La polyvalence de la technique de track-etching a permis d’étudier plus avant l’effet piezoélectrique direct et indirect d’un film polarisé en poly(fluorure de vinylidène) PVDF en créant des membranes nanostructurées hybrides de nanofils de nickel (Ni NWs)/PVDF. Les propriétés magnétiques du nanofil de nickel, telle que la magnétorésistance anisotrope (AMR), ont été exploitées afin d’étudier la réponse de l’aimantation à la déformation mécanique de la matrice PVDF. En particulier, les déformations ont été induites soit par contrainte thermo-mécanique, soit par contrainte électromécanique (effet piezoélectrique indirect). La sensibilité d’un nanofil unique a permis de déterminer l’amplitude et la direction de la contrainte mécanique exercée à l’échelle nanométrique par la matrice PVDF. La résistance exceptionnelle de la réponse piezoélectrique directe du film PVDF polarisé à l’irradiation, telle que l’irradiation aux ions-lourds accélérés et aux électrons (domaine de doses < 100kGy) a été observée. Mis à part la conservation de la réponse piezoélectrique, les défauts engendrés par l’irradiation dans ce domaine de dose (scissions de chaines, augmentation de phase crystalline, réticulations) ont eu un impact significatif sur la structure du matériau polymère. L’ensemble de ces défauts, les uns prépondérants en-dessous de la dose-gel ( 10kGy), les autres au-dessus, forme une compensation d’effets antagonistes qui mènent à une réponse piezoélectrique globalement inchangée. Stimulé par la grande résistance du PVDF à l’irradiation en termes de réponse piezoélectrique, l’idée a été d’exploiter, en vue d’une application dans la récupération d’énergie, le réseau de nanofils de nickel inclus dans la membrane en PVDF polarisé pour étudier l’influence des nanofils de nickel sur la l’efficacité piezoélectrique. La présence du réseau de nanofils de nickel mène à un accroissement non négligeable de l’efficacité piezoélectrique. Reliée à la présence des nanofils, une augmentation de la permittivité diélectrique dans le PVDF nanostructuré a également été enregistrée. Une polarisation interfaciale entre les nanofils de nickel et la matrice PVDF pourrait expliquer cette valeur accrue par rapport au PVDF nanoporeux sans nanofils. / The versatility of the track-etching technique has allowed to investigate deeper the direct and inverse piezoelectric effect of a polarized Poly(vinylidene fluoride) (PVDF) film in building nanostructured hybrid Nickel nanowires (Ni NWs)/PVDF membrane. The magnetic properties of the Ni NW, such as anisotropic magneto resistance (AMR), are exploited to investigate the response of the magnetization to a mechanical deformation of the PVDF matrix. In particular, the deformations were induced either by thermo-mechanical or an electro-mechanical (inverse piezoelectric effect) stress. The sensitivity of the single NW has allowed to determine the amplitude and direction of a mechanical stress exerted at the nano-scale by the PVDF matrix. The outstanding resistance of the direct piezoelectric response of polarized PVDF film to radiation, such as SHI and e-beam, (doses range < 100kGy) was reported. Beyond the conservation of the piezoelectric response, in this dose range, irradiation defects (chain scissions, increase of the crystalline -phase, crosslinking) had a significative impact on the polymer material. All these defects, ones predominant above the gel dose (herein 10 kGy), and the other ones below, compensate their antagonistic effects towards the globally unchanged piezoelectric responses. Motivated by the high radiation resistance of the PVDF in terms of piezoelectric response, the idea was to exploit Ni NWs array embedded in the polarized PVDF membrane to study the influence of the Ni NWs on the piezoelectric response in view of harvesting energy application. The presence of the Ni NWs array leads a non-negligible increase of the piezoelectric efficiency. Related to the presence of the NWs, an increase of the dielectric permittivity in the nanostructured PVDF was also reported. An interfacial polarization between the Ni NWs and the PVDF matrix could explain the higher efficiency value respect to nanoporous PVDF, without NWs.

