Ces travaux de thèse, répondent à la problématique liée à la sécurité incendie des bâtiments ventilés naturellement, et notamment au comportement des fumées chaudes lorsqu’elles interagissent avec le vent. Le premier chapitre concerne la mise en exergue de la problématique bâtimentaire, au travers de la présentation des moteurs de la ventilation naturelle, d’une analyse règlementaire croisée sécurité incendie / confort thermique, et de multiples retours d’expériences. La nécessité d’étudier les régimes d’écoulement interne lorsque le vent interagit avec la fumée est mise en évidence. Ainsi, dans le second chapitre, les verrous scientifiques, associés à l’identification des régimes d’écoulement en convection mixte, sont soulevés à l’aide d’une analyse de la littérature. Dans le troisième chapitre, nous nous intéressons à la caractérisation des régimes d’écoulement internes lorsque le vent oppose le tirage thermique dans un volume contenant une source constante générant les forces de flottabilité. Une expérimentation densimétrique, air/hélium, à échelle réduite est proposée. Trois régimes d’écoulement internes stables sont mis en évidence. Les transitions entre ces régimes sont caractérisées par une loi puissance, mettant en jeu le nombre de Froude, relatif à la source générant les forces de flottabilité, et le rapport entre la pression dynamique de la source et celle du vent. Dans le quatrième chapitre, ces régimes sont également identifiés, expérimentalement et numériquement, lors de la vidange de fluide léger lorsque le vent oppose le tirage thermique. Une relation entre le nombre de Richardson et un temps de vidange caractéristique est identifiée. L’étude numérique nous permet d’analyser des dynamiques particulières de vidange de manière quantitative. Dans la dernière partie, les lois de transitions entre régimes d’écoulement permettent d’introduire un indicateur de sécurité dépendant des conditions de vent. Une méthode d’analyse, qui considère à la fois la sécurité et le confort, est alors proposée pour éviter les conflits mis en avant dans les retours d’expériences du chapitre 1. / This thesis work presents deals with the issue of fire safety consideration in naturally ventilated buildings. The particular case of the interaction between the wind and hot smoke movement is pinpointed. In the first chapter, basics of natural ventilation mechanisms are shown. Then, the analysis of building’s regulations, relating to fire safety and thermal comfort, allows to highlight potential conflicts and normative gaps. Theses gaps and conflicts are illustrated through real buildings feedbacks. The challenge of indoor flow pattern studies for safety purpose is hence underline. In the second chapter, scientific’s barriers in relation with the transitions between existing flow pattern, when wind and buoyancy are opposed, are identified thought a literature review. A scaled experiment is proposed in the third chapter, using density difference between air and helium, to identify internal flow pattern when wind opposes buoyancy. Three stable internal flow patterns are identified. A power law characterizing the transitions between identified flow pattern, involving source Froude number and dynamic pressure ratio between source jet and wind, is found. In the fourth chapter, the identified flow pattern are observed when the tested volume is emptied, and a relation between the initial Richardson number Ri and the characteristic emptied time θ is found. Furthermore, specific behaviour of internal flow, when the volume is emptied, is quantitatively study thanks to a numerical model. In the last part of this thesis, transitions law between internal flow patterns allows to introduce a new wind dependent fire safety index. A methodology is then proposed to both analyse fire safety and thermal comfort in building. The presented method gives the opportunity to avoid conception conflicts underlined in the first chapter of the present work.

Afin d'élaborer des stratégies de contrôle des écoulements en temps réel, il est nécessaire d'avoir recours à des modèles d'ordre réduit (ROMs), car la résolution des équations complètes est trop coûteuse en temps de calcul (des jours, des semaines) et en espace mémoire. Dans cette thèse, les modèles réduits ont été construits avec la méthode POD (Proper Orthogonal Decomposition). Une méthode de projection basée sur la minimisation des résidus, initiée par les travaux de Leblond et al. [134] a été proposée. Dans certaines configurations, la précision des résultats est significativement augmentée, par rapport à une projection de Galerkin classique. Dans un second temps, un algorithme d'optimisation non-linéaire, à direction de descente basée sur la méthode des équations adjointes, a été couplé avec des modèles réduits utilisant des bases POD. Deux méthodes de construction de base POD ont été employées : soit avec un paramètre (un nombre de Reynolds,. . . ), soit avec plusieurs paramètres (plusieurs nombres de Reynolds, . . . ). Les ROMs obtenus ont été utilisés pour contrôler la dispersion d'un polluant dans une cavité ventilée puis pour contrôler le champ de température dans une cavité entraînée différentiellement chauffée. Le contrôle est réalisé en temps quasi-réel et les résultats obtenus sont plutôt satisfaisants. Néanmoins, ces méthodes sont encore trop coûteuses en espace mémoire pour être aujourd'hui embarquées dans les boîtiers de contrôle utilisés dans le bâtiment. Une autre stratégie de contrôle, s'appuyant sur les contrôleurs actuels, a ainsi été développée. Celle-ci permet d'obtenir la température (ainsi que la vitesse) dans la zone d'occupation du bâtiment, en utilisant une décomposition des champs par POD et un algorithme d'optimisation de Levenberg-Marquardt. Elle a été validée sur une cavité différentiellement chauffée, puis appliquée sur une cavité ventilée 3D, proche d'un cas réel.

