Dynamic interactions between the ground heat exchanger and environments in earth–air tunnel ventilation of buildings

Earth–air tunnel ventilation is an energy efficient method of preheating or cooling of supply air to abuilding. The purposes of this study are to investigate the performance of earth–air heat exchangersunder varying soil and atmosphere conditions and the interactions between the heat exchanger andenvironments. A computer program has been developed for simulation of the thermal performance of anearth–air heat exchanger for preheating and cooling of supply air, taking account of dynamic variationsof climatic, load and soil conditions. The program solves equations for coupled heat and moisture transferin soil with boundary conditions for convection, radiation and evaporation/condensation that vary withthe climate both at the soil top surface and inside the heat exchanger. The importance of dynamic inter-actions between the heat exchanger, soil and atmosphere is illustrated from the comparison of the heattransfer rates through the heat exchanger. The predicted heat transfer rate varies with operating time anddecreases along the passage of air in the heat exchanger. Neglecting the interactions would significantlyover-predict the heat transfer rate and the amount of over-prediction increases with operating time

Durabilité d'un système composite biosourcé (matrice époxy-fibres de lin) pour applications de renforcement structural : approches expérimentale et fiabiliste

In France, the built heritage of civil engineering and building structures is vast and ageing. Recent reports prepared by experts highlight this alarming situation and point out the need to significantly increase the resources allocated to the rehabilitation of this heritage. In this context, structural reinforcement by externally bonded composites has become an attractive solution for the rehabilitation of structures and the extension of their lifespan. This thesis, funded by the French Research Agency (ANR), aims to develop a new composite reinforcement system with a reduced environmental footprint, on one hand, and to build an original reliability approach to estimate the lifetime of reinforcement systems and their failure probability at any time, on the other hand. In this manuscript, the main phases of development of the bio-based system are first recalled. In particular, it is recalled that the formulation of the bio-sourced epoxy matrix was based upon the specifications and characteristics of the Foreva® TFC matrix, and the criteria that guided the choice of the unidirectional flax fibre reinforcement fabric are also presented. The second part of the manuscript presents all the experimental results obtained within the framework of the durability study on the bio-based strengthening system. This test campaign relies on a Design of Experiment optimized by Hoke’s matrix. Laminated composite plates and concrete slabs reinforced with these composites were subjected to accelerated ageing under hygrothermal conditions, and to natural ageing on an outdoor exposure site in Lyon as well, for a total duration of 24 months. In a first step, the results of various physico-chemical characterizations that were periodically conducted on the bio-based composites, highlighted the relative contributions of mechanisms involved in microstructural evolutions and degradation phenomena of both the polymer matrix and fiber/matrix interfaces. In a second step, the changes in the main performance indicators related to the composite and the concrete-composite interface subjected to the various ageing environments, are presented and interpreted in the light of the previous physico-chemical characterizations. In a third step, a comparison is made between the bio-based composite system and a traditional carbon fibre strengthening system. The last part of the manuscript is devoted to the implementation of the reliability approach, relying on the experimental database previously collected for the bio-based system. A statistical analysis by the ANOVA method is first carried out on all experimental data. Two degradation models were then developed to describe the evolutions of performance indicators over time for any hygrothermal ageing condition: an analytical model with explicit terms related to quadratic effects and coupling between temperature and relative humidity, and a physical model based on Eyring's law.In a next step, these models were used to estimate the lifetime of the