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Les outils de simulation numérique occupent une place prépondérante dans les études en physique du bâtiment. La démarche de conception énergétique optimale des bâtiments, qui résulte de l'épuisement des ressources énergétiques et du souci de préservation de l'environnement, n'a fait qu'amplifier leur utilisation. Ces outils, si répandus dans la communauté scientifique, n'ont pas encore trouvé leur place parmi les professionnels. L'enjeu est donc de transférer ces outils vers les praticiens. En parallèle, il faut s'assurer de leur formation dans le domaine de la simulation. Diverses actions, à travers des associations d'ingénieurs ou d'industriels, des projets européens ou de l'Agence Internationale de l'Énergie, sont actuellement menées pour faciliter ce transfert d'outils de simulation. Le travail présenté dans ce mémoire se positionne dans ce cadre. Il cherche à faciliter l'utilisation de la simulation pour les études des systèmes de régulation associés aux installations de génie climatique. Il s'adresse dans un premier temps aux industriels de matériels de régulation pour la conception de nouveaux produits et aussi pour définir des stratégies de régulation. La démarche de modélisation classique se focalise dans la plupart des cas, sur la description d'un problème, sa représentation mathématique et sa résolution numérique. La méthode décrite ici intègre la notion de compréhension du modèle par un utilisateur dans cette démarche de modélisation. Le modélisateur doit garder à l'esprit le profil des utilisateurs potentiels de son modèle de système ou de composant et évaluer leur niveau de compétence. La théorie du Système Général est utilisée pour la description globale du comportement thermique dans le bâtiment. Un Système Bâtiment "générique" adapté aux études sur la régulation résulte de cette description. Dans ce souci de compréhension, les interactions entre les éléments du Système Bâtiment sont définies en utilisant des terminologies technologiques. Ainsi on fait intervenir de fluides caloporteurs (air ou eau), de bus de communication ou de données météorologiques au lieu de caractériser les interactions uniquement en transfert de chaleur et de masse ou en informations. La description accorde une grande importance à l'implémentation informatique de ce Système Bâtiment. Elle fait appel aux techniques de la programmation graphique pour mettre en valeur le caractère sémantique inhérent aux environnements graphiques pour les assemblages de systèmes virtuels identiques aux installations réelles. Il est appliqué dans un environnement de simulation graphique du commerce qui utilise le concept de modularité. L'environnement graphique sert aussi à améliorer la compréhension des modèles des éléments du Système Bâtiment. Le travail propose une méthode de structuration des modèles pour mettre en évidence le schéma fonctionnel. La notion de modularité, couramment utilisée pour la description de système, est introduite au niveau de chaque élément. Le problème du paramétrage des modèles est aussi abordée. La complexité du paramétrage est souvent soulevée comme un obstacle à l'utilisation des outils de simulation par des praticiens. Les modèles proposés doivent avoir une version avec des paramètres "facilement disponibles". Le modèle doit être utilisable même s'il n'est pas le plus performant. Dans certains cas, des données de sources typologiques ou conventionnelles sont proposées. L'environnement graphique permet de fournir différents niveaux d'interface utilisateur. Il est ainsi possible de hiérarchiser les paramètres selon leur complexité. De manière générale, l'architecture ouverte de la programmation graphique permet à un utilisateur de parcourir les modèles selon ses besoins et ses compétences. Il peut le faire tant au niveau du système qu'au niveau des composants. Pour tirer un maximum de profit de cette caractéristique, le modélisateur doit structurer son modèle au cours de son développement dans l'environnement graphique. En même temps il faut être conscient qu'un usage excessif de la programmation graphique peut compliquer la compréhension. Le modélisateur doit constamment déterminer l'utilité de la programmation graphique et le passage à une programmation textuelle. Ce travail se termine par la réalisation d'une bibliothèque de modèles de composants de génie climatique dans un environnement de simulation existant (MATLAB/SIMULINK). Le transfert de la simulation en thermique du bâtiment vers des spécialistes de la régulation et des automatismes se fait aussi par le biais de cet environnement qui est très connu par cette catégorie de professionnels.

