Impact des microclimats urbains sur la demande énergétique des bâtiments PDF Download
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Book Description
Les systèmes de conditionnement des ambiances intérieures participent pour une part importante à la demande énergétique des bâtiments, notamment en été. L'objectif de cette étude est de définir par des simulations thermoaérauliques l'interaction du microclimat urbain avec le bâti et sa demande énergétique de climatisation dans le cas d'une rue canyon. Le modèle choisi, de type zonal, nous permet de décrire les paramètres de température et de vitesse d'air dans la rue, avec un degré de précision intermédiaire entre la modélisation CFD fine et les approches nodales simplifiées. L'ensoleillement et les inter-réflexions dans la rue sont ensuite modélisés par une méthode simplifiée, développée et appliquée à l'étude de la convection naturelle dans une rue. Les écoulements dominants dus au vent sont par ailleurs étudiés à partir de données expérimentales, sur la base desquelles un modèle simplifié est proposé, en conditions isothermes. Le couplage des effets du vent et de la convection naturelle a été étudié dans le cas d'une rue canyon sur 28 jours. Nous concluons sur l'importance de la modélisation thermoaéraulique pour la détermination de l'effet d'îlot de chaleur urbain, ainsi que la demande énergétique des bâtiments.
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Les systèmes de conditionnement des ambiances intérieures participent pour une part importante à la demande énergétique des bâtiments, notamment en été. L'objectif de cette étude est de définir par des simulations thermoaérauliques l'interaction du microclimat urbain avec le bâti et sa demande énergétique de climatisation dans le cas d'une rue canyon. Le modèle choisi, de type zonal, nous permet de décrire les paramètres de température et de vitesse d'air dans la rue, avec un degré de précision intermédiaire entre la modélisation CFD fine et les approches nodales simplifiées. L'ensoleillement et les inter-réflexions dans la rue sont ensuite modélisés par une méthode simplifiée, développée et appliquée à l'étude de la convection naturelle dans une rue. Les écoulements dominants dus au vent sont par ailleurs étudiés à partir de données expérimentales, sur la base desquelles un modèle simplifié est proposé, en conditions isothermes. Le couplage des effets du vent et de la convection naturelle a été étudié dans le cas d'une rue canyon sur 28 jours. Nous concluons sur l'importance de la modélisation thermoaéraulique pour la détermination de l'effet d'îlot de chaleur urbain, ainsi que la demande énergétique des bâtiments.
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Les architectes, les urbanistes et les ingenieurs sont fortement sollicites pour elaborer des methodes de conception permettant de limiter l'impact environnemental de l'urbanisation. De nombreux travaux montrent que des phenomenes climatiques comme l'îlot de chaleur urbain sont a la fois les causes et les consequences de l'augmentation de la consommation energetique a l'echelle de la ville. Par ailleurs, l'expertise energetique des bâtiments est possible avec des outils operationnels qui ne prennent pas correctement en compte les conditions climatiques à petite echelle spatiale alors qu'il est demontre que leurs effets sont averes. Souvent neglige, l'impact direct et indirect de l'amenagement constitue pourtant une piste interessante pour la regulation energetique passive. Pour etudier ces phenomenes, nous proposons dans cette these d'utiliser un outil de simulation microclimatique, reposant sur le couplage d'un modele thermoradiatif et d'un code de mecanique des fluides numerique. Dans une premiere partie, nous developpons un modele de sol et un modele thermique de bâtiment, ce dernier permettant le calcul des consommations energetiques d'un bâtiment interagissant avec son environnement urbain. Nous les integrons a l'outil de simulation thermoradiative (Solene), puis adaptons la procedure de couplage physique avec l'outil de simulation thermoaeraulique (Fluent). Dans une deuxieme partie, nous caracterisons le comportement d'un bâtiment de reference en site isole et decrit par des parametres variables, en etablissant des classes de consommations energetiques a partir d'une methode statistique d'etude de sensibilite multicriteres. Enfin, nous reutilisons ces classes de bâtiments dans un contexte urbain reel, le projet Lyon Confluence, pour analyser l'impact de deux modes d'amenagement des îlots etudies : un amenagement mineral et un amenagement vegetal. Cette derniere partie fait ressortir deux resultats principaux a savoir l'ecart important entre des consommations energetiques simulees en contexte theorique isole et simulees en site urbain, puis, l'economie potentielle d'energie entre deux choix d'amenagement urbain pour un même projet
Author: Massimo Palme Publisher: Springer Nature ISBN: 3030654214 Category : Architecture Languages : en Pages : 560
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This book discusses urban microclimate and heat-related risks in urban areas, brought on by the combination of global climate change effects and local modification of climate determined by extensive urbanization such as the ‘Urban heat island’ phenomenon. This matter is relevant to almost all urbanized areas in the world, where the increase of urban population and air temperature is expected to endanger both the overall health of the population and the energy supply for the functioning of urban systems. The book details the inter-relationship between urban morphology, microclimate and building energy performance and presents a multidisciplinary approach that brings together Urban Climatology, Engineering and Architectural knowledge to support the development of reliable models and tools for research and practice. This book is a useful tool for architects and building energy modelers, urban planners and geographers who need a practical guide to realize basic urban microclimate simulation for use in both academic research and planning practice.
