Modélisation de la demande énergétique des bâtiments à l'échelle d'un quartier

Model the building energy demand at district scale

• Auteur / Autrice : Adrien Gros
• Direction : Christian Inard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie civil
• Date : Soutenance le 26/06/2013
• Etablissement(s) : La Rochelle
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et ingénierie des matériaux, mécanique, énergétique et aéronautique (Poitiers ; 2009-2018)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Jacques Roux
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Emmanuel Bozonnet, Hubert Despretz
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Youssef Diab, Marjorie Musy

Mots clés

Mots clés contrôlés

Urbanisme durable

Constructions -- Économies d'énergie

Microclimat urbain

Mots clés libres

Microclimat urbain

Energétique des bâtiments

Modèle zonal

Echelle du quartier

Urban microclimate

Buildings energy needs

Zonal model

District scale

Résumé

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.

Since 2007, more than half of world population lives in urban areas. The high density of population and its activity leads to an increase of building energy demand in summer. The temperature rise of densely built areas is mainly due to urban landscaping and anthropogenic heat fluxes caused by combustion flues and air conditioning of buildings. Acting on urban landscaping, like building density, surface albedo or green areas, the urban microclimate can be improved, which consequently reduces the building energy demand. We propose in this thesis a model to compute the energy demand at the district scale taking into account the interaction between urban microclimate and building energy demand.On the one hand, the aim is to describe the indoor thermal conditions as usually in thermal dynamic simulations; on the other hand, the external condition are modeled as they should be described in micro-meteorological models. To work at this scale, the detailed description of all thermal transfers inside and outside each building is not appropriate. Thus, a reduced thermal building model is coupled with a simplified urban microclimate model. The building model is based on weighting factors method and allows taking into account the internal gains, the envelope inertia, and the radiative and convective exchanges inside the building. This model is coupled with a radiative model of a district, based on radiosity method, and a tridimensional zonal model of the urban canopy. Following the description of these models, a case study of the district Pin Sec in Nantes is presented. Different scenarios of urban landscaping are simulated over one year to assess their influences on building energy demand.