Avec l’avènement des véhicules hybrides rechargeables, voire tout électrique et la nécessité d’une augmentation de l’autonomie et de l’énergie volumique des batteries de traction, leur refroidissement au cours du roulage devient nécessaire pour garantir leur fiabilité et leur durabilité. Pour ces véhicules, le système de production de froid peut avoir à alimenter deux évaporateurs pour la climatisation de l’habitacle (Climatisation au rang 1 et rang 2) ainsi qu’un refroidisseur de liquide pour le refroidissement de la batterie de traction. Ce type de système de réfrigération multi-évaporateur présente un certain nombre de verrous technologiques qu’il convient de lever liés au dimensionnement des éléments dans un contexte de réduction de la charge en fluide frigorigène et au contrôle - commande de tels systèmes. Dans les systèmes de climatisation multi-évaporateurs, la pression d’évaporation est sensiblement égale dans chaque évaporateur de telle manière que leur fonctionnement est couplé dynamiquement. Cependant, la demande en puissance frigorifique et les consignes de température de l’air soufflée et de l’eau peuvent varier d’un évaporateur à l’autre. Le détendeur devient alors un composant clé et son fonctionnement doit être étudié. Pour ces raisons, un banc d’essais expérimental a été créé pour étudier ce type de climatisation multi-évaporateurs en régime stabilisé et en régime transitoire. Des détendeurs thermostatique et électronique ont été montés en parallèle sur chaque évaporateur afin de pouvoir étudier leur impact sur le système. Une fois les différents bilans réalisés, les résultats expérimentaux sont exploités pour caractériser l’ensemble des composants avec le nouveau fluide frigorigène R-1234yf. Les phénomènes de mauvaise distribution du fluide frigorigène dans l’évaporateur ainsi que de l’évaporateur endormi sont également étudiés. Dans un second temps, à partir des résultats expérimentaux, un modèle numérique et dynamique du climatiseur a été réalisé avec le logiciel LMS Imagine Lab Amesim® 1D. Après avoir validé indépendamment chacun des composants, le système est validé sur une série de points de fonctionnement en régime stationnaire. Le modèle est ensuite exploité afin d’étudier diverses lois de contrôle permettant l’optimisation du fonctionnement. / With the arrival of plug-in hybrid and fully electrified vehicles, the air-conditioning system has to be reconsidered. Battery cooling management system and high level of comfort for passengers make the single evaporator air-conditioning system a multi-evaporator one. In a multi-evaporator air-conditioning system, evaporating pressures are equal in each evaporator so that evaporators are coupled dynamically. However, the demand in cooling capacity and temperature target can vary from each other. For an operating point with a first evaporator working at high load and a second at low partial load, thermal interaction can occur from the superheated refrigerant coming from a first evaporator to the outlet of a second evaporator. This phenomenon makes the second evaporator sleeping since its expansion valve bulb misreads the superheat and closes. Furthermore, sleeping evaporator looks like an extreme case of refrigerant maldistribution in the evaporator. Refrigerant maldistribution is then investigated to show some drawbacks and advantages multi-evaporator air-conditioning systems (MEAC) have to face or can benefit by comparing two types of expansion valve: thermostatic and electronic ones. In this paper, sleeping evaporator and refrigerant maldistribution phenomena are experimentally investigated in order to propose in the future a robust control of an automotive MEAC. A test bench was built to compare two types of expansion valves (thermostatic/electronic) and study their behaviours in steady and transient state to tackle sleeping evaporators and benefit from refrigerant maldistribution. An automotive multi-evaporator air conditioning system, which is composed of two evaporators and a secondary fluid cooler, was modeled using the LMS Imagine.Lab Amesim® 1D software. The present study focuses on understanding the dynamic coupling of the several loop components such as the three evaporators having different cooling capacities. This kind of multi-evaporator air-conditioning system has a number of technological barriers that must be overcome. Understanding the behavior of their respective expansion devices and the choice of these latter is also essential to control properly the transient phase and ensure an optimal operation of the air-conditioning system. In order to study the behavior of the loop, step disturbances were simulated on an operating point at medium and high load. The impact of these disturbances on the stability of the supplied cooled air temperature is analyzed for two types of expansion valve. Initial results show that the thermostatic expansion valves can cause instabilities. Furthermore, the electronic expansion valves have to be regulated with an advanced control in order to use their full potential and to try to achieve desired results.

