Modélisation du potentiel solaire à l’échelle urbaine pour l’aide a la décision Etude d’impact sur le quartier de la Roureda, Sabadell - Barcelone TVES

Modélisation du potentiel solaire à l’échelle urbaine pour l’aide a

la décision Etude d’impact sur le quartier de la Roureda,

Sabadell - Barcelone

TVES – Université de Lille 1Equipe de recherche AVENUES-GSU

Université de Technologie de Compiègne20 Mai 2014

• IntroductionAménagement urbain.Aspects solaires dans la réglementation.Potentiel solaire passif / actif / confort lumineux.

• Présentation succincte des outils de calculs

• Présentation du Cas d’étude (quartier La Roureda | Sabadell – Barcelone)

• Potentiel solaire actif des toitures (étude d’impact | différents scénarios).

• Potentiel solaire passif des façades et fenêtres (étude d’impact | différents scénarios).

• L’influence des paramètresDu choix du modèle de ciel (clair/PPS/PAW).De la finesse du tuilage de ciel.

• Conclusions

20 Mai 2014 | Raphaël Nahon - Sergi Aguacil - Benoit Beckers

Sommaire

IntroductionLe

modèleInfluence des paramètres

Potentiel solaire passif

Potentiel solaire actif

Cas d’étudeConclusio

ns


..... d’edificis d’habitatges rebin en l’obertura de la sala principal 1 hora d'assolellament directe entre les 10 i les 12 hores solars en el solstici d’hivern ......

Decret d'ecoeficiència (Catalunya) 21/2006 – 14 Febrer

Pla director urbanístic 2010

Incroyablement actuellementils on enlevé cette condition !!

..... d’edificis d’habitatges rebin en l’obertura de la sala principal 1 hora d'assolellament directe entre les 10 i les 12 hores solars en el solstici d’hivern ......

… une durée minimale d'ensoleillement à l'équinoxe d'au moins 1 h 30 consécutives entre 12 h et 15 h sur les tronçons d'artères d'orientation est-ouest ….

Règlement d’urbanisme de l’arrondissement Sud-Ouest (01-280) (Montréal)

Decret sobre condicions mínimes d’habitabilitat.2009 ... 2012.

Introduction du BBIO (besoin bioclimatique conventionnel)Introduction d’une condition d’accès à l’éclairage naturel

IntroductionLe





ns


IntroductionLe





ns

Heliodon 2TM, développé par Benoit Beckers et Luc Masset :Logiciel pour l’évaluation interactive de la radiation solaire et de la lumière naturelle dans les projets architecturaux et urbains. • Modèle de ciel clair de Liu et Jordan [Liu & Jordan, 1960].• Pas de prise en compte des réfexions.

EnergyPlus, U.S. Department of energy:Logiciel pour l’analyse énergétique et thermique des bâtiments.• Modèle de ciel anisotrope concentré (PPS) [Perez, 1990]• Prise en compte des réfexions. • Estimation des approts solaires et des besoins en chauffage des

bâtiments.

B.Y.H. Liu and R.C. Jordan, “The interrelationship and characteristics distribution of direct, diffuse and total solar radiation”, Solar Energy, 1960, vol. 4, no. 3, pp. 1-19.Perez, R, Ineichen, P, Seals, R & Michalsky, J, “Modeling daylight availability and Irradiance components from direct and global Irradiance ”, Solar Energy, 1990, Vol. 44. No. 5. pp. 271-289. Perez, R, Seals, R & J Michalsky, 'All-weather model for sky luminance distribution - preliminary configuration and validation', Solar Energy, 1993, Vol. 50, No, 3, pp. 235-245.

“Heliodon 3” (prototype), code MATLAB développé au sein du laboratoire AVENUES :Logiciel pour l’analyse solaire à l’échelle urbaine• Choix du modèle de ciel : Liu Jordan / Anisotrope concentré / Anisotrope distirbué [Perez 1993].• Contrôle de la finesse du tuilage du ciel• Prise en compte des réfexions.


Cas test proposé:

La Roureda, Sabadell (Barcelone)

Construction 1975-1978

400 logements avec appartements de 60 m2

41 ºN

49ºN

Evaluation de l’impact de la construction d’un nouveau bâtiment sur un quartier existant

IntroductionLe





ns


Etat actuel Model de calcul 3D proposé | sur les toits

Scenario 1 Scenario 2 Scenario 3 Scenario 4

Projet de deux nouveaux bâtiments de 5 étages.

Surface occupé : 2.636 m2

Projet d’un seul bâtiment, un bloc de 10 étages et un autre de 5 étages.

Surface occupé : 1.645 m2

Projet d’un seul bâtiment, une tour composée de deux blocs de 15 étages chacun.

Surface occupé : 900 m2

Projet d’un seul bâtiment, une tour composée de deux blocs de 19 et 11 étages.