Ce projet de thèse consiste dans un premier temps à synthétiser des systèmes moléculaires multifonctionnels possédants un grand nombre d’entités fluorescentes et photochromes. De telles architectures nécessitent ensuite une étude photophysique poussée pour caractériser leurs propriétés d’émission photo-activée pour jouer le rôle de sondes moléculaires fluorescentes super-résolutives en imagerie de fluorescence. En effet, l’accès aux observations nanométriques par microscopie optique est actuellement un domaine de recherche extrêmement actif et prometteur. Ici, la combinaison astucieuse de molécules photochromes (de type diaryléthène) et fluorescentes (de type dicyanométhylène pyranes ou benzophénoxazines) à l’échelle nanométrique, grâce à des plateformes moléculaires telles que des oligosaccharides et des peptides fonctionnalisés par “chimie click”, doit permettre d’obtenir des structures aux géométries variées avec des distances et orientations inter-chromophores diverses, dont l’optimisation doit conduire à des interactions efficaces menant à l’émergence d’effets collectifs coopératifs. Pour ces assemblages moléculaires mixtes, il est attendu que la présence d’une unité photochrome puisse engendrer l’extinction de fluorescence de plusieurs fluorophores lorsque ces entités sont situées à une distance appropriée pour que le transfert d’énergie ait lieu de manière amplifiée. Par ailleurs, même une faible conversion des photochromes doit permettre d’atteindre un contraste de fluorescence extrêmement efficace avoisinant 100% et ainsi obtenir des super-molécules dont la photo-commutation serait rapide et économe en photons. Il s’agira enfin de démontrer que les systèmes moléculaires multichromophoriques ainsi optimisés présentent le comportement souhaité à l’échelle de la molécule unique pour l’imagerie de fluorescence super-résolution. / The synthesis of photoswitchable emissive molecular system still represents a challenge, in order to develop fluorescence-based devices for nanotechnologies. In the last decade, excitation energy transfer processes (EET) have been advantageously employed to design photoswitchable fluorescent molecular systems between a photochromic dye and an appropriate fluorescent molecule. More recently, photochromic dyes of particular interest, showing no emission in the open-form (P-OF) but a strong emission signal in the closed-form (P-CF), have been developed. Such molecules allow a multi-emission switch when combined with a fluorescent moiety. In this project, we will design and synthesize fluorescent photochromic diarylethene covalently linked to different fluorophores, such as benzothiadiazole (BTD) and BODIPY derivatives. By choosing a fluorophore moiety with blue/green emission (F) and a photochromic moiety with orange/red emission in closed-form (P-CF), EET can occur between F and P-CF leading to photoswitchable multi-emission properties. Photophysical characteristics of dyads will be studied by spectroscopy with the aim of presenting their light-controllable optical properties and the intramolecular EET processes between fluorescent and photochromic moieties.

Ce manuscrit présente une étude expérimentale sur le processus de recouvrement de nanotubes de carbone mono parois en suspension micellaire par des molécules de colorants organiques. En raison des propriétés électroniques exceptionnelles et de la structure chimique carbonée de ces nanotubes, une modification de leur environnement physico-chimique a une grande influence sur leurs propriétés optoélectroniques. Les conséquences de cette fonctionnalisation de surface sont étudiées par des techniques de spectroscopie optique. Le procédé de fonctionnalisation non covalente de nanotubes par des molécules de porphyrines en milieu micellaire est détaillé selon trois axes de recherches complémentaires. Dans un premier temps, les aspects cinétiques de ce processus réactionnels seront discutés. En particulier, le rôle de l'organisation de l'environnement micellaire est mis en évidence. Cela permet de comprendre et de contrôler la durée de la réaction. Une étude thermodynamique de l'interaction nanotube/porphyrines sera ensuite détaillée. Le comportement associatif des porphyrines au cours de leur interaction avec le nanotube sera démontré. Dans un troisième chapitre, les caractéristiques spectrales de la porphyrine lorsqu'elle est adsorbée sur la surface de carbone seront discutées. Un modèle de couplage dipôle- dipôle est développé pour comprendre ces effets. Ce modèle permet de mettre en évidence / This manuscript presents an experimental study on the process of coverage of single-wall carbon nanotubes by organic dyes molecules. Due to the exceptional electronic properties and the monolayer carbon structures of such nanotubes, a modification of their physico-chemical environment has a great influence on their optoelectronic properties. The consequences of this surface functionalization are studied by means of optical spectroscopy. The process of non covalent functionalization of surfactant suspended nanotubes by porphyrin molecules is separated in three complementary studies. The first one details the kinetic aspects of this reaction process. In particular, the role of the organization of the surfactant environment will be highlighted. This allows to understand and control the reaction timescale. On the second hand, a comprehensive thermodynamic study of the nanotube/porphyrins interaction is performed. The associative behavior of the porphyrin during the interaction with the nanotube is evidenced. Then, the spectral characteristics of the porphyrin when it is adsorbed on a carbon surface is discussed. A dipole-dipole coupling model is developed to understand such effects. This model allows to highlight the geometry followed by the molecules when they are organized on the carbon template (nanotube or graphene).