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Depuis 2007, plus de la moitié de la population mondiale vit en ville. La forte densité de population et d'activité entraîne une augmentation des besoins en climatisation des bâtiments en été. L'augmentation des températures due à l'effet d'îlot de chaleur urbain est principalement liée à l'aménagement urbain et aux flux de chaleurs anthropiques causés par l'utilisation des systèmes de chauffage et de climatisation. En agissant sur l'aménagement urbain, comme la densité de construction, l'albédo de surface ou les espaces verts, le microclimat urbain peut être amélioré ; ce qui permet ainsi de réduire les besoins énergétiques des bâtiments. Nous proposons dans ce manuscrit un modèle pour calculer les besoins énergétiques des bâtiments à l'échelle d'un quartier en prenant en compte l'interaction entre le microclimat urbain et les bâtiments. L'objectif est de décrire d'une part les ambiances intérieures du bâtiment, telles qu'elles sont modélisées dans les codes de thermique dynamique du bâtiment, et d'autre part, l'environnement extérieur tel qu'il est modélisé dans les codes de micro-météorologie. Pour travailler à cette échelle,la description détaillée de tous les transferts thermiques à l'intérieur et à l'extérieur de chaque bâtiment n'est pas appropriée. Ainsi, un modèle réduit de bâtiment est couplé avec un modèle simplifié de microclimat urbain. Le modèle de bâtiment est basé sur la méthode des facteurs de pondération et permet de prendre en compte les gains internes, l'inertie de l'enveloppe et les échanges radiatifs et convectifs à l'intérieur du bâtiment. Il est couplé à un modèle radiatif en milieu urbain, basé sur la méthode des radiosités, et un modèle zonal tridimensionnel de la canopée urbaine. Après avoir présenté ces modèles, ils sont appliqués sur un cas d'application, à savoir le quartier Pin Sec de la ville de Nantes. Différents scénarios d'aménagement urbain sont simulés sur une année afin d'analyser l'influence de l'aménagement urbain sur les besoins énergétiques des bâtiments.
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Cette étude s'inscrit dans le cadre du projet "ANR-Villes Durables VegDUD : Rôle du végétal dans le développement urbain durable ; une approche par les enjeux liés à la climatologie, l'hydrologie, la maîtrise de l'énergie et les ambiances" (2010-2013). Elle traite de la modélisation et de l'expérimentation de toitures et de façades végétales, en vue de l'évaluation de leurs impacts hygrothermiques sur les bâtiments et sur les microclimats urbains. Un modèle physique a été développé pour décrire les mécanismes de transferts couplés de chaleur et de masse au sein de la paroi végétale. L'implémentation de ce modèle dans un code de simulation thermique dynamique permet de prédire l'impact de la végétalisation sur la performance énergétique des bâtiments. L'extension de cette démarche à l'échelle d'une rue-canyon permet d'inclure l'interaction microclimatique dans la simulation thermohydrique des bâtiments. Sur le plan expérimental, une maquette reconstituant une scène urbaine est mise en place pour étudier l'impact de différentes typologies de parois végétales dans plusieurs configurations microclimatiques. La confrontation des résultats expérimentaux et ceux issus de la modélisation numérique a été entreprise à l'échelle du système constitué du bâtiment et du microclimat urbain environnant. Pour cela, l'étude du comportement d'un bâtiment et d'une rue végétalisés par rapport au comportement du même bâtiment et d'une rue témoins a permis d'évaluer l'incidence des transferts thermiques, hygrométriques et radiatifs de la végétalisation. Ceci a permis d'entreprendre la validation des outils de prédiction numérique développés. Les résultats de l'étude montrent que les transferts thermiques et hydriques sont fortement couplés et que le comportement thermique des parois végétales est tributaire de l'état hydrique du substrat de culture. Pour l'été comme pour l'hiver, les simulations numériques et les données expérimentales montrent que la végétalisation permet d'améliorer la performance énergétique des bâtiments et de réduire les îlots de chaleur urbains.
