Les panneaux d'isolation sous vide (PIV) sont constitués d'un matériau de coeur nanoporeux en dépression, et d'une enveloppe barrière aux gaz atmosphériques. Leur conductivité thermique initiale est de l'ordre de 5 mW/(m.K), cinq à huit fois inférieure à celle des isolants conventionnels. Au regard des isolants classiques, le questionnement le plus important concerne le couple performance / durabilité. La réponse passe par la compréhension et la modélisation des transferts thermiques et massiques dans les PIV. De nombreuses études expérimentales et numériques ont conduit à un modèle semi-empirique pour la conductivité thermique apparente d'un PIV, prenant en compte les différents modes de transfert dans le panneau. Ce modèle met en lumière le principal mécanisme de vieillissement : du fait de la perméation gazeuse à travers l'enveloppe, pression et humidité dans le panneau remontent au cours du temps, ce qui engendre une augmentation de la conductivité thermique. L'étude des transferts massiques à travers l'enveloppe est particulièrement délicate. Premièrement, la modélisation de la perméabilité des enveloppes utilisées (membranes multicouches de films polymères métallisés) repose sur la prise en compte des micro-défauts dans les couches métallisées, qui gouvernent le débit total de perméation. Deuxièmement, les valeurs des perméabilités à mesurer sont trop basses pour beaucoup de techniques conventionnelles. Troisièmement, une analyse de la littérature montre une lacune de taille en ce qui concerne la prise en compte de l'influence conjointe de la température et de l'humidité relative dans le modèle classique de perméation gazeuse. En se basant sur des données expérimentales existantes, le rôle de l'humidité relative sur les propriétés barrières des enveloppes des PIV est mis en lumière. L'existence d'un couplage entre les flux des différents gaz est posé comme hypothèse de départ à la mise en place d'un nouveau modèle de perméation gazeuse, prenant en compte pression partielle et pression totale, et donc la concentration molaire de chaque gaz dans le mélange. Les prédictions de ce modèle sont comparées à celles issues du modèle classique de perméation gazeuse, et les différences de comportement entre les deux modèles sont mises en avant. Deux séries de mesure de perméance sont ensuite mises en place, par vieillissement de PIV en enceintes climatiques et par mesure directe de perméance sur échantillons de membrane (méthode manométrique). Ces mesures sont menées à température et humidité relative fixées (T = 48 °C, φ = 65 % HR), mais avec une pression totale variant de 80 mbar à 1 bar. Cette campagne de mesure exploratoire ne montre pas d'influence notable de la pression totale sur la perméabilité à la vapeur d'eau. Ces résultats permettent de dresser les premières conclusions sur le rôle respectif de la pression partielle et de la pression totale, et de proposer une suite à la démarche expérimentale initiée dans cette étude. / Vacuum insulation panels (VIPs) are composed of an evacuated nanoporous core material, and a barrier envelope to atmospheric gases. Their apparent thermal conductivity after manufacturing is approximately 5 mW/(m.K), five to eight times lower than that of conventional insulation materials. Compared to conventional insulation materials, the most important issue remains in the duality performance / durability. The answer lies in the understanding and modeling of heat and mass transfer in VIPs. Many experimental and numerical studies about heat transfer led to a semi-empirical model for the apparent thermal conductivity of a VIP, taking into account the different transfer modes in the panel. This model highlights the main mechanism of VIPs aging: due to gas permeation through the envelope, pressure and humidity in the panel increase gradually over time, which causes an increase of the apparent thermal conductivity. The study of mass transfer through the gas barrier envelope is particularly difficult for three main reasons. First, the permeation modeling of VIPs envelopes (multilayer membranes with metalized polymer films) has to take into account micro-defects in the metallic layers, which play a key role in the total permeation rate. Second, the permeances to be measured are too low for many conventional methods, especially for dry air. Third, a literature analysis shows that the classical model for mass transfer through barrier envelopes does not take into account the combined influence of temperature and relative humidity, which is a great lacuna. From experimental data available in the literature, the role of relative humidity on the barrier properties of the VIPs envelopes is highlighted. The existence of a coupling phenomenon between the mass flows of the various gases is hypothesized to start the establishment of a new gas permeation model, which takes into account partial pressure and total pressure, and thus the molar concentration of each gas in the mixture. The predictions of this model are compared with predictions based on the classical model for gas permeation, and the differences between the two models are analyzed. Two experimental campaign are then implemented to measure envelope permeance, through whole VIPs aging in climatic boxes and through direct measurement of the permeance on membrane samples (manometric method). These measurements are carried out at fixed temperature and relative humidity (T = 48 °C, φ = 65 % HR), but with a total pressure ranging from 80 mbar to 1 bar. This exploratory measurement campaign shows no significant influence of the total pressure on the apparent permeability to water vapor. These results are used to draw first conclusions on the respective roles of the partial pressure and the total pressure, and suggest some outlooks to the experimental approach initiated in this study.