bio-based strengthening system under accelerated ageing conditions. End-of-life criteria were first defined based on specifications proposed by different design guidelines, in particular by ACI and AFGC reports.In order to evaluate the lifetime under actual service conditions, a specific procedure was then proposed to apply the analytical model in the case of natural ageing. Finally, a probabilization of the analytical model is carried out in order to determine the probability of failure of the bio-based strengthening system at any time during its lifetimeEn France, le patrimoine bâti des ouvrages d’art et bâtiments est vaste et vieillissant. Des rapports récents établis par des experts dressent un constat alarmant de la situation et pointent la nécessité d’augmenter significativement les moyens alloués à la réhabilitation de ce patrimoine. Dans ce contexte, le renforcement structural par collage externe de matériaux composites s’est imposé depuis une vingtaine d’années comme une solution de choix pour la remise à niveau des ouvrages et l’extension de leur durée de vie. Cette thèse, financée par l'ANR, vise, en premier lieu à développer un système de renforcement composite inédit à empreinte environnementale réduite, et d’autre part, à construire d’une démarche fiabiliste permettant d’estimer la durée de vie des systèmes de renforcement et leur probabilité de défaillance à tout instant. Dans le présent manuscrit, les principales phases de développement du système bio-sourcé sont tout d’abord rappelées. On y rappelle notamment que la matrice époxy bio-sourcée a été formulée sur la base d’un cahier des charges établi à partir des caractéristiques de la matrice associée au procédé de renforcement Foreva® TFC, ainsi que les critères ayant guidé le choix du tissu de renforcement unidirectionnel en fibres de lin. Une seconde partie du manuscrit présente l’ensemble des résultats expérimentaux obtenus dans le cadre de la campagne de durabilité sur le système de renforcement bio-sourcé. Cette campagne s’appuie sur un plan d’expériences optimisé par la matrice de Hoke. Des plaques de composite stratifié ainsi que des dallettes de béton renforcées par ce composite ont ainsi été soumis à des vieillissements accélérés en conditions hygrothermiques ainsi qu’à un vieillissement naturel. Dans une première étape, les résultats de différentes caractérisations physico-chimiques réalisées sur le composite bio-sourcé à différentes échéances de vieillissement, mettent en évidence l’importance respective et les effets parfois antagonistes des mécanismes d’évolution microstructurale et des phénomènes de dégradation dans les différentes conditions de vieillissement. Dans une seconde étape, les évolutions des principaux indicateurs des performances mécaniques du composite et de l’interface béton-composite dans les différents milieux de vieillissement sont présentées et interprétées à la lumière des caractérisations physico-chimiques précédentes. Dans une troisième étape, des éléments de comparaison sont apportés entre le système composite bio-sourcé et un système traditionnel à fibres de carbone. La dernière partie du manuscrit est consacrée à la mise en œuvre de la démarche fiabiliste à partir de la base de données expérimentale collectée précédemment pour le système bio-sourcé. Une analyse statistique par la méthode ANOVA (analyse de la variance) est d’abord réalisée sur l’ensemble des données expérimentales. Deux modèles de dégradation ont ensuite été élaborés en vue de décrire l’évolution des indicateurs de performance dans le temps pour toute condition de vieillissement hygrothermique : un modèle analytique incluant de manière explicite les effets quadratiques et le couplage entre la température et l’humidité relative, et un modèle physique basé sur la loi d’Eyring. L’étape suivante a ensuite consisté à utiliser ces modèles pour estimer des durées de vie du système de renforcement bio-sourcé dans les conditions de vieillissement accéléré. Des critères de fin de vie du système ont été définis à partir des recommandations de dimensionnement proposées notamment par les guides ACI et AFGC. En vue d’évaluer la durée de vie en condition de service, une procédure spécifique a ensuite été proposée pour appliquer le modèle analytique dans le cas du vieillissement naturel. Enfin, une probabilisation du modèle analytique est réalisée de manière à déterminer la probabilité de défaillance du système de renforcement bio-sourcé à tout instant de sa durée de vi

