Avec l'émergence des bâtiments à haute efficacité énergétique, il est devenu indispensable de pouvoir prédire de manière fiable le comportement énergétique des bâtiments. Or, à l'heure actuelle, la prise en compte des effets thermo-aérauliques dans les modèles se cantonne le plus souvent à l'utilisation d'approches simplifiées voire empiriques qui ne sauraient atteindre la précision requise. Le recours à la simulation numérique des écoulements semble donc incontournable, mais il est limité par un coût calculatoire généralement prohibitif. L'utilisation conjointe d'approches innovantes telle que la méthode de Boltzmann sur gaz réseau (LBM) et d'outils de calcul massivement parallèles comme les processeurs graphiques (GPU) pourrait permettre de s'affranchir de ces limites. Le présent travail de recherche s'attache à en explorer les potentialités. La méthode de Boltzmann sur gaz réseau, qui repose sur une forme discrétisée de l'équation de Boltzmann, est une approche explicite qui jouit de nombreuses qualités : précision, stabilité, prise en compte de géométries complexes, etc. Elle constitue donc une alternative intéressante à la résolution directe des équations de Navier-Stokes par une méthode numérique classique. De par ses caractéristiques algorithmiques, elle se révèle bien adaptée au calcul parallèle. L'utilisation de processeurs graphiques pour mener des calculs généralistes est de plus en plus répandue dans le domaine du calcul intensif. Ces processeurs à l'architecture massivement parallèle offrent des performances inégalées à ce jour pour un coût relativement modéré. Néanmoins, nombre de contraintes matérielles en rendent la programmation complexe et les gains en termes de performances dépendent fortement de la nature de l'algorithme considéré. Dans le cas de la LBM, les implantations GPU affichent couramment des performances supérieures de deux ordres de grandeur à celle d'une implantation CPU séquentielle faiblement optimisée. Le mémoire de thèse présenté est constitué d'un ensemble de neuf articles de revues internationales et d'actes de conférences internationales (le dernier étant en cours d'évaluation). Dans ces travaux sont abordés les problématiques liées tant à l'implantation mono-GPU de la LBM et à l'optimisation des accès en mémoire, qu'aux implantations multi-GPU et à la modélisation des communications inter-GPU et inter-nœuds. En complément, sont détaillées diverses extensions à la LBM indispensables pour envisager une utilisation en thermo-aéraulique des bâtiments. Les cas d'études utilisés pour la validation des codes permettent de juger du fort potentiel de cette approche en pratique. / With the advent of low-energy buildings, the need for accurate building performance simulations has significantly increased. However, for the time being, the thermo-aeraulic effects are often taken into account through simplified or even empirical models, which fail to provide the expected accuracy. Resorting to computational fluid dynamics seems therefore unavoidable, but the required computational effort is in general prohibitive. The joint use of innovative approaches such as the lattice Boltzmann method (LBM) and massively parallel computing devices such as graphics processing units (GPUs) could help to overcome these limits. The present research work is devoted to explore the potential of such a strategy. The lattice Boltzmann method, which is based on a discretised version of the Boltzmann equation, is an explicit approach offering numerous attractive features: accuracy, stability, ability to handle complex geometries, etc. It is therefore an interesting alternative to the direct solving of the Navier-Stokes equations using classic numerical analysis. From an algorithmic standpoint, the LBM is well-suited for parallel implementations. The use of graphics processors to perform general purpose computations is increasingly widespread in high performance computing. These massively parallel circuits provide up to now unrivalled performance at a rather moderate cost. Yet, due to numerous hardware induced constraints, GPU programming is quite complex and the possible benefits in performance depend strongly on the algorithmic nature of the targeted application. For LBM, GPU implementations currently provide performance two orders of magnitude higher than a weakly optimised sequential CPU implementation. The present thesis consists of a collection of nine articles published in international journals and proceedings of international conferences (the last one being under review). These contributions address the issues related to single-GPU implementations of the LBM and the optimisation of memory accesses, as well as multi-GPU implementations and the modelling of inter-GPU and internode communication. In addition, we outline several extensions to the LBM, which appear essential to perform actual building thermo-aeraulic simulations. The test cases we used to validate our codes account for the strong potential of GPU LBM solvers in practice.

