Modélisation et simulation des microclimats urbains PDF Download
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Book Description
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.
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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.
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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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Les grandes villes, en période estivale, développent de plus en plus fréquemment certains problèmes liés au phénomène d'ilot de chaleur urbain, comme les pics de pollution et la surconsommation énergétique due à la climatisation. La minéralisation des villes, en remplaçant la végétation et les zones humides par du béton et de l'asphalte contribue à ces nuisances. Notre objectif est alors de déterminer l'impact de la végétation et des bassins ou jets d'eau sur le microclimat urbain et sur les situations de confort thermique ressenties par un individu. Cette étude fait appel aux techniques de modélisation numérique. Dans la première partie, une importante synthèse bibliographique permet de faire le point sur des domaines aussi variés que la micro climatologie urbaine, la simulation, l'urbanisme, l'arboriculture et le confort thermique en espace extérieur. Ces informations sont utiles lors de la mise en œuvre et de l'interprétation des simulations envisagées. Dans la deuxième partie, nous détaillons la réalisation d'un couplage thermo-aéraulique, base sur deux outils numériques, Solène (logiciel d'ensoleillement et de thermique développe par le cerma) et n3s (code de mécanique des fluides, développé par EDF). Ce couplage nécessite le développement de programmes spécifiques et de procédures d'interfaçage. Des éléments de validation sur des études de cas référencées, ainsi qu'une comparaison avec des mesures in-situ sont présents. L'application de cette démarche a une étude de cas urbaine, la place du millénaire du quartier Antigone à Montpellier, permet d'analyser l'impact de la végétation sur le microclimat urbain et les conditions de confort en espace extérieur. La comparaison de trois situations, l'une sans végétation, l'autre avec la végétation actuelle et la dernière avec une végétation à taille adulte, démontre une évolution notable au cours des années des conditions microclimatiques et une amélioration sensible des situations de confort.
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LES GRANDES VILLES, EN PERIODE ESTIVALE, DEVELOPPENT DE PLUS EN PLUS FREQUEMMENT CERTAINS PROBLEMES LIES AU PHENOMENES D'ILOT DE CHALEUR URBAIN, COMME LES PICS DE POLLUTION ET LA SURCONSOMMATION ENERGETIQUE DUE A LA CLIMATISATION. LA MINERALISATION DES VILLES, EN REMPLACANT LA VEGETATION ET LES ZONES HUMIDES PAR DU BETON ET DE L'ASPHALTE CONTRIBUE A CES NUISANCES. NOTRE OBJECTIF EST ALORS DE DETERMINER L'IMPACT DE LA VEGETATION ET DES BASSINS OU JETS D'EAU SUR LE MICROCLIMAT URBAIN ET SUR LES SITUATIONS DE CONFORT THERMIQUE RESSENTIES PAR UN INDIVIDU. CETTE ETUDE FAIT APPEL AUX TECHNIQUES DE MODELISATION NUMERIQUE. DANS LA PREMIERE PARTIE, UNE IMPORTANTE SYNTHESE BIBLIOGRAPHIQUE PERMET DE FAIRE LE POINT SUR DES DOMAINES AUSSI VARIES QUE LA MICROCLIMATOLOGIE URBAINE, LA SIMULATION, L'URBANISME, L'ARBORICULTURE ET LE CONFORT THERMIQUE EN ESPACE EXTERIEUR. CES INFORMATIONS SONT UTILES LORS DE LA MISE EN UVRE ET DE L'INTERPRETATION DES SIMULATIONS ENVISAGEES. DANS LA DEUXIEME PARTIE, NOUS DETAILLONS LA REALISATION D'UN COUPLAGE THERMO-AERAULIQUE, BASE SUR DEUX OUTILS NUMERIQUES, SOLENE (LOGICIEL D'ENSOLEILLEMENT ET DE THERMIQUE DEVELOPPE PAR LE CERMA) ET N3S (CODE DE MECANIQUE DES FLUIDES, DEVELOPPE PAR EDF). CE COUPLAGE NECESSITE LE DEVELOPPEMENT DE PROGRAMMES SPECIFIQUES ET DE PROCEDURES D'INTERFACAGE. DES ELEMENTS DE VALIDATION SUR DES ETUDES DE CAS REFERENCEES, AINSI QU'UNE COMPARAISON AVEC DES MESURES IN-SITU SONT PRESENTES. L'APPLICATION DE CETTE DEMARCHE A UNE ETUDE DE CAS URBAINE, LA PLACE DU MILLENAIRE DU QUARTIER ANTIGONE A MONTPELLIER, PERMET D'ANALYSER L'IMPACT DE LA VEGETATION SUR LE MICROCLIMAT URBAIN ET LES CONDITIONS DE CONFORT EN ESPACE EXTERIEUR. LA COMPARAISON DE TROIS SITUATIONS, L'UNE SANS VEGETATION, L'AUTRE AVEC LA VEGETATION ACTUELLE ET LA DERNIERE AVEC UNE VEGETATION A TAILLE ADULTE, DEMONTRE UNE EVOLUTION NOTABLE AU COURS DE ANNEES DES CONDITIONS MICROCLIMATIQUES ET UNE AMELIORATION SENSIBLE DES SITUATIONS DE CONFORT.