Dans les bâtiments scolaires existants, la ventilation naturelle constitue souvent l'unique solution pour le contrôle de la qualité de l'air intérieur et le confort thermique. Cependant, de nombreuses études montrent que les salles de classe sont insuffisamment ventilées et entrainent des problèmes de qualité de l'environnement intérieur. Plusieurs études ont été menées sous différents climats, mais peu dans des climats très froids où l'usage de la ventilation naturelle peut entraîner une surconsommation énergétique. Cette recherche vise à étudier l'impact de la ventilation naturelle sur le confort thermique, la qualité de l'air intérieur et l'efficacité énergétique des bâtiments scolaires dans les climats froids. Divers paramètres architecturaux associés aux fenêtres ont été analysés pour une classe type du corpus Schola. Dans cette recherche, l'orientation des fenêtres, leur taille, leur position, la taille et la position de l'ouverture des fenêtres, le programme de ventilation naturelle et les méthodes de ventilation naturelle (unilatérale et transversale) ont été simulés numériquement avec le logiciel Ladybug Tools. Les résultats des simulations produisent données numériques annuelles de température, humidité, température radiante moyenne, concentration de CO₂, pour traiter les conditions thermiques et de Qualité de l'Air Intérieur QAI dans les bâtiments scolaires et de leur impact sur la performance énergétique. L'analyse des résultats utilise les modèles standards 55 ASHRAE, Predicted Mean Vote PMV et extended Adaptive Thermal Comfort ATC pour l'analyse du confort thermique, la Santé Canada et le Centre de collaboration nationale en santé environnementale, la Federation of European Heating, Ventilation and Air Conditioning Associations REHVA pour le contrôle de la COVID-19. Les résultats montrent que l'ouverture répétitive des fenêtres de courte durée pourrait être une solution optimale en termes de confort thermique, de qualité de l'air intérieur et d'efficacité énergétique. Étant donné que la plupart de ces bâtiments scolaires ne sont pas équipés de systèmes CVC et qu'ils ne disposent que de systèmes de chauffage classiques, le manque de qualité de l'air intérieur est un problème inévitable. La solution de la ventilation naturelle pourrait compenser le manque de qualité de l'air intérieur et le coût de la rénovation du système CVC ; cependant, elle devrait être appliquée avec précision pendant les périodes hivernales pour éviter un inconfort thermique et une surconsommation énergétique. / In existing school buildings in Quebec, natural ventilation is often the only solution for thermal comfort and indoor air quality control. However, many studies show insufficiently ventilated classrooms, leading to indoor environment quality problems. Where the arbitrary use of natural ventilation can lead to energy over consumption, several studies have been conducted on the role of natural ventilation on this issue, but few of them are addressed in very cold climates. This research investigates the impact of natural ventilation on thermal comfort, indoor air quality, and energy efficiency of school buildings in cold climates. Various architectural parameters associated with windows were analyzed for a typical classroom in the Schola.ca corpus. Since most of these school buildings are not equipped with HVAC systems and have only infrastructures for conventional heating systems, the lack of indoor air quality is an inevitable problem. In this research, the windows' orientation, position, opening size, and opening position, natural ventilation program, and window-opening modes (single-sided and cross-window openings) were numerically simulated with the Ladybug Tools software. The software outputs consist of annual numerical data (temperature, humidity, mean radiant temperature, CO₂ concentration, energy, and thermal) representing thermal comfort and IAQ performances in school buildings and their impacts on energy consumption efficiency. In analyzing the result, several standards and guidelines were used, including ASHRAE 55 standard models (Predicted Mean Vote PMV and Adaptive Thermal Comfort models ATC for thermal performance), the Health Canada and National Collaboration Centre for Environmental Health guideline, and the Federation of European Heating, Ventilation and Air Conditioning Associations REHVA to evaluate the building thermal and IAQ performances compared to there commended benchmark models. The results show that repetitive short-term opening of the windows could be an optimal solution in terms of thermal comfort, indoor air quality, and heating energy consumption efficiency. Natural ventilation solutions could retrieve the lack of indoor air quality and the cost of HVAC system renovation; however, they should be only applied during cold seasons to avoid thermal discomfort and energy over consumption.