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Les éléments bâtis du tissu urbain modifient fortement les paramètres microclimatiques à l’échelle locale en perturbant la distribution de l'écoulement du vent et en amplifiant les transferts de chaleur entre les surfaces. Le bilan énergétique thermo-radiatif des espaces extérieurs est ainsi étroitement lié à la nature et à la morphologie des arrangements de bâtiments. Ce travail de recherche vise à étudier par le biais de la modélisation et de la simulation numérique la relation entre la morphologie urbaine spécifique des éco-quartiers, le microclimat et le confort ou l’inconfort thermique dans les espaces publics extérieurs. Pour caractériser cet impact, nous avons développé une approche numérique basée sur un couplage entre un modèle CFD (Code_Saturne développé par EDF) et un modèle thermo-radiatif (Solene développé par le laboratoire CERMA). Les paramètres physiques simulés (température de surface, température de l'air, vitesse du vent et énergie cinétique turbulente) permettant d'évaluer les indices de confort du milieu extérieur ont été comparés avec les données de mesure obtenues durant la campagne expérimentale EM2PAU (Nantes, 2010-2011) afin de valider la pertinence et la robustesse du modèle numérique développé. Nous avons par la suite appliqué le modèle numérique développé à trois configurations d'éco-quartiers représentatives d'une forme urbaine particulière afin d'analyser leurs impacts sur le confort extérieurs. Les résultats de cette étude ont été croisés avec ceux de l’étude des indicateurs physico-morphologiques menée en parallèle pour évaluer les effets de la géométrie urbaine sur les ambiances dans les espaces extérieurs. Les conclusions de cette recherche ont abouti à l’élaboration de quelques recommandations sur la conception des éco-quartiers pour les architectes et les urbanistes.
Author: Benjamin Le Roy Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 200
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Par ses caractéristiques physiques et géométriques, l'environnement urbain représente une modification profonde du milieu naturel. Ces transformations engendrent des impacts environnementaux et sociétaux déjà perceptibles, qui pourraient s'accentuer avec le changement climatique. La compréhension et l'évaluation de ces impacts et leurs évolutions futures nécessitent des outils de simulation et des scénarios climatiques adaptés à l'échelle de la ville. Certains modèles régionaux de climat atteignent aujourd'hui de très hautes résolutions horizontales permettant de représenter les villes et évaluer les impacts par une descente d'échelle dynamique. Mais leur mise en œuvre coûteuse limite la durée des simulations et le nombre de scénarios étudiés. D'autres méthodes, plus légères, permettent d'améliorer la résolution de ces modèles par une descente d'échelle statistique mais ne représentent pas les rétroactions de la ville sur le climat local. Cette thèse propose une méthodologie pour l'évaluation des impacts du changement climatique en ville, en termes de climat urbain, confort thermique, et demande énergétique, avec la région parisienne comme cas d'étude. Une première étape a consisté à faire un état des lieux de la climatologie urbaine de la région, à partir de longues séries d'observations spatialisées de température de surface, de température de l'air en surface et de précipitation. Des indicateurs de climat urbain innovants ont été proposés et calculés, pour l'analyse du climat passé de Paris, puis remobilisés dans la suite de la thèse pour l'évaluation des modèles et l'étude des évolutions avec le changement climatique. Dans une seconde étape, une méthode de descente d'échelle statistico-dynamique a été développée et testée sur la région parisienne pour combiner les tendances climatiques régionales avec l'effet thermique de la ville sur son environnement local. Les projections climatiques fournies par les modèles du programme EURO-CORDEX 0,11° de résolution) ont été corrigées quotidiennement par des champs atmosphériques issus d'une modélisation à haute résolution du climat urbain. Cette modélisation a été réalisée, dans une précédente étude, avec le modèle Meso-NH couplé au modèle de canopée urbaine TEB, pour un ensemble de situations météorologiques représentatives des types de temps locaux. Une évaluation sur la période passée 2000-2008 a montré la capacité de la méthode à représenter la variabilité spatiale et temporelle des îlots de chaleur urbains parisiens. Enfin, les forçages climatiques produits par cette méthode, avec une résolution spatiale kilométrique et une fréquence temporelle tri-horaire, ont été appliqués à la plateforme de modélisation des surfaces continentales SURFEX incluant TEB. Des simulations du climat urbain de la région parisienne ont été réalisées en continu sur la période 1976-2099 selon le scénario d'émission RCP8,5 ; TEB étant capable de simuler différents indicateurs d'impacts relatifs à la température, le confort thermique et la consommation d'énergie des bâtiments. La méthodologie complète a été comparée à des approches plus simples, sans descente d'échelle des forçages climatiques pour la prise en compte préalable des effets urbains. Cette étude a permis d'évaluer la sensibilité des résultats sur la période historique, et de montrer les apports de la méthodologie proposée pour l'évaluation des impacts. Les résultats ont ensuite été analysés sur tout le XXIe siècle pour quantifier l'évolution du climat urbain et des impacts associés sur la région parisienne sous l'influence du changement climatique.