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Le traitement du minerai s'effectue en deux étapes : la comminution et la séparation des particules. La première comprend le broyage, un procédé très énergivore. Celui-ci consomme près de la moitié de l'énergie des sites miniers. Il a déjà été démontré que remplacer le broyeur primaire conventionnel par le broyeur à rouleaux à haute pression (HPGR) permettait de diminuer la consommation énergétique des usines. Ceci s'explique en raison de son mécanisme de fragmentation. Contrairement aux broyeurs conventionnels qui brisent les particules par impacts et attrition, le HPGR fait appel à la compression, plus efficace énergétiquement. Remplacer les systèmes de contrôle du statu quo par la commande prédictive économique (EMPC) pourrait réduire davantage la consommation énergétique des usines avec HPGR, car celle-ci considère le coût énergétique dans sa fonction objectif. Jusqu'à maintenant, ce scénario n'a pas été étudié. Cette recherche comble cette lacune. La mener à terme a nécessité de programmer des simulateurs de HPGR et de flottation. Le corpus contient déjà plusieurs modèles de HPGR, mais la majorité de ceux-ci présume que les fragments de minerai ne glissent pas dans l'espacement entre les rouleaux, une hypothèse qui n'avait pas été vérifiée. Les objectifs de la recherche sont donc : 1. de vérifier l'hypothèse d'absence de glissement du minerai dans l'espacement des rouleaux du HPGR ; 2. de développer un simulateur de HPGR permettant d'étudier le contrôle de procédé à l'échelle de l'usine ; 3. de modéliser mathématiquement la performance de flottation aux caractéristiques du produit de broyage et 4. de quantifier l'impact économique et énergétique de la commande prédictive économique à l'échelle globale à partir d'une étude de cas par simulation. Ces travaux invalident plusieurs modèles de HPGR en démontrant, à l'aide d'un bilan de matière, que le glissement se produit pour un jeu de données. Concevoir un observateur a permis de quantifier la vitesse de glissement. Celui-ci est basé sur des bilans de force, de matière et d'énergie. Il fait appel au critère de friction de Coulomb et à d'autres relations empiriques. Cette thèse présente ensuite le développement d'un modèle de HPGR ne faisant aucune hypothèse restrictive sur le glissement. Ce modèle suppose un écoulement piston divisé en plusieurs zones le long des rouleaux. Il comprend quatre sous-modèles : 1. espacement entre les rouleaux - fonction empirique de la force spécifique ; 2. débit massique du produit - équation de continuité améliorée d'un facteur de correction ; 3. puissance soutirée - fonction de l'angle d'application de la force de broyage et 4. distribution granulométrique du produit - approche populationnelle cumulative résolue dans le domaine énergétique. Son calibrage pour 18 jeux de données a permis d'évaluer sa validité. Le manuscrit continue avec la proposition d'un modèle empirique de la constante cinétique de flottation en fonction de la taille et de la composition des particules. En reliant le simulateur de broyage aux performances de flottation, il permet la réalisation de l'étude de contrôle de procédé à l'échelle de l'usine. Celle-ci s'accomplit en comparant l'efficacité énergétique et la performance économique des réponses de plusieurs systèmes de contrôle à une séquence donnée de perturbations. Les résultats principaux sont énumérés ci-après. 1. Comparativement à une stratégie de contrôle de procédés qui maintient le débit de minerai frais alimenté constant, un système qui manipule cette variable consomme moins d'énergie spécifique et produit une performance économique supérieure malgré une détérioration du rendement métal. 2. Une stratégie basée sur des contrôleurs de type proportionnel-intégral (PI) décentralisés permet d'obtenir la même performance économique que la EMPC, car l'optimum économique se situe au point de rencontre de contraintes d'opération du système. 3. La EMPC peut accroitre l'efficacité énergétique si son critère contient une composante pénalisant la puissance soutirée explicitement, mais au prix d'une diminution de la performance économique. En somme, la recherche montre qu'une stratégie de commande multivariable judicieuse mène à des performances économiques et énergétiques supérieures comparativement à une stratégie de commande de base pour une usine avec HPGR. Des performances équivalentes peuvent toutefois être obtenues autant avec une EMPC qu'avec une stratégie décentralisée faisant appel à des régulateurs PI. / Mineral processing comprises two steps : comminution and separation of the particles. The first one includes grinding, an energy-inefficient process consuming about half the energy of mine sites. It was previously demonstrated that replacing conventional grinding technologies by high-pressure grinding rolls (HPGR) reduces the specific energy consumption of mineral processing plants. The different breakage mechanisms explain these results. In contrast to conventional grinding mills that break particles by impact and attrition, the HPGR fragments them by compression, which exhibits higher energy efficiency. Replacing current process control systems with economic model predictive control (EMPC) could further reduce the energy consumption of HPGR grinding circuits since it considers the energy cost within its objective function. This solution remains unexplored as of now. This work aims at filling this gap. Doing so requires programming HPGR and flotation simulators. The literature already contains several HPGR models. Most of them, however, assume the ore does