Notre travail s'inscrit dans le cadre des recherches sur le Sleeping mode. Notre contribution est structurée principalement autour deux axes : l'étude et l'évaluation de la performance des processus de mise en veille/réveil des points d'accès et la sélection du nombre minimal des points d'accès dans un milieu urbain dense. Dans un premier temps, nous étudions les processus de mise en veille/réveil des points d'accès dans un scenario classique de réseau domestique. Ce scenario suppose que le point d'accès mis en veille doit détecter la présence d'un utilisateur potentiel dans sa zone de couverture et réagir par conséquence d'une façon autonome pour se mettre en état de fonctionnement normal. Nous avons choisi quatre processus de réveil du point d'accès, et nous avons ensuite étudié chacun de ces processus, et proposé un protocole de communication qui permette à un utilisateur d'envoyer l'ordre au point d'accès de s'éteindre. Lorsque cela était possible, nous avons utilisé le protocole COAP qui est prévu pour établir des sessions de commande pour l'Internet des Objets. Nous avons ensuite mesuré les performances du point de vue de l'économie d'énergie qu'il permet de réaliser et du délai entre le moment où un utilisateur potentiel est détecté et le moment où le point d'accès devient opérationnel. Nous avons aussi étudié un réseau dense dans un milieu urbain (le centre ville de Rennes) où la zone de couverture d'un point d'accès pouvait être partiellement ou totalement couverte par d'autres points d'accès. Pour évaluer la redondance dans le réseau, nous avons collecté des informations réelles sur les points d'accès en utilisant l'application Wi2Me. Le traitement de ces informations nous a permis d'identifier les points d'accès existants dans la zone étudiée et leurs zones de couverture respectives démontrant ainsi la superposition de ces zones de couverture et le potentiel d'élimination d'un certain nombre de points d'accès sans affecter la couverture globale. Nous avons alors proposé un système centralisé qui collecte les données de couverture des points d'accès observée par les utilisateur. Nous avons donc utilisé ce simple fait pour centraliser la vue du réseau de plusieurs utilisateurs, ce qui permet d'avoir une vue assez précise de la disponibilité des points d'accès dans une zone géographie. Nous avons alors proposé une représentation de ces données de couverture à travers des matrices qui traitent les différentes erreurs de capture (coordonnées GPS non précises, réutilisation des noms de réseaux, etc). Enfin, nous avons ensuite proposé deux algorithmes permettant de sélectionner l'ensemble minimal des points d'accès requis fournissant une couverture identique à celle d'origine. / The main goal of the thesis is to design an Energy Proportional Network by taking intelligent decisions into the network such as switching on and off network components in order to adapt the energy consumption to the user needs. Our work mainly focuses on reducing the energy consumption by adapting the number of APs that are operating to the actual user need. In fact, traffic load varies a lot during the day. Traffic is high in urban areas and low in the suburb during day work hours, while it is the opposite at night. Often, peak loads during rush hours are lower than capacities of the networks. Thus they remain lightly utilized for long periods of time. Thus keeping all APs active all the time even when the traffic is low causes a huge waste of energy. Our goal is to benefit from low traffic periods by automatically switch off redundant cells, taking into consideration the actual number of users, their traffic and the bandwidth requested to serve them. Ideally we wish to do so while maintaining reliable service coverage for existing and new coming users. First we consider a home networking scenario. In this case only one AP covers a given area. So when this AP is switched off (when no users are present), there will be no other AP to fill the gap of coverage. Moreover, upon the arrival of new users, no controller or other mechanism exists to wake up the AP. Consequently, new arriving users would not be served and would remain out of coverage. The study of the state of the art allowed us to have a clear overview of the existing approaches in this context. As a result, we designed a platform to investigate different methods to wake up an AP using different technologies. We measure two metrics to evaluate the Switching ON/OFF process for the different methods. The first is the energy consumed by the AP during the three phases it goes through. The second is the delay of time for the AP to wake up and be operational to serve the new users. In the second case we consider a dense network such as the ones found in urban cities, where the coverage area of an AP is also covered by several other APs. In other words, the gap resulting from switching off one or several APs can be covered by other neighbouring ones. Thus the first thing to do was to evaluate the potential of switching off APs using real measurements taken in a dense urban area. Based on this collected information, we evaluate how many APs can be switched off while maintaining the same coverage. To this end, we propose two algorithms that select the minimum set of APs needed to provide full coverage. We compute several performance parameters, and evaluate the proposed algorithms in terms of the number of selected APs, and the coverage they provide.