Cyber security enhancement against cyber-attacks on microgrid controllers

Microgrids are constantly evolving to integrate more renewable generation, operate autonomously, provide continuous power supply to critical and high-value loads and offer advanced control capabilities necessitating the deployment of a communication infrastructure vulnerable to cyber intrusions. This thesis provides a cyber security analysis of microgrid systems and proposes novel cyber resilient control strategies to mitigate cyber-attacks. Benchmark systems are first developed to provide a basis for the cyber security analysis of diverse microgrid configurations operating based on different control strategies. Interest is attributed to cyber-attacks compromising the microgrid data integrity and availability, namely FDI and DoS/DDoS cyber-attacks. Mathematical models for the attacks are developed and performance indices are rigorously defined to provide a mean for cyber-attack physical impact quantification. The impact assessment results are then used to facilitate the proposition of novel mitigation strategies, to test their performance and evaluate their effectiveness in enhancing the resiliency and robustness of the microgrid control infrastructure to resist cyber intrusions. Enhanced supplementary control loops added at the primary and secondary control levels are proposed to provide attack compensation and post-attack recovery in the event of FDI cyber-attacks. A novel rule-based fallback control strategy is proposed to mitigate DoS/DDoS cyber-attacks and provide coordination amongst DERs in a partially or fully-decentralized manner. A multi-stage cyber resilient control infrastructure is then developed to embed cyber security into the microgrid's design to ensure resiliency, robustness and reliability in the event of cyber-attacks. A real-time HIL co-simulation platform modeling and interfacing the microgrid power system, information and communication network layers is presented and used to analyze the impact of cyber-attacks and to test and validate the effectiveness of the proposed cyber resilient mitigation strategies. Recommendations and best cyber security practices concluded from this work are also presented.Les microréseaux sont en constante évolution pour intégrer plus de production renouvelable, fonctionner de façon autonome, fournir une alimentation continue à des charges critiques et offrir des capacités de contrôle avancées nécessitant le déploiement d'une infrastructure de communication vulnérable aux intrusions cybernétiques. Cette thèse fournit une analyse complète de cybersécurité des systèmes de microréseau et propose de nouvelles stratégies de contrôle cyber-résilients pour mitiger les cyber-attaques. Des systèmes de référence sont d'abord développés pour fournir une base pour l'analyse de la cybersécurité de différentes configurations de microréseaux fonctionnant selon des stratégies de contrôle divers. L'intérêt est attribué aux cyber-attaques compromettant l'intégrité des données et la disponibilité du microréseau, à savoir les cyber-attaques FDI et DoS/DDoS. Des modèles mathématiques pour les attaques sont développés et les indicateurs de performance sont rigoureusement définies pour fournir un moyen de quantification de l'impact physique. Les résultats de l'analyse d'impact sont ensuite utilisés afin de faciliter la proposition de nouvelles stratégies de mitigation, tester leurs performances et évaluer leur efficacité pour améliorer la résilience et la robustesse de l'infrastructure de contrôle des microréseaux pour résister aux intrusions cybernétiques. Des boucles de contrôle supplémentaires ajoutées aux niveaux primaire et secondaire sont proposées pour fournir une compensation d'attaque et une récupération après attaque dans le cas de cyber-attaques FDI. Une nouvelle stratégie de contrôle de repli est proposée pour atténuer les attaques DoS/DDoS et assurer la coordination entre les ressources énergétiques distribuées de manière partiellement ou entièrement décentralisée. Une infrastructure de contrôle cyber résiliante à plusieurs étapes est ensuite développée pour intégrer la cyber sécurité dans la conception du microréseau afin d'assurer la résilience, la robustesse et la fiabilité en cas de cyber-attaques. Une plateforme de co-simulation HIL en temps réel, modélisant et interfaçant les couches du réseau électrique, des réseaux d'information et de communication du microréseau, est présentée et utilisée pour analyser l'impact des cyberattaques et tester et valider l'efficacité des stratégies de mitigation cyber-résilientes proposées. Les recommandations et les meilleures pratiques de cybersécurité découlant de cette recherche sont également présentées

Durability of a bio-based composite system (epoxy matrix-flax fibers) intended for structural strengthening applications : experimental study and reliability approach