not slip against the surface of the rolls even though this assumption has yet to be validated. This research therefore aims: 1. to verify whether the ore fragments may slip or not in the HPGR working gap; 2. to develop an HPGR simulator enabling the study of plant-wide process control; 3. to model mathematically the flotation response to the grinding product characteristics, and 4. to quantify the performance of plant-wide EMPC in a simulated case study using specific energy consumption and the product net value as metrics. The results invalidate several HPGR models by showing, through a mass balance, that the ore fragments slip in the HPGR working gap for a data set. Developing an observer allowed quantifying the speed at which they do. It makes use of force, mass, and energy balances, the Coulomb friction criterion, and other empirical models. This thesis then presents a novel HPGR model that makes no restricting hypothesis regarding slip. It considers several parallel plug flow reactors along the length of the rolls. It comprises four sub-models: 1. working gap - empirical function of the specific force; 2. product mass flow rate - continuity equation improved with a correction factor; 3. power draw - function of the grinding force application angle, and 4. product particle size distribution - cumulative population balance model solved in the energy domain. Calibrating the model on 18 data sets allowed evaluating its validity. The manuscript follows with the proposal of an empirical model for the flotation kinetic constant as a function of the particle size and composition. It therefore links the flotation process performance to the grinding circuit, in turn allowing the plant-wide process control study to take place. To do so, the simulator introduces a given disturbance sequence to different control strategies. It makes use of energy efficiency and product hourly net value as comparison metrics. The main results are listed thereafter. 1. In contrast to a control system maintaining constant feed rate, a system that manipulates this variable consumes less specific energy and generates more profits even though the metal recovery decreases. 2. A control strategy based on decentralized proportional-integral (PI) controllers allows generating the same economic output as the EMPC because the system's constraints define the economic optimum. 3. EMPC can reduce the grinding circuit specific energy consumption by including a penalty for HPGR power draw in the objective function, albeit at the cost of a lower economic performance. Overall, the research shows that a well-designed multivariable control system results in higher economic performance and energy efficiency in comparison to a basic regulatory control system for a plant comprising HPGR grinding. This being said, both EMPC and PI-based decentralized regulatory control produce equivalent performances. / Thèse ou mémoire avec insertion d'articles.

Le but de ce projet consiste à modéliser les pertes énergétiques d'une serre en considérant les flux radiatifs des sources d'énergie et l'utilisation d'un écran thermique. Le modèle devait permettre l'évaluation d'un système de chauffage radiant électrique et déterminer l'influence de l'écran thermique avec celui-ci. Le modèle simule les pertes énergétiques de la serre avec un système de chauffage radiant et à l'eau chaude, avec et sans écran thermique. Des mesures expérimentales ont permis de calibrer et de valider le modèle. Avec la même température de végétation, le système de chauffage radiant procure des économies d'énergie de -0,2 à 2,6% par rapport au système à l'eau chaude. L'écran thermique réduit la consommation énergétique de la serre de 25,2 à 32,4% avec le système radiant et de 24,0 à 31,2% avec celui à l'eau chaude. Les performances du système radiant ne permettent pas de le recommander pour chauffer une serre. Par contre, l'écran thermique est un équipement efficace pour réduire les pertes énergétiques d'une serre.

Dans le présent travail, un modèle de « hub énergétique » a été utilisé pour concevoir des réseaux combinés de chauffage et de refroidissement afin de bénéficier des synergies potentielles. Les réseaux de chauffage et de refroidissement font partie intégrante de divers bâtiments, campus ou villes. Le concept de réseau thermique intelligent et de « hub énergétique » plaide en faveur de l'intégration thermique pour bénéficier des synergies potentielles et faciliter l'utilisation des sources d'énergie renouvelables. Dans ce système intégré, les pompes à chaleur peuvent être utilisées pour récupérer la chaleur de la boucle de refroidissement et la fournir à la boucle de chauffage. La récupération de la chaleur résiduelle peut aider à réduire les coûts d'exploitation et les émissions de gaz à effet de serre. Les charges de chauffage et de refroidissement du réseau peuvent être satisfaites par des chaudières au gaz naturel, des radiateurs électriques, des refroidisseurs et des pompes à chaleur. La conception du système et son fonctionnement ont été optimisés en termes de coût et d'émissions de gaz à effet de serre sous différentes combinaisons de charges de chauffage et de refroidissement. Les configurations de hub optimisées pour les scénarios avec et sans récupération de chaleur perdue ont été comparées, montrant que les pompes à chaleur étaient bénéfiques dans tous les scénarios. La capacité optimale des pompes à chaleur pour minimiser le coût total s'est avérée être d'environ 80% de la valeur maximale possible à partir d'une analyse thermodynamique des charges. La minimisation simultanée des coûts et des émissions