Surface occupé : 900 m2

Périodes de simulations

Annuelle: 15 déc – 15 déc

Chauffage: 15 oct – 15 avril

P. Photovoltaïque

P. Thermique

Evaluation de l’impact | Projet de densification du quartier avec 40.000 m3 de bâtiments résidentiels | 4 Scenarios

IntroductionLe





ns

Evaluation du potentiel solaire actif des panneaux solaires thermiques (ECS). Simulation : Hiver (15 octobre – 15 avril)


Etat actuel

Irra

dia

nce s

ola

ire

Irra

dia

nce s

ola

ire

S.toits 7.616 m2

Coté SE: 522 kWh/m2 · anCoté NO: 300 kWh/m2 · an

Heliodon2

Irra

dia

nce s

ola

ire


Scenario 2

Energie totale:209.365 kWh/an

Energie totale:209.365 kWh/an (0 %)


Scenario 1

Energie totale:209.365 kWh/an (0 %)

IntroductionLe





ns

Evaluation du potentiel solaire actif des panneaux solaires thermiques (ECS). Simulation : Hiver (15 octobre – 15 avril)


Irra

dia

nce s

ola

ire

Heliodon2

Irra

dia

nce s

ola

ire


Scenario 4

Energie totale:181.587 kWh/an (-13%)


Scenario 3

Energie totale:195. 069 kWh/an (-7%)

IntroductionLe





ns

Etat actuel

Irra

dia

nce s

ola

ire

S.toits 7.616 m2




Analyse de de l’Irradiance sur les façades plus impactées, pour maximiser les apports solaires en période de chauffage Simulation : Hiver

Etat actuel

Pote

nti

el

lum

ineu

x

Irra

dia

nce s

ola

ire

Coté SE: 46 jours /anCoté NO: 14 jours /an

S. Façades 1.323 m2


Heliodon2

Pote

nti

el

lum

ineu

x

Irra

dia

nce s

ola

ire



Scenario 1



IntroductionLe





ns



Etat actuel

Pote

nti

el

lum

ineu

x

Irra

dia

nce s

ola

ire




Heliodon2

Pote

nti

el

lum

ineu

x

Irra

dia

nce s

ola

ire



Scenario 2



IntroductionLe





ns



Etat actuel

Pote

nti

el

lum

ineu

x

Irra

dia

nce s

ola

ire




Heliodon2

Pote

nti

el

lum

ineu

x

Irra

dia

nce s

ola

ire



Scenario 3



IntroductionLe





ns



Etat actuel

Pote

nti

el

lum

ineu

x

Irra

dia

nce s

ola

ire




Heliodon2

Pote

nti

el

lum

ineu

x

Irra

dia

nce s

ola

ire



Scenario 4


Energie totale:143.725 kWh/an (-41 %)

IntroductionLe





ns


Etude de l’influence de la prise en compte du positionnement des fenêtres (model 3D détaillé)

Etat actuel

Irra

dia

nce s

ola

ire

Irra

dia

nce s

ola

ire


Irra

dia

nce s

ola

ire

Irra

dia

nce s

ola

ire

Energie totale: 4.414.007 kWh/an Scenario 4

S. Fenêtres: 2.623 m2

Etat actuel Scenario 4

Energie totale: 4.260.044 kWh/an

Energie totale: 509.302 kWh/an Energie totale: 461.665 kWh/an

IntroductionLe





ns


Etat actuel Scenario 4Energie totale: 509.302 kWh/an Energie totale: 461.665 kWh/an

Surface de façade: 297 m2

Taux de vitrage :

15%

Surface de fenêtres: 45,4 m2

Etat actuel Energie totale: 4.414.007 kWh/an Scenario 4 Energie totale: 4.260.044 kWh/an

Etat actuel Scenario 4Energie totale: 662.101 kWh/an Energie totale: 639.006 kWh/an

Energie sur des façades avec les taux alliée

Energie calculé sur des fenêtres directement (model détaillée)

+20% +27%Energie totale: + 152.799 kWh/an Energie totale: + 177.341 kWh/an

Différence entre les deux calculs

IntroductionLe





ns

Etude de l’influence de la prise en compte du positionnement des fenêtres (model 3D détaillé)


Bilan énergétique calculer avec EnergyPlus

-60,00

-50,00

-40,00

-30,00

-20,00

-10,00

0,00

10,00

20,00

éner

gie

tota

l [kW

h/m

2]

bilan | hiver (15 oct. – 15 avr.) Vitrage

Murs extérieurs

Plafonds intérieurs

Sol

Murs intérieurs

Toiture

Ventilation

Infiltrations

Eclairage

Ordinateurs et Equipement

Occupation

Gains solaires (fenêtres)

Besoins de chauffage

Eau chaude sanitaire

Pertes d’énergie

Gains d’énergie

Beso

ins

de c

hauff

age

38,3

%35

%

Bilan thermique en Etat actuel

Bâtiment construit en 1975

Note : Consommation annuelle d’énergie finale en état actuel :