En France, le patrimoine bâti des ouvrages d’art et bâtiments est vaste et vieillissant. Des rapports récents établis par des experts dressent un constat alarmant de la situation et pointent la nécessité d’augmenter significativement les moyens alloués à la réhabilitation de ce patrimoine. Dans ce contexte, le renforcement structural par collage externe de matériaux composites s’est imposé depuis une vingtaine d’années comme une solution de choix pour la remise à niveau des ouvrages et l’extension de leur durée de vie. Cette thèse, financée par l'ANR, vise, en premier lieu à développer un système de renforcement composite inédit à empreinte environnementale réduite, et d’autre part, à construire d’une démarche fiabiliste permettant d’estimer la durée de vie des systèmes de renforcement et leur probabilité de défaillance à tout instant. Dans le présent manuscrit, les principales phases de développement du système bio-sourcé sont tout d’abord rappelées. On y rappelle notamment que la matrice époxy bio-sourcée a été formulée sur la base d’un cahier des charges établi à partir des caractéristiques de la matrice associée au procédé de renforcement Foreva® TFC, ainsi que les critères ayant guidé le choix du tissu de renforcement unidirectionnel en fibres de lin. Une seconde partie du manuscrit présente l’ensemble des résultats expérimentaux obtenus dans le cadre de la campagne de durabilité sur le système de renforcement bio-sourcé. Cette campagne s’appuie sur un plan d’expériences optimisé par la matrice de Hoke. Des plaques de composite stratifié ainsi que des dallettes de béton renforcées par ce composite ont ainsi été soumis à des vieillissements accélérés en conditions hygrothermiques ainsi qu’à un vieillissement naturel. Dans une première étape, les résultats de différentes caractérisations physico-chimiques réalisées sur le composite bio-sourcé à différentes échéances de vieillissement, mettent en évidence l’importance respective et les effets parfois antagonistes des mécanismes d’évolution microstructurale et des phénomènes de dégradation dans les différentes conditions de vieillissement. Dans une seconde étape, les évolutions des principaux indicateurs des performances mécaniques du composite et de l’interface béton-composite dans les différents milieux de vieillissement sont présentées et interprétées à la lumière des caractérisations physico-chimiques précédentes. Dans une troisième étape, des éléments de comparaison sont apportés entre le système composite bio-sourcé et un système traditionnel à fibres de carbone. La dernière partie du manuscrit est consacrée à la mise en œuvre de la démarche fiabiliste à partir de la base de données expérimentale collectée précédemment pour le système bio-sourcé. Une analyse statistique par la méthode ANOVA (analyse de la variance) est d’abord réalisée sur l’ensemble des données expérimentales. Deux modèles de dégradation ont ensuite été élaborés en vue de décrire l’évolution des indicateurs de performance dans le temps pour toute condition de vieillissement hygrothermique : un modèle analytique incluant de manière explicite les effets quadratiques et le couplage entre la température et l’humidité relative, et un modèle physique basé sur la loi d’Eyring. L’étape suivante a ensuite consisté à utiliser ces modèles pour estimer des durées de vie du système de renforcement bio-sourcé dans les conditions de vieillissement accéléré. Des critères de fin de vie du système ont été définis à partir des recommandations de dimensionnement proposées notamment par les guides ACI et AFGC. En vue d’évaluer la durée de vie en condition de service, une procédure spécifique a ensuite été proposée pour appliquer le modèle analytique dans le cas du vieillissement naturel. Enfin, une probabilisation du modèle analytique est réalisée de manière à déterminer la probabilité de défaillance du système de renforcement bio-sourcé à tout instant de sa durée de vieIn France, the built heritage of civil engineering and building structures is vast and ageing. Recent reports prepared by experts highlight this alarming situation and point out the need to significantly increase the resources allocated to the rehabilitation of this heritage. In this context, structural reinforcement by externally bonded composites has become an attractive solution for the rehabilitation of structures and the extension of their lifespan. This thesis, funded by the French Research Agency (ANR), aims to develop a new composite reinforcement system with a reduced environmental footprint, on one hand, and to build an original reliability approach to estimate the lifetime of reinforcement systems and their failure probability at any time, on the other hand. In this manuscript, the main phases of development of the bio-based system are first recalled. In particular, it is recalled that the formulation of the bio-sourced epoxy matrix was based upon the specifications and characteristics of the Foreva® TFC matrix, and the criteria that guided the choice of the unidirectional flax fibre reinforcement fabric are also presented. The second part of the manuscript presents all the experimental results obtained within the framework of the durability study on the bio-based strengthening system. This test campaign relies on a Design of Experiment optimized by Hoke’s matrix. Laminated composite plates and concrete slabs reinforced with these composites were subjected to accelerated ageing under hygrothermal conditions, and to natural ageing on an outdoor exposure site in Lyon as well, for a total duration of 24 months. In a first step, the results of various physico-chemical characterizations that were periodically conducted on the bio-based composites, highlighted the relative contributions of mechanisms involved in microstructural evolutions and degradation phenomena of both the polymer matrix and fiber/matrix interfaces. In a second step, the changes in the main performance indicators related to the composite and the concrete-composite interface subjected to the various ageing environments, are presented and interpreted in the light of the previous physico-chemical characterizations. In a third step, a comparison is made between the bio-based composite system and a traditional carbon fibre strengthening system. The last part of the manuscript is devoted to the implementation of the reliability approach, relying on the experimental database previously collected for the bio-based system. A statistical analysis by the ANOVA method is first carried out on all experimental data. Two degradation models were then developed to describe the evolutions of performance indicators over time for any hygrothermal ageing condition: an analytical model with explicit terms related to quadratic effects and coupling between temperature and relative humidity, and a physical model based on Eyring's law.In a next step, these models were used to estimate the lifetime of the bio-based strengthening system under accelerated ageing conditions. End-of-life criteria were first defined based on specifications proposed by different design guidelines, in particular by ACI and AFGC reports.In order to evaluate the lifetime under actual service conditions, a specific procedure was then proposed to apply the analytical model in the case of natural ageing. Finally, a probabilization of the analytical model is carried out in order to determine the probability of failure of the bio-based strengthening system at any time during its lifetim