a révélé une transition relativement nette du chauffage au gaz au chauffage électrique, car l'accent est davantage mis sur les émissions que sur les coûts, mais dans tous les cas, la récupération de la chaleur perdue avec des pompes à chaleur a été largement utilisée pour satisfaire les charges de chauffage et de refroidissement. Ensuite, en gardant le même cadre conçu ci-dessus, une méthode a été développée pour indiquer comment les unités de stockage d'énergie thermique (SET) peuvent contribuer à réduire le coût total d'un réseau thermique. Nous avons développé une méthode montrant comment les unités SET, couplées à des pompes à chaleur, peuvent contribuer à réduire le coût total d'un réseau thermique. Un modèle d'optimisation est introduit, basé sur un modèle de hub énergétique comprenant des chaudières au gaz naturel, des radiateurs électriques et des refroidisseurs. Pour différents profils de charge, les réseaux thermiques intégrant des pompes à chaleur seules, SET seules ou une combinaison des deux sont comparés à un hub de référence sans intégration thermique. Il a été constaté que l'inclusion à la fois du SET et des pompes à chaleur génère plus de bénéfices que lorsqu'elles sont utilisées séparément, étendant l'utilisation synergique des pompes à chaleur pour satisfaire à la fois les charges de chauffage et de refroidissement. De plus, l'intérêt du SET lorsque les composants du système(refroidisseur ou chaudière) sont sous-dimensionnés est évalué. Il a été observé que dans ces cas, le SET contribue à satisfaire les demandes thermiques. Cependant, en raison de la configuration du système, il existe une limite de sous-dimensionnement du refroidisseur que les unités SET peuvent compenser. Ensuite, l'influence du fonctionnement à charge partielle des dispositifs du hub énergétique a été étudiée pour le même hub énergétique. Dans la pratique, l'efficacité à charge partielle des équipements tels que les refroidisseurs, les chaudières et les pompes à chaleur doit être prise en compte dans la conception et le contrôle des réseaux de chauffage et de refroidissement car elle peut fortement affecter leurs performances globales. Cependant, les modèles d'optimisation tels que les hubs énergétiques considèrent généralement des efficacités constantes en raison du défi de mettre en œuvre l'efficacité à charge partielle dans de tels modèles. Par conséquent, l'impact des courbes d'efficacité à charge partielle sur les résultats d'optimisation des hubs énergétiques n'est souvent pas clair, en particulier lorsque plusieurs appareils sont inclus. Dans ce travail, le coût total sur la vie d'un système de réseaux combinés de chauffage et de refroidissement a été optimisé sur la base d'un hub énergétique dans lequel des dispositifs d'efficacité à charge partielle (chaudières à gaz naturel, radiateurs électriques, refroidisseurs électriques et pompes à chaleur) ont été modélisés. Le modèle a été linéarisé et étudié sous différentes combinaisons de charges thermiques. Une méthode itérative a été développée pour optimiser la conception et l'exploitation du pôle énergétique dans ce contexte. Pour déterminer l'impact des efficacités à charge partielle, chaque appareil a été examiné individuellement tandis que l'efficacité des autres appareils est restée constante. L'erreur résultant de l'hypothèse d'un rendement constant a ensuite été calculée sur la base d'un hub de référence avec des rendements constants. Les résultats ont indiqué une erreur maximale sur le coût total de 1,85 %, 0,6 % et 0,16 % en supposant un rendement constant pour les chaudières, les refroidisseurs et les pompes à chaleur respectivement. Les charges pour lesquelles ces erreurs maximales se produisent ont ensuite été choisies pour optimiser le hub avec tous les appareils modélisés avec une courbe d'efficacité à charge partielle. Les erreurs ont augmenté à 1,9 %, 0,71 % et 1.49 %, respectivement. Enfin, le potentiel de récupération de chaleur perdue (WHR) d'un atelier de fabrication a été évalué. Dans un premier temps, les sources de chaleur résiduelle ont été identifiées et évaluées, ce qui a conduit à la préparation d'une carte de chaleur résiduelle pour l'entreprise. Par la suite, trois principales méthodes de récupération de la chaleur ont été choisies et analysées pour l'usine. Pour les étés, la possibilité de remplacer les refroidisseurs actuels de bureaux par un refroidisseur à absorption simple effet de 52 kW a été étudiée, ce qui coûterait 8,000 CAD de plus que les refroidisseurs actuels sur 20 ans. Pour les hivers, le flux de chaleur résiduelle conditionné peut être utilisé à des fins de chauffage local au lieu d'utiliser les systèmes de chauffage électrique actuellement utilisés, ce qui permettrait d'économiser environ 110,000 CAD sur 20 ans. Pour le reste de l'année, la consommation interne d'eau chaude de l'entreprise peut être fournie en utilisant un chauffe-eau hybride (WHR+ électricité), ce qui permettrait d'économiser environ 2,000 CAD sur la même période. / In the present work, an "energy hub" template was employed to design combined heating and cooling networks to benefit from potential synergies. Heating and cooling networks are integral components of various buildings, campuses, or cities. The concept of smart thermal grid and "energy hub" argue in favor of thermal integration to benefit from potential synergies and facilitate the use of renewable energy sources. In this integrated system, heat pumps can be used to recover heat from the cooling loop and supply it to the heating loop. Waste heat recovery can help reducing operation costs and greenhouse