A notre époque, la maîtrise des consommations énergétiques est un enjeu très important pour la préservation des ressources naturelles terrestres. Outre le domaine des transports, des gains énergétiques significatifs existent dans le domaine des bâtiments résidentiels ou tertiaires. Alors que la construction basse consommation est aujourd'hui une réalité, la rénovation n'est que très rarement mise en pratique. Ainsi, l'objectif de cette thèse est d'évaluer les gains énergétiques potentiels issus de la rénovation d'un bâtiment ancien pour être en cohérence avec son environnement et ses modes d'exploitation. Au coeur de ce travail se trouvent les problématiques du système bâtiment, et du confort des occupants. Au regard de ces connaissances, nous proposons une architecture globale de contrôle du bâtiment répondant à des missions de confort optique et thermique, et de réduction des consommations énergétiques. Pour cela nous nous appuyons sur l'approche systémique et l'Automatique qui permettent depuis la modélisation jusqu'à l'élaboration de lois de commande de faire coopérer toutes les installations domotiques. L'évaluation du contrôle est réalisée en simulation sur un bâtiment ancien équipé d'un chauffage central, de luminaires et de stores vénitiens intérieurs pilotés. L'architecture de contrôle présentée est issue d'une analyse systémique du bâtiment et se base sur une approche hiérarchique en adéquation avec les exigences des utilisateurs et les différentes échelles de représentation. Afin d'expérimenter cette architecture de contrôle, un modèle physique de bâtiment multi-échelle a été réalisé en utilisant une approche Bond-Graph et permet d'estimer le comportement optique et thermique du bâtiment en séparant les dynamiques lentes et rapides. La synthèse des lois de commande a ensuite été effectuée en réduisant ce modèle de simulation et a permis d'implémenter deux lois de commandes. La première s'exprime à l'échelle du bâtiment par une commande prédictive du chauffage central et considère l'évolution future de la température extérieure et de la puissance radiative solaire. La seconde prend place au niveau des pièces sous la forme d'une commande optimale des radiateurs, des stores et des luminaires afin d'assurer la température opérative moyenne et l'éclairement moyen souhaité par les occupants. L'étude des gains énergétiques offerts par la rénovation du système de contrôle a permis de mettre en valeur l'intérêt de l'architecture de contrôle présenté. Les résultats ont montré que l'implantation d'une commande prédictive sur le chauffage central permet de réduire de plus de 20% ses consommations énergétiques. Par ailleurs, le contrôle optimal dans les pièces offre un gain d'environ 20% sur le confort thermique et de 75% sur le confort optique.

Les piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC) permettent de convertir efficacement de l'énergie chimique en électricité. Pour cela l'hydrogène s'oxyde sur une des électrodes de la pile, les protons ainsi créés traversent l'électrolyte (membrane) tandis que les électrons parcourant le circuit extérieur fournissent l'énergie électrique. Tous ces éléments se recombinent à la seconde électrode qui, à l'aide de la réduction de l'oxygène, va former de l'eau. Le rendement n'étant pas parfait, une partie de l'énergie des réactifs est aussi dégradée sous forme de chaleur. Malgré de récents progrès, la commercialisation à grande échelle des piles à combustible est toujours entravée par des problèmes de durabilité, liés notamment à la gestion de l'eau et de la température au sein de ce système. Afin de quantifier le comportement thermique et son effet sur le transport de l'eau, une pile à combustible a été instrumentée, permettant la mesure de la température aux électrodes, des flux de chaleur et d'eau. Les résultats montrent que de forts gradients de température (jusqu'à environ 30 K/mm) peuvent exister pour une pile fonctionnant dans des conditions standard. Il a été observé une nette influence du champ de température dans le coeur de pile sur le transport de l'eau qui se fait vers la partie la plus froide de la pile (généralement les canaux d'alimentation), l'eau traversant les couches de diffusion poreuses sous forme vapeur dans nos conditions expérimentales / Proton exchange membrane fuel cells (PEMFC) make it possible to convert efficiently chemical energy into electricity. For this, hydrogen is oxidized at one of the electrodes of the cell, created protons pass through the electrolyte (membrane) while electrons flow across the external circuit provide the electrical energy. All these elements recombine at the second electrode, with oxygen, to produce water. Performance is not perfect within a cell and a part of the reactants energy is also degraded as heat. Despite recent advances, the large scale commercialization of PEMFC is still hampered by durability issues, some of them being related to water and thermal management. In order to quantify the thermal behavior and its effect on the water transport, a fuel cell has been instrumented for the electrodes temperature, water and heat fluxes measurement. The results show that high temperature gradients (up to about 30 K/mm) can exist in a cell operating under standard conditions. It was observed a clear influence of the temperature field in the cell on the water transport. Water flows towards the coldest part of the cell (usually the channels), passing through the porous layers in vapor phase in our experimental conditions

