Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2024 / La construction durable dans les communautés inuites du Nunavik, Québec, Canada, fait face à de multiples enjeux concernant la demande de chauffage, l'utilisation d'énergie fossile, et le bien-être des habitant.e.s. Les précédentes recherches sur la performance des bâtiments en milieux arctiques ont adopté une approche centrée sur la physique du bâtiment, l'isolation, l'étanchéité, la consommation de chauffage, d'eau chaude et d'électricité. Au-delà de la structure et des systèmes mécaniques, le comportement des occupant.e.s est aussi une composante qui impactent fortement l'utilisation finale de l'énergie. Une bonne compréhension des interactions des ménages avec les bâtiments est aujourd'hui indispensable pour atteindre les meilleurs standards de performance énergétique et de confort. Ce projet de recherche vise à compléter la recherche existante en s'intéressant aux occupant.e.s et aux comportements d'ouvertures des fenêtres. L'ouverture des fenêtres est une action couramment observée en termes de gestion du confort intérieur, et elle joue un rôle majeur dans le taux de changement d'air et la consommation en chauffage. L'action des personnes peut être motivée par de multiple facteurs : environnementaux, sociaux, contextuels. Afin d'en capturer au mieux toutes les composantes, cette recherche adopte une approche diversifiée, ou « mixte », avec différentes méthodes de collecte de données et d'analyse. Dans un premier temps, nous analyserons les comportements d'ouverture des fenêtres dans des bâtiments résidentiels de la communauté de Quaqtaq, Nunavik. Nous étudierons l'évolution de ces comportements au cours du temps, ainsi que leur relation avec diverses variables comme la température extérieure, l'ensoleillement, ou la vitesse du vent. Cette analyse quantitative permettra le développement d'un modèle prédictif. Dans un second temps, une série d'entrevues semi-dirigées sera menées avec les habitant.e.s de la communauté. L'objectif est d'approfondir la compréhension des facteurs impliqués dans l'ouverture des fenêtres et, plus généralement, de proposer une analyse qualitative des perceptions concernant le confort intérieur, la gestion de ce confort et les pistes d'amélioration pour les habitations du Nunavik. La portée scientifique de ce projet s'inscrit dans la construction de bâtiments durables dans les régions autochtones nordiques. Ces travaux peuvent constituer une aide à la décision pour tous les acteurs impliqués dans la conception de bâtiment résidentiels au Nunavik. La petite taille des échantillons étudiés en fait une étude pilote qui ouvre la voie à de futurs travaux concernant le comportement des occupant.e.s et les relations avec la performance du bâtiment. Ce mémoire promeut l'emploi d'approche intégrée, adoptant une vision d'ensemble et favorisant l'inclusion des communautés locales. / Sustainable construction in the Inuit communities of Nunavik, Quebec, Canada, faces multiple challenges concerning heating demand, fossil fuel use, and the well-being of inhabitants. Previous research on building performance in arctic environments has focused on the physics of the building, studying insulation, airtightness, heating, hot water and electricity consumption. Beyond the structure and mechanical systems, occupant behavior is also a component that has a major impact on end-use energy. A good understanding of how occupants interact with buildings is essential if we are to achieve the highest standards of energy performance and comfort. This research project aims to complement existing research by focusing on occupants and window-opening behaviors. Opening windows is one of the most commonly observed actions in terms of indoor comfort management, but it also plays a major role in the rate of air change and heating consumption. Occupant action mechanisms can be motivated by multiple environmental, social, or contextual factors. In order to best capture all the components, this research proposes a "mixed methods" approach to data collection and analysis. First, we will analyze window-opening behaviors in residential buildings in the community of Quaqtaq, Nunavik. We will study the evolution of these behaviors over time, as well as their relationship with various variables such as outdoor temperature, sunshine, or wind speed. This quantitative analysis will enable the development of a model based on logistic regression to predict behavior. Second, the work carried out on the *in-situ* data will be supplemented by a series of semi-structured interviews with community residents. The aim is to gain a deeper understanding of the factors involved in opening windows, but also, more generally, to propose a qualitative analysis of perceptions concerning indoor comfort, the management of this comfort and avenues for improvement for Nunavik dwellings. The scientific scope of this project relates to the construction of sustainable buildings in northern aboriginal regions. This work can be a decision-making aid for all stakeholders involved in the design of residential buildings in Nunavik. The small size of the samples makes this a pilot study that paves the way to future work on occupant behavior and its relationship with building performance. This master thesis promotes the use of an integrated approach, taking a holistic view and encouraging the inclusion of local communities.

