à effet de serre provient des bureaux, magasins et autres bâtiments. Les bâtiments peuvent être considérés comme des systèmes dynamiques et le transfert de la chaleur dans les bâtiments peut être représenté en utilisant des modèles dynamiques. De cette façon, le transfert de la chaleur dans les bâtiments peut être décrit par des réseaux thermiques obtenus en utilisant la théorie des graphes et de la thermodynamique, et peuvent être déduits de l'équation de la chaleur classique. Les réseaux thermiques peuvent être exprimés comme un système d'équations différentielles et algébriques (DAE) qui peut être transformé en représentation d'état et obtenir un fonction de transfert à partir de laquelle un modèle autorégressif avec des variables exogènes (ARX) peut être obtenu. Ces différentes structures de modèle peuvent être utilisées pour identifier les paramètres physiques des réseaux thermiques, ce qui implique que la méthode peut être utilisée pour identifier la performance intrinsèque des bâtiments et aider à la réduction de la consommation d'énergie dans les bâtiments.Cela peut faciliter l'évaluation de la performance énergétique des bâtiments dans un cadre reproductible qui permet la comparaison entre différentes solutions constructives.Les principales contributions originales de cette thèse sont: 1) les réseaux thermiques sont présentées à partir de la théorie des graphes et de la thermodynamique, sans considérer l'analogie thermique-électrique; 2) l'équation classique de la chaleur est reliée explicitement avec un système de DAE (réseau thermique) par les éléments finis; 3) différentes transformations pour déduire des modèles du transfert de la chaleur avec signification physique, à partir de l'équation de la chaleur classique, sont présentées toutes ensemble; 4) les transformations entre les modèles sont effectuées à partir des réseaux thermiques jusqu’aux modèles autorégressifs avec des variables exogènes (ARX) et vice-versa; et 5) un critère de sélection de l'ordre du modèle par une analyse de fréquence des mesures est proposé. / Energy efficiency is one of the two pillars to decrease the use of non-renewable energy besides the use of renewables energies. In fact, buildings are central to the EU's energy efficiency policy, as nearly 40% of the final energy consumption and 36% of greenhouse gas emissions take place in houses, offices, shops and other buildings. Buildings may be considered as dynamic systems and heat transfer in buildings may be represented using dynamic models. In this way, heat transfer in buildings may be described by thermal networks which may be stated considering graph theory and thermodynamics, and may be deduced from the classical heat equation. Thermal networks may be expressed as a system of linear differential algebraic equations (DAE) and the system of linear DAE may be transformed into a state-space representation from which an autoregressive model with exogenous (ARX) can be obtained. These different model structures may be used for identifying the physical parameters of thermal networks which implies that this methodology may be useful for identifying the intrinsic performance of buildings and tackling the reduction of non-renewable energy consumption in buildings. This may facilitate the assessment of energy efficiency of buildings within a reproducible framework which allows the comparison between different constructive solutions.The main original contributions of this dissertation are: 1) thermal networks are stated from graph theory and thermodynamics, leaving back the thermal-electrical analogy; 2) classical heat equation is connected explicitly to a system of DAE (thermal network) by using the finite elements; 3) the transformations for deducing heat transfer models with physical meaning from the classical heat equation are put altogether; 4) transformations between models may are done from thermal networks to autoregressive models with exogenous (ARX) and back; and 5) a criterion for selecting the order of the model by frequency analysis of measurements is proposed.

Les boucles diphasiques à pompage thermo-capillaire de type LHP (pour Loop Heat Pipe, en anglais), dont le fonctionnement s’apparente à celui d’un caloduc, permettent un transfert de chaleur particulièrement efficace et entièrement passif entre une source chaude et une source froide. Ce transfert s’effectue au moyen d’un fluide diphasique, mû grâce à la force motrice capillaire générée par un matériau poreux contenu dans l’évaporateur/réservoir de la LHP. Outre son rôle de barrière hydraulique entre les phases liquide et vapeur, ce matériau doit assurer une fonction de barrière thermique afin de favoriser l’évaporation du liquide. L’aptitude du matériau à remplir ses fonctions dépend étroitement de sa microstructure, elle-même liée à la méthode de fabrication. Dès lors, l’objectif de la thèse est d’associer la science des matériaux à celle de la thermique, pour améliorer les procédures de fabrication de structures capillaires existantes ou tester de nouvelles méthodes, et aboutir à des structures dont les caractéristiques sont en adéquation avec celles qui sont recherchées. / The capillary pumped loops (CPL) or loop heat pipes (LHP), whom the operating principle is similar to classic heat pipes, enable an efficient heat transfer between a hot source and a cold source without additional energy sources. Indeed, a porous structure provides a capillary force that enables a two-phase fluid to circulate around the loop, transferring the heat from the evaporator to the condenser. The porous structure acts as a hydraulic barrier between the two phases and as a thermal barrier enabling the liquid evaporation. The ability of the capillary structure to fulfil its mission depends on its microstructure, and thus on the manufacturing process. Therefore, the objective of the present thesis is to join the thermal sciences with the material sciences in order to improve the existing manufacturing procedure or even to test new ones. It aims at obtaining capillary structures corresponding to heat transfer applications.

Ce travail porte sur le développement d’un système de stockage de chaleur en vue d’assurer le confort thermique de l’habitacle d’un véhicule électrique. Ce dispositif, appelé batterie thermique, se présente comme un réservoir composé d’un lit fixe de matériaux à changement de phase (MCP). Ce type de matériau a la propriété d’emmagasiner de fortes quantités de chaleur (latente) sous de faibles volumes, permettant d’envisager un système très compact. A l’échelle du matériau, une investigation sur la cinétique des transferts thermiques au sein de plusieurs MCPs a été évaluée. Une expression phénoménologique décrivant l’évolution temporelle de la température d’un MCP en phase de solidification a été proposée. Elle permet d’estimer la durée de solidification du matériau en fonction de ses caractéristiques géométriques et thermiques. A l’échelle du système, un prototype de batterie thermique a été réalisé et la dynamique des transferts en phase de stockage et déstockage a été étudiée. Les durées de stockage et déstockage suivent des lois de puissance avec le débit imposé ; les pertes de charges s’avèrent insignifiantes. En parallèle, un modèle numérique simulant le comportement dynamique et thermique d’un lit fixe de particules de MCP a été développé et validé sur les données expérimentales. Il pourra être utilisé pour le dimensionnement du futur prototype et servira également d’outil pour optimiser les performances de la batterie en ajustant les paramètres de contrôle / This study focuses on the development of a heat storage system used to ensure passenger compartment thermal comfort in an electric vehicle. This device, called a thermal battery, is a packed bed latent heat tank filled with phase change materials (PCM). This type of material has the property of storing large amounts of latent heat in small volumes, allowing a very compact system. At the material scale, an investigation on heat transfer dynamics within several PCM was studied. A phenomenological expression which depicts the temporal evolution of the PCM temperature for a solidification phase was suggested. This allows the estimation of the material solidification duration in terms of geometric and thermal characteristics. At the system scale, a thermal battery prototype was set up and the thermal transfer dynamics during the charging and discharging phases were studied. The charging and discharging durations are fitted by power laws in terms of the flow rate; the pressure drops are insignificant. Simultaneously, a numerical model which simulates the dynamic and thermal behavior of a PCM particle fixed bed was developed and validated with the experimental data. It can be used for future prototype sizing and will also serve as a tool to optimize the performance of the battery by setting the control parameters