Addressing climate change and sustainable development in long-term analysis

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Développement d'une méthodologie de conception de bâtiments à basse consommation d'énergie

The building sector represents the most energy consuming sector in France with 43% of final energy consumption and 25% of greenhouse gases emission. Thus, efforts should be taken to promote new buildings construction and existent buildings thermal renovation satisfying low energy building criterions.The main target of this work is to set up a methodology to carry out parametrical studies during the design process of a low energy building. The methodology consists of using numerical simulation tools and the design of experiments method (DOE) to develop polynomial models to evaluate the energy efficiency and summer thermal comfort of buildings. The polynomial models simplify parametrical studies by replacing numerical simulation tools to find out solutions to get to low energy buildings. The methodology is used to improve the energy efficiency of a small typical French office building, called Beethoven, to achieve a low energy building suitable for the French climate condition.The first chapter presents the state of art of low energy buildings. The state of art work deals with low energy buildings labels and projects realization, as well as HVAC systems and building envelope concepts.The second chapter treats with numerical models development in the MATLAB/SIMULINK environment and its integration in the SIMBAD models library. These models are useful to set up the methodology. A few studies carried out using the developed models to evaluate low energy buildings and HVAC systems performance, are also presented.The third chapter deals with the presentation of the office building characteristics and the underlying principles of the design of experiments method. The thermal characteristics of the office building are chosen according to the French thermal regulation guidelines. These characteristics are considered as a reference configuration to evaluate the energy efficiency improvements of the low energy office building. The energy efficiency of the office building for the reference configuration is evaluated with respect to the eight climate contexts defined by the French thermal regulation. This ables us to retain only three representative climates to achieve this work. An application example of the design of experiments method is performed in order to validate the choice of this method for the design methodology.The fourth chapter deals with the development of polynomial models. The potential and limits of the design of experiments method is evaluated to model the building energy efficiency and thermal comfort via polynomial models. This leads us to define an application strategy of the design of experiments method in the frame work of low energy building numerical design studies. Then, the polynomial models are used to perform a sensitivity analysis for energy efficiency of the office building as well as solutions analysis for building envelope and HVAC systems in order to get to a low energy building with respect to the three climates.In the last chapter, the polynomial models are used to identify solutions for the office building envelope and HVAC systems characteristics in order to get to a low energy building with respect to the guidelines of the French label Effinergie and the German label Passivhaus. The low energy configurations are compared to the reference configuration in terms of energy consumption, summer thermal comfort and CO2 gases emission.The developed methodology simplifies the parametric study to find out solutions to improve the energy efficiency of buildings, by performing graphical diagrams for solutions selection. It ables to study a large number of solutions, which could reach millions depending on the number of parameters. The methodology results show satisfying agreements with the numerical simulation results. Thus it could be used to develop design tools for low energy buildings construction and existent buildings thermal renovation.En France, le secteur du bâtiment est le plus gros consommateur d'énergie parmi les secteurs économique, avec 43% de l'énergie finale totale et 25% des émissions de CO2. Il s'avère donc nécessaire de réduire l'impact environnemental de ce secteur en promouvant la construction des bâtiments neufs et la rénovation thermique des bâtiments existants, selon les critères des bâtiments à basse consommation d'énergie.L'objectif de ce travail est de développer une méthodologie pour réaliser des études de conception de bâtiments à basse consommation d'énergie. La méthodologie consiste à déterminer des modèles polynômiaux pour l'évaluation des performances énergétique et du confort thermique d'été des bâtiments, à l'aide de la méthode des plans d'expériences et des outils de simulation numérique. Ces