gas emissions. Heating and cooling loads of the network can be satisfied by natural gas boilers, electric heaters, chillers, and heat pumps. The design of the system and its operation were optimized with respect to cost and greenhouse gas emissions under different combinations of heating and cooling loads. The optimized hub configurations for scenarios with and without waste heat recovery were compared, showing that heat pumps were beneficial in all scenarios. The optimal capacity of heat pumps to minimize total cost was found to be ~80% of the maximal possible value from a thermodynamic analysis of the loads. The simultaneous minimization of cost and emissions revealed a relatively sharp transition from gas to electric heating as more emphasis is put on emissions than cost, but in all cases, waste heat recovery with heat pumps was heavily used to satisfy the heating and cooling loads. Next, keeping the same framework designed above, a method was developed to indicate how thermal energy storage (TES) units can contribute to reduce the total cost of a thermal grid. We developed a method showing how TES units, coupled with heat pumps, can contribute to reducing the total cost of a thermal grid. An optimization model is introduced, based on an energy hub model including natural gas boilers, electric heaters, and chillers. For different load profiles, thermal grids integrating heat pumps alone, TES alone, or a combination of both are compared to a reference hub with no thermal integration. It was found that the inclusion of both TES and heat pumps together results in more profits than when they are used separately, extending the synergic use of the heat pumps to satisfy both heating and cooling loads. Furthermore, the benefit of TES when components of the system (chiller or boiler) are under-sized is assessed. It was observed that in these cases, TES contributes to satisfying the thermal demands. However, due to the configuration of the system, there is a limit of chiller under-sizing that TES units can compensate. Then, the influence of part-load operation of energy hub devices was studied for the same energy hub. In practice, part-load efficiency of equipment such as chillers, boilers, and heat pumps need to be taken into account in the design and control of heating and cooling networks as it can strongly affect their overall performance. However, optimization models such as energy hubs usually consider constant efficiencies due to the challenge of implementing part-load efficiency in such models. Therefore, the impact of part-load efficiency curves on energy hub optimization results is often unclear, in particular when multiple devices are included. In this work, the lifetime cost of a combined heating and cooling networks system was optimized based on an energy hub in which part-load efficiency devices (natural gas boilers, electric heaters, electric chillers, and heat pumps) were modeled. The model was linearized and studied under different combinations of thermal loads. An iterative method was developed to optimize the design and operation of the energy hub in this context. To determine the impact of part-load efficiencies, each device was individually examined while the efficiency of other devices remained constant. The error resulting from assuming a constant efficiency was then calculated based on a reference hub with constant efficiencies. The results indicated a maximum error on the total cost of 1.85%, 0.6%, and 0.16% by assuming constant-efficiency for the boilers, chillers, and heat pumps respectively. The loads for which these maximum errors occur were then chosen to optimize the hub with all devices modeled with a part-load efficiency curve. The errors increased to 1.9%, 0.71%, and 1.49%, respectively. Finally, the waste heat recovery (WHR) potential of a manufacturing workshop was assessed. First, the sources of waste heat were identified and evaluated, leading to preparation of a waste heat map for the company. Subsequently, three main WHR methods were chosen and analyzed for the plant. In the summer, the possibility of replacing the current office chillers with a 52 kW single-effect absorption chiller was investigated, which would cost 8,000 CAD more than the present chillers over 20 years. For winters, t waste heat can be used for local heating purposes instead of using the electric heating systems currently used, which would save approximately 110,000 CAD over 20 years. For the rest of the year, the internal hot water consumption for the company can be supplied by using a hybrid (WHR + electricity) water heater, which would save around 2,000 CAD over the same period.

Le développement de l’horticulture ornementale sous serre en climat nordique, est confronté à l’uniformisation de la qualité des plants produits et à une consommation élevée d’énergie pour le chauffage. L’étude porte sur trois potées fleuries produites sous serre au Québec, les poinsettias, les hydrangées et les pétunias. L’objectif du projet est la réduction de la consommation de gaz de chauffage des serres, en injectant du CO2 combiné à un différentiel de température jour-nuit positif (DIF+). Un DIF+ combiné à l’enrichissement carboné entre 900 et 950 ppm, est appliqué dans deux serres. Deux autres serres ont servi de témoin, où seul un DIF+ similaire à la production conventionnelle est appliqué. Les plants produits sous les deux régies climatiques, ont atteint les standards de commercialisation. Chez les poinsettias, la réduction de la consommation d’énergie a varié entre 15,8% et 21% et chez les hydrangées, cette réduction a varié de 4% à 5,2%.