Grâce aux avancées technologiques dans le domaine des réseaux cellulaires et des équipements mobiles, le nombre d'applications multimédia à haut débit dans les réseaux mobiles ne cesse d'augmenter. On prévoit que le trafic de données dans les réseaux mobiles en 2017 sera 13 fois plus important que celui en 2012. Pour satisfaire aux besoins des équipements mobiles, de nouvelles approches pour la gestion des ressources radio et des puissances de transmission sont requises.Dans le cadre de cette thèse, on s'intéresse à proposer des solutions pour remédier aux problèmes des interférences intercellulaires dans les réseaux mobiles de dernière génération. Nous enquêtons d'une manière exhaustive les différentes techniques de coordination des interférences intercellulaires existantes. Ces techniques sont qualitativement comparées, puis classées selon le taux de coopération requis entre les différentes stations de base, mais aussi selon leurs principes de fonctionnement. Nous abordons également le problème multicellulaire d'allocation des ressources et des puissances de transmission d'une manière centralisée. Nous formulons ce problème d'optimisation centralisé, puis nous le décomposons en deux sous-problèmes indépendants : l'allocation de ressources et l'allocation des puissances de transmission. De plus, une approche distribuée basée sur la théorie des jeux est proposée pour l'allocation des puissances de transmission. Les techniques centralisées de minimisation des interférences intercellulaires offrent la solution optimale au prix d'une grande charge de signalisation. Par contre, les solutions décentralisées réduisent le trafic de signalisation sans garantir l'optimalité de la solution obtenue. Nous proposons ensuite une heuristique de contrôle de puissance qui modifie localement l'allocation des puissances de transmission de manière à éviter le gaspillage d'énergie et pour réduire les interférences ressenties par les utilisateurs des stations de base voisines. Nous proposons également une technique autonome qui gère la distribution des ressources radio entre les différentes zones de chaque cellule. Cette technique répond aux besoins des utilisateurs dans chaque zone en adaptant la distribution des ressources d'une manière dynamique. Nous abordons aussi le compromis entre les techniques de gestion d'interférences intercellulaires centralisées et décentralisées. Nous proposons une approche hybride où l'allocation des ressources radio et des puissances de transmission est faite d'une manière coopérative entre les différentes cellules. Dans un premier lieu, les cellules voisines collaborent afin d'ajuster les puissances de transmission allouées aux ressources radio. Ensuite, la distribution des ressources entre les différentes zones de chaque cellule est modifiée localement, selon les besoins des utilisateurs dans chaque zone. / The exponentially increasing demand for mobile broadband communications have led to the dense deployment of cellular networks with aggressive frequency reuse patterns. The future Fifth Generation (5G) networks are expected to overcome capacity and throughput challenges by adopting a multi-tier architecture where several low-power Base Stations (BSs) are deployed within the coverage area of the macro cell. However, Inter-Cell Interference (ICI) caused by the simultaneous usage of the same spectrum in different cells, creates severe problems. ICI reduces system throughput and network capacity, and has a negative impact on cell-edge User Equipment (UE) performance. Therefore, Inter-Cell Interference Coordination (ICIC) techniques are required to mitigate the impact of ICI on system performance. In this thesis, we address the resource and power allocation problem in multiuser Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA) networks such as LTE/LTE-A networks and dense small cell networks. We start by overviewing the state-of-the-art schemes, and provide an exhaustive classification of the existing ICIC approaches. This qualitative classification is followed by a quantitative investigation of several interference mitigation techniques. Then, we formulate a centralized multi-cell joint resource and power allocation problem, and prove that this problem is separable into two independent convex optimization problems. The objective function of the formulated problem consists in maximizing system throughput while guaranteeing throughput fairness between UEs. ICI is taken into account, and resource and power allocation is managed accordingly in a centralized manner. Furthermore, we introduce a decentralized game-theoretical method to solve the power allocation problem without the need to exchange signaling messages between the different cells. We also propose a decentralized heuristic power control algorithm based on the received Channel Quality Indication (CQI) feedbacks. The intuition behind this algorithm is to avoid power wastage for UEs that are close to the serving cell, and reducing ICI for UEs in the neighboring cells. An autonomous ICIC scheme that aims at satisfying throughput demands in each cell zone is also introduced. The obtained results show that this technique improves UE throughput fairness, and it reduces the percentage of unsatisfied UEs without generating additional signaling messages. Lastly, we provide a hybrid ICIC scheme as a compromise between the centralized and the decentralized approaches. For a cluster of adjacent cells, resource and power allocation decisions are made in a collaborative manner. First, the transmission power is adjusted after receiving the necessary information from the neighboring cells. Second, resource allocation between cell zones is locally modified, according to throughput demands in each zone.