La réduction des émissions de gaz à effet de serre (GES) passe par la réduction des consommations d’énergie. Le stockage de la chaleur dans les parois des bâtiments permet de réduire la consommation d'énergie. Parmi les techniques de stockage, le stockage latent a la capacité de stocker une quantité d’énergie par unité de volume plus importante qu’un système sensible. Le projet INERTRANS a proposé le développement d’une façade associant une isolation translucide et le stockage latent avec un matériau à changement de phase (MCP). La fusion du MCP s’accompagne de la convection naturelle et l’absorption ou transmission du rayonnement. Le couplage de l’ensemble de ces phénomènes n’a pas été étudié dans la littérature. Dans cette thèse un modèle numérique 2D pour l’étude du changement de phase a été développé. Ce modèle utilise la méthode de Boltzmann sur réseau (LB) à temps de relaxation multiple (MRT), pour la résolution du champ de vitesse et la méthode des différences finies, pour la résolution du champ de températures. Le changement de phase a été traité par la formulation enthalpique. L’originalité est l’application de ce modèle au problème de changement de phase avec convection naturelle, d’une part, et au changement de phase avec convection naturelle et rayonnement, d’autre part. Pour vérifier notre modèle sans rayonnement, un cas de référence de la littérature a été simulé. Il s’agit de la fusion des deux MCP, l’étain et l’octadécane, à faible et fort nombre de Prandtl, respectivement. La simulation de l’étain a confirmé un écoulement multicellulaire. La simulation de l’octadécane a montré une forte influence de la convection avec un front de fusion qui se déforme sur toute la cavité. Le nombre de Nusselt pour l’octadécane avec convection est plus de trois fois le Nusselt sans convection. La simulation de l’acide gras de la brique INERTRANS a montré que la convection ne doit pas être négligée, car le flux prédit avec convection peut être jusqu’à trois fois plus grand que le flux prédit sans convection. La fraction fondue est près du double qu’en conduction seule. La méthode LB appliquée aux transferts radiatifs a été étudiée. Il se trouve, qu’à l’état actuel cette méthode n’est pas compétitive par rapport à une méthode classique des ordonnées discrètes (MOD). Enfin, nous avons couplé la MOD pour le calcul du flux radiatif avec la méthode LB pour le calcul du champ de vitesses et des différences finies pour l’équation de l’énergie. Le rayonnement grande longueur d’onde n’a pas d’influence notable sur les transferts thermiques. Le rayonnement courte longueur d’onde augmente les transferts thermiques, pourtant, cet effet n’est pas aussi important que l’augmentation due à la convection pour le matériau choisi. Puisqu’aucune solution de référence n’existe dans la bibliographie, nos résultats peuvent désormais servir d’éléments de comparaison pour de futurs travaux. Une validation expérimentale constituerait une perspective nécessaire. / Reduction of greenhouse gas emissions requires reduction of energy consumption. Energy storage on building walls allows reduction in energy consumption. Among storage techniques, latent heat storage offers higher energy storage density than sensible heat storage. INERTRANS project has proposed the development of an innovative facade, coupling transparent insulation and energy storage with a fatty acid phase change materials (PCM). Melting of PCM comprises different phenomena, namely, natural convection in the liquid phase and radiation absorption or transmission. The coupling of all this phenomena is not still studied in scientific literature. In this thesis, a 2D numerical model for studying phase change has been developed. This model uses the lattice Boltzmann method (LBM) with multiple relaxation time (MRT) to resolve velocity field, and finite differences for the temperature field. Phase change is treated with the enthalpy formulation. The original contribution is application of this hybrid approach to the phase change with natural convection, on the one hand, and to the phase change with natural convection and radiation, on the other hand. To verify the model without radiation, a test case taken from literature has been simulated. It concerns