Contexte du sujet : La climatisation est un poste de dépense énergétique important dans le secteur du bâtiment, qui pourrait être réduit de manière drastique par l'utilisation de systèmes passifs de rafraîchissement. Dans les climats chauds et humides, le rafraîchissement passif des bâtiments est une solution éprouvée, qui s'ordonne autour de quatre principes : minimiser les apports de chaleur interne et externe, apporter de l'inertie au bâtiment, humidifier l'air et assurer une bonne ventilation pour favoriser les échanges convectifs. Objectifs : La description des transferts thermo-convectifs (évaluation des débits massiques, des transferts de chaleur) mis en jeu dans des cavités ouvertes (pièces avec ventilation traversante, cheminées solaires, doubles peaux, espaces sous-toiture) est encore mal connue et constitue un enjeu pour l'amélioration des systèmes passifs. L'étude de ces phénomènes peut être évaluée par la mécanique des fluides numérique. Les objectifs de ce travail de thèse sont : de réaliser des simulations numériques fines du comportement thermo-aéraulique dans des configurations typiques de systèmes passifs en climat tropical humide, afin d'améliorer nos connaissances sur la ventilation naturelle, d'approfondir et d'apporter des éléments de réponses en ce qui concerne le choix des conditions limites numériques à appliquer pour les systèmes ouverts. Modélisation numérique : L'approche numérique adoptée dans ce travail, pour étudier la convection naturelle turbulente, est la simulation des grandes échelles (SGE ou LES en anglais). Cette approche se situe à mi-parcours entre la méthode de calcul direct et la réso- lution des équations moyennées en temps, de type RANS. L'avantage d'une telle technique est la réduction appréciable du nombre de points de discrétisation nécessaire par rapport à ce- lui exigé par la méthode de calcul direct, tout en conservant l'aspect dynamique des écoulements. Résultats : Les résultats obtenus lors de ce travail concernent l'étude des conditions limites dynamiques à imposer pour des géométries ouvertes avec une SND et l'application de la SGE à différentes configurations de cavités ouvertes en régime turbulent, afin de caractériser les champs de température et de vitesse et d'en déduire les grandeurs intégrales d'intérêt (débit massique, débit enthalpique, renouvellement d'air, ...). Les résultats de ces calculs ont été comparés soit à d'autres résultats numériques dans le cadre de benchmarks nationaux (benchmark numérique AmeTh et ADNBâti) ou à des résultats expérimentaux.

Dans le cadre de la recherche de solutions visant à réduire les consommations d’énergie liées au rafraîchissement des bâtiments, une plateforme d’essais a été mise en place en 2012 à l’I2M et installée sur le site de l’IUT de l’Université de Bordeaux. Cette plateforme est issue d’un prototype de bâtiment BEPos, dénommée Sumbiosi, réalisée par un consortium rassemblé autour du campus de Bordeaux dans le cadre de sa participation à la compétition interuniversitaire du Solar Decathlon Europe 2012. Elle a notamment été conçue de façon à favoriser le stockage passif d’énergie diurne en hiver et le déstockage semi-passif d’énergie nocturne en été. Deux éléments principaux permettent a priori ces fonctions de stockage et déstockage passifs d’énergie : une dalle de forte masse thermique située du côté de la façade Sud vitrée du bâtiment, et des protections solaires et ouvertures pilotables sur les façades Sud, Nord et en lanterneau du bâtiment ; ces dernières assurent les trois principes fondamentaux en ventilation naturelle qui ont lieu grâce aux effets du tirage thermique et de la force du vent. L’objet des travaux menés actuellement ont pour objectif initial d’appréhender qualitativement le stockage-déstockage d’énergie dans la dalle, celle-ci étant soumise à des échanges radiatifs (extérieur et d’intérieur) et convectifs (générés par convection naturelle, forcée ou mixte). Ils visent par la suite à caractériser précisément et quantitativement le couplage entre ce stockage-déstockage, et les circulations d’air et apports radiatifs constatés. La mise en place d’une modélisation, reliant l’ensemble de ces paramètres est envisagée, dans le but d’avancer vers une loi de pilotage de ces éléments mobiles amenant à des conditions de confort internes au bâtiment optimales. Cette dernière doit nous permettre de montrer qu’un choix adéquat de stratégie de ventilation permet une minimisation de consommations électrique en évitant autant que possible le recours à la climatisation. Pour atteindre cet objectif, la démarche scientifique adoptée a consisté à mettre en évidence le rôle de la dalle en béton dans stockage/déstockage d’énergie thermique, sous l’effet de différents scénarii de ventilation naturelle de la plateforme. Cette dalle a été instrumentée, de façon discrète sur l’ensemble de sa surface, en termes de capteurs de flux de chaleur (Peltier et Captec), de températures (thermocouples T), et de la vitesse d’air proche de la dalle. Les premiers résultats, obtenus en période estivale, mettent clairement en évidence