Cette thèse porte sur la construction de modèles de substitution en régimes transitoire et permanent pour la simulation thermique, en présence de peu d'observations et de plusieurs sorties.Nous proposons dans un premier temps une construction robuste de perceptron multicouche bouclé afin d'approcher une dynamique spatio-temporelle. Ce modèle de substitution s'obtient par une moyennisation de réseaux de neurones issus d'une procédure de validation croisée, dont le partitionnement des observations associé permet d'ajuster les paramètres de chacun de ces modèles sur une base de test sans perte d'information. De plus, la construction d'un tel perceptron bouclé peut être distribuée selon ses sorties. Cette construction est appliquée à la modélisation de l'évolution temporelle de la température en différents points d'une armoire aéronautique.Nous proposons dans un deuxième temps une agrégation de modèles par processus gaussien dans un cadre multifidélité où nous disposons d'un modèle d'observation haute-fidélité complété par plusieurs modèles d'observation de fidélités moindres et non comparables. Une attention particulière est portée sur la spécification des tendances et coefficients d'ajustement présents dans ces modèles. Les différents krigeages et co-krigeages sont assemblés selon une partition ou un mélange pondéré en se basant sur une mesure de robustesse aux points du plan d'expériences les plus fiables. Cette approche est employée pour modéliser la température en différents points de l'armoire en régime permanent.Nous proposons dans un dernier temps un critère pénalisé pour le problème de la régression hétéroscédastique. Cet outil est développé dans le cadre des estimateurs par projection et appliqué au cas particulier des ondelettes de Haar. Nous accompagnons ces résultats théoriques de résultats numériques pour un problème tenant compte de différentes spécifications du bruit et de possibles dépendances dans les observations. / This PhD thesis deals with the construction of surrogate models in transient and steady states in the context of thermal simulation, with a few observations and many outputs.First, we design a robust construction of recurrent multilayer perceptron so as to approach a spatio-temporal dynamic. We use an average of neural networks resulting from a cross-validation procedure, whose associated data splitting allows to adjust the parameters of these models thanks to a test set without any information loss. Moreover, the construction of this perceptron can be distributed according to its outputs. This construction is applied to the modelling of the temporal evolution of the temperature at different points of an aeronautical equipment.Then, we proposed a mixture of Gaussian process models in a multifidelity framework where we have a high-fidelity observation model completed by many observation models with lower and no comparable fidelities. A particular attention is paid to the specifications of trends and adjustement coefficients present in these models. Different kriging and co-krigings models are put together according to a partition or a weighted aggregation based on a robustness measure associated to the most reliable design points. This approach is used in order to model the temperature at different points of the equipment in steady state.Finally, we propose a penalized criterion for the problem of heteroscedastic regression. This tool is build in the case of projection estimators and applied with the Haar wavelet. We also give some numerical results for different noise specifications and possible dependencies in the observations.