A notre époque, la maîtrise des consommations énergétiques est un enjeu très important pour la préservation des ressources naturelles terrestres. Outre le domaine des transports, des gains énergétiques significatifs existent dans le domaine des bâtiments résidentiels ou tertiaires. Alors que la construction basse consommation est aujourd'hui une réalité, la rénovation n'est que très rarement mise en pratique. Ainsi, l'objectif de cette thèse est d'évaluer les gains énergétiques potentiels issus de la rénovation d'un bâtiment ancien pour être en cohérence avec son environnement et ses modes d'exploitation. Au coeur de ce travail se trouvent les problématiques du système bâtiment, et du confort des occupants. Au regard de ces connaissances, nous proposons une architecture globale de contrôle du bâtiment répondant à des missions de confort optique et thermique, et de réduction des consommations énergétiques. Pour cela nous nous appuyons sur l'approche systémique et l'Automatique qui permettent depuis la modélisation jusqu'à l'élaboration de lois de commande de faire coopérer toutes les installations domotiques. L'évaluation du contrôle est réalisée en simulation sur un bâtiment ancien équipé d'un chauffage central, de luminaires et de stores vénitiens intérieurs pilotés. L'architecture de contrôle présentée est issue d'une analyse systémique du bâtiment et se base sur une approche hiérarchique en adéquation avec les exigences des utilisateurs et les différentes échelles de représentation. Afin d'expérimenter cette architecture de contrôle, un modèle physique de bâtiment multi-échelle a été réalisé en utilisant une approche Bond-Graph et permet d'estimer le comportement optique et thermique du bâtiment en séparant les dynamiques lentes et rapides. La synthèse des lois de commande a ensuite été effectuée en réduisant ce modèle de simulation et a permis d'implémenter deux lois de commandes. La première s'exprime à l'échelle du bâtiment par une commande prédictive du chauffage central et considère l'évolution future de la température extérieure et de la puissance radiative solaire. La seconde prend place au niveau des pièces sous la forme d'une commande optimale des radiateurs, des stores et des luminaires afin d'assurer la température opérative moyenne et l'éclairement moyen souhaité par les occupants. L'étude des gains énergétiques offerts par la rénovation du système de contrôle a permis de mettre en valeur l'intérêt de l’architecture de contrôle présenté. Les résultats ont montré que l'implantation d'une commande prédictive sur le chauffage central permet de réduire de plus de 20% ses consommations énergétiques. Par ailleurs, le contrôle optimal dans les pièces offre un gain d'environ 20% sur le confort thermique et de 75% sur le confort optique. / Today, the control of energy consumption is a very important issue for the preservation of the natural resources. Besides transportation domain, substancial energetic gains exist in residential and office buildings. While low energy building is now a reality, the renovation is rarely put into practice. The objective of this thesis is to evaluate the potential energy savings resulting from the renovation of old buildings. In the core of this work are the problematics of the building system and of the household comfort. Based on this knowledge, we propose here a global control architecture of the building, which accomodates thermal and optical confort, and reduction of energy consumption. Specifically, we focus on automatic control and systemic approach, which enable, from modelling to control law synthesis, a global cooperation of all home automation equipments. Our approach is to design a hierarchical control architecture and simulate it in the case of an old building with central heating, lighting and interior Venetian blinds. The control architecture is designed from a systemic analysis of buildings. It is based on a hierarchical approach in order to adapt to user requirements and to different scales of spatial representation (from the building to the room). To experiment this control architecture, a physical multi-scale model of building was developed using a Bond-Graph approach. This model allows to estimate the optical and thermal behavior of the building separating the slow dynamics of the fast ones. The synthesis of actuators control laws was then performed after reducing the simulation model. It helped to implement two control laws : The first is expressed throughout the building by a predictive control of central heating system and considers the future behaviour of the outdoor temperature and solar radiative power. The second takes place at the rooms level as an optimal control of radiators, Venetian blinds and lighting to ensure the operative temperature and illumination desired by the occupants. The study of energy savings offered by the renovation of the control system helped to highlight the interest of the presented control architecture. The results showed that the implementation of predictive control on the central heating leads to reduce more than 20% of the energy consumption. Moreover, the optimal control in rooms increase thermal comfort around 20% and the visual comfort by 75%.

