Avec les besoins actuels d’économie d’énergie et de maîtrise des impacts environnementaux du bâtiment, certains doutes se posent sur la définition du confort thermique et la façon de créer et maintenir les conditions de confort. En effet, les normes actuelles considèrent le confort thermique sous une approche analytique, réductrice de la complexité du réel. Les études in situ du confort thermique ont permis de constater une surestimation du niveau de l’inconfort perçu en réalité par rapport à celui prévu par ces normes surtout dans les bâtiments naturellement ventilés pendant les périodes chaudes. Ces études ont servi à mettre les bases de l’approche adaptative, qui caractérise le confort thermique à travers les interactions adaptatives entre l’occupant et son environnement. L’utilisation des normes peut conduire à un recours systémique à la climatisation alors que l’approche adaptative permet d’assurer le confort thermique avec des consommations d’énergie plus modestes. Nous nous intéressons dans ce travail à l’aspect adaptatif du confort thermique en complément à l’aspect analytique dont l’ensemble permet d’avoir une vision globale du confort thermique dans les bâtiments. En partant d’une étude bibliographique sur les approches existantes, nous avons conduit une étude expérimentale in situ dans huit bâtiments pour explorer de plus près le confort adaptatif et caractériser l’interaction entre l’occupant et le bâtiment. Ensuite en adoptant une démarche systémique, nous avons développé un modèle dynamique sur le confort thermique qui permet d’intégrer les différents mécanismes dynamiques identifiés dans la bibliographie et par l’expérimentation. Ce modèle, que nous avons appelé AdOCC, permet de déterminer l’état thermique de l’occupant à partir du modèle dynamique à deux noeuds de Gagge et d’en déduire le comportement de l’occupant et ses actions adaptatives selon les caractéristiques du bâtiment et la saison. Le modèle a été intégré dans l’outil de simulation dynamique TRNSYS. Cela nous a permis d’évaluer le modèle AdOCC en confrontant les simulations réalisées avec deux bureaux tirés de l’expérimentation vis à vis les résultats de mesures. L’application du modèle au cas des bâtiments de bureaux naturellement ventilés nous a permis de déterminer les conditions qui permettent d’établir le confort thermique avec des ressources énergétiques limitées, en utilisant un ventilateur local ou la ventilation nocturne, selon l’inertie du local, l’orientation, les protections solaires, et le climat L’utilisation du ventilateur correspond à une consommation de l’ordre de 10 Wh/m2/jour et la ventilation nocturne 30 Wh/m2/jour. Ces valeurs sont négligeables devant les consommations de climatisation qui peuvent être 10 fois plus importantes.

Le secteur du bâtiment est le plus gros consommateur d'énergie au niveau mondial. Pour en réduire l'impact environnemental, l'utilisation de solutions passives pour améliorer le confort est nécessaire. Malgré ce constat, la climatisation est de plus en plus utilisée dans les DROM-COM. Le développement de la ventilation naturelle est incontournable pour inverser cette tendance. Les méthodes multizones, modèles historiques de la simulation thermique du bâtiment, peinent à décrire ce type d'écoulement. Les modèles de mécanique des fluides numériques (MFN) sont prometteurs pour lever ce frein à l'utilisation de la ventilation naturelle.Ce manuscrit traite de l'adaptation d'un code de résolution directe des équations de Navier-Stokes à la description d'écoulements d'air dans le bâtiment. À cette fin, le développement, l'implémentation et la comparaison de différents types de conditions aux limites en pression sur les ouvertures ont été nécessaires. Ce travail nous a permis d'étudier le comportement d'une chambre soumise à de la convection naturelle et mixte. Pour intégrer ces développements à une simulation de bâtiment, nous avons développé un objet qui appelle le code de MFN sur un serveur de calcul distant depuis un environnement multizone de façon transparente. Le refroidissement partiel des murs d'une cavité soumise à de la convection naturelle a pu être simulé à l'aide de cette méthode.

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.

L'étude de la ventilation naturelle et du confort thermique, à travers des bâtiments grandement ouverts dits "traversant", requiert la connaissance des débits massiques et des vitesses d'air à l'intérieur des bâtiments. Une alternative à la mise en place des moyens coûteux, est d'utiliser la mécanique des fluides numérique comme soufflerie numérique et ce, dans des conditions standard d'étude. Le modèle de turbulence RNG-k-e est retenu pour les études menées dans cette thèse. L'influence des conditions limites sur l'écoulement intérieur au bâtiment cubique traversant est analysée. Le modèle de Walton-Roldan est modifié pour améliorer l'évaluation des débits massiques à travers des grandes ouvertures extérieures. Un modèle "adapté" basé sur les distributions statistiques de vitesse dans une pièce est proposé. Les distributions statistiques de vitesses sont évaluées dans des couches horizontales d'air. Un modèle de distribution est défini.

