Doctor of Philosophy / Architects have long been focused on designing eco-friendly buildings, but there's a growing realization that focusing solely on energy efficiency isn't enough. Occupants spend the majority of their time indoors, and the quality of these indoor spaces profoundly impacts their well-being and productivity. Yet, often overlooked, are factors like lighting, air quality, and noise that can significantly affect how occupants feel and perform. With rising urbanization and recent experiences during the COVID-19 pandemic highlighting the importance of indoor environments, there's a renewed emphasis on user-centric design. Biophilic design, which incorporates elements of nature into buildings, has emerged as a promising approach to enhancing occupants' health, wellness, and well-being. Airflow, a critical aspect of biophilic design, plays a key role in creating healthier indoor spaces. This study aims to develop a prototype system that mimics natural airflow patterns indoors to promote occupants' health and well-being. By analyzing weather data, natural airflow features were identified and used to inform the design of a mechanical system. The goal is to create settings that replicate natural airflow patterns in indoor environments. Ultimately, this research lays the groundwork for future studies to explore how such biophilic systems impact occupants' physiological and psychological health. By prioritizing user experience in building design, indoor spaces that not only conserve energy but also enhance the quality of life could be developed.

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).

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.