L'objectif de nos travaux de thèse est de concevoir, dimensionner et fabriquer un système actif à matériaux à changement de phase (MCP) pour le rafraîchissement et réchauffement de la maison Napévomo en région Aquitaine, ce dernier participant au concours Solar Décathlon (SDE2010). L'approche proposé a pour but de fournir au lecteur suffisamment de connaissant en stockage thermique à base de MCP pour entreprendre la conception d'un système de rafraîchissement et de réchauffement d'un bâtiment passif. La démarche utilisée consisté dans un premier temps à faire l'état de l'art des systèmes de stockage thermique à base de MCP et à établir un cahier des Charges du système à concevoir. Ces données ont amèné à proposer un modèle de calcul stationnaire basé sur une approche NUT-ε moyennant la caractérisation préalable des MCP pour dimensionner et concevoir le système. Le dimensionnement étant validé en fonction des pertes de charge et le COP (coefficient de performance). Le système est fabriqué à l'échelle 1. Il est composé de quatre échangeurs Air-MCP. Chaque échangeur renferme un amas contenant de MCP. Ils sont disposés en quinconces sur des colonnes de petits tubes. Un ensemble de dispositifs expérimentaux améliorent la conductivité des MCP ainsi que l'échange thermique entre le système et son environnement. Les essais réalisés sur l'un des échangeurs montrent des résultats encourageants. Ce dernier rafraîchit l'air en 7-8 heures et il permet de régénérer les MCP en 6 heures en moyenne. Lors du concours Solar Décathlon (SDE2010), le système installé dans la maison Napévomo a montré sa capacité à assurer le rafraîchissement de l'air ambiant durant les 6 jours de la démonstraction.

Ce mémoire de thèse présente une méthodologie d'évaluation des profils multi-performances des produits de construction à des dates fixées de leurs vies en oeuvre, exploitant l'ensemble des données disponibles (durées, probabilités et niveaux de performances), multi-sources et multi-échelles (géométrique, phénoménologique, fonctionnelle et temporelle). Cette méthodologie comprend quatre étapes : - analyse qualitative : recherche des scénarii de dégradation, - analyse quantitative temporelle : évaluation des durées et des probabilités d'apparition des scénarii et gestion de leurs interactions, - analyse quantitative de la criticité : hiérarchisation des scénarii, - analyse quantitative des performances : obtention des profils multi-performances. Elle englobe des méthodes, des bases de données et des outils de représentation, applicables indépendamment les uns des autres. Elle est illustrée sur une fenêtre fixe, des murs en béton et en briques et un complexe mur en béton et fenêtre

Cette thèse vise à mettre en évidence expérimentalement le mécanisme d'interaction entre une ossature en béton armé et son remplissage en maçonnerie de briques creuses sous sollicitations quasi statiques alternées. L'étude expérimentale montre que la maçonnerie est capable d'absorber une bonne quantité d'énergie et que la rigidité et la résistance de la structure sont augmentées par rapport au cas du cadre vide. Le calcul montre que le cadre rempli peut être convenablement modélisé en remplaçant la maçonnerie par un système de bielles non-linéaires. Le modèle à 3 bielles diagonales parallèles rend mieux compte des efforts internes dans l'ossature.

L'audit thermique des bâtiments existants, par la nature de l'opération, pose un certain nombre de problèmes liés à la réalisation d'outils informatiques. Un des aspects importants, concernant les informations partielles (incertaines, imprécises et lacunaires) et leur traitement dans un programme informatique, n'est jusqu'alors pas pris en compte par des outils ''classiques". On propose donc, dans cette thèse, d'établir les bases d'une nouvelle génération d'outils d'aide au diagnostic, en utilisant les techniques de programmation avancée. Après une analyse détaillée de la problématique, nous avons construit une couche d'un modèle d'acteur à partir de Scheme, et réalisé une maquette informatique. Certains concepts importants, notamment celui de la "continuation" permettant la mise en oeuvre de structures de contrôle souples, puissantes et élégantes, ont été largement exploités. La réalisation de la maquette permet de montrer les intérêts d'une telle approche.

Le développement de la climatisation individuelle est une préoccupation grandissante pour les pouvoirs publics français. Dans ce cadre, cette thèse vise à évaluer, sous l'angle de l'Analyse Coût-Bénéfice (ACB), des solutions permettant de concilier amélioration du confort d'été et réduction des impacts environnementaux. Après avoir éclairci le concept d'ambiance climatique confortable, des méthodes de monétisation de l'inconfort et des externalités sont développées en vue d'être intégrées dans l'évaluation économique d'actions d'amélioration du confort d'été. Les potentiels d'actions portant sur l'enveloppe et l'usage des bâtiments sont ensuite quantifiés en termes de réduction des besoins de refroidissement (locaux climatisés) et d'amélioration du confort d'été (locaux non climatisés). Des stratégies efficaces de lutte contre l'inconfort sont identifiées. Il apparaît d'autre part que les rénovations d'enveloppe des bâtiments, réalisées en vue de réduire les besoins de chauffage, peuvent fortement détériorer le confort d'été. Les potentiels d'amélioration des performances environnementales des climatiseurs sont ensuite estimés, ce qui nécessite le développement d'une méthode d'évaluation de l'efficacité énergétique saisonnière des appareils. L'Analyse en Cycle de Vie réalisée montre que l'atténuation des impacts requiert de se concentrer sur la réduction des consommations électriques puis sur le cycle de vie du fluide frigorigène. Enfin, l'ACB d'actions d'amélioration du confort d'été est réalisée, puis complétée par un travail prospectif d'estimation des impacts de la climatisation dans le parc existant français. La superficie climatisée pourrait croître de 650 % d'ici 2030, le secteur résidentiel représentant alors l'essentiel des surfaces (90 %). Des mesures de maîtrise de la demande d'énergie, associées à la récupération des fluides frigorigènes, peuvent néanmoins réduire fortement les impacts engendrés.