Author: Julien Le Bras Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 208
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Le confort thermique des habitants d'une ville est principalement affecté par l'îlot de chaleur urbain. Ce phénomène se traduit par des températures plus chaudes en ville que dans sa périphérique, principalement la nuit. Il est causé par les relâchements de chaleur stockée dans les bâtiments et la route le jour mais aussi par des sources anthropiques comme le chauffage ou le trafic routier. L'îlot de chaleur urbain peut atteindre jusqu'à 10°C la nuit pour les plus grandes mégapoles. Mais au cœur d'un quartier, la variabilité de la température, en fonction des ombrages ou de la présence d'eau et de parcs peut aussi atteindre quelques degrés. Elle peut donc être de la même amplitude que l'îlot de chaleur urbain. L'objectif de cette thèse est d'étudier la variabilité de la température à l'échelle de la ville et à l'échelle de la rue. Le but est de mettre en place une chaîne de modélisation de la température à l'échelle de rue à partir de données de stations météorologiques opérationnelles en périphérie d'une ville. Cette chaîne de modélisation doit être rapide et faire appel à des données accessibles au plus grand nombre afin de pouvoir simuler des scénarios d'aménagement urbains sur le long terme en dehors des laboratoires de recherche. La première partie de la chaîne de modélisation s'appuie sur un modèle numérique physique, le générateur de climat urbain spatialisé, permettant de calculer l'îlot de chaleur à l'échelle du quartier à partir de données se situant en dehors d'une ville et d'un modèle de surface de ville comme le modèle TEB. La deuxième partie permet de modéliser statistiquement la variabilité de température à l'échelle de la rue à partir des conditions météorologiques simulées par le générateur au sein d'un quartier et d'une cartographie précise du tissu urbain du quartier considéré. Cette modélisation statistique s'appuie sur des campagnes de mesures effectuées en 2013 et 2014 dans des quartiers des villes de Marseille, Paris et Toulouse.
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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.
Author: OECD Publisher: OECD Publishing ISBN: 9264167862 Category : Languages : en Pages : 287
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This report is thus intended as “food for thought” for national, sub-national and municipal governments as they seek to address their economic and environmental challenges through the development and implementation of spatial strategies in pursuit of Green Growth objectives.
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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: Pascale Girard Publisher: ISBN: Category : Languages : en Pages : 106
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Bien que les grandes villes soient souvent synonymes d'inconfort thermique et de piètre qualité de l'air, une meilleure compréhension à petite échelle du climat urbain permettrait de mieux adapter villes et bâtiments aux réalités de ce climat particulièrement complexe. Dans cette optique, la présente étude contribue au développement d'un nouveau modèle de microclimat urbain QES. L'objectif de ce modèle est de simuler différentes variables météorologiques telles que les températures, les vents et le rayonnement, en 3D et à très petite échelle (~1 m). Pour ce faire, le modèle QES combine quatre modules, soit un module de vent (QUIC), un module de rayonnement (QESRadiant), un module de surface et un module de transport turbulent. De ces quatre modules, nous avons validé les modules de vent et de rayonnement et exploré un potentiel module de surface. Premièrement, la performance des modules de vent et de rayonnement a été évaluée en plusieurs points d'un domaine réel modélisé en 3D avec de la végétation et différents matériaux de surface. Les vitesses de vent simulées par QUIC et le rayonnement solaire incident simulé par QESRadiant ont été comparés à des observations à haute densité spatiotemporelle. Bien que les performances varient selon la position dans le domaine et les obstacles environnants, les deux modules permettent d'obtenir des résultats satisfaisants avec un temps de calcul de l'ordre de quelques minutes. Deuxièmement, un module de surface a été validé de manière préliminaire pour une surface plane simple et les flux de chaleur simulés ont été comparés aux flux observés. Les résultats obtenus soutiennent que le développement modèle QES s'avère une alternative intéressante aux modèles microclimatiques urbains existants dans l'optique où l'on s'efforce de simplifier les conditions frontières requises et de diminuer le coût de calcul informatique.
Author: Khaled Athamena
Author: Khaled Athamena
Author: Julien Bouyer
Author: Massimo Palme
Author: Jérôme Vinet
Author: JEROME.. VINET
Author: Julien Le Bras
Author: Emmanuel Bozonnet
Author: OECD
Author: Mirela Robitu
Author: Pascale Girard