La piscine fait partie des établissements publics les plus fréquentés dans notre société. En effet, il ne s’agit pas uniquement d’un lieu de pratique d'activités physiques, mais également un espace de détente, de jeu, d’éducation et de lien familial. Il est de toute évidence essentiel, de fournir un environnement intérieur confortable et sain pour ses occupants. Cependant, en raison de sa dimension, son besoin excessif en énergie et la complexité des phénomènes physiques évoluant à l’intérieur, il est difficile de parvenir à un équilibre optimum entre : qualité de l’air intérieur, confort thermique des occupants et efficacité énergique du bâtiment. Il faut pour cela, parvenir à une description des mécanismes qui façonnent la structure de l’écoulement de l’air par une analyse profonde de ces phénomènes qui sont à l'origine des transferts de chaleur et de masse mis en jeu à l’intérieur. Ainsi, l’objectif visé de cette thèse est de présenter une étude numérique thermo aéraulique, par CFD en régime stationnaire et transitoire, qui permet d’évaluer le comportement dynamique, thermique et thermodynamique des différents phénomènes physiques qui évoluent à l’intérieur de la piscine intérieure semi-olympique de l’université Bishop’s (Sherbrooke, Canada) afin d’améliorer la qualité de l’air intérieur et le confort thermique ainsi que son rendement énergétique. Les simulations sont réalisées avec le logiciel libre OpenFOAM en utilisant une approche RANS. Une étude thermo-aéraulique par CFD a d’abord été réalisée sur une cavité rectangulaire avec plancher chauffé, afin d’appréhender les simulations thermo aérauliques. Cela a abouti à la détermination de la meilleure configuration d’aération pour une qualité de l’air et un confort thermique optimum. Plusieurs simulations CFD du flux d'air tridimensionnel avec transfert de chaleur et de masse ont été aussi effectuées ultérieurement pour la piscine, afin d’évaluer les effets des conditions climatiques extérieures et ceux des nageurs sur l'atmosphère intérieure. En adoptant plusieurs modèles de turbulence de type RANS, la comparaison des résultats obtenus avec les données expérimentales de référence a permis de valider le code OpenFOAM. Les données expérimentales ont été recueillies au préalable au sein de la piscine de l’Université Bishop’s à l’aide d’un dispositif conçu et adapté aux conditions internes propre à la piscine et qui est équipé de plusieurs capteurs pour la mesure de : température, humidité relative et vitesse. Enfin, une étude thermo-aéraulique de la piscine en régime turbulent transitoire pour une durée de 24 heures pour les jours typiques d'été et d'hiver a été réalisée afin de prédire l’évolution de la distribution des paramètres tels que la vitesse, la température et l'humidité relative. Une analyse statistique a permis de montrer que les conditions climatiques extérieures n'ont pas d'effet sur l'environnement interne de celle-ci. D’ailleurs, sa très bonne isolation thermique démontrée par un calcul détaillé des pertes thermiques à travers son enveloppe confirme ce constat. D’autre part, l’évaluation de la qualité de l'air intérieur et le confort thermique des occupants a révélé que ces derniers sont inacceptables. Suite auxquels, un ajustement des paramètres de conditionnement de l’air a été apporté pour fin d’amélioration. / Abstract : The swimming pool is one of the most popular public establishments in our society and is not just a place for physical activities but also a space for relaxation, play, education and family ties. It is therefore important to ensure a healthy and comfortable indoor environment for the occupants. However, given the size, energy requirement and complexity of the physical phenomena that take place within such space, it is difficult to achieve an optimum balance between interior air quality, thermal comfort of occupants and energy efficiency of the building. This requires a description of the mechanisms, which determine the structure of the airflow by a profound analysis of these phenomena, which are the origin of the heat and mass transfers involved inside such spaces. The objective of this thesis is to present a numerical thermo-ventilation study using CFD (computational fluid dynamic) in stationary and transient regime that allows to evaluate the dynamic, thermal and thermodynamic behaviors of the various phenomena that take place inside the semi-Olympic closed swimming pool at Bishop's University (Sherbrooke, Qc, Canada). The aim is to improve the indoor air quality and thermal comfort of occupants as well as its energy efficiency. The simulations are carried out using OpenFOAM (Open Field Operation and Manipulation) using a Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) approach. To do this, a CFD thermo-ventilation study was first carried out on a rectangular cavity with heated floor in order to understand the thermo-ventilation simulations. This has led to the determination of the best ventilation configuration for optimum air quality and thermal comfort. Several CFD simulations of the three-dimensional airflow with heat and mass transfer were also carried out later for the indoor swimming pool to evaluate the effects of outdoor climatic conditions and swimmers on the indoor atmosphere of the pool. By adopting several RANS turbulence models, the comparison of the results obtained with the experimental data allowed to validate the OpenFOAM code. The experimental data were collected in the pool at Bishop's University using a device designed and adapted to the pool’s internal conditions. The devise is equipped with several sensors to measure temperature, relative humidity and velocity. Finally, a thermo-ventilation study of the swimming pool in transient turbulent regime for a duration of 24 hours for typical days of summer and winter was conducted in order to predict the distribution of the various parameters such as velocity, temperature and relative humidity. A statistical analysis showed that the external climatic conditions have no effect on the internal environment of the swimming pool. Moreover, its good thermal insulation demonstrated by a detailed calculation of the thermal losses through building envelope confirms this observation. On the other hand, the evaluation of the indoor air quality and the thermal comfort of occupants revealed that the conditions inside the pool are unacceptable. After which, an adjustment of the air conditioning parameters was made for improvements.