le couplage entre les phénomènes de stockage et déstockage d’énergie quotidiens et le cycle météorologique correspondant, ceci pour divers scénarii de pilotage des éléments mobiles de l’enveloppe du bâtiment (persiennes, ouvertures). / As part of the search for solutions to reduce the energy consumption related to the refreshment of buildings, a test platform was set up in 2012 at the I2M and installed on the IUT site of the " University of Bordeaux. This platform is the result of a prototype of a PEHs building called Sumbiosi, carried out by a consortium gathered around the Bordeaux campus as part of its participation in the inter-university competition of the Solar Decathlon Europe 2012. It was conceived in such a way as to favor the passive storage of diurnal energy in winter and the semi-passive destocking of nighttime energy in summer. Two main elements allow a priori these functions of passive storage and retrieval of energy: a slab of high thermal mass located on the side of the glazed south facade of the building, and solar protections and openings controllable on the facades South, North and skylight of the building ; the latter provide the three fundamental principles of natural ventilation, which take place through the effects of thermal draft and wind force. The object of the work currently carried out has the initial objective of qualitatively understanding the storage and de-stocking of energy in the slab, the latter being subjected to radiative (external and internal) and convective exchanges (generated by natural convection, forced or mixed). They are intended to characterize precisely and quantitatively the coupling between this storage and release, and the circulations of air and radiative contributions observed. The implementation of a modeling, linking all these parameters is envisaged, with the aim of advancing towards a law controlling these mobile elements leading to optimum internal comfort conditions for building. The latter must enable us to show that an adequate choice of ventilation strategy allows a minimization of electrical consumption by avoiding the use of air conditioning as much as possible. To achieve this objective, the scientific approach adopted consisted in highlighting the role of the concrete slab in the storage / destocking of thermal energy, under the effect of different scenarios of natural ventilation of the platform. This slab was instrumented, discretely over its entire surface, in terms of heat flux sensors (Peltier and Captec), temperatures (T thermocouples), and air speed close to the slab. The first results, obtained during the summer period, clearly show the coupling between the phenomena of daily energy storage and destocking and the corresponding meteorological cycle for various scenarios controlling the moving elements of the building envelope (shutters, openings).

Afin d’élaborer des stratégies de contrôle des écoulements en temps réel, il est nécessaire d’avoir recours à des modèles d’ordre réduit (ROMs), car la résolution des équations complètes est trop coûteuse en temps de calcul (des jours, des semaines) et en espace mémoire. Dans cette thèse, les modèles réduits ont été construits avec la méthode POD (Proper Orthogonal Decomposition). Une méthode de projection basée sur la minimisation des résidus, initiée par les travaux de Leblond et al. [134] a été proposée. Dans certaines configurations, la précision des résultats est significativement augmentée, par rapport à une projection de Galerkin classique. Dans un second temps, un algorithme d’optimisation non-linéaire, à direction de descente basée sur la méthode des équations adjointes, a été couplé avec des modèles réduits utilisant des bases POD. Deux méthodes de construction de base POD ont été employées : soit avec un paramètre (un nombre de Reynolds,. . . ), soit avec plusieurs paramètres (plusieurs nombres de Reynolds, . . . ). Les ROMs obtenus ont été utilisés pour contrôler la dispersion d’un polluant dans une cavité ventilée puis pour contrôler le champ de température dans une cavité entraînée différentiellement chauffée. Le contrôle est réalisé en temps quasi-réel et les résultats obtenus sont plutôt satisfaisants. Néanmoins, ces méthodes sont encore trop coûteuses en espace mémoire pour être aujourd’hui embarquées dans les boîtiers de contrôle utilisés dans le bâtiment. Une autre stratégie de contrôle, s’appuyant sur les contrôleurs actuels, a ainsi été développée. Celle-ci permet d’obtenir la température (ainsi que la vitesse) dans la zone d’occupation du bâtiment, en utilisant une décomposition des champs par POD et un algorithme d’optimisation de Levenberg-Marquardt. Elle a été validée sur une cavité différentiellement chauffée, puis appliquée sur une cavité ventilée 3D, proche d’un cas réel. / In order to control flows in real-time, it is necessary to resort to reduced-order models (ROMs) because the classical method of simulations is too expensive in CPU time (several days, weeks) and memory storage. In this thesis, the ROMs have been built with the POD (Proper Orthogonal