Modèle thermo-neurophysiologique du corps humain pour l'étude du confort thermique en conditions climatiques hétérogènes et instationnaires

Thermo-neurophysiological model of the human body for the study of thermal comfort in non-uniform transient climatic conditions

• Auteur / Autrice : Mohamad El Kadri
• Direction : Fabrice De Oliveira, Christian Inard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie civil
• Date : Soutenance le 28/05/2020
• Etablissement(s) : La Rochelle
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Euclide (La Rochelle ; 2018-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des Sciences de l’Ingénieur pour l’Environnement (La Rochelle)
• Jury : Président / Présidente : Francis Allard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Fabrice De Oliveira, Christian Inard, Francis Allard, Christophe Ménézo, Marjorie Musy, François Demouge, Frédéric Kuznik, Monica Siroux
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christophe Ménézo, Marjorie Musy
• DOI : 10.70675/2e1ddea6zbfd9z41b0z90b2z9ca2e3e457c3

Mots clés

Mots clés contrôlés

Thermorégulation

Neurophysiologie

Thermoception

Physiologie humaine

Mots clés libres

Thermorégulation du corps humain

Environnements instationnaires et hétérogènes

Neurophysiologie

Thermorécepteurs

Individualisation

Sensation et confort thermique

Thermoregulation of the human body

Non-uniform transient environments

Neurophysiology

Thermoreceptors

Individualization

Sensation and thermal comfort

Résumé

Dans ces travaux de thèse, nous avons développé un nouveau modèle de thermorégulation du corps humain basé sur la neurophysiologie et nommé Neuro Human Thermal Model (NHTM). Il est dédié à prédire les variables physiologiques dans des environnements instationnaires et hétérogènes. De plus, ce modèle est couplé au modèle de confort thermique de Zhang pour prédire la sensation et le niveau de confort thermique des occupants dans les espaces intérieurs. Le système passif du modèle NHTM est basé sur celui du modèle de Wissler. Ce système est couplé à un système actif basé sur les signaux des thermorécepteurs. Le système passif consiste en 21 cylindres représentants les segments du corps humain. Chaque élément est divisé en 21 couches dont 15 pour les tissus et 6 pour les vêtements. Puis, chaque couche est divisée en 12 secteurs angulaires. Le modèle NHTM calcule la production de chaleur par le métabolisme, le transfert de chaleur par conduction entre les tissus et les échanges de chaleur par convection et rayonnement entre le corps et l’environnement. Le système actif calcule les mécanismes physiologiques grâce aux signaux des thermorécepteurs cutanés et centraux. Ces signaux sont calculés par le modèle de Mekjavic et Morrisson qui ont développé également le modèle de frissonnement utilisé dans le modèle NHTM. Le débit sanguin cutané est calculé par le modèle de Kingma. Par manque de données expérimentales, le modèle de sudation est basé sur l’approche du signal d’erreur des températures cutanée et centrale. Une comparaison a été effectuée entre le modèle de sudation de Wissler et celui de Fiala et al. Au vu des résultats obtenus, ce dernier a été retenu. Le modèle NHTM est en capacité de pouvoir simuler plusieurs types de populations. Pour ce faire, une analyse de sensibilité a été effectuée, grâce à la méthode de Morris, sur les paramètres des systèmes passif et actif pour déterminer les paramètres les plus influents. Ensuite, afin d’optimiser le modèle NHTM, un algorithme génétique a été utilisé pour déterminer le vecteur des paramètres qui correspond à la population des expérimentations de Munir et al. Les résultats ainsi obtenus ont été comparés aux modèles développés par différents auteurs et ont montré que le modèle NHTM est le plus performant dans la très grande majorité des cas. Le modèle NHTM a été couplé au modèle de Zhang pour pouvoir calculer la sensation et le confort thermique. Le modèle de Zhang a été choisi pour sa capacité à calculer les sensations et les niveaux de confort thermique locaux qui correspondent aux segments du corps humain dans des environnements hétérogènes. Il est aussi capable de calculer ces réponses lors des transitions thermiques. Ce modèle effectue le calcul grâce aux sorties du modèle NHTM à savoir les températures cutanées et de l’œsophage.

In this thesis, we have developed a new thermoregulation model of the human body based on neurophysiology called Neuro Human Thermal Model (NHTM). It is dedicated to predict physiological variables in asymmetric transient environments. In addition, it is coupled with Zhang’s thermal comfort model to predict the sensation and the thermal comfort of the occupants in indoor spaces.The passive system of the NHTM model is based on that of the Wissler model. This passive system is coupled to an active system based on the signals of thermoreceptors. The passive system is segmented into 21 cylinders which represent the segments of the human body. Each element is divided into 21 layers, in which 15 for tissues and 6 for clothing. Then, each layer is divided into 12 angular sectors. The NHTM model simulates the heat production by metabolism, heat transfer by conduction within the tissues and heat exchange by convection and radiation between the body and the surrounding. The active system simulates physiological mechanisms thanks to signals of central and peripheral thermoreceptors. These signals are calculated by the model of Mekjavic and Morrisson who also developed the shivering model. The skin blood flow is calculated by the Kingma model. We could not develop a sweating model based on the signals of thermoreceptors since experimental data are not available. A comparison was made between the sweating model of Wissler and that of Fiala et al. and the last one was chosen.The NHTM model is able to simulate several types of population. This was done by a sensitivity analysis carried out, using the Morris method, on the parameters of the passive and active systems to find the most influential parameters. Then, an optimization of the NHTM model was done to determine the vector of the parameters which corresponds to the subjects of the experiments of Munir et al. using a genetic algorithm. The obtained results were compared to the models developed by several authors and showed that the NHTM model is the most efficient in most cases.The NHTM model has been coupled to the Zhang model to assess the sensation and thermal comfort. Zhang's model was chosen for its ability to assess local sensations and thermal comfort levels in non-uniform transient environments. Zhang’s model performs the calculation using the NHTM model outputs, namely the skin and esophagus temperatures.