106 kWh/m2·an

Contribution du rayonnement solaire en hiver (15oct-15avr) dans le bilan thermique d’un bâtiment

Caractéristiques:

Murs extérieurs U: 1,48 W/m2·K

Toiture U: 1,29 W/m2·K

Vitrage U: 5,81 W/m2·K

Infiltrations 50 m3/h·m2 (Δ: 100 Pa)

Etanchéité Clase 0

IntroductionLe





ns

-60,00

-50,00

-40,00

-30,00

-20,00

-10,00

0,00

10,00

20,00

éner

gie

tota

l [kW

h/m

2]

bilan | hiver (15 oct. – 15 avr.) Vitrage

Murs extérieurs

Plafonds intérieurs

Sol

Murs intérieurs

Toiture

Ventilation

Infiltrations

Eclairage

Ordinateurs et Equipement

Occupation

Gains solaires (fenêtres)

Besoins de chauffage

Eau chaude sanitaire

Beso

ins d

e ch

auff

age

34,7

%

500

%Pertes d’énergie

Gains d’énergie



Bilan énergétique calculer avec EnergyPlus

Bilan thermique mis à norme

Bâtiment réhabiliter selon la règlementation thermique

2013

Note : Consommation annuelle d’énergie finale en état actuel :

25 kWh/m2·an

Caractéristiques:

Murs extérieurs U: 0,44 W/m2·K

Toiture U: 0,36 W/m2·K

Vitrage U: 3,15 W/m2·K

Infiltrations 3 m3/h·m2 (Δ: 100 Pa)

Etanchéité Clase 4

IntroductionLe





ns


Conclusion:

1. En hiver les gains solaires représentent 38 % de gains dans le bilan énergétique du bâtiment étudié. Une perte de l’accès au rayonnement solaire due à la construction d’un nouveau bâtiment peut engendrer une augmentation de 35 % des charges de chauffage.

2. Après rénovation, l’augmentation des charges de chauffage peut atteindre 500%.

3. Plus le bâtiment est performant, plus la contribution de l’ensoleillement est importante sur le bilan énergétique du bâtiment.


IntroductionLe





ns

Etude de l’influence du modèle de ciel – Modele de ciel clair – Simulation sur l’année


Irra

dia

nce s

ola

ire

Heliodon2

Irra

dia

nce s

ola

ire

Scénario 4

Scénario 3

IntroductionLe





ns Ir

rad

ian

ce s

ola

ire

Heliodon2

Irra

dia

nce s

ola

ire

Scénario 2

Scénario 1

- 56 % par rapport à la simulation de référence




Etude de l’influence de la finesse du tuilage de ciel sur l’irradiance diffuse


145 Tuiles de ciel

Irra

dia

nce s

ola

ire

IntroductionLe





ns

20 000 Tuiles de ciel

Irra

dia

nce s

ola

ire

Une différence globale de 0.2% mais une différence allant jusqu’à 25% pour certaines fenêtres


IntroductionLe





ns

Conclusion:

Nous avons ici présenté les résultats de l’étude d’impact d’un scénario d’aménagement sur son environnement direct. L’analyse des différents scénarios montre que l’impact d’un projet d’aménagement sur les conditions de confort et les charges de chauffage des bâtiments l’environnant, ou encore son potentiel de production d’énergie PV n’est pas négligeable et doit-être étudié dans les phases amonts du projet. Une analyse de l’influence du modèle de ciel et de la finesse du tuilage de la voute céleste a été présentée et révèle l’importance variable de ces paramètres en fonction de l’analyse réalisée.

Il est toutefois difficile de définir le scénario au plus fort potentiel solaire, ce dernier dépendant du critère retenu et des contraintes fixées : maximiser un potentiel solaire photovoltaïque en toiture, minimiser les charges de chauffage globale sur un quartier, imposer un ensoleillement minimale sur l’ensemble des fenêtres du quartier, limiter l’occupation du sol…

Les algorithmes d’optimisation multi objectifs : Une piste pour la détermination d’un potentiel bioclimatique pour une zone donnée?Quel est l’impact pour le niveau de détail du modèle géométrique?

Merci de votre attention

Équipe de recherches AVENUES-GSUUniversité de Technologie de Compiègne

20 Mai 2014

UTCGSU

AVENUEScentre Pierre Guillaumat

Rue du Docteur SchweitzerCompiègne, 60200 FRANCE

www.utc.fr/avenues/

Auteurs:

Raphaël Nahon (Doctorant | Université de l’Ille)

Sergi Aguacil (Doctorant | Univestitat Politècnica de Catalunya)

Benoit Beckers (Directeur du laboratoire GSU-AVENUES | UTC)

Équipe de recherches AVENUES-GSUUniversité de Technologie de Compiègne

20 Mai 2014

Documents

Modélisation du potentiel solaire à l’échelle urbaine pour l’aide a la décision Etude d’impact sur le quartier de la Roureda, Sabadell - Barcelone TVES