Author: Maxime Doya Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 0
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L'interaction des phénomènes de transfert de chaleur et de masse dans un tissu urbain avec les apports anthropiques participent à l'îlot de chaleur urbain et à la dégradation de la performance énergétique des bâtiments. L'objectif de cette étude est de définir l'impact de la modification des propriétés radiatives aux façades des bâtiments qui peut être réalisée par l'utilisation de revêtements sélectifs colorés récemment développés pour les toitures. Les flux sensibles et l'impact sur les bâtiments sont étudiés pour une morphologie caractéristique des milieux urbains denses, la rue canyon. Un suivi expérimental mené sur des surfaces élémentaires de propriétés radiatives différentes nous a permis de développer par une méthode d'optimisation un procédé de détermination simultané du coefficient de convection et des absorptivités solaires effectives sur la période de mesure. L'utilisation de peintures sélectives dans la configuration canyon retenue est ensuite analysée expérimentalement. Pour cela une maquette (1/10ème) de scène urbaine a été conçue sur la base de 5 rangées de cuves de béton creux qui ont fait l'objet de mesures de températures et de flux radiatifs. Dans un premier temps, le traitement de deux mois de mesures a permis de caractériser les évolutions de champs de températures liés à cette forme urbaine. Par la suite, trois configurations de propriétés radiatives aux façades ont été étudiées simultanément et ont permis d'analyser les modifications spécifiques sur les champs de température, de sur-faces et d'air. Afin d'estimer les économies d'énergie réalisables sur un bâtiment réel ainsi que l'impact sur son environnement proche, une étude paramétrique des revêtements de façade et de la chaussée a été effectuée par des simulations de l'interaction du bâti et du micro-climat. Les méthodes et expériences établies dans cette étude nous permettent d'envisager le développement du traitement des façades et de la caractérisation de leurs performances globales.
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Cette thèse traite la modélisation numérique des phénomènes physiques du microclimat urbain. Ses objectifs sont, d'une part, le développement de connaissances relatives à la microclimatologie urbaine avec, notamment, la présence d'eau et de végétation en milieu urbain et, d'autre part, la mise au point de modèles mathématiques des bassins d'eau et de végétation. Nous proposons également une méthodologie de couplage des modèles intégrés dans deux outils de simulation à savoir SOLENE (développé par le CERMA) et FLUENT. Le modèle final proposé est basé sur la résolution numérique des systèmes d'équations aux dérivées partielles qui décrivent les phénomènes de transfert de quantité de mouvement, d'énergie et de masse en tenant compte de l'humidité et du rayonnement. L'application de ce modèle pour la simulation d'un ensemble urbain, le square Fleuriot à Nantes, a permis d'estimer l'effet d'un bassin d'eau et des arbres sur le microclimat urbain et sur les conditions de confort thermique.
Author: Emmanuel Bozonnet
Author: Emmanuel Bozonnet
Author: Julien Bouyer
Author: Massimo Palme
Author: Adrien Gros
Author: Rabah Djedjig
Author: Khaled Athamena
Author: Benjamin Le Roy
Author: Maxime Doya
Author: Mirela Robitu
Author: Matheos Santamouris