Les échanges de chaleur et de vapeur d’eau ont lieu à l’interface terre-atmosphère. Une représentation précise de ces flux est nécessaire dans les modèles atmosphériques et hydrologiques, compte tenu de leur importance dans la régulation des cycles climatiques et hydrologiques. À cette fin, des modèles de surface terrestre (MST) ont été construits pour fournir des informations pertinentes sur les conditions de surface terrestre, et plus spécifiquement, sur les échanges d’énergie, d’eau et parfois de carbone. Dans cette thèse, l’objectif principal est de mieux comprendre les différents processus conduisant au transfert d’énergie et d’eau à travers l’interface sol-végétation-atmosphère, ainsi que d’évaluer la simulation des échanges d’énergie et d’eau par des MST pilotés par des forçages météorologiques de différentes sources. Premièrement, deux différentes philosophies de modélisation de la surface terrestre ont été contrastées sur des sites sans neige à travers le monde. Les performances d’une approche basée sur la répartition statistique de l’énergie de surface, le modèle « Maximum Entropy Production » (MEP), ont été comparées à celles d’un MST à base physique, le « Canadian Land Surface Scheme » (CLASS). Le modèle MEP propose une approche simplifiée pour estimer les flux thermiques de surface tout en imposant la conservation d’énergie. Par conséquent, ce modèle semble approprié pour une intégration dans les études hydrologiques et de télédétection, où les quelques données d’entrée requises peuvent être facilement récupérées, et lorsque l’estimation des flux de chaleur de surface est l’objectif principal. En général, l’approche MEP était comparable aux mesures in situ et aux résultats CLASS. Bien que MEP utilise une formulation simple et moins de variables d’entrée, le modèle était comparable ou même meilleur que les simulations du modèle CLASS. Cependant, le modèle de surface était moins performant pour simuler les flux turbulents nocturnes et le flux de chaleur du sol dans son ensemble. Deuxièmement, CLASS a été appliqué à une échelle locale pour évaluer ses performances lorsqu’il est piloté par les données de réanalyse ERA5. L’énergie de surface simulée et les flux d’eau, ainsi que le manteau neigeux et les propriétés du sol, ont été étudiés dans quatre sites différents distribués sur le biome boréal canadien. Les résultats de CLASS pilotés par ERA5 ont été comparés aux observations in situ disponibles, ainsi qu’aux résultats de CLASS pilotés par des observations; des simulations et des analyses supplémentaires ont été menées pour évaluer les effets des biais dans les précipitations d’ERA5. Cette analyse a mis en évidence la iii capacité de CLASS à représenter les variables de la surface terrestre des sites boréaux lorsqu’il est forcé par la réanalyse ERA5, montrant une grande similitude avec les observations et avec les résultats de CLASS pilotés par les observations. Bien que la réanalyse ERA5 ait une résolution relativement grossière, les données peuvent toujours être utilisées pour piloter un MST et produire des résultats cohérents à une échelle locale. Enfin, nous avons évalué la fiabilité du modèle CLASS dans la simulation de l’évapotranspiration (ET) et du ruissellement (ROF) lorsqu’il est forcé par des données stochastiques, produites par un modèle générateur de temps à l’échelle horaire, sur deux sites boréaux canadiens avec une disponibilité d’eau contrastée (un site sec et un site humide). Les résultats ont été comparés aux flux d’eau simulés par CLASS forcés avec des données de référence (ERA5). Cette étude s’est concentrée sur la variation interannuelle et saisonnière des flux d’eau, ainsi que sur leurs périodes de retour de valeurs journalières extrêmes. Sur le site sec, l’ET et le ROF simulés par CLASS forcé avec les données stochastiques et de référence étaient similaires les uns aux autres; les deux simulations ont montré que l’ET et le ROF annuels sont limités par la disponibilité en eau. Sur le site humide, cependant, les résultats des deux simulations ont montré des écarts importants. CLASS piloté par les données stochastiques n’a pas pu capturer la signature d’ET, qui se situe globalement entre 550 mm an−1 et 600 mm an−1 , et elle n’est pas limitée par l’eau. Les précipitations, la température et l’humidité spécifique se sont révélées être les variables critiques dans la simulation des flux d’eau. De plus, les événements journaliers extrêmes de précipitations stochastiques et de ROF simulés par CLASS forcé avec les données stochastiques se sont révélés fiables sur les deux sites, révélant une excellente occasion d’utiliser cette méthode pour évaluer les ressources en eau dans un scénario de changement climatique. En conclusion, cette thèse s’est concentrée sur la modélisation de la surface terrestre sur plusieurs sites végétalisés, en mettant l’accent sur les échanges d’énergie et d’eau entre la surface terrestre et l’atmosphère. Les résultats ont permis d’apporter des perspectives de travaux futurs en ce qui concerne (i) l’utilisation d’une approche simplifiée pour estimer les flux thermiques de surface ; (ii) l’utilisation de la réanalyse ERA5 comme forçage robuste des données aux MST dans les études à l’échelle locale sur la forêt boréale canadienne ; et (iii) l’utilisation d’ensembles de données stochastiques horaires pour forcer les données à des MST à base physique pour étudier les conditions hydrométéorologiques dans le climat actuel et les projections futures. / Exchanges of heat and water vapor take place at the land-atmosphere interface. An accurate representation of water and energy