La conception de systèmes énergétiques innovants et la caractérisation du confort des occupants requièrent de d'être capable d'estimer les détails des écoulements et des transferts de chaleur au sein des zones des bâtiments. Les méthodes de modélisation permettant d'estimer ces détails, telles que les méthodes zonales et CFD, sont difficilement applicables à l'étude d'un bâtiment dans son ensemble et sur de longues périodes de temps. Notre étude consiste à proposer une plate-forme de simulation permettant dans un premier temps de traiter la plupart des zones du bâtiment et de son enveloppe à l'aide de l'approche nodale qui considère chacune des zones comme un volume parfaitement uniforme. Chaque zone est alors caractérisée par un seul noeud de calcul où sont déterminées les variables d'états (température, pression, concentration, etc.). Ensuite, il s'agit d'étudier les détails au sein d'un nombre limité de zones et d'estimer l'impact de ces détails sur le comportement global du bâtiment. Ainsi, nous proposons différentes méthodes de couplage entre d'une part la méthode nodale et d'autre part, les méthodes zonales et CFD. Après avoir présenté les différentes méthodes de modélisation retenues pour la détermination des transferts de masse et de chaleur dans les bâtiments, nous tentons de montrer l'intérêt d'utiliser l'une plutôt qu'une autre en fonction, des spécificités de chacune des zones, et de l'étude à effectuer. Ensuite, nous exposons la plate-forme de simulation développée, permettant de mettre en oeuvre aussi bien les approches nodales et zonales, que les différentes procédures de couplage dépendant du type d'association de modèles. Enfin, différentes applications viennent confirmer les capacités offertes par la plate-forme, pour moduler le niveau de finesse des modèles utilisés pour représenter chacune des zones d'un bâtiment, mais aussi pour proposer de nouvelles orientations de recherche. En effet, la dernière application présente une approche de couplage entre les approches zonale et CFD, dans laquelle la première tire la connaissance de la structure de l'écoulement de la seconde. L'outil développé apporte de nombreuses possibilités d'applications, aussi bien pour la caractérisation du bâtiment lui-même que de son intégration dans son environnement immédiat.

C'est au travers d'un panel d'applications de conception en génie électrique, issu de mes travaux de recherche et d'encadrements doctoraux, qu'est illustrée une problématique inhérente à la " conception système ", celle des couplages. Ceux-ci interviennent au niveau de la définition des modèles du système (multi-physiques, multi-formalismes, multi-niveaux...) mais aussi au niveau des analyses possibles sur ce système (simulation dynamique, analyse de sensibilité, optimisation sous contraintes, robustesse, ...). Cette nature complexe est associée à la nature dynamique de la conception système, dans le sens où les couplages naissent en cours de processus. Ces deux caractères font que la réalisation d'outils de CAO adaptés est un véritable challenge que je cherche à relever en répondant à un ensemble d'enjeux décrits dans ce rapport. Pour ce faire, nous disposons, dans mon équipe de recherche, du framework logiciel CADES. Il constitue à la fois notre plateforme expérimentale et le réceptacle de méthodologies que nous valorisons pédagogiquement et industriellement. Mes contributions à ce framework, sont principalement méthodologiques mais également applicatives dans le domaine des MEMS magnétiques et du bâtiment intelligent. Elles sont majoritairement axées vers l'optimisation sous contraintes, en particulier par des formalismes de modélisation dédiés et des méthodes de génération automatique de calcul de Jacobien. En outre, c'est par l'approche à composants logiciels, mise en oeuvre dans CADES, que sont plus spécifiquement pris en compte les couplages dynamiques en question. Les perspectives ouvertes par ces travaux vont de la conception robuste et fiable de systèmes, à la commande optimale en temps réel, en s'appuyant sur des méthodologies de modélisation, de capitalisation et de réutilisation collaborative des connaissances, en exploitant au mieux Internet et les technologies logicielles.

Le bâtiment devient de plus en plus un système complexe où les flux énergétiques doivent être gérés en fonction des usages : on parle de bâtiments intelligents. Il s'ensuit une complexité croissante pour les concepteurs, qui doivent s'intéresser autant au bâtiment lui-même (plusieurs sources électriques et multiplication des charges) qu'à ses équipements, sa gestion énergétique mais aussi aux interactions avec l'environnement extérieur (flux d'informations exogènes sur le marché d'énergie, prix d'achat et de revente, subventions à l'auto-consommation, etc...). Il est désormais nécessaire de coupler la phase de conception avec celle de gestion énergétique du bâtiment. Les travaux de cette thèse visent à proposer une démarche méthodologique permettant de formuler automatiquement les problèmes d'optimisation exploitables autant en conception qu'en exploitation du système bâtiment. La démarche est basée sur les concepts issus de l'ingénierie dirigée par les modèles (IDM).