Decomposition) technique. First, a projection method based on the minimization of the equations residuals and established starting from the works of Leblond et al. [134] have been developed. In some cases, the results accuracy is significantly increased. Secondly, a direct descent optimization algorithm based on adjoint-equations has been coupled with POD/ROMs. Two construction methods of POD bases has been employed: either with simulations for only one parameter (one Reynolds number, . . . ), or with simulations for several parameters (several Reynolds numbers,. . . ). The obtained ROMs have been applied in order to control the pollutant dispersion and then to control the temperature field in a lid-driven cavity heated by the left. The control is realized in quasi-real time and the results are rather satisfying. Nevertheless, these methods are still too expensive in memory storage to be embedded in the current controllers. Thus, another control strategy has been proposed, using POD and an optimization algorithm (Levenberg-Marquardt). This one enables to obtain the temperature (and the velocity) in the occupation zone of the building and has been validated on the lid-driven cavity heated by the left and applied on a 3D-ventilated cavity, similar to a real case.

Les bâtiments commerciaux et industriels présentent une part non négligeable de la demande énergétique. L’objectif de ce travail de thèse est d’étudier par des simulations numériques, le comportement thermoaéraulique des bâtiments de grand volume à usage commercial ou industriel et d’améliorer leurs performances afin de réduire leurs consommations énergétiques tout en assurant le confort thermique des occupants. La première partie de l’étude consiste à définir et à évaluer les paramètres d’enveloppe et de ventilation qui affectent la consommation d’énergie et le confort thermique de ce type de bâtiment. À travers des modèles développés (multizone et zonal) sur un bâtiment « générique », nous présentons l’impact des paramètres les plus importants (orientation du bâtiment, isolation thermique de l’enveloppe, propriétés radiatives de la toiture, sol, inertie thermique interne, diffusion de l’air…) sur la consommation énergétique et le confort. Ces paramètres sont déterminants surtout dans la conception de la toiture et du plancher de par leur influence sur les performances énergétiques du bâtiment étudié. Cette modélisation thermoaéraulique est ensuite appliquée à un bureau-entrepôt commercial existant. L’exploitation du modèle, dont les résultats sont confrontés aux mesures, et des études paramétriques permettent de démontrer l’efficacité de stratégies de ventilation naturelle nocturne. Dans la deuxième partie, nous évaluons certaines solutions de rafraîchissement passif (isolation thermique, ventilation naturelle nocturne, revêtement de toiture « cool roof ») permettant de maintenir le confort thermique en hiver aussi bien qu’en été tout en minimisant la consommation énergétique. Enfin, une étude d’optimisation nous permet de déterminer les paramètres optimums en fonction des conditions climatiques et des deux objectifs de confort et de performance énergétique. Ce travail ouvre de nombreuses perspectives sur la méthodologie de conception des enveloppes et l’adaptation du fonctionnement des installations de ventilation pour le rafraîchissement passif des bâtiments. / Commercial and industrial buildings represent a significant part of total energy demand. The objective of this thesis is to study the thermal behavior and airflows of commercial or industrial buildings (low-rise and large volume) by numerical simulations, to improve their thermal performance in order to reduce their energy consumption while maintaining thermal comfort of the occupants. The first part of this study consists in identifying and evaluating the keys factors that affect the energy demand and thermal comfort of these buildings. Using the developed models (multizone and zonal), we present the impact of the most important parameters (building orientation, thermal insulation, radiative properties of the roof, soil, internal thermal inertia, air diffusion…) on energy consumption and thermal comfort. We have identified here that the main influencing parameters can be found in the design of the roof and the ground floor considering the energy performance of the studied building. The developed model is then applied to a real commercial building. Results showed that the predictions are in good agreement with the measurements and that night-time natural ventilation can be an efficient passive cooling technique to avoid overheating in summer. In the second part, we evaluate the efficiency of different passive cooling techniques (thermal insulation, night-time natural ventilation, cool roof…) applied to ensure the thermal comfort in winter as well as in summer while minimizing the energy consumption. Finally, an optimization study is proposed to determine the optimal set of parameters for both objective functions considering the passive cooling techniques and the energy demand according to different climatic zones.