the melting of two PCM with a low and high Prandtl number, the tin and octadecane, respectively. Tin melting simulation confirms multiple cells flow, starting with four rolls which merges in three then two rolls. Octadecane simulation shows high convection effect, with a melting front deforming all along the cavity height. Nusselt number plot for octadecane melting with convection is more than three times with conduction only. INERTRANS’ fatty acid simulation shows that convection shall not be neglected, because predicted heat flux with convection may be up to three times that predicted with conduction only. Melted fraction is almost twice than with conduction only. The lattice Boltzmann method applied to radiative heat transfer has also been explored. It turns out that in its current state, this method is not competitive compared to a conventional discrete ordinates method (DOM). Finally, we coupled the DOM for radiation heat flux, with the LBM for velocity field calculation and finite differences for the energy equation to solve the coupling between phase change, convection and radiation. Long wavelength radiation has no noticeable effect on heat transfer. Short wavelength radiation increases heat transfer, however, this increase is not as important as that produced by convection for this kind of material. Since no reference solution exists in the literature, our results can now serve as a basis for future work. An experimental validation would be a necessary perspective.

Notre investigation porte sur la simulation numérique des échanges thermo-convectifs dans un canal vertical ouvert à flux imposé. Cette étude rentre dans le cadre des recherches sur le rafraîchissement passif des composants PV intégrés au bâtiment. À cet effet, un code numérique en Différences Finies est utilisé pour résoudre les équations de Navier-Stokes et simuler la convection naturelle dans un canal. Ce problème reste difficile à résoudre parce que l'écriture des conditions aux limites d'entrée et de sortie reste un problème ouvert. Notre travail consiste d'abord en étude des différentes conditions aux limites pour le benchmark numérique AMETH. Les travaux réalisés ont permis de faire un premier choix sur les conditions aux limites. L'étude s'oriente ensuite sur la qualification et la quantification numériques et expérimentales pour deux fluides : l'air (convection-rayonnement) et l'eau (convection pure). Les résultats numériques/expérimentaux ont été comparés et les discordances ont été analysées. Plusieurs aspects phénoménologiques (rayonnement entre surfaces, variation des propriétés thermo-physiques, variation du nombre de Prandtl) ont été abordés afin de caractériser leurs influences respectives sur l'écoulement et le transfert thermique. Enfin, dans le but d'apporter des éléments de réponses sur les conditions aux limites dynamiques, nous avons simulé la convection naturelle d'un canal dans une cavité et tenté une modélisation. / The present investigation deals with natural convection flow in a vertical open-ended channel with wall constant heat flux. This study falls under the framework of research on passive cooling of building integrated PV components. For this purpose, a numerical code developed with Finite Differences scheme is used to solve Navier-Stokes equations and simulate the natural convection in a channel. This problem is difficult to solve because the writing of inlet/outlet boundary conditions remains an open problem. First, our work consists of studying different boundary conditions for the the numerical benchmark AMETH. The work carried out has enabled a first choice of boundary conditions. The study then focuses on numerical and experimental quantification and qualification for two fluids : air ( convection - radiation) and water ( pure convection) . Experimental and numerical results were compared and discrepancies were analyzed. Several phenomenological aspects ( surface radiation, thermophysical properties variation, Prandtl number variation ) were discussed in order to characterize their influence on flow and heat transfer. Finally, in order to provide some answers on dynamical boundary conditions, we simulated natural convection of a channel inside a cavity and tried a modeling.