La conception de circuit à très faible tension d'alimentation est un moyen depuis longtemps connu pour diminuer la consommation d'énergie des circuits pour un même service rendu [VITTOZ weak inversion]. La faible tension permet de gagner à la fois en courant de fuite [K ROY leakage] et surtout en courant dynamique qui reste la partie de l'énergie consommée la plus ardue a maîtriser. Elle s'accompagne d'un délai multiplié par plusieurs ordres de grandeur et une sensibilité accrue aux variations de paramètres des dispositifs. Cette variation étant plus grande dans les technologies récentes, la conception à très faible tension était jusqu'à récemment limitée aux nœuds technologiques en deçà de 40nm, mais des avancées récentes en technologie 32nm ont été publiés [TI ISSCC2011]. Un premier travail de thèse [ABOUZEID PhD], a permis de confirmer la faisabilité de la conception de circuit ULV. Plus précisément ont été démontrées : · une méthodologie de conception de cellules logiques en technologie 90nm, 65nm, 45nm et 40nm · une adaptation des flots automatiques d'implémentation et de vérification en 40nm · un précurseur de SRAM en CMOS65nm Sur cette base le présent travail de thèse consistera en l'élargissement de l'éventail du champ de conception ULV vers la gestion d'alimentation, la compensation des conditions environnementales et l'optimisation architecturale afin de préparer l'industrialisation de futures applications ULV. / IoT applications continue to push towards ultra-low-power constrained ASICs, creating severe challenges to achieve sufficient power efficiency in extreme Voltage and Temperature conditions. Thus, it is necessary to build closed-loop compensation systems that are autonomous to environmental conditions especially temperature at sub-threshold regime. Two major work are proposed: an adaptive techniques that allow to enhance the performance of designs that leverage aggressive voltage scaling. we fully exploits the FD-SOI 28nm technology dual gate capabilities to both attain optimal power efficiency points and compensate for gradual changes in overall device performance due to process, voltage, and temperature variations. Our proposed compensation Unit system is a fully-digital error-prediction solution providing a compromise between industry reliability requirements and manufacturing guard-band reduction with low-invasiveness and post-silicon tunability. Critical-Paths timing monitors are distributed across the processor and tuned to match the closest critical paths. A programmable workload emulator allows to adapt and take into account the processor tasks. Generated warning Flags due to V-T variations are analyzed based on an adjustable warning rate and body bias is adapted correspondingly. Based on the operation voltage, either fine or coarse body biasing can be activated for compensation. The second part of this thesis addresses on-chip temperature monitoring that plagues aggressively voltage scaled ASICs. We propose to closely monitor temperature fluctuations at low-voltage but also hot-spot detection at nominal and over-drive supply voltage conditions.

Cette thèse est consacrée à la décentralisation énergétique territoriale. Elle défend la montée en puissance des territoires dans la transition énergétique. Cette évolution doit-elle être stimulée par le haut, par des décisions et des objectifs mondiaux, européens et nationaux qui sont ensuite transposés dans les territoires ? Les territoires doivent-ils plutôt initier d’en bas les projets durables afin que la région et la nation les autorisent et les agrègent ? Comment les niveaux de l’intercommunalité et de la région montent- ils en puissance sur les questions énergétiques et climatiques ? Comment les nouveaux schémas et plans régionaux s’articulent-ils avec les documents d’urbanisme locaux ? L’autonomie énergétique des territoires est-elle possible et compatible avec la solidarité ? La méthodologie suivie repose sur une analyse du corpus, le traitement de données statistiques et un travail de terrain qui a retenu la Métropole Européenne de Lille, espace urbain, le Pays de Fayence dans le Var, espace rural, avec une ouverture sur Ouarzazate au Maroc, espace désertique et sur l’Union Economique et Monétaire-Ouest Africaine. Ces terrains tracent une verticale de recherche dans un contexte évolutif lié aux avancées de la COP 21, aux initiatives de la Commission Européenne et aux lois françaises de l’été 2015 relatives à la nouvelle organisation territoriale et à la transition énergétique pour la croissance verte. Ces terrains se regroupent en trois binômes pour apporter des résultats sur la France sous contrainte carbone, sur l’espace Méditerranéen et sur l’Afrique qui sera soumise à la contrainte carbone lorsque l’accord de Paris de la COP21 sera en vigueur. / This thesis investigates territorial energy decentralization. It advocates the greater involvement of territories in the energy transition. Should this evolution be driven from the top by global, European and national decisions and targets, which are then transposed in the territories? Would it be better for territories to initiate local sustainable projects, which can then be approved on a regional and national level and then aggregated? How can intercommunal and regional levels increase their influence in energy and climate matters? How do regional schemes and plans interact with local planning documents? Is territorial Energy Independence feasible, and is it compatible with solidarity? The methodology is based on analysis of the corpus, statistical computation and field work. The field work was conducted in four different spatial typologies: the new European Metropolis of Lille, an urban space, the Pays de Fayence, a Southern France rural space, Ouarzazate, Morocco, a desert space and the West African Economic and Monetary Union. These different typologies have allowed us to draw a vertical line guiding the research conducted given the evolving context post-COP 21, the new European Commission initiatives and the 2015 French laws on territorial organization and energy transition. These factors are grouped into three pairs to interpret the results on France’s carbon constraints, the Mediterranean region and Africa, which will only be subject to carbon constraints when the COP 21 Paris agreement has entered into force. / Diese Doktorarbeit befasst sich mit der regionalen Dezentralisierung der Energiegewinnung und -verteilung. Sie untersucht die Beziehungen zwischen der öffentlichen Politik, der Planung für Energie, Luft und Klima, sowie der Entwicklung der Gebiete hin zu einer positiven Energiebilanz. Sollte diese Evolution von Oben angestoßen werden, durch weltweite, europäische und nationale Entscheidungen und Ziele, die anschließend regional umgesetzt werden? Oder sollten nachhaltige Projekte regional initiiert werden, sodass „Régions“ und Nation sie genehmigen und in eine größerräumige Entwicklung eingliedern können? Inwiefern gewinnen Gemeindeverbände, Metropolen und Regionen in Energie-und Klimafragen an Macht? Wie fügen sich die neuen regionalen Konzepte und Planungen mit den Stadtentwicklungspapieren zusammen? Ist eine regionale energetische Autonomie möglich und mit dem Solidargedanken vereinbar? Die Arbeit beruht auf einer Korpusanalyse, der Verarbeitung statistischer Daten, der Teilnahme an Kolloquien und einer Arbeit vor Ort im städtischen Raum der Métropole Européenne de Lille, dem ländlich geprägten Pays de Fayence in Südfrankreich, mit einer Erweiterung in Richtung Ouarzazate in der Wüste Marokkos und zur Westafrikanischen Wirtschafts- und Währungsunion. Diese vier Gebiete liegen auf einer Forschungsvertikalen, und das in einem Kontext sich ändernder Gesetze im Zusammenhang mit den Fortschritten der COP21, mit den Initiativen der Europäischen Energie-und Klimakommission und mit der französischen Gesetzesänderungen im Sommer 2015, die die Neuverteilung der französischen Regionen und die Energiewende betrafen. Diese Gebiete sind in drei Paare aufgeteilt, um verschiedene Ergebnisse zu erbringen: einerseits in Frankreich, für das die Kohlendioxidgrenze gilt, anderseits der Mittelmeerraum und Afrika, die dieser Grenze noch nicht unterworfen sind, solange die Pariser Vereinbarung der COP21 noch nicht in Kraft getreten ist.