Dans cette thèse, une méthode de résolution de problèmes de commande optimale non linéaires sous contraintes d'état et de commande. Cette méthode repose sur l'adaptation des méthodes de points intérieurs, utilisées en optimisation de dimension finie, à la commande optimale. Un choix constructif de fonctions de pénalisation intérieure est fourni dans cette thèse. On montre que ce choix permet d'approcher la solution d'un problème de commande optimale sous contraintes en résolvant une suite de problèmes de commande optimale sans contraintes dont les solutions sont simplement caractérisées par les conditions de stationnarité du calcul des variations.Deux études dans le domaine de la gestion de l'énergie dans les bâtiments sont ensuite conduites. La première consiste à quantifier la durée maximale d'effacement quotidien du chauffage permettant de maintenir la température intérieure dans une certaine bande de confort, et ce pour différents types de bâtiments classés de mal à bien isolés. La seconde étude se concentre sur les bâtiments BBC et consiste à quantifier la capacité de ces bâtiments à réaliser des effacements électriques complets du chauffage de 6h00 à 22h00 tout en maintenant, là encore, la température intérieure dans une bande de confort. Cette étude est réalisée sur l'ensemble de la saison de chauffe.

Ce travail s'inscrit dans la thématique des enveloppes de bâtiment à haute performance énergétique. Un nouveau concept d'enveloppe hybride est proposé : en hiver, le chauffage est assuré par des capteurs solaires thermiques à air associés à des panneaux d'inertie (avec matériaux à changement de phase). Une circulation d'air, dans des cavités au sein de l'enveloppe, transporte l'énergie des capteurs jusqu'au stockage ; en été, les surplus de chaleur sont absorbés dans les panneaux d'inertie puis évacués la nuit par une sur-ventilation des cavités d'air en boucle ouverte. Un modèle analytique global a été développé dans l'environnement TRNSys. Une maquette à l'échelle 1:1 (volume intérieur de 40m3), instrumentée, permet d'étudier la physique de l'enveloppe, et de valider le modèle en convection naturelle et forcée. La validation d'un modèle de transition de phase fait l'objet d'essais spécifiques. L'influence de la convection naturelle en phase liquide, ainsi que la variabilité des caractéristiques de transition de phase suivant les dynamiques des sollicitations sont mises en évidence. Les paramètres influents sont identifiés à l'aide d'une méthode d'analyse de sensibilité globale (FAST). Des études paramétriques montrent l'intérêt du système proposé : des réductions de 30% à 50% sont obtenues sur les consommations de chauffage, le nombre d'heures de surchauffe est nettement réduit, voir annulé. A consommations équivalentes, les épaisseurs des panneaux d'inertie sont de 1cm pour un stockage par chaleur latente, contre 5 à 8cm selon les climats pour un stockage par chaleur sensible.

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

Les constructions traditionnelles en bois en France et à Madagascar témoignent de l'utilisation ancienne d'abondantes ressources forestières locales. Le bois peut être considéré comme un matériau naturel et renouvelable dans la mesure où les ressources forestières sont gérées durablement. L'utilisation du bois dans la construction contribue largement à la maîtrise du cycle du carbone atmosphérique et à la limitation des émissions de gaz à effet de serre. Ce travail présente les principales caractéristiques physiques du matériau bois et des systèmes constructifs associés, montrant l'importance et l'influence du revêtement en bois sur l'environnement intérieur des habitations. La caractérisation des phénomènes hygrothermiques à l'échelle de la pièce d'habitation a été détaillée : présence d'eau dans le bois, comportement de l'équilibre hygroscopique, transfert thermique et transfert de masse, les paramètres physiques du bois et d'une ambiance intérieure. Enfin, ce travail apporte des connaissances sur l'évaluation des interactions entre le confort thermique, l'ambiance intérieure et le revêtement en bois, grâce à des campagnes de mesure in situ, à des mesures en laboratoire et à des modélisations de scénarios numériques.

Les actions conjointes en faveur d'une meilleure isolation du bâti et de l'expansion des énergies renouvelables dans l'habitat jouent un rôle de premier plan dans la politique de réduction des gaz à effet de serre et la recherche d'une plus grande efficacité énergétique. La présente thèse vise à développer un système de stockage de chaleur par voie thermochimique dédié au chauffage solaire d'une maison individuelle. A cet effet, un matériau de stockage spécifique à été mis au point, à base de zéolithe et de sulfate de magnésium. Le principe, reposant sur un phénomène mixte d'adsorption physique de vapeur d'eau et de réaction chimique d'hydratation, est à caractère inter-saisonnier : en été, la chaleur issue de capteurs solaires thermiques à air est stockée par le matériau, qui se déshydrate selon une réaction endothermique ; en hiver, l'exothermicité de la réaction inverse est exploitée afin de chauffer l'habitat. Après un état de l'art des technologies de stockage thermique, un protocole de préparation de ce matériau composite innovant est établi. Des travaux de caractérisation sont alors entrepris à l'échelle micro et macroscopique. A partir de ces données expérimentales macroscopiques, le système de stockage est dimensionné en fonction des besoins en chaleur pour le chauffage d'une maison individuelle de type Bâtiment Basse Consommation. A l'issue de cette étude, un modèle de réacteur de stockage thermique est élaboré, afin d'interpréter les transferts couplés de matière et de chaleur intervenant dans le lit de matériau et d'optimiser le réacteur de stockage en conséquence. La validité du modèle est ensuite testée et discutée à la lumière des résultats expérimentaux.