Face à la nécessité de réduire les consommations énergétiques ainsi que les émissions de CO2 dans le secteur du bâtiment, nous voyons se succéder des réglementations thermiques de plus en plus strictes. Ainsi, en 2020, tous les bâtiments neufs devront être à énergie positive. Le recours à des stratégies passives, exploitant les ressources de l'environnement, est un point clé pour atteindre cet objectif.En climat méditerranéen, caractérisé des étés chauds et secs, la ventilation naturelle peut apporter un confort thermique acceptable si celle-ci est utilisée intelligemment. Son efficacité est cependant très dépendante des conditions météorologiques locales et peut varier grandement d'un site à l'autre. Malgré la simplicité de ce type de système, sa gestion peut également s'avérer complexe si l'utilisateur ne dispose pas d'informations suffisantes et n'est pas présent en permanence dans le bâtiment. Cela met en avant l'intérêt de disposer d'outils adaptés à son étude, ainsi que de proposer un pilotage simple et optimisé du bâtiment, basé sur le confort de l'occupant.Afin d'évaluer le potentiel de la ventilation naturelle sans avoir recours à une lourde campagne expérimentale ou à une phase de modélisation complexe, nous proposons tout d'abord des indicateurs climatiques permettant d'obtenir une première vue du site étudié.À partir d'une approche expérimentale et numérique en conditions réelles, nous nous intéressons ensuite à la problématique de la mesure dans les bâtiments ventilés naturellement et notamment à celle du débit d'air. L'instrumentation d'un bâtiment résidentiel de l'IESC, situé sur le site de l'Université de Corse et du CNRS, permet le développement et le test de différents modèles simplifiés et adaptés au cas d'étude. La partie aéraulique est traitée à l'aide d'outils statistiques tandis la partie thermique repose sur une modélisation par analogie électrique. Un cas d'application du modèle thermo-aéraulique ainsi développé est finalement proposé pour illustrer ses possibilités d'utilisation sur différents modes de gestion de la ventilation naturelle.

Les principaux objectifs de ce travail consistent à mettre en œuvre et à analyser des stratégies de contrôle de la ventilation hybride combinant les modes naturel et mécanique dans le secteur du bâtiment résidentiel. Dans la première partie, nous dressons l'état de l'art des systèmes de ventilation existants, de leurs stratégies de contrôle ainsi que des outils de simulation numérique utilisés en thermo-aéraulique du bâtiment. La seconde partie concerne la méthodologie utilisée pour implémenter dans l'environnement informatique Matlab/SIMULINK les modèles nécessaires à l'étude de l'aéraulique des bâtiments. Des modèles simplifiés de calcul de la concentration des polluants et de l'humidité intérieure des locaux ont été développés dans le même environnement. Enfin, le couplage thermo-aéraulique est réalisé en utilisant les modèles thermiques déjà implémentés dans la bibliothèque SIMBAD. Ces modèles sont intégrés dans la nouvelle version de SIMBAD. La troisième partie nous permet de définir les composants des systèmes de ventilation modélisés ainsi que leur stratégie de contrôle. Il s'agit d'un système de ventilation mécanique basé sur la réglementation en vigueur et un système de ventilation hybride étudié également dans le cadre du projet européen RESHYVENT. Les deux stratégies de contrôle du système de ventilation hybride sont du type à la demande dans le sens où l'une est basée sur la détection des occupants et l'autre sur le taux de dioxyde de carbone dans les pièces principales. Le potentiel du tirage thermique est également pris en compte. Dans la dernière partie, nous présentons les résultats obtenus numériquement. Le cas d'étude considéré est une maison individuelle située successivement à Athènes, Nice, Stockholm et Trappes. Les simulations annuelles réalisées permettent une évaluation des différents systèmes et pour différents climats en terme de fonctionnement global, de qualité de l'air intérieur, de confort thermique, et de consommations énergétiques. Une analyse de l'influence de l'exposition au vent du bâtiment est également présentée. Les principaux résultats de ce travail ont montré la capacité des systèmes de ventilation hybride à améliorer la qualité de l'air intérieur et à réduire les consommations électriques des ventilateurs par rapport au système de référence tout en conservant le même ordre de grandeur pour les consommations énergétiques de chauffage du bâtiment.