L'évaluation de la qualité des ambiances à l'intérieur des bâtiments dans le contexte méditerranéen, nécessite la connaissance précise des vitesses et des températures de l'air à l'intérieur du local considéré. Les aspects thermiques et aéraulique doivent également être pris en compte de manière couplée, en raison de leur très forte interdépendance. Dans ce contexte, nous avons développé un code de calcul tridimensionnel, modulaire, des échanges thermo-aérauliques couplés en régime dynamique. Le modèle aéraulique est fondé sur une modélisation zonale en température et pression. Cette approche est un compromis entre les modèles de type CFD très détaillés et les codes en pression simplifiés. Le modèle d'enveloppe repose sur le couplage de modèles modaux réduits pour le calcul des flux conductifs. Cette méthode permet de décrire de manière précise le comportement dynamique d'un bâtiment à l'aide d'un système d'ordre peu élevé et de modéliser finement les transferts de chaleur à travers des parois de géométrie complexe. Ces deux modèles ont été validés par comparaison avec des résultats numériques et expérimentaux. Leur couplage a été mis en œuvre par une stratégie de connexion itérative. Les résultats de simulation ont montré que le code thermo-aéraulique couplé décrit de manière satisfaisante le champ des températures et les mouvements d'air dans une pièce d'habitation. Son couplage avec un modèle de confort a permis d'évaluer l'influence de la ventilation nocturne sur la qualité thermique d'un local soumis à des conditions météorologiques caractéristiques de la saison chaude tunisienne.

Dans le domaine de la thermique du bâtiment, la modélisation fait face à un accroissement de la complexité des systèmes. En effet, l'évolution des capacités de résolution des machines accompagne celle des logiciels mis à la disposition des ingénieurs. Les logiciels d'aide à la conception destinés aux bureaux d'études en thermique du bâtiment, couplés à des interfaces de type CAO, vont bientôt permettre le traitement fin d'études importantes. La géométrie complexe des bâtiments fait que, dans un tel contexte de modélisation, l'ensemble des phénomènes de conduction, de rayonnement et de transferts de chaleur liés aux transferts de masse, en régime dynamique, entraîne la résolution de systèmes de très grandes tailles. Ce constat nous a conduit à la proposition de l11...mise en œuvre de techniques de réduction de modèle de connaissance afin de parvenir à un compromis entre la précision des modèles et les capacités des moyens informatiques dont les concepteurs disposent. La caractérisation des mécanismes de couplage des systèmes thermiques est indispensable pour réduire les volumes de calculs. Cette analyse conduit à la décomposition du système bâtiment en composants thermiques élémentaires et rend possible la réduction de modèles locaux. Fondée sur une approche modale, les techniques de réduction, issues du domaine de l'automatique, sont bien adaptées au traitement des modèles de connaissance linéaires associés aux phénomènes de conduction. Ce travail porte donc plus particulièrement sur la réduction des modèles associés à l'enveloppe des bâtiments. Deux stratégies de couplage aux autres modes de transferts de chaleur sont ensuite analysées en fonction du niveau de modélisation envisagé. La stratégie permettant d'intégrer les non linéarités des conditions aux limites des modèles locaux est validée sur la modélisation du comportement énergétique d'une cellule expérimentale à l'échelle 1. Ce travail s'ouvre, en termes de perspectives à l'intégration de modèles simplifiés d'aéraulique (modèles zonaux) dans les codes de calculs généraux du comportement thermo-aéraulique des bâtiments.

Avec le changement climatique en cours et l'augmentation de la fréquence et de l'intensité des vagues de chaleur comme typiquement en France, l'enjeu du confort thermique d'été devient central pour la conception et la rénovation des bâtiments, notamment en ville. L'étude du confort thermique dans des environnements thermiques intérieurs complexes, mettant en jeu des phénomènes radiatifs et convectifs dynamiques et locaux, nécessite de disposer d'outils de simulation thermique du bâtiment capables de prendre en compte cette complexité physique et de produire des données fiables et adaptées. Ainsi, afin de pouvoir étudier de façon détaillée les différents phénomènes en jeu, ce travail de thèse propose le développement et la validation d'une modélisation thermo-aéro-radiative de pièce basée sur la BES (Building Energy Simulation) dynamique et tridimensionnelle, la CFD (Computational Fluid Dynamics) par la méthode de Boltzmann sur réseau (LBM) avec la simulation des grandes échelles (LES), et finalement le couplage de ces deux approches. Dans un premier temps, le modèle de BES développé, capable notamment de localiser la tâche solaire sur les surfaces intérieures et de prendre en compte les multi-réflexions radiatives, a été validé suivant une confrontation avec des mesures en conditions réelles réalisées dans une pièce dans laquelle évolue une tâche solaire (configuration solaire passive BESTLab d'EDF Re&D). Les résultats montrent des résidus inférieurs à 4°C et des erreurs moyennes autour de 0,6°C sur les températures de surface intérieures. L'application du modèle de BES à l'étude d'un matériau à changement de phase dans cette même pièce a notamment permis de montrer que le stockage d'énergie latente s'effectue principalement dans les parties de mur ensoleillées (tâche solaire), ce que ne peuvent pas prédire les codes de calcul couramment utilisés. Dans un second temps, la modélisation LBM-LES adoptée a été confrontée à un vaste ensemble de données expérimentales portant sur une pièce d'essai à échelle 1 (MINIBAT) équipée d'une ventilation mécanique, mettant en jeu des jets turbulents (Re∼10^4), axisymétriques et anisothermes se développant près du plafond. Une attention particulière a été portée au traitement dynamique et thermique proche paroi afin d'adapter les modèles aux écoulements dans les bâtiments. Les résultats montrent un bon accord entre les profils moyens de vitesse et de température avec des positions et des valeurs de maximums en cohérence avec les mesures ainsi qu'une anisotropie de la turbulence correctement retrouvée par la simulation. Enfin, le couplage BES-CFD a été mis en place et confronté aux données expérimentales d'une pièce équipée d'un radiateur en régime permanent. L'analyse porte sur le transfert de chaleur aux parois ainsi que le comportement du radiateur et les caractéristiques du panache thermique. Les résultats obtenus montrent que le couplage employé conduit à des résultats fiables.