Ce travail de thèse concerne l’étude de la faisabilité des cycles organiques sous-critiques et supercritiques de Rankine pour la valorisation de rejets thermiques industriels à basse température. Dans un premier temps, un état de l’art des cycles ORC (acronyme anglais pour Organic Rankine Cycle) et leurs fluides de travail a été réalisé. Nous avons réalisé une comparaison préliminaire de plusieurs configurations à partir de la littérature scientifique. Dans un second temps, les méthodes d’analyse énergétique et exergétique ont été appliquées pour évaluer et optimiser les performances des cycles ORC. En effet, la seule méthode d’analyse énergétique n’est pas suffisante pour juger de la bonne utilisation du potentiel énergétique de la source de chaleur disponible correspondant à un rejet industrielle de chaleur (chaleur fatale). L’analyse exergétique, intervient en complément de l’analyse énergétique du système, afin de permettre de localiser les pertes des ressources énergétiques dans les différentes composantes du système et de déterminer leurs importances relatives et leurs causes. Une optimisation thermo-économique des installations de valorisation de rejets thermiques utilisant un cycle sous-critique ou supercritique de Rankine a été effectuée. Nos résultats montrent que la valorisation de rejets thermiques industriels à basse température (ex. source thermique de 150 °C) en utilisant un cycle ORC sous-critique est plus intéressante sur le plan énergétique que celle opérée en utilisant un cycle supercritique de Rankine. / This thesis concerns the feasibility study of subcritical and supercritical organic Rankine cycles for industrial waste heat recovery at relatively low temperature. Initially, a state of the art of ORCs (Organic Rankine Cycles) and their working fluids has been achieved. We conducted a preliminary comparison of several configurations from the scientific literature. In a second step, methods of energy and exergy analysis were applied to evaluate and optimize the performance of the ORCs. Indeed, sole energy analysis is not enough to access the proper use of the energy potential of the available heat source that corresponds to an industrial waste heat. Exergy analysis, in a complementary way to the energy analysis, enables us to locate the energy resources losses in the various components of the system and to determine their true magnitude and their causes. A thermo-economic optimization of waste heat recovery systems using a subcritical or supercritical Rankine cycle has been performed. According to the results, the industrial waste heat recovery at low temperature (e.g. heat source 150 ° C) using a subcritical ORC is more interesting on economic point of view than the system using a supercritical Rankine cycle

Les travaux présentés dans ce manuscrit portent sur l’optimisation d’une chaufferie collective multi-énergie en l’équipant d’un système de stockage thermique de type hydro-accumulation. L’efficacité de ce dernier dépend de sa capacité à conserver son énergie initiale. Ainsi, pour minimiser les pertes thermiques, le système de stockage doit être correctement isolé. Un modèle de ballon d’hydro-accumulation stratifié est développé et validé expérimentalement. Une étude paramétrique est menée afin d’étudier l’impact, sur les pertes thermiques, de paramètres géométriques et météorologiques. Ensuite, une approche de dimensionnement, fondée sur une stratégie de gestion séquentielle et une étude paramétrique est proposée. Plusieurs critères énergétiques et économiques peuvent ainsi être évalués pour différents volumes de stockage thermique. L’approche de dimensionnement proposée a été appliquée à plusieurs sites exploités par Cofely GDF-Suez, notre partenaire industriel. Les résultats obtenus montrent que le dimensionnement optimal du système de stockage et la gestion intelligente du procédé permettent d'optimiser le fonctionnement d’un site. Des économies énergétiques et financières importantes peuvent ainsi être réalisées. La stratégie de gestion séquentielle proposée n’anticipe pas les besoins du réseau de chaleur. C’est pourquoi une stratégie fondée sur la commande prédictive (MPC pour Model Predictive Control) est susceptible d’améliorer le fonctionnement et les performances d’une chaufferie collective équipée d’un système d’hydro-accumulation. Afin de mettre en œuvre un tel contrôleur, la puissance thermique demandée par le réseau de chaleur doit être correctement prédite. Par conséquent, une méthode de prédiction a été développée. Elle s’appuie sur une analyse multi-résolution par transformée en ondelettes discrète et sur l’utilisation de réseaux de neurones artificiels de type perceptron multicouche. La stratégie séquentielle (non prédictive) et la stratégie prédictive ont été appliquées à une chaufferie collective mixte située dans une commune du nord de la France. Pour ce cas d’étude, la stratégie prédictive est plus efficace. De plus, les résultats montrent que, quelle que soit la stratégie utilisée, équiper la chaufferie d’un système d’hydro-accumulation correctement dimensionné est un investissement rentable. Il permet de minimiser la consommation d’énergie fossile et, par conséquent, le coût économique et les émissions de CO2. / The present work deals with optimizing a multi-energy district boiler by adding to the plant a thermal water storage tank. The effectiveness of such a system depends on how long the stored energy can be kept without considerable degradation. The storage tank should be properly insulated