Dispositifs éoliens intégrés aux façades des bâtiments : Modélisation et étude performative de dispositifs éoliens innovants intégrés aux façades des bâtiments pour la production d’énergie

Wind devices integrated to building's skins : Performative study and design of wind devices integrated to building façade for energy harvesting

• Auteur / Autrice : David Serero
• Direction : Robert Le Roy, Jean-Denis Parisse
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Architecture
• Date : Soutenance le 13/01/2021
• Etablissement(s) : Paris Est
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ville, Transports et Territoires
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Géométrie, structure, architecture (Paris)
• Jury : Président / Présidente : Sandrine Aubrun-Sanches
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Robert Le Roy, Jean-Denis Parisse, Loïc Couton
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Laurent Lescop, Julien Weiss

Mots clés

Mots clés contrôlés

Électricité -- Production

Aéraulique

Conception et construction

Façades

Éoliennes

Mots clés libres

Dispositifs éoliens de production d’énergie

Simulation dynamique numérique du vent

Méthode de conception avancée de l’enveloppe des bâtiments

Bâtiments à énergie zéro

Intégration de micro-Turbine aux bâtiments

L'internet de l'énergie

Wind Energy Harvesting Devices

Net-Zero Energy Building

Urban wind behavior Simulation

Advanced building skin design methodology

Building Integration Strategy

Internet of Energy

Résumé

Modélisation et étude performative de dispositifs éoliens innovants intégrés aux façades des bâtiments pour la production d’énergie et la ventilation. David Serero, Laboratoire GSA, Ecole d’architecture Paris-Malaquais, Ecole doctorale Ville Transports et Territoires Encadré par Loïc Couton (ENSA Malaquais), sous la direction de Jean-Denis Parisse (Université Aix-Marseille) et Robert Leroy (ENPC/ENSA Malaquais) Combinant analyse numérique aéraulique de type CFD (computational fluid dynamic) et relevés in situ par anémomètres connectés, cette recherche investit les réactions entre le vent et plusieurs types de conditions urbaines afin de prévoir le potentiel de l’énergie éolienne extractible dans les villes.Tout bâtiment, tout mur, génère par sa présence sur un terrain, un différentiel de pression d’air sur ces parois extérieures lié aux déplacements d’air environnants. Nos études montrent que la volumétrie et position d’un bâtiment dans son contexte peuvent ainsi être profilés et orientés pour une accélération de la vitesse du vent en sa périphérie. La thèse vise à établir une méthode de conception des bâtiments pour les architectes et ingénieurs, pour intégrer, dans le développement de leurs projets, des dispositifs éoliens de production d’énergie. Des « accélérateurs », des « ailerons », ou des « foil » permettent localement de stabiliser les turbulences du vent et d’accélérer les vitesses ponctuelles de cette énergie. En convoquant la limite de Betz, ( loi cubique entre vitesse de l’air et production énergétique d’un dispositif éolien) une petite accélération de la vitesse de l’air montre une augmentation démultipliée de la production d’énergie. Cette recherche identifie un gisement d’énergie éolien urbain qui reste à ce jour largement inexploité. Les phénomènes de turbulence, associées à des vents non réguliers ont désintéressé la plupart des acteurs de l’industrie énergétique éolienne. Mais l’amélioration des technologies de micro-éoliennes et des recherches nouvelles sur leur assemblage en grappe (clustering) permet d’envisager la mise en réseau d’un grand nombre de dispositifs à faibles nuisances dans des environnements urbains. Comment concevoir des bâtiments avec ces dispositifs de captation d’énergie, comment les intégrer à l’enveloppe et au design du bâtiment, comment envisager les ajustements structurels et des enveloppes pour éviter vibrations, et pollution sonores résultantes ?L’amélioration de la conception bioclimatique des bâtiments associée aux politiques environnementales mondiales de réduction des gaz à effets de serres permet d’envisager l’émergence d’un écosystème de partage de d’énergie (appelé internet de l’énergie ).Cette démarche, en rapprochant des zones de production et de consommation d’énergie, en limitant les couts d’infrastructure support des éoliennes ainsi que les déperditions magnétique par transport ( estimées à 30%) offre une réponse nouvelle aux attaques croissantes de cette industrie (Eoliennes : la face noire de la transition écologique, F.Bouglé) La thèse par la mise en place de dendrogrammes actionnels offre un outil de conception de système de production d’énergie embarqué ainsi qu’une méthode de profilage architectural pour favoriser l’émergence d’une architecture zéro-énergie.

The unknow potential of cities for wind energy harvesting, Modelisation and analysis of airflows for architectural designCities, because of their wide variety of building heights, streets corridors and open spaces, have an important potential in the creation of wind acceleration zones. For a long time, airflows generated by buildings have been seen as nuisance for the city. This research on urban wind, by the use of advanced computer fluid dynamics modelization (CFD) showcases that one can precisely locate and evaluate the potential of accelerated airflows around buildings. How would cities look like, in the future, if architects would seize this technology and integrate micro-wind turbines to their design ?This research analyzes several architectural designs based on the airflow simulation model we developed, compares the results with on-site wind speed data survey around buildings, and presents design examples with fully integrated design of wind turbine to building.The method developed in the research aims to provide a straightforward design methodology for architects to integrate wind energy harvesting devices to their projects.Our research proposes to address the potential of wind energy in urban city, considering that cities are now planned with high level of details 3D models, or with large scale 3D scans of buildings blocks (Lidar technology). Computer fluid dynamics simulations of large urban districts have the potential to become now part of the conceptual tools of architects and designers.Building envelopes are becoming smarter; Building’s façade or rooftops are available for wind energy harvesting devices integrated to building, such as photovoltaic panels and wind turbines.Combining connected anemometers wind survey with computational fluid dynamic (CFD) software STARCCM+, we simulated the reaction between wind and several building typologies to predict potential extracted energy by measuring wind speed acceleration (the extracted energy depends on the cube of the wind speed). The geometry of buildings contributes to wind speed enhancement.Following an in-depth analysis on the performance and behavior of existing building that integrates these devices, we further studied devices such as “aérofoil” ( an acceleration and control wing at the edge of the turbine) to accelerate wind speed to a specific point and to stabilize airflow turbulences. The aérofoil’s goal is to developed strategies to compensate the unstable airflows conditions in urban environment and to optimize the wind speed amplification effect of buildings.In conclusion, if most energy engineers have turned away from urban wind energy harvesting because of their turbulent characteristics, each building can be considered as a wind accelerator with a high potential for cities to produce renewable energy locally, closer to the consumption area.