Les piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC) permettent de convertir efficacement de l'énergie chimique en électricité. Pour cela l'hydrogène s'oxyde sur une des électrodes de la pile, les protons ainsi créés traversent l'électrolyte (membrane) tandis que les électrons parcourant le circuit extérieur fournissent l'énergie électrique. Tous ces éléments se recombinent à la seconde électrode qui, à l'aide de la réduction de l'oxygène, va former de l'eau. Le rendement n'étant pas parfait, une partie de l'énergie des réactifs est aussi dégradée sous forme de chaleur. Malgré de récents progrès, la commercialisation à grande échelle des piles à combustible est toujours entravée par des problèmes de durabilité, liés notamment à la gestion de l'eau et de la température au sein de ce système. Afin de quantifier le comportement thermique et son effet sur le transport de l'eau, une pile à combustible a été instrumentée, permettant la mesure de la température aux électrodes, des flux de chaleur et d'eau. Les résultats montrent que de forts gradients de température (jusqu'à environ 30 K/mm) peuvent exister pour une pile fonctionnant dans des conditions standard. Il a été observé une nette influence du champ de température dans le cœur de pile sur le transport de l'eau qui se fait vers la partie la plus froide de la pile (généralement les canaux d'alimentation), l'eau traversant les couches de diffusion poreuses sous forme vapeur dans nos conditions expérimentales.

Une émulsion à changement de phase (PCME: phase-change material emulsion) est un fluide consistant en une émulsion d'un matériau à changement de phase (PCM, phase change material), comme de la paraffine, dispersé dans un fluide porteur (phase continue), souvent de l'eau ou une solution acqueuse de surfactant. Les PCME peuvent être envisagés comme fluides à haute performance thermique (frigoporteurs ou caloporteurs) en raison de leur potentiel de transport de chaleur latente (cristallisation ou fusion du PCM). Cette thèse présente des résultats expérimentaux concernant le comportement thermo-rheologique des differentes versions de PCME (émulsions de paraffine dans différentes solutions acqueuses de surfactant, avec une concentration massique en paraffine égale à 30 %) sur une plage de température de 0 - 20 °C. Les propriétés thermophysiques des émulsions ont été déterminées. Ensuite, une étude expérimentale du transfert de chaleur par convection forcée laminaire a été effectuée. Le coefficient de transfert de chaleur convectif de l'émulsion pendant le refroidissement a été déterminé dans une configuration expérimentale proche de celle pouvant être rencontrée dans des échangeurs thermiques à plaques. La configuration se compose principalement de deux canaux rectangulaires (80 x 6 mm²) de longueurs égale à 1 m. Des corrélations utiles pour évaluer les coefficients d'échange thermique (locaux ou globaux) ont été établies entre les nombres de Nusselt, de Reynolds et de Prandtl. Un banc d'essais spécifique a également été utilisé pour analyser le comportement rhéologique des PCME. Des essais ont été effectués à l'aide d'un viscosimètre à différentes températures. La stabilité des émulsions a été examinée sous diverses charges thermomécaniques. Les expériences ont révélé un comportement rheofluidisant. L'ensemble de ces résultats montre que les PCME sont des candidats prometteurs pour les applications à la climatisation. / A phase change material emulsion (PCME) is a fluid consisting of an emulsion of a phase change material (PCM), such as paraffin, dispersed in a carrier fluid (contiunuous phase), often water of an aqueous solution of surfactant. PCMEs can be considered as potential high performance thermal fluids (used as secondary refrigerants or