Ce travail s’inscrit dans le cadre de l’utilisation du dioxyde de carbone comme réfrigérant dans les systèmes de climatisation automobile en remplacement du HFC-134a. L’objectif est d’assurer le bon dimensionnement de l’évaporateur. Cela nécessite une étude du comportement de la vaporisation du CO2 dans les mini-canaux et la caractérisation expérimentale de l’échange de chaleur et de masse côté air assuré par des ailettes à persiennes. La vaporisation du CO2 est dominée par un régime d’ébullition nucléée offrant des coefficients d’échange très élevés et par un assèchement (disparition du film liquide en contact de la paroi) précoce. À partir de données expérimentales issues de la littérature, une méthode prédictive du coefficient d’échange de chaleur en fonction du titre en vapeur a été développée. Cette méthode combine des modèles de transfert de chaleur d’ébullition nucléée, d’évaporation convective et de post-assèchement. Du côté air de l’évaporateur, un travail expérimental a été mené pour étudier l’impact de l’humidité absolue sur la performance thermohydraulique des ailettes à persiennes. Il ressort qu’à partir d’un nombre de Reynolds relativement faible et en mode de déshumidification, l’augmentation de l’humidité absolue de l’air dégrade le coefficient d’échange de chaleur sensible alors que l’efficacité d’ailette reste quasiment inchangée. Enfin, tous ces résultats nous ont permis de développer un modèle de simulation du fonctionnement des évaporateurs à mini-canaux basé sur une discrétisation fine de l’échangeur ; c’est un outil précieux pour le dimensionnement et l’optimisation de tels échangeurs de chaleur. / This work deals with the use of carbon dioxide as refrigerant for automotive air conditioning systems in replacement of HFC-134a. The objective is to provide the right design of evaporators. For that, it is necessary to study the vaporization of CO2 inside minichannels and to characterize the heat and mass transfer on the air-side. CO2 vaporization is characterized by a predominant nucleate boiling, leading to high heat transfer coefficients, and an early dryout (disappearance of liquid film in contact with the wall). From experimental data found in the literature, a predictive method of heat transfer coefficient according to the vapor quality has been developed. This method combines heat transfer models of nucleate boiling, convective evaporation and post-dryout. On the air-side of the evaporator, an experimental work has been performed to study the impact of absolute humidity on the thermal-hydraulic performance of louvered fins. We noted that from a relatively low value of Reynolds number, in dehumidifying conditions, the increase in absolute humidity degrades the sensible heat transfer coefficient, while the fin efficiency remains almost unchanged. Finally, all these results allowed us to develop a numerical model of minichannels evaporator based on a fine discretization of the heat exchanger; it is a valuable tool for the design and optimization of such heat exchangers.

L'objectif de la thèse est de fournir les méthodes qui permettent de gérer au mieux l'énergie en assurant le confort souhaité. Les modèles de charges sont développés et validés par des mesures. La prévision à court-terme de la consommation correspondant aux multi bâtiments (région) et au secteur résidentiel est proposée par réseaux de neurones et la méthode ascendante. Trois méthodes originales de la gestion optimale prédictive des chauffages et des climatisations sont développées: optimisation du confort thermique, minimisation des pics et minimisation des coûts de consommation. Deux méthodes originales de la gestion des charges en temps réel sont proposées: méthode basée sur un système de régulation adaptative des chauffages et des climatisations et méthode basée sur le délestage en fonction de la courbe de protection. Les méthodes proposées sont validées par simulation pour une maison (secteur résidentiel) et un hôtel (secteur tertiaire) avec les résultats satisfaisants.