fluxes is needed in atmospheric and hydrologic models, given their importance in the regulation of the climate and hydrological cycles. To this end, land surface models (LSMs) have been built to provide relevant information on the land surface conditions, and more specifically, on the exchanges of energy, water, and sometimes, carbon. In this thesis, the main objective is to better understand various processes driving the transfer of energy and water across the soil-vegetation-atmosphere interface, as well as to evaluate the simulation of energy and water exchanges by LSMs driven by meteorological forcings of different sources. Firstly, two different philosophies of land surface modeling were contrasted at snow-free sites across the world. The performance of a statistically based surface energy partitioning approach, the Maximum Entropy Production (MEP) model, was compared to that of a physically based LSM, the Canadian Land Surface Scheme (CLASS). The MEP model offers a simplified approach to estimate surface heat fluxes while imposing energy conservation. Therefore, this model seems suitable for integration into hydrological and remote sensing studies, where the few required input data can be easily retrieved, and when the estimation of the surface heat fluxes is the main objective. The MEP approach was comparable to in situ measurements and to CLASS results. Although MEP uses a simple formulation and fewer input variables, the model was comparable or even better than CLASS simulations. The surface model was, however, weak in simulating nocturnal turbulent fluxes and the soil heat flux overall. Secondly, CLASS was applied at a point scale to evaluate its performance when driven by the ERA5 reanalysis. Simulated surface energy and water fluxes, as well as snowpack and soil properties, were investigated at four different sites spread over the Canadian boreal biome. The results from CLASS driven by ERA5 were compared to available in situ measurements, as well as with results from CLASS driven by observations; additional simulations and analyses were conducted to evaluate the impacts of biases in the ERA5 precipitation. This analysis highlighted the ability of CLASS to represent the land surface variables of the boreal sites when forced by the ERA5 reanalysis, showing high similarity with the observations and with the results from CLASS driven by observations. Although this reanalysis has a relatively coarse v resolution, the data can still be used to drive an LSM and produce consistent results at a point scale. Lastly, we assessed the reliability of CLASS in simulating evapotranspiration (ET) and runoff (ROF) when driven by stochastic data produced by an hourly weather generator over two Canadian boreal sites with contrasting water availability (a dry and a wet site). The results were compared with simulated water fluxes from CLASS forced with reference data (ERA5). This study focused on the interannual and seasonal variation of the water fluxes, as well as on their return levels of extreme daily values. At the dry site, the simulated ET and ROF from CLASS driven by the stochastic and the reference data were similar to each other; both simulations showed that annual ET and ROF are limited by water availability. At the humid site, however, the results from both simulations showed significant discrepancies. CLASS driven by the stochastic data was not able to capture the ET signature, which overall ranges between 550 mm yr−1 and 600 mm yr−1 , and it is not water-limited. The precipitation, temperature, and specific humidity were found to be the critical variables in the simulation of the water fluxes. Moreover, the extreme daily events of stochastic precipitation and ROF from CLASS driven by the stochastic data proved to be reliable at both sites, revealing an excellent opportunity to use this framework to assess water resources under a changing climate scenario. In short, this thesis focused on land surface modeling over multiple vegetated sites, with an emphasis on the energy and water exchanges between the land surface and the atmosphere. The results brought some future work perspective in regards to (i) the use of a simplified approach for estimating the surface heat fluxes; (ii) the use of ERA5 reanalysis as robust forcing data to LSMs in local-scale studies over the Canadian boreal forest; and (iii) the use of hourly stochastic data sets as forcing data to physically based LSMs to investigate hydrometeorological conditions in the present climate and in future projections.

Depuis les années 90, les architectes ont conçu des bâtiments fortement vitrés. Bien que la lumière naturelle soit plus qu'abondante, leur efficacité énergétique est toutefois questionnée. Pour réduire l'intensité énergétique dans les édifices à bureaux, une stratégie efficace réside dans le potentiel de la masse thermique contenu dans les planchers. Dans cette recherche, une dalle structurale de plancher fait en bois d'ingénierie le CLT (panneaux de bois lamellé-collé) est comparer à une dalle de plancher standard en béton. Le but de cette recherche est de comprendre la dynamique des dalles planchers en CLT et d'optimiser la performance énergétique d'un édifice à bureaux virtuels. Différents scénarios comprenant le pourcentage de verre en façade, les températures de consigne et la ventilation naturelle sont optimisés à l'aide du logiciel de simulation DEROB-LTH. Cette recherche présente les résultats de simulation énergétique pour l'intensité énergétique en chauffage et climatisation ainsi que les demandes de pointe pour un édifice à bureaux.