Les machines électriques synchrones à aimants permanents sont susceptibles de rencontrer un disfonctionnement suite à un échauffement non maîtrisé. L’objectif de cette étude est de développer un modèle thermique générique et prédictif pouvant simuler diverses situations d’intérêts: régime permanent, régime transitoire, mode dégradé, entrefer immergé, haute vitesse. Pour cela, la méthode nodale est utilisée pour développer le modèle thermique générique. En parallèle, un banc d’essai et un prototype sont conçus pour valider le modèle. L’étude de sensibilité des résultats du modèle à certains paramètres montrent que certains coefficients de convection, certaines conductances de contact et la conductivité thermique radiale du bobinage ont une influence considérable sur les résultats du modèle. Cependant ces paramètres sont mal connus, car ils sont issus des formules empiriques ou des abaques. Grâce au prototype et au modèle développé, ces paramètres sont identifiés. Trois méthodes d’identification sont testées pour aboutir à une stratégie d’identification: les algorithmes génétiques, la méthode de Gauss-Newton et la méthode de Levenberg-Marquardt. Plusieurs essais sont effectués sur le prototype instrumenté. La mesure des températures à des lieux précis du prototype permet d’identifier les paramètres mal connus et de valider le modèle. / Permanent magnet synchronous machines are likely to break down due to poorly controlled heating. The goal of this study was to develop a generic and predictive thermal model to calculate the temperature of machines during the design phase simulating temperatures at various states. These states include: steady state, transient state, fault mode, axial circulating of a cooling fluid in the air-gap and high speed. The lumped parameter method was used to develop this generic thermal model. Meanwhile, a test bench and a prototype instrumented with thermocouples were manufactured to validate the model at the same time. Sensitivity studies of the results of the model to some parameters demonstrated that some convective coefficients, contact conductances and the thermal conductivity of the winding in the radial direction influenced the model. However, these parameters are poorly known, because empirical formulas or abacus are used to calculate them. Using, the prototype and the developed model, these parameters were identified. Three methods of identification were tested in order to find a strategy for the identification: the genetic algorithms method, the Gauss-Newton method and the Levenberg-Marquardt method. Many tests were done on the prototype. The measure of the temperatures on the specific place allows to identify these parameters and to validate the model.

L'hybridation des sources de puissance dans le domaine des applications embarquées s'est imposée comme une solution adéquate pour répondre aux législations environnementales et atteindre une meilleure efficacité énergétique. Toutefois, le choix dans le dimensionnement des composants et la stratégie de commande doivent répondre à un cahier des charges, souvent complexe et hétérogène, tout en limitant les coûts du système. La résolution de ce problème d'optimisation incluant de nombreuses variables peut s'avérer complexe à cause des non-linéarités présentes dans le problème formulé. Il faut donc disposer d'outils de résolution efficaces et capables de fournir une solution fiable. Dans cette thèse, nous proposons une méthode d'optimisation globale pour le dimensionnement et la commande optimale de véhicules hybrides basée sur l'optimisation combinatoire, et en particulier sur la programmation linéaire en nombres entiers (PLNE). A partir d'un problème d'optimisation non linéaire, le problème initial est reformulé en une multitude de sous-problèmes linéaires en nombres entiers sur lesquels un algorithme de Branch & Bound parallèle est exécuté. Afin de résoudre des problèmes de grande taille, un second algorithme basé sur le Branch & Cut est développé. Cette méthode est déployée pour l'étude d'un système d'alimentation hybride d'une mini-excavatrice électrique. Le problème d'optimisation, dans lequel des contraintes énergétiques et des contraintes de vieillissement sont implantées, est évalué suivant différents paramètres du cahier des charges. Enfin, cette approche est également appliquée pour l'optimisation de trajectoires d'un système multi-actionneur synchronisés. / Hybridization of power sources for embedded applications becomes an interesting solution to respect environmental legislation and achieve a higher energy efficiency. However, the choice for components sizing and the energy management strategy need to meet specifications while reducing costs. To solve