to reduce the rate of heat loss. Thus, firstly, a stratified water thermal storage model is developed and experimentally validated. A parametric study is carried out to determine the influence of geometric and meteorological parameters on heat loss. Next, a reliable sizing method based on a sequential management strategy and a parametric study is proposed. Various energy and economic criteria have been evaluated for a range of thermal storage sizes. The proposed methodology has been applied to many plants managed by Cofely GDF-Suez, our industrial partner. Results highlight the ability of a thermal storage tank (optimally sized and managed) to improve the operation of a multi-energy district boiler and realize significant energy and economic savings. The main drawback of the proposed sequential management strategy lies in not taking into account the future power demand. That is why a strategy based on a Model Predictive Controller (MPC) is likely to improve operation and performance. In order to implement such a controller, the power demand has to be accurately forecasted. As a consequence, a short-term forecast method, based on wavelet-based Multi-Resolution Analysis (MRA) and multilayer Artificial Neural Networks (ANN) is proposed. Both the sequential and the predictive strategies are applied to a northeast France multi-energy district boiler selected as a case study. The main result to retain is that the efficiency of water thermal storage tank is mainly related to its design and the way it is managed. For this case study, the predictive strategy regardless the size of the storage tank, the predictive strategy is more reliable. Furthermore, in all cases an adequately sized and managed thermal storage tank is a profitable investment. It allows the fossil energy consumption to be significantly reduced. The same remark applies to the functioning costs and CO2 emissions.

Pour mieux maîtriser ses flux énergétiques et respecter les diverses restrictions mises en place dans ce secteur énergivore, le bâtiment devient un système de plus en plus complexe incluant divers technologies innovantes comme les systèmes de gestion énergétiques (SGEB), une isolation performante et intégrant les énergies renouvelables. Cette complexité exige un changement dans les techniques et paradigmes actuels de simulation du bâtiment pour la prise en compte de ses diverses évolutions. Une modélisation globale des différents composants de ce système et une simulation efficace de ses sous-systèmes hétérogènes doivent être dorénavant assurées.Ces objectifs ne pourront être atteints qu'à travers l’exploitation des approches méthodologiques d’interopérabilité. Plusieurs solutions d’interopérabilités ont été exploitées dans le secteur du bâtiment. L’état de l’art dans ce secteur, met l’accent sur le manque de standardisation des solutions appliquées. Une approche boîte blanche se basant sur le langage Modelica a remarquablement émergée. Pour monter ses intérêts ainsi que ses limites, cette solution est adoptée pour la modélisation du système de bâtiment «PREDIS», à haute performance énergétique. Une approche boîte noire complémentaire, s’appuyant sur le standard de composant logiciel dédié à la simulation, est également mise en ouvre pour palier aux difficultés rencontrées en utilisant la première approche de modélisation système. Cette approche s’articule autour du concept de bus à composants permettant une interopérabilité effective entre outils de modélisation et environnements de simulation. En plus de l’architecture logicielle autour de la plateforme d’interopérabilité, une simulation efficace du système hétérogène requière des techniques de simulations adaptées. Ces dernières peuvent exiger des adaptations des modèles utilisés qui sont prévues par la norme de composant. / To better reduce its invoices, control its energy flows and respect various restrictions in this sector characterised by important consumption, the building becomes more and more complex including various innovative technologies such as Energy Management Systems (BEMS), efficient insulation and integrating renewable energies. This complexity requires a changing in building simulation techniques and paradigms in order to take into account its various developments. A global modelling of this system taking into account its various components and ensuring an efficient simulation of its heterogeneous subsystems must be performed.These objectives can only be achieved through the use of interoperability methodological approaches. Several interoperability solutions have been explored in the building sector and the state of the art make an accent on the standardization lack of applied solutions. A white box approach based on Modelica language has emerged in this area. To raise its interest and limitations, this solution is adopted for “PREDIS” system, a high energy performance building, modelling. A complementary black box approach, based on software component standard and dedicated for simulation is also applied to overcome the first approach difficulties. This approach is based on software component bus concept that is able to ensure an effective interoperability between modelling tools and simulation environments.In addition of the established software architecture around the platform interoperability, an efficient simulation of heterogeneous systems requires appropriate simulations techniques. These techniques may require several adaptations of used models that are provided by the component standard.