L'objectif de ce travail est de dégager un ensemble d'éléments qui puissent servir de base à la mise en place d'un logiciel d'ordonnancement dont les actions permettent de prendre en compte les besoins d'un certain nombre d'entreprises qui seraient surtout des PME. Notre travail comporte deux parties : - Dans la première partie, nous présenterons un bilan des méthodes d'ordonnancements disponibles. Dans les deux premiers chapitres, nous présenterons des rappels sur la théorie des graphes et des généralités sur les ordonnancements. Dans le troisième chapitre, nous présenterons le problème central d'ordonnancement, étape fondamentale dans toutes les familles d'ordonnancement. Dans le quatrième chapitre, nous étudierons les problèmes cumulatifs qui se posent dès lors que l'on s'intéresse aux moyens de réalisation. Dans le cinquième chapitre, nous nous intéresserons à certaines méthodes d'optimisation économique des projets. - La deuxième partie sera dirigée vers la construction du cadre d'un logiciel à l'usage des PME. Dans le sixième chapitre, nous présenterons nos enquêtes auprès des entreprises pour la mise en évidence des pratiques et des besoins en ordonnancements. Dans le septième chapitre, nous ferons l'intégration des contraintes après analyse. Dans le huitième chapitre, nous présenterons le logiciel.

Plus d'un milliard de mètres carrés de logements devraient être construits dans les villes chinoises d'ici 2020. Dans le même temps, la demande de services énergétiques des ménages chinois va très vraisemblablement augmenter avec la progression continue des niveaux de vie. Le chauffage représente d'ores et déjà près de 40% de la consommation énergétique dans le résidentiel en Chine. La performance énergétique des bâtiments représente de ce fait un enjeu majeur pour les villes chinoises en matière de sécurité énergique et de lutte contre le changement climatique dans les décennies à venir. Plusieurs réglementations relatives à l'exigence de la performance thermique du logement sont entrées en vigueur successivement en Chine depuis les années 1990. Pourtant, les conséquences économiques et environnementales de leur application n'ont pas été examinées systématiquement dans une perspective de long terme. La thèse cherche à répondre à deux questions fondamentales : 1. Existe-t-il une trajectoire optimale d'évolution des normes relatives à la performance énergétique du bâtiment dans le contexte d'une urbanisation extrêmement rapide en Chine? 2. Si oui, quels sont des instruments politiques et économiques à mettre en place pour limiter la croissance de la demande énergétique et des émissions de CO2 dans ce secteur dans le contexte économique et institutionnel chinois ? En s'appuyant sur un exercice de modélisation prospective, nous examinons les différentes stratégies de maîtrise de la demande énergétique dans le bâtiment ainsi que leurs coûts économiques dans une ville chinoise à l'horizon 2030. Notre analyse quantitative dans la première partie de thèse montre que l'application des normes thermiques actuelles dans le bâtiment en Chine non seulement ne permet pas d'atteindre un niveau optimal du point de vue sociétal, mais serait aussi le choix le plus coûteux à long terme parmi les options techniques dont nous disposons aujourd'hui. Nous proposons donc que la réglementation thermique soit renforcée significativement. Plusieurs instruments économiques et politiques sont analysés dans la seconde partie des travaux de recherche. Nous élaborons trois modèles principaux permettant d'accompagner l'apprentissage des technologies plus efficaces et la transformation du secteur du bâtiment : 1). mise en place d'un financement carbone au travers de l'intégration du mécanisme du développement propre du Protocole Kyoto dans le secteur du bâtiment ; 2). flexibilité de la réglementation sur l'usage du sol dans l'élaboration du plan d'urbanisme de la ville ; 3). création d'une incitation économique pour faciliter le tiers-financement d'actions de maîtrise de l'énergie dans les bâtiments, notamment par l'implication des compagnies de chaleur. A cet égard, la réforme tarifaire du chauffage urbain doit être menée à bien.

Ce travail met la lumière sur les performances d'une technique d'isolation de l'enveloppe du bâtiment par produits minces réfléchissants (PMR). Cette technique regroupe la performance isolante d'un matériau ainsi que celle d'une lame d'air fermée à la réduction des transferts radiatifs en utilisant une barrière à faible émissivité thermique. Le marché de ces produits s'est développé rapidement alors qu'ils ne sont pas certifiés et qu'il existe une controverse sur les performances effectives qu'ils peuvent atteindre une fois intégrés dans le bâtiment. L'objectif principal a donc été de réaliser une caractérisation complète de ces produits intégrés dans les parois verticales du bâtiment et les combles, par modélisation et par étude expérimentale, pour obtenir une meilleure connaissance des phénomènes physiques induits par ce type de produits d'isolation. Un modèle thermique de paroi complexe intégrant un PMR a été réalisé. Une étude numérique préliminaire a permis de caractériser l'échange convectif à l'intérieur des lames d'air non ventilées. Les résultats de performances thermiques ont été validés par une étude expérimentale basée sur le principe de la boîte chaude. Un modèle de rampant de toiture intégrant un PMR a été également réalisé. Pour la période estivale, la lame d'air ventilée conçue entre les tuiles et le produit réfléchissant a été étudiée par une modélisation numérique et des mesures par PIV. Le facteur de transmission solaire du complexe de rampant a été déterminé en variant plusieurs paramètres. Pour la période hivernale, les performances thermiques ont été calculées en prenant en compte l'effet du vent et la perméabilité des tuiles sur la lame d'air ventilée. Les résultats ont montré que ces produits, utilisés comme isolation unique, ne répondent pas aux exigences règlementaires. Installés en complément, ils ont l'avantage d'augmenter le confort d'été au niveau des combles aménagés en période ensoleillée.