this optimization problems including several types of variables can be complex because of non linearities included in the formulated problem. Therefore the use of effective solving tools, able to provide a reliable solution, is required. In this thesis, a global optimization method is proposed for the design and the optimal control of hybrid vehicles based on combinatorial optimization, particularly on integer linear programming. From a non-linear optimization problem, the initial problem is reformulated into a multitude of integer linear sub-problems for which a parallel Branch & Bound algorithm is executed. In order to solve large-scale problems, a second algorithm based on the Branch & Cut is developed. This method is used for the study of a hybrid power supply system of a mini-excavator electric. The optimization problem, where energy constraints and aging constraints are implemented, is evaluated according to several parameters and specifications. Finally, this approach is also applied for the optimization of trajectories for a synchronized multi-actuators system.

La consommation énergétique dans l’industrie augmente de nos jours, avec l’amplification des activités industrielles dans le monde. En parallèle, la pénurie des énergies primaires et le réchauffement climatique obligent des exploitations sans cesse des énergies et des techniques alternatives, afin de développer durablement, et de satisfaire l’augmentation de la consommation. Ainsi, l’amélioration de l’utilisation énergétique dans l’industrie devient aussi un sujet important à développer et à étudier. Dans certains sites industriels, les rejets thermiques sont énormément dégagés dans l’environnement sans aucun traitement énergétique. Ses températures sont parfois, beaucoup plus élevées que l’ambiant. La valorisation de ces chaleurs est conseillée, par des systèmes de valorisation, pour la production de chaud, de froid et d’électricité. Ce traitement peut réduire significativement le gaspillage et améliorer l’efficacité énergétique dans l’industrie. C’est pour cette raison, plusieurs projets sont lancés. Le projet VALENTHIN (VALorisation ENergétique des rejets THermiques INdustriels) est pour but d’améliorer l’efficacité énergétique industrielle en valorisant les rejets thermiques ou en développant les processus industriels. Cette thèse concentre sur les études des systèmes de valorisation, particulièrement en ce qui concerne les différentes méthodes de simulation. Dans cette thèse, les bibliographies sont synthétisées, sur les différentes modélisations des systèmes de valorisation, surtout le système à absorption et le cycle de Rankine organique mentionnés dans ce projet. Par conséquent, une stratégie de modélisation est proposée et est montrée, pour les simulations des systèmes en régime permanent et en régime dynamique. Le choix des types de modélisation doit prendre en compte leurs avantages et leurs inconvénients, et aussi les besoins des utilisateurs, pour but de modéliser et développer des systèmes plus aisément et plus efficacement. / Energy consumption in industry is increasing today, with the amplification of industrial activities in the world. At the same time, the scarcity of primary energy and global warming are insist the use of alternative technologies and energies, in order to sustainably develop, and to satisfy the increase in consumption. Thus, improving energy use in industry is also becoming an important topic to be developed and studied. In some industrial sites, the waste heats are enormously released into the environment without any energy treatment. Its temperatures are sometimes, much higher than the ambient. The valorization of these heats is advised, by using the valorization systems, for the production of hot, cold and electricity. This treatment can significantly reduce the energy waste and improve energy efficiency in the industry. For this reason, several projects are being launched. The aim of the VALENTHIN project is to improve industrial energy efficiency by valorizing waste heat or by developing industrial processes. This thesis concentrates on the studies of valorization systems, particularly with regard to the different modeling methods. In this report, the bibliographies are synthesized, on the different models used for the valorization systems, especially the absorption system and the organic Rankine cycle mentioned in this project. Consequently, a modeling strategy is proposed and is shown for steady state simulations and dynamic regime systems. The choice of types of modeling must take into account their advantages and disadvantages and also the needs of the users, with the aim of modeling and developing systems more easily and efficiently.