modèles polynômiaux permettent de simplifier les études paramétriques, en apportant une réponse alternative aux outils de simulations numériques pour la recherche de solutions afin de concevoir des bâtiments à basse consommation d'énergie. La méthodologie est appliquée sur un bâtiment tertiaire à savoir un immeuble de bureaux.Dans le premier chapitre, nous présentons l'état de l'art des bâtiments à basse consommation d'énergie et à énergie positive, dans le but de dresser un bilan de connaissances sur le contexte énergétique français, sur les labels mis en place en France et à l'étranger, sur les projets réalisés et sur les techniques utilisées pour concevoir des bâtiments à basse consommation d'énergie.Ensuite, nous nous focalisons dans le second chapitre, sur le développement de modèles numérique nécessaires à l'élaboration de la méthodologie. Les modèles sont développés dans l'environnement MATLAB/SIMULINK et intégrés dans la bibliothèque SIMBAD, dédiée à la simulation numérique en thermique du bâtiment afin de participer à son développement. De plus, nous présentons des études d'évaluation énergétiques de systèmes spécifiques aux bâtiments à basse consommation d'énergie qui illustrent l'utilisation des modèles numériques développés.Un cas d'étude est défini dans le troisième chapitre ainsi que les contextes climatiques à considérer, les principes de base de la méthode des plans d'expériences et un exemple de son application. Le cas d'étude considéré est un immeuble de bureaux, nommé Beethoven, dont les caractéristiques de base seront choisies selon les exigences de la réglementation thermique. Ces caractéristiques constituent la configuration de référence qui est améliorée en suivant la méthodologie développée. L'analyse des huit zones climatiques définies par la réglementation thermique et l'évaluation des performances énergétiques du bâtiment pour la configuration de référence par rapport à ces climats, permettent de sélectionner trois climats représentatifs pour la suite du travail. Enfin, un exemple d'application de la méthode des plans d'expériences pour une optimisation énergétique de la configuration de référence permet de justifier le choix de cette méthode.Le début du quatrième chapitre est consacré au développement des modèles polynômiaux pour l'évaluation des performances énergétique et du confort thermique d'été du bâtiment Beethoven. Nous débutons ce chapitre par une évaluation des limites de la méthode des plans d'expériences pour déterminer ces modèles polynômiaux. Il en découle une méthodologie générale d'application de la méthode des plans d'expériences afin de développer des modèles polynômiaux pour réaliser des études de conception de bâtiment à basse consommation d'énergie. Ensuite, nous effectuons, à l'aide de ces modèles, une étude de sensibilité pour le bâtiment Beethoven et une analyse de solutions pour concevoir un bâtiment à basse consommation d'énergie selon divers critères énergétiques.Dans le dernier chapitre, nous présentons un exemple d'application des modèles polynômiaux développés pour identifier des solutions pour la conception de l'enveloppe et des systèmes du bâtiment Beethoven, afin d'obtenir un bâtiment à basse consommation d'énergie, selon les critères du label Français Effinergie et du label Allemand Passivhaus. Les configurations basse consommation d'énergie obtenues sont comparées par rapport à la configuration de référence en termes de performances énergétiques, de confort thermique d'été et d'émissions CO2.La méthodologie que nous proposons permet d'identifier, de manière simple et rapide, des solutions pour concevoir des bâtiments à basse consommation d'énergie. Les solutions sont sélectionnées à l'aide d'abaques définis avec les modèles polynomiaux développés. Le niveau de précision constaté par rapport à la simulation numérique est appréciable. Le choix des solutions est effectué parmi des millions de configurations de facteurs, déterminées à l'aide des modèles polynômiaux. La détermination de toutes ces configurations serait difficile voire impossible à réaliser directement à l'aide de la simulation numérique, sans avoir recours à des modèles polynomiaux, d'où l'avantage d'une telle méthodologie.Enfin, cette méthodologie constitue une base robuste pour le développement d'outils d'aide à la décision, destinés aux différents acteurs du secteur du bâtiment pour la conception des bâtiments neufs et la rénovation thermique des bâtiments existants, selon les critères des bâtiments à basse consommation d'énergie

Biomass from the carbon dioxide removal and carbon neutrality perspective: a long term assessment using TIAM-FR

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Science-based applications on TIAM-FR to meet the net zero emissions

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Addressing climate change and sustainable development in long-term analysis

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