L'application de la ventilation naturelle peut contribuer sensiblement à la réduction des besoins de climatisation et à l'amélioration du confort d'été dans les immeubles de bureaux. Dans cette thèse, une configuration simple de ventilation naturelle, c'est-à-dire la ventilation mono-façade, est étudiée expérimentalement et par simulation. Après avoir examiné les phénomènes qui contribuent au renouvellement de l'air, on évalue la validité et l'applicabilité des modèles existants afin de calculer le débit de ventilation, en comparant leurs résultats avec ceux d'une campagne de mesures effectuée dans une pièce expérimentale. Ensuite, on valide l'utilisation de la CFD, avec trois modèles différents de turbulence, pour la simulation de la ventilation naturelle mono-façade, par comparaison avec les essais. Les résultats d'un des modèles de turbulence (RANS RSM) sont utilisés pour l'établissement d'une nouvelle corrélation pour le calcul du débit de ventilation. Celle-ci apporte des améliorations par rapport aux corrélations existantes, en particulier lorsque l'ouverture est située sous le vent. Cette nouvelle corrélation est couplée à un modèle thermique dynamique afin d'évaluer le potentiel de rafraîchissement de la ventilation naturelle mono-façade dans des immeubles de bureaux neufs. En particulier, on étudie la réduction des besoins de climatisation dans des immeubles climatisés et le nombre d'heures d'inconfort en l'absence de climatisation. L'influence de plusieurs paramètres est considérée : climat, orientation, inertie, taux de surface vitrée, apports internes et stratégie de ventilation (diurne, nocturne et diurne + nocturne). Les simulations montrent des réductions importantes des besoins de refroidissement, entre 30 et 90%. Il est possible de se passer de climatisation, sans générer d'inconfort, à condition de privilégier une inertie lourde et de maitriser les apports internes et solaires.

Les paramètres physiques à la base des fuites du fluide frigorigène HFC-134a dans les systèmes de climatisation automobile ne sont pas encore pleinement compris. Le but de ce travail de recherche est d'établir une méthode de mesures des débits de fuite de fluide frigorigène des systèmes de climatisation automobile ainsi que des composants de ces systèmes, et aussi de développer une approche générique de prévision de ces émissions. Dans la thèse, les fuites chroniques des différents composants des systèmes de climatisation automobile sont évaluées et hiérarchisées. Une méthode d'essais de laboratoire, basée sur la mesure de concentration dans un volume d'accumulation, est présentée pour déterminer les débits de fuite de systèmes et de composants. La précision de la mesure est aussi justifiée. Des mesures en régime permanent et pour plusieurs températures contrôlées sont effectuées afin de comparer le débit de fuite de l'ensemble du système et la somme des débits de fuite de tous les composants. Les simulations de la variation de température permettent de prédire les impacts des conditions climatiques annuelles quel que soit le climat. Les essais en régime dynamique sont également traités pour analyser la contribution du temps de fonctionnement du système aux émissions annuelles du système. Afin de vérifier la méthode d'essai en laboratoire, des opérations de récupération du fluide frigorigène ont été effectuées sur une quarantaine de véhicules avec une précision de +0 / -1 g. Sur la base des résultats des essais en laboratoire et de ceux obtenus sur la flotte de véhicules, un facteur de corrélation a été établi pour corréler les tests en laboratoire aux émissions mesurées sur le terrain. Les prévisions des émissions de tuyauteries flexibles utilisées dans les systèmes de climatisation automobile ont été développées en prenant en compte les effets de la température et de la pression. Les joints toriques typiques sont étudiés et deux modes de fuite: la perméation à travers des matériaux polymères et l'écoulement du gaz dans les micro-canaux sont distingués. Les performances d'étanchéité d'un joint torique radial sont étudiées en utilisant la méthode des éléments finis. Le comportement non-linéaire des déformations des polymères est pris en compte. L'analyse des facteurs principaux tels que la contrainte, la pression de contact maximale et le contact est basée sur les résultats de simulations numériques. Les deux modes de fuites permettent de comprendre les phénomènes clés des émissions et donc d'améliorer les performances d'étanchéité. En résumé, le débit de fuite d'un système de climatisation automobile est la somme des débits de fuite de toutes les sources de fuites. Ces sources sont de deux types: la perméabilité du gaz dans les polymères et l'écoulement du gaz dans les micro-canaux existant entre les joints et les parties métalliques des raccords. Pour chaque mode d'émission, une loi de comportement a été développée et les modèles prédictifs permettent de prévoir les débits de fuite avec un nombre limité de mesures.