Le Cycle Organique de Rankine (abrégé ORC de l’anglais Organic Rankine Cycle) est une technologie permettant la conversion de chaleur basse température en électricité. L’ORC transcritique a été identifié comme une solution prometteuse pour la valorisation de la chaleur fatale. Cependant, peu d’installations expérimentales ont permis de confirmer ces performances. Ce travail de thèse présente le fonctionnement et l’optimisation d’ORC sous-critique et transcritique pour la conversion de chaleur basse température en électricité à partir de différentes sources. Premièrement, les contextes thermodynamique et technologique de l’ORC sont présentés. Des critères de performance énergétiques et exergétiques sont définis et appliqués à une base de données d’installations expérimentales afin d’exposer l’état de l’art actuel des ORC. Deuxièmement, les outils numériques et expérimentaux, spécifiquement développés ou utilisé pour ces travaux, sont présentés. Trois installations expérimentales d’ORC transcritique complet ou incomplet fournissent les données expérimentales. Différents modèles numériques sont utilisés : sous l’environnement Matlab pour la modélisation en permanent, l’analyse des données expérimentales et l’analyse énergétique/exergétique ; L’environnement Modelica/Dymola pour l’analyse des transitoires et de la dynamique du système. Dans un troisième temps, ces différents outils sont utilisés pour étudier quatre différentes problématiques : - Le fonctionnement de la pompe de circulation est étudié, d’un point de vue énergétique et volumétrique. Des modèles semi-empiriques et des corrélations de performance sont présentés. - Les transferts thermiques en supercritique sont examinés, en local et en global. Les coefficients de transfert thermique sont comparés avec différentes corrélations de la littérature. - L’influence de la charge de réfrigérant sur les performances et le comportement de l’ORC est analysée. La charge optimale est estimée pour différentes conditions de fonctionnement et des mécanismes de régulation de la charge sont présentés. - Les performances énergétiques et exergétiques de l’ORC sont comparées avec la base de données. Une analyse exergétique du procédé a permis d’identifier des voies d’amélioration. / The Organic Rankine Cycle (ORC) is a technology used for low-grade thermal energy conversion into electricity. Transcritical ORC has been identified as a solution for efficient waste heat recovery. However, few experimental tests have been conducted to confirm the interest of transcritical ORC and investigate its operational behaviors. The work presented focuses on the operation and the optimization of subcritical and transcritical Organic Rankine Cycles for low-grade heat conversion into electricity from various heat sources (solar, industrial waste heat). First, the thermodynamic framework of ORC technology is presented. Energetic and exergetic performance criteria, appropriate to each type of input source, are introduced and selected. The criteria are later applied to a database of ORC prototypes, in order to objectively analyze the state-of-the-art. In a second step, the experimental and numerical tools, specifically developed or used in the present thesis, are presented. Three subcritical and transcritical ORC test benches (hosted by CEA and AUA) provided experimental data. Numerical models were developed under different environments: Matlab for steady-state modeling, data processing and energy/exergy analysis. The Modelica/Dymola environment for system dynamics and transient operations. Lastly, the different tools are exploited to investigate four different topics: - The ORC pump operation is investigated, both under an energetic and volumetric standpoint, while semi-empirical models and correlations are exposed. - Supercritical heat transfers are explored. Global and local heat transfer coefficients are estimated and analyzed under supercritical conditions, while literature correlations are introduced for comparison. - Working fluid charge influence over the ORC performance and behavior is investigated. Optimal fluid charge is estimated under various operating conditions and mechanisms for charge active regulation are exposed. - ORC system performances and behavior are discussed. Through both an energetic and exergetic standpoint, performances are compared with the state-of-the-art, while optimization opportunities are identified through an exergetic analysis.