Le basculement de fenêtres est une des tâches les plus fréquentes de tout gestionnaire de fenêtres (elle peut avoir lieu plusieurs centaines de fois par jour). Cependant cette tâche peut devenir ardue quand le nombre de fenêtres devient important. Cette thèse propose d'étudier les techniques existantes et de développer de nouvelles techniques de basculement de fenêtres. Pour comprendre comment les utilisateurs gèrent actuellement leurs fenêtres, nous avons développé un logiciel d'enregistrement d'activité pour Windows. Trois techniques ont été développées en se basant sur les résultats de cette étude. Tout d'abord, Push-and-Pull Switching, une technique de basculement de fenêtres utilisant le chevauchement de fenêtres pour implicitement définir des groupes. Cette technique permet par ailleurs de basculer entre des groupes et de changer l'ordre d'affichage de la fenêtre qui a le focus pour modifier son groupe d'appartenance. Des expériences contrôlées ont montré que cette technique peut être jusqu'à 50% plus efficace que d'autres techniques. Ensuite, Stack Scanning est une technique utilisant un widget qui combine le défilement d'écran et de franchissement pour contrôler l'ordre d'affichage des couches de fenêtres visibles. Des expériences contrôlées ont montré que cette technique est plus rapide quand le nombre de fenêtres devient important. Finalement, nous avons proposé onze principes de conception pour faciliter le développement de nouvelles techniques de basculement de fenêtres. WindowTagging a été développée en suivant ces principes. Les évaluations montrent que cette technique est plus efficace qu'Exposé et nettement préférée des utilisateurs.