Dans un cadre de modélisation des machines électriques, la méthode qui connaît une grande popularité, car réputée pour la qualité de ses résultats est la méthode des éléments finis. Cependant, les temps de calcul deviennent importants lorsque les modèles éléments finis sont associés à une démarche d’optimisation et de prédimensionnement dans le cadre d’un cahier des charges complexe. Les méthodes de modélisation bien souvent utilisées comme alternative aux éléments finis sont les approches de modélisation par constantes localisées. Ces dernières se prêtent bien aux différentes physiques impliquées dans le fonctionnement des machines électriques, i.e. électromagnétique, mécanique et thermique. Ainsi, les stratégies de conception optimisée d’une machine électrique utilisent ces modèles pour déterminer les propriétés et performances de cette dernière dans différentes conditions de fonctionnement. Cependant, la mise en place de ce type de modèles nécessite un temps de développement important par manque d’outils dédiés tels que ceux existants pour les éléments finis. Dans le contexte électromagnétique, les travaux de cette thèse présentent une contribution à l’approche de modélisation par réseaux de réluctances par le développement d’outils permettant leurs générations automatiques. Cette approche est intégrée dans un outil permettant le traitement automatisé d'une géométrie, fournissant un modèle précis dans un délai plus court que celui nécessaire à la construction d'un modèle dédié. L’outil, intégralement développé sur MATLAB®, a été appelé MRNsoftware (pour Mesh-based Reluctance Network Software). Ce mémoire s’organise en quatre parties. Le premier chapitre est consacré à un état de l’art détaillé sur les méthodes de modélisation par réseaux de réluctances. Dans la deuxième partie, nous abordons les méthodologies mises en place en se basant sur un maillage de l’espace d'étude par des blocs élémentaires bidirectionnels et dans le cadre d’un maillage conforme. Le maillage non conforme fera l’objet du troisième chapitre. Une interpolation des potentiels se révélera utile pour connecter les différentes branches des interfaces de non-conformité dans le maillage de l’espace d’étude. Différents découpages d’une même structure sont testés et la précision ainsi que le temps d’évaluation des modèles en réseaux de réluctances sont comparés aux modèles de référence réalisés par éléments finis. Le quatrième chapitre présente en premier lieu l’interface graphique de l’outil. Par la suite, les approches de modélisation développées seront utilisées pour réaliser les modèles de la machine linéaire à aimants permanents et la machine linéaire à commutation de flux à excitation bobinée. Ces approches de modélisation sont le fruit de la collaboration entre les laboratoires SATIE et GREAH et s’inscrivent dans la problématique générale de développement d’outils de modélisation multiphysiques de dispositifs électromagnétiques en vue de leurs dimensionnements optimisés. / In the field of electrical machine modeling, the method that is experiencing great popularity as renowned for the quality of its results is the finite element method. However, computation time becomes important when the finite element models are associated with an optimization and predesign process as part of a complex technical specification sheet. The alternate modeling solution is the lumped parameter models approach. The latter is well suited for the individual physical domains involved in the operation of electrical machines, namely electromagnetic, mechanical and thermal. The latter is well suited for the individual physical domains involved in the operation of electrical machines, namely electromagnetic, mechanical and thermal. Thus, electric machine design routines have been used to determine the properties and performance of the latter under different operating conditions. However, the implementation of these modeling approaches requires significant development time for lack of dedicated tools such as those existing for the finite element method. In the electromagnetic context, the work of this thesis presents a contribution to the reluctance network modeling approach by developing tools allowing their automatic generation. This approach is integrated into a software tool allowing the automated processing of a geometry, providing a precise model in a shorter time than that required for the construction of a dedicated model. The tool, fully developed on MATLAB®, has been called MRNsoftware (for Mesh-based Reluctance Network Software). This dissertation contains four chapters. The first chapter is devoted to a detailed state of the art on reluctance network modeling methods. In the second chapter, we discuss the methodologies implemented based on a conformal mesh of the study space by bidirectional elementary blocks. The non-conformal mesh will be the subject of the third chapter. Magnetic scalar potential interpolation will prove useful to connect the different branches of the block elements at the edge of the non-conformal interfaces. Different mesh patterns of the same structure are tested and the accuracy as well as the evaluation time of the reluctance network models are compared with the finite element reference models. The fourth chapter presents, at first, the graphical interface of the tool. Subsequently, the developed modeling techniques are used to realize the models of the permanent magnet linear machine and the linear wound excitation linear machine. These modeling approaches are the result of the cooperation between SATIE and GREAH laboratories and are part of the general endeavor of developing multiphysics modeling tools for the optimal sizing of electromagnetic devices.