as heat transport fluids) owing to their latent heat involved in the fusion of cristalisation of the PCM. This thesis reports experimental results concerning the thermo-rheological behavior of different versions of a PCME (30%wt. paraffin concentration in various acqueous solutions of surfactant) over the temperature range [0 – 20 °C]. The thermophysical properties of the PCMEs were determined. Then, an experimental study of forced convection heat transfer during laminar flow was carried out. The convective heat transfer coefficient of the PCMEs during cooling was determined in an experimental configuration mocking up applications in plate heat exchangers. The configuration mainly consists of two 1 m long rectangular channels (80 x 6 mm2). Correlations were developped for the prediction of the (local and overall) heat transfers coefficients, based on the Nussel, Reynolds and Prandtl numbers. A specific test bench was also used to analyse the rheological behaviour of the PCMEs. Tests were carried out using a viscometer at different temperatures. The stability of the emulsion was examined under various thermo-mechanical loads. Experiments revealed a pseudoplastic behavior for all tested versions of the PCME. All these results show that PCMEs are an attractive candidate for their applications in the field of air conditioning.

On présente la méthode d'amalgame modal. Il s'agit d'une approche pour réduire un modèle d'état modal quelconque. La méthode est ici appliquée dans le cadre de la thermique. Le principe repose sur une partition judicieuse de l'espace d'état modal en quelques sous espaces disjoints. La dynamique de chaque sous espace est ensuite approchée au mieux par un pseudo-élément propre. L'optimalité de la démarche est prouvée au sens d'un critère d'écart quadratique de qualité. Le modèle obtenu conserve des liens formels avec le modèle d'origine. Du point de vue algorithmique, la méthode est automatique : on peut chercher le meilleur modèle réduit respectant une contrainte de précision et/ou de taille. La méthode est performante en temps de calcul. La réduction par amalgame modal est comparée à celles d'autres méthodes. Des exemples de réduction de modèles modaux 1D, 2D et 3D sont donnés.

L'étude consiste à décrire les phénomènes thermiques et aérauliques dans le bâtiment à l'aide d'un outil simplifié : la méthode zonale. Il s'agit d'une méthode tridimensionnelle basée sur le partitionnement en un petit nombre de sous-volumes, intermédiaire entre les modèles à un noeud et les maillages fins. On écrit des bilans de masse et d'énergie dans chaque sous-volume tandis que les échanges dans les interfaces sont déterminés par des lois reliant les débits aux différences de pression. L'aspect modulaire de la méthode facilite son implémentation dans un environnement orienté objet et le logiciel SPARK, adapté à la résolution de gros systèmes d'équations non-linéaires est utilisé à cet effet. Les résultats sont validés par rapport à différentes références expérimentales et numériques. Une étude paramétrique détermine les coefficients empiriques judicieux ainsi que les caractéristiques d'un maillage optimal. Un autre atout d'un environnement objet réside dans les possibilités de couplage. On traitera successivement l'exemple d'un modèle de description du confort, celui des transferts par conduction en tenant compte des effets tridimensionnels ainsi qu'un modèle de transferts de masse. La simulation des effets d'une source de chaleur donne des résultats conformes aux constatations expérimentales dans l'ensemble du volume. Enfin, le cas de la convection mixte est traité en prenant en compte la conservation de l'énergie cinétique dans l'écoulement ; les résultats correspondent à ceux obtenus avec un modèle de champ.