Les préoccupations actuelles sur le réchauffement climatique et la déplétion des ressources fossiles exigent une mutation basée sur le développement durable. Ainsi, afin de garder nos acquis en termes de mobilité, il est extrêmement important de trouver des solutions de propulsion propres et efficaces. C'est pourquoi, la conception optimale systémique des chaînes de traction électrique est un enjeu majeur.<br /><br />La thèse présente une méthodologie rationnelle pour la conception optimale systémique appliquée à la conception des chaînes de traction électrique. La méthodologie est générale et se base sur l'optimisation sous contraintes. Elle intègre l'utilisation de différents niveaux de granularité au sein du modèle de conception. Une interface a été développée afin d'appliquer aisément cette méthodologie à des cas pratiques variés. Deux objectifs ont été traités, le premier concerne la définition des cahiers des charges des composants, le deuxième concerne la conception détaillée d'un composant de la chaîne de traction en prenant en compte l'ensemble du système. Ces applications mettent en évidence les avantages de la méthodologie proposée et l'importance de l'approche systémique.

L'évolution actuelle des exigences en termes de performance énergétique des bâtiments a fait apparaître de nouveaux enjeux et problématiques scientifiques, dont ceux liés à l'humidité. Cette étude s'appuie sur une cellule expérimentale construite sur la technologie des maisons à ossature bois et soumise aux conditions climatiques réelles de Grenoble. L'instrumentation de ce bâtiment et le suivi de l'évolution en température et en humidité dans les différentes couches de l'enveloppe permettent de définir des séquences nécessaires à la validation de modèles numériques. Dans cet objectif, un modèle existant nommé HAM-Tools a été utilisé pour simuler les transferts couplés de chaleur, d'air et d'humidité à l'échelle du bâtiment. La démarche de validation a été décomposée en plusieurs étapes, de manière à cibler des transferts spécifiques et d'en améliorer la modélisation. Ces études localisées concernent les transferts couplés de chaleur et de masse à travers les parois solides, la modélisation des transferts de chaleur à travers une lame d'air ventilée et enfin la modélisation du renouvellement de l'air intérieur en conditions naturelles. Pour estimer la précision globale du modèle, c'est-à-dire à l'échelle du bâtiment, une séquence expérimentale a été simulée en prenant en compte l'ensemble des transferts couplés simultanément. Les performances du modèle sont discutées à partir des mesures locales, c'est-à-dire dans les parois, puis globales. La bonne concordance entre mesures et résultats de simulation permet de conclure sur la validité et la généricité de la démarche mise en œuvre et les hypothèses de simulation. Plus particulièrement, il est apparu que l'outil de modélisation permet de prédire correctement le comportement moyen des parois en humidité et en température. Il est donc envisageable de l'utiliser pour simuler et estimer l'impact des constituants des parois en termes de durabilité, de performances énergétiques et de confort de l'occupant.