Les fenêtres intelligentes présentent un potentiel important quant à la réduction de la consommation d’énergie dans les bâtiments et permettent d’assurer le confort visuel des occupants. Depuis le début des années 90, la recherche sur les technologies de fenêtres intelligentes s’est accentuée tant au niveau des technologies elles-mêmes qu’au niveau des types de contrôle qu’on peut leur appliquer pour gérer le plus efficacement possible le rayonnement solaire qui les traverse. Plusieurs laboratoires de recherche tels que le Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) se sont penché sur la question. L’évolution de la recherche dans ce domaine démontre toute la complexité associée à l’évaluation rigoureuse des performances des fenêtres intelligentes. De par sa capacité à gérer le rayonnement solaire, il va de soi que ce genre de technologies nécessite la connaissance du rayonnement solaire incident pour faciliter la prise de décision quant au contrôle à apporter. Étant donnés les coûts des technologies de capteurs de rayonnement solaire existantes et la limitation de certains quant à leur précision (lors de fluctuations du spectre électromagnétique et/ou des températures ambiantes), l’utilisation de capteurs de rayonnement solaire dédiés au contrôle de fenêtre intelligente est donc limitée. Par ailleurs, les connaissances sont encore limitées concernant les conditions permettant d’optimiser le contrôle de ce genre de technologies en termes d’énergie et de confort. L’objectif général de cette thèse est d’élargir les connaissances scientifiques sur le potentiel des technologies de fenêtres électrochromes quant à leur capacité à augmenter la performance énergétique et le confort des occupants dans les bâtiments. Dans un premier temps, un nouveau type de capteur de rayonnement solaire à faible coût est présenté. Ce capteur utilise la différence de température entre une surface blanche et une surface noire pour estimer le flux solaire radiatif traversant les ouvertures d’un bâtiment. Les mesures de rayonnement solaire sont corrélées aux températures de surfaces à l’aide un modèle thermique du capteur en 1D. Deux différents modèles de capteur sont présentés et les résultats obtenus sont comparés aux mesures solaires de référence obtenues par un pyranomètre. Il a été démontré que les modèles de capteurs présentent des précisions suffisantes pour un contrôle efficace. Finalement, il est observé que la période de calibration des capteurs requiert minimalement une demi-journée de mesures sous des conditions de ciel clair incluant le midi solaire. Dans un deuxième temps, l’impact des stratégies de contrôle de fenêtre intelligente sur la consommation énergétique globale est évalué. L’état des fenêtres intelligentes nécessaire à toute heure de la journée pour permettre une minimisation de la consommation d’énergie globale tout en respectant les contraintes reliées au confort thermique et visuel est déterminé à l’aide d’une stratégie d’optimisation basée sur des algorithmes génétiques. Ce contrôle quasi-optimal est alors comparé à d’autres approches qui peuvent être adaptées à des applications en temps réel, soit des contrôles fondés sur des règles et un modèle de contrôle prédictif. Les impacts de la masse thermique et de la puissance du système d’éclairage installé sont également analysés. Les résultats montrent que les quatre stratégies de contrôle à l’étude présentent une consommation énergétique similaire avec des écarts de consommation globale variant de 4% à 10%. Cette étude illustre que des stratégies de contrôle plus simple permettent d’obtenir des résultats satisfaisants. Finalement, une analyse de sensibilité basée sur une grande variété de combinaison de paramètres de design est réalisée. Des résultats énergétiques et de confort pour un total de 7680 scénarios sont obtenus et utilisés dans cette analyse considérant l’effet principal des paramètres de design du bâtiment. L’influence relative des paramètres est présentée et les différents designs améliorant les résultats sont déterminés. Les résultats montrent que la meilleure économie d’énergie avec fenêtres intelligentes se trouve dans des climats chauds avec une exposition élevée aux rayons solaires. La présence de fenêtres intelligentes influence principalement la charge de refroidissement maximale et agit comme une solution alternative à la masse thermique en termes de réduction potentielle de cette charge maximale. Bien que le choix de la stratégie de contrôle ait un impact limité sur l’économie d’énergie réalisée et la réduction de la charge maximale, l’analyse permet de constater que ce paramètre a un impact encore plus important sur le confort visuel. L’utilisation de fenêtres intelligentes ne semble pas influencer grandement le confort thermique à l’intérieur de la zone. / Smart windows present a huge potential in terms of energy consumption reduction in buildings while also offering the possibility to assure occupants’ visual comfort. Since the early nineties, research in the field of smart windows gains a lot of interest on both the technologies and the controls that could be applied on such technologies to manage more efficiently solar gains passing through these windows. Many different well-known entities such as the Lawrence Berkeley National Laboratory invested efforts in this field and demonstrated the great complexity related to the thorough evaluation of smart window performances. Given its capacity to manage solar radiation, it makes sense to benefit from solar radiation measurements to control efficiently such technology. However, the costs and other technical related limitations reduce the potential to use readily available solar sensors for smart window control. Moreover, general knowledge is still limited regarding the conditions leading to optimal control decisions of smart windows. The main objective of this thesis was to gain a better understanding of how electrochromic windows could lead to improved performances in terms of energy consumption and thermal comfort. First, a new design of low cost solar sensor is proposed. The sensor uses the difference in temperature of white and black surfaces to estimate the solar heat flux through building openings. Results of solar radiation measurements are obtained through a correlation based on a 1D thermal model of the sensor. Two designs of the sensor are presented and obtained results compared with solar measurements of a high precision pyranometer. It was shown that the new sensors present sufficient accuracy for smart window control applications. Finally, it was observed that ideal sensors calibration period should consider at least half a day of measurements, including solar peak time, and should be done during clear sky conditions. Then, the impact of the applied control strategy on the overall energy consumption is investigated. The hour-by-hour state of the smart windows required to minimize overall energy consumption while respecting constraints related to comfort is determined through an optimization strategy based on genetic algorithms. This quasi-optimal control is compared to other approaches that could be applied in real-time applications, i.e. rule-based controls and a model predictive control. The impacts of thermal mass and installed light power density are also analyzed. Results show that the four control strategies under study presented similar energy consumption with differences in total energy consumption ranging from 4% to 10%. This study illustrates that simpler control strategies can also lead to satisfying results. Finally, a sensitivity analysis based on a large number of different combinations of design parameters is performed. Results related to energy and for a total of 7680 scenarios were obtained and used in this analysis considering the Main effect of the building parameters. The relative influence of the parameters is presented and the different designs improving the outputs are determined. Results have shown that the greatest total energy savings considering EC windows are for warmer climates with higher solar radiation exposures. The presence of an EC window mostly influences the cooling peak load and acts as an alternative solution to thermal mass from the perspective of peak reductions. While the choice of the specific window control strategy is having a limited impact on the energy savings and peak load reductions, the analysis revealed that this parameter has a larger impact on the visual comfort. The use of smart window does not appear to greatly influence the thermal comfort within the zone.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