Dans un contexte de raréfaction des ressources énergétiques et d'objectifs de diminution par 4 des émissions de gaz à effet de serre, le problème posé aux acteurs de l'industrie du bâtiment est d'élaborer des concepts de bâtiments à forte efficacité énergétique et de disposer des outils d'ingénierie capables de les évaluer. De nombreuses études et retours d'expériences sur des bâtiments atteignant des besoins annuels de chauffage inférieurs à 50 kWh.m-2. (incluant chauffage, climatisation, eau chaude sanitaire, éclairage et ventilation) montrent que la diminution des consommations énergétiques passe par une conception architecturale prenant en compte la compacité du bâtiment et la gestion des apports d'énergie passifs, une sur-isolation de l'enveloppe, la mise en place de free-cooling et d'une ventilation double-flux avec récupération de chaleur. Les performances de cette dernière technologie sont directement affectées par le renouvellement d'air naturel à travers les défautsd'étanchéité de l'enveloppe. Il paraît donc primordial de procéder à une évaluation plus fine de ces phénomènes. Un modèle de simulation aéraulique multizone est développé. Il permet d'évaluer les débits d'air dans le bâtiment et s'insère dans un outil d'aide à la conception thermique, COMFIE. Ce modèle est basé sur les hypothèses du mélange parfait et de la conservation de la masse pour chaque zone du bâtiment. Les débits d'air entre deux zones s'expriment en fonction de la différence de pression (causée par le vent et le tirage thermique) entre ces zones. Plusieurs sortes de connexions aérauliques sont implémentées dont les fissures, les entrées d'air et les grandes ouvertures. Le modèle aéraulique utilise les températures du modèle thermique pour qui les débits d'air sont aussi une donnée d'entrée. Les deux modèles sont donc couplés, via une méthode synchrone, jusqu'à ce qu'un critère de convergence soit atteint. Deux études de cas permettent de présenter les fonctionnalités du modèles : une opération de logement et un "concept building" de bâtiment urbain performant.

Cette étude a pour objet de montrer qu'il est possible de générer automatiquement des modèles zonaux pour l'étude du comportement thermique et aéraulique des bâtiments. Les modèles zonaux sont basés sur le partitionnement des pièces en un petit nombre de sous-volumes. Cette approche est intermédiaire entre celle des modèles à un noeud (qui considèrent que la température est homogène dans chaque pièce, et pour cette raison ne permettent pas de prédire le confort thermique dans une pièce) et celle des codes CFD (qui sont très coûteux en temps de calcul). Pour atteindre notre objectif, nous avons reformulé le modèle zonal. Ceci a consisté à regrouper les équations de description du comportement du bâtiment dans des sous-systèmes d'équations. Ce regroupement est calqué sur le découpage spatial des pièces. Ainsi, les équations de bilan et d'état appliquées à un sous-volumes forment les modules de la famille des « cellules » et celles de transfert entre deux sous-volumes forment les modules de la famille des « interfaces ». Ces familles sont constituées de plusieurs modèles correspondant aux différents types d'écoulement qui se développent dans les bâtiments. Ceux-ci ont été traduits en objets SPARK, lesquels forment la bibliothèque de modèles. Construire une simulation consiste à choisir les modèles appropriés pour décrire les pièces et à les connecter. Cette dernière étape a été automatisée, si bien qu'il ne reste plus à l'utilisateur qu'à donner le partitionnement et à choisir les modèles qu'il désire implémenter. Le système d'équations résultant est résolu par le solveur de SPARK. Des résultats de simulations pour différentes configurations d'écoulement dans des pièces sont présentés et comparés à des données expérimentales. Nous donnons également des exemples d'application de la méthode zonale à l'étude d'un groupe de deux pièces, d'un bâtiment et d'une pièce de géométrie complexe.