Cette thèse exploratoire pose les bases scientifiques et méthodologiques d’une approche transversale visant à étudier l’énergétique urbaine et le bio-climatisme. Elle fait appel à des concepts et des outils de l’architecture et l’urbanisme, et à la physique du bâtiment et de la ville. Cette thèse étudie les relations entre la morphologie urbaine et les processus aérodynamiques qui se développent dans la canopée urbaine et leurs effets sur la demande énergétique des bâtiments induite par les infiltrations d’air et les échanges thermiques convectifs. Les spécificités de l’aérodynamique et de la physique urbaines sont d’abord synthétisées et la morphologie de tissus urbains réels est analysée. Une typologie générique de bâtiments isolés et une autre d’îlots urbains en sont déduites. Le modèle CFD est ensuite validé par comparaison des prédictions du modèle avec des résultats expérimentaux et numériques, et des expérimentations numériques sont réalisées sur les différents types morphologiques. Les écoulements moyens sont analysés dans leurs rapports avec la morphologie bâtie, et la distribution des coefficients de pression sur les façades des bâtiments est analysée. Ensuite, les échanges thermiques sont couplés aux processus aérodynamiques. L’amélioration des estimations des échanges convectifs des bâtiments grâce à la CFD est vérifiée par comparaison des résultats de simulation avec des données expérimentales et numériques, ainsi qu’avec les valeurs standard. Une adaptation des fonctions de paroi relatives au transfert thermique est proposée sur la base d’études existantes, et la distribution des échanges convectifs sur les façades de bâtiments est analysée. Enfin, la demande énergétique des bâtiments due aux infiltrations d’air et à la transmission de chaleur au travers de leur envelope est estimée pour différents types morphologiques, et comparée avec les valeurs estimées suivant une approche réglementaire. Les résultats de cette thèse mettent en évidence les effets des propriétés topologiques et métriques des bâtiments et ensembles bâtis sur le développement de recirculations d’air dans la canopée urbaine. Celles-ci induisent une distribution et intensité hétérogènes des coefficients de pression et d’échange convectif sur les façades des bâtiments, qui influent sur le comportement thermique des bâtiments non isolés et perméables à l’air. Par ailleurs, l’estimation de leur demande énergétique diffère suivant si celle-ci est basée sur les valeurs simulées ou standard des coefficients de pression et d’échange convectif. Cependant, l’influence relative de la structure bâtie sur la demande énergétique des bâtiments apparaît plus importante pour les bâtiments isolés thermiquement. La différence entre la demande énergétique par unité de surface de plancher, due aux infiltrations d’air et pertes thermiques au travers de l’enveloppe peut varier de 18% à 47% suivant si le bâtiment est isolé ou situé dans un environnement bâti. / This thesis is an exploratory study that lays the scientific and methodological foundations of a transverse approach for studying urban energy and bio-climatic issues. This approach involves concepts and tools of building and urban physics as well as urban planning and architecture. It addresses the relations between urban morphology and aerodynamic processes, and studies their effects on the building energy loads due to infiltration and convective heat losses. This thesis is divided into three main parts. The first part synthesizes the specificities of urban aerodynamics and urban physics, and analyzes existing urban fabrics from a morphological point of view. Generic typologies of isolated buildings and urban blocks for small scale aerodynamic studies are deduced. The second part validates the computational fluid dynamics (CFD) model (steady RANS RSM) against detailed experimental and numerical data, and presents the numerical experiments performed on the different morphological types. Mean flow structures that develop according to the construction shape and built environment, as well as pressure distribution on the building outer walls are examined. The last part couples heat and air fluxes to evaluate the contribution of urban air flows on the building energy loads. The improvement brought by CFD to the assessment of building convective heat transfers is verified by comparing numerical results to experimental data, detailed numerical studies and standard correlations. An enhanced temperature wall-function adapted for forced convection problems is adjusted to the model based on existing studies, and the convective heat transfers distribution on building facades is analyzed. Finally, the building energy loads due to air infiltration and heat transmission are estimated for typical constructions and compared to standard values. The results of this thesis show strong effects of the topology and dimensionality of constructions and urban structures on the development of recirculation phenomena within the urban canopy layer. The related aerodynamic conditions yield heterogeneous pressure and convective heat transfer intensities and distributions on building facades, which depend upon the considered built morphology. Their effects on building energy loads are logically particularly important in absolute value for buildings that are neither insulated nor air tight. Nonetheless, the estimates of the building energy needs based on standard or simulated pressure and convective heat transfer coefficients often show substantial deviation. Focusing on the relative contribution of the built structure, the effects of the aerodynamic context appear more influential for insulated buildings. Essentially, switching from an exposed to a sheltered building may decrease the energy needs per surface unit of floor due to air infiltration and heat transmission through outer walls by 18% up to 47% according to simulation.