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.

L'efficacité énergétique des bâtiments occupe une place de plus en plus importante dans la société. Afin de réduire la consommation énergétique des bâtiments, le mur solaire avec vitrage a été élaboré. Ce système est composé d'un vitrage placé devant un mur massif d'une grande absorptivité créant une cavité entre les deux. Le présent travail est divisé en deux parties revoyant chacune à un article scientifique. L'objectif principal de cette étude sera d'optimiser le mur solaire avec vitrage, afin de minimiser la charge de chauffage et de climatisation dans un bâtiment. Pour atteindre cet objectif, un modèle numérique a été réalisé dans le logiciel MATLAB™ permettant de simuler le comportement thermique du système et de déterminer la charge de chauffage et de climatisation requise pour maintenir les conditions intérieures confortables dans un bâtiment résidentiel. Le modèle numérique est validé grâce à des logiciels de simulation de bâtiments et des résultats obtenus dans un article scientifique. Une fois le modèle validé, des études paramétriques ont été faites afin d'étudier l'influence de différents paramètres du système sur la performance de celui-ci et de trouver les valeurs optimales. L'étude considère une période d'un an et utilise des données météorologiques pour la ville de Québec (Canada). Une optimisation des paramètres géométriques à l'aide de routines d'optimisation de MATLAB™ a été faite. Un design optimal du mur solaire avec vitrage est également proposé.

Le phénomène d’ilot de chaleur urbain « ICU » souvent observé dans les villes à forte densité urbaine, provoque des impacts négatifs surtout sur le confort thermique extérieur et sur la consommation énergétique des bâtiments. D’où l’importance d’intégrer des dispositifs d’atténuation de ce phénomène dans la conception des projets et des espaces urbains. Cette thèse vise à étudier les effets des différentes stratégies de limitation d’ICU sur les paramètres microclimatiques sous climat méditerranéen. Le cas étudié est un quartier compact de la ville libanaise Beyrouth qui est classifié comme un territoire artificialisé. Jusqu’à présent, peu de recherches microclimatiques ont été réalisées pour le cas Libanais et il y absence des codes et des mesures d’adaptation luttant contre l’ICU. Des simulations numériques sont réalisées à l’aide d’un outil microclimatique « ENVI-met », permettant d’identifier le potentiel rafraichissant de chaque stratégie proposée. Ces stratégies sont basées sur l’augmentation de l’albédo des revêtements du sol et de l’enveloppe des bâtiments, l’augmentation des espaces verts et des surfaces végétalisées, ainsi que sur la mise en place des sources d’eau comme les fontaines et les brumisateurs. Les charges de climatisation relatives à chaque mesure d’atténuation ont été évaluées à l’aide du couplage des données extraites avec ENVI-met avec le logiciel Hourly Analysis Program. Le travail de cette thèse a présenté la capacité des scenarios proposés à modifier les charges de climatisation sensibles ainsi que celles latentes. Le confort du piéton est aussi étudié en analysant l’indice de confort PET. / The urban heat island "UHI" phenomenon, frequently detected in cities with high urban density, leads to negative impacts especially on outdoor thermal comfort and buildings energy consumption. Accordingly, it is important to integrate mitigation measures into the design of projects and urban spaces. This thesis aims to study the effects of different UHI limitation strategies on microclimatic parameters in Mediterranean climate. The case of study is a com pact district of the Lebanese city Beirut which is classified as an artificial territory. Little microclimatic researches have been done for the Lebanese case and there is a lack of codes and adaptation measures to mitigate the effect of UHI. Numerical simulations are realized using "ENVI-met" software, to identify the cooling potential of each proposed strategy. These strategies are based on increasing the albedo of urban surfaces and buildings facades and roofs, increasing green spaces and vegetation surfaces, as well as the implementation of water sources such as fountains and water sprays. The cooling loads for each mitigation strategy were evaluated by linking ENVI-met results to the “Hourly Analysis Program” software. This thesis presented the capacity of the proposed scenarios to modify the sensible and latent cooling loads. The pedestrian comfort is also studied by analyzing the index of comfort PET.