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

Développement d'un système multi-fenetres permettant l'exécution parallèle de plusieurs applications interactives disposant chacune d'un nombre quelconque de fenêtres sur l'écran de façon totalement transparente aux applications. L'architecture du système repose sur une séparation stricte entre, d'une part le partie opératoire regroupant les fonctions de base et, d'autre part, la partie contrôle qui gère les commandes mises à la disposition de l'utilisateur

Les travaux de recherche présentés dans ce mémoire font état des avancées réalisées concernant l'évaluation du potentiel des technologies de fenestration intelligente à opacité variable face à la réduction de la consommation énergétique dans les bâtiments. Pour ce faire un modèle numérique de bâtiment a été développé, puis les propriétés optiques des fenêtres intelligentes ont été optimisées afin d'atteindre un coût minimal de chauffage et de climatisation du bâtiment. Les recherches ont tout d'abord commencé par une estimation des performances des fenêtres intelligentes en analysant les résultats d'optimisation énergétique pour une semaine typique à chaque saison de l'année, et ce, pour un bâtiment situé au Québec considérant un mur avec fenêtre intelligente orientée au sud. Les résultats obtenus et présentés en 2011 dans le cadre d'une conférence sur les matériaux intelligents ont démontré la pertinence d'approfondir les recherches dans ce domaine. Par la suite, une étude plus détaillée des bénéfices des fenêtres intelligentes a été menée en précisant les résultats à chaque heure du jour pour une année complète, en utilisant un modèle de lumière naturelle plus réaliste et en évaluant l'impact de quatre orientations du mur avec fenêtre intelligente, i.e. nord, sud, est et ouest. Ces résultats ont fait le sujet d'un article de journal scientifique et permettent d'évaluer précisément les économies potentielles qu'une technologie de fenêtre intelligente peut entraîner. Enfin, une méthode expérimentale a été développée afin de caractériser l'ensemble des propriétés optiques d'une fenêtre intelligente nécessaires à la modélisation numérique. Cette méthode sera utilisée afin de caractériser les prototypes de fenêtres intelligentes développés au sein de l'Université Laval.

Cette dernière décennie, la modélisation des villes 3D est devenue l'un des enjeux de la recherche multimédia et un axe important en reconnaissance d'objets. Dans cette thèse nous nous sommes intéressés à localiser différentes primitives, plus particulièrement les fenêtres, dans les façades de Paris. Dans un premier temps, nous présentons une analyse des façades et des différentes propriétés des fenêtres. Nous en déduisons et proposons ensuite un algorithme capable d'extraire automatiquement des hypothèses de fenêtres. Dans une deuxième partie, nous abordons l'extraction et la reconnaissance des primitives à l'aide d'appariement de graphes de contours. En effet une image de contours est lisible par l'oeil humain qui effectue un groupement perceptuel et distingue les entités présentes dans la scène. C'est ce mécanisme que nous avons cherché à reproduire. L'image est représentée sous la forme d'un graphe d'adjacence de segments de contours, valué par des informations d'orientation et de proximité des segments de contours. Pour la mise en correspondance inexacte des graphes, nous proposons plusieurs variantes d'une nouvelle similarité basée sur des ensembles de chemins tracés sur les graphes, capables d'effectuer les groupements des contours et robustes aux changements d'échelle. La similarité entre chemins prend en compte la similarité des ensembles de segments de contours et la similarité des régions définies par ces chemins. La sélection des images d'une base contenant un objet particulier s'effectue à l'aide d'un classifieur SVM ou kppv. La localisation des objets dans l'image utilise un système de vote à partir des chemins sélectionnés par l'algorithme d'appariement.

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