Ces travaux de thèse s'inscrivent dans le cadre du projet ANR HUMIBATex « Comment prédire les désordres causés par l'humidité ? Quelles solutions techniques pour rénover le bâti existant ? » (2012-2016). Elle traite de la modélisation numérique et expérimentale des transferts couplés hydro-thermo-aérauliques à différentes échelles : matériau, paroi et ambiance de bâtiment. Sur le plan théorique, un modèle phénoménologique des transferts couplés de chaleur, d'air et d'humidité à travers les enveloppes de bâtiments (HAM) a été élaboré. Après la phase de validation (confrontation avec des solutions analytiques et des résultats expérimentaux), ce modèle a été implémenté avec confiance dans un code de simulation thermique dynamique du bâtiment (BES). Ceci a permis, ainsi, de développer une plateforme de co-simulation HAM-BES. Grâce à l'outil mis en œuvre, les comportements hygrothermiques de la paroi et de l'ambiance habitable des bâtiments ont été prédits finement. Deux cas d'études ont été entrepris. Le premier avait pour but de mettre en évidence l'impact des transferts hygrothermiques sur la prédiction des consommations énergétiques. Le deuxième cas d'étude a été dédié à l'étude de l'efficacité de différentes stratégies de ventilation (extraction ou insufflation) sur le contrôle et la diminution des risques d'apparition de désordres liés à l'humidité au niveau des bâtiments résidentiels. Sur le plan expérimental, une campagne de caractérisation des propriétés physiques, hydriques et thermophysiques des matériaux de construction a été effectuée. Cette campagne expérimentale s'est focalisée sur l'analyse de l'impact de l'état thermique et hydrique du matériau sur les valeurs des propriétés hygrothermiques. Dans un autre travail expérimental, des dispositifs expérimentaux, à petite échelle mais également à l'échelle de la paroi, ont été conçus au laboratoire dans le but d'étudier la réponse hygrothermique des enveloppes de bâtiment ainsi que valider la plateforme de co-simulation dynamique HAM-BES. La confrontation des résultats a montré une bonne concordance entre la résolution numérique et les mesures expérimentales. Les résultats obtenus dans le cadre de ce travail de thèse ont mis en exergue l'influence d'une modélisation fine des transferts couplés de chaleur, d'air et d'humidité, à la fois sur la prédiction du comportement hygrothermique des ambiances habitables mais aussi sur le calcul des besoins énergétiques des bâtiments.

The artificial intelligence (AI) landscape has evolved significantly from 1950 when Alan Turing first posed the question of whether machines can think. Today, AI is transforming societies and economies. It promises to generate productivity gains, improve well-being and help address global challenges, such as climate change, resource scarcity and health crises.

The combination of global warming and urban sprawl is the origin of the most hazardous climate change effect detected at urban level: Urban Heat Island, representing the urban overheating respect to the countryside surrounding the city. This book includes 18 papers representing the state of the art of detection, assessment mitigation and adaption to urban overheating. Advanced methods, strategies and technologies are here analyzed including relevant issues as: the role of urban materials and fabrics on urban climate and their potential mitigation, the impact of greenery and vegetation to reduce urban temperatures and improve the thermal comfort, the role the urban geometry in the air temperature rise, the use of satellite and ground data to assess and quantify the urban overheating and develop mitigation solutions, calculation methods and application to predict and assess mitigation scenarios. The outcomes of the book are thus relevant for a wide multidisciplinary audience, including: environmental scientists and engineers, architect and urban planners, policy makers and students.