Le présent travail est consacré en premier lieu à l'investigation des limites de fonctionnement et de performances des machines frigorifiques à absorption et absorption-diffusion utilisant des mélanges d'alcanes comme fluides de travail et l'analyse en second lieu du processus d'absorption le long d'un absorbeur à film tombant en présence d'un gaz inerte. Dans le cas d'un refroidissement à l’eau les meilleures performances réalisées sont celles d'une machine utilisant le binaire C₃H₈/n-C₉H₂₀ avec un COP de l'ordre de 0.51 dans l'intervalle de la température de la chaleur motrice [110-125℃]. Une machine à absorption-diffusion utilisant ce même mélange en combinaison avec l’hydrogène permet de réaliser un COP de l'ordre de 0.44 pour une température de la chaleur motrice ne dépassant pas 120℃. Une étude approfondie est par suite menée sur l’absorption en présence d’un gaz inerte. Les résultats des l’étude ont montré entre autres que les deux résistances aux transferts de chaleur et de matière sont toutes les deux prédominantes en phase vapeur et ont révélé un taux d'absorption de l'ordre de 34% à travers une surface d'échange de 0.15m². Pour évaluer la réponse du système aux variations de ses principaux paramètres caractéristiques une étude paramétrique a été menée. Cette étude a permis d'appréhender le comportement complexe du processus d'absorption en présence d'un gaz inerte. / This work is aimed primarily to investigate the feasibility limits and the performance of absorption and absorption-diffusion cooling machines using light alkane mixture as working pairs and secondarily to analyze the absorption process along a falling film absorber in the presence of an inert gas. It is shown that in the case of water cooling the best performances are those of an absorption machine using the C₃H₈/n-C₉H₂₀ binary mixture with a COP of about 0.51 in the heat driving temperature range 110-125℃. A COP of about 0.44 is attained with an absorption-diffusion cooling machine using the same mixture in combination with hydrogen with a heat driving temperature of 120℃. A detailed study of the absorption process with the C₃H₈/n-C₉H₂₀ pair and hydrogen as inert gas is conducted. The study results show that the heat and the mass transfer resistances are both prevalent in the vapor phase. An absorption rate of about 34% through an exchange surface of 0.15m² is calculated. A parametric study is carried out to evaluate the system response to the changes of its main characteristic parameters. This study allows a better understanding of the complex behavior of the absorption process in the presence of an inert gas.

Les systèmes de conditionnement des ambiances intérieures participent pour une part importante à la demande énergétique des bâtiments, notamment en été. L'objectif de cette étude est de définir par des simulations thermoaérauliques l'interaction du microclimat urbain avec le bâti et sa demande énergéti-que de climatisation dans le cas d'une rue canyon.<br />Le modèle choisi, de type zonal, nous permet de décrire les paramètres de température et de vitesse d'air dans la rue, avec un degré de précision intermédiaire entre la modélisation CFD fine et les appro-ches nodales simplifiées. L'ensoleillement et les inter-réflexions dans la rue sont ensuite modélisés par une méthode simplifiée, développée et appliquée à l'étude de la convection naturelle dans une rue. Les écoulements dominants dus au vent sont par ailleurs étudiés à partir de données expérimentales, sur la base desquelles un modèle simplifié est proposé, en conditions isothermes. Le couplage des effets du vent et de la convection naturelle a été étudié dans le cas d'une rue canyon sur 28 jours. Nous concluons sur l'importance de la modélisation thermoaéraulique pour la détermination de l'effet d'îlot de chaleur urbain, ainsi que la demande énergétique des bâtiments.