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UNIVERSITÉ DE TECHNOLOGIE COMPIÈGNE Matinée Avenues-Roberval 19/05/2014 Optimisation de forme d’un damier urbain soumis au rayonnement solaire Thibaut.

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1 UNIVERSITÉ DE TECHNOLOGIE COMPIÈGNE Matinée Avenues-Roberval 19/05/2014 Optimisation de forme d’un damier urbain soumis au rayonnement solaire Thibaut Vermeulen (Avenues/Roberval) Benoit Beckers (AVENUES) Pierre Villon (Roberval) Catherine Vayssade (Roberval)

2 2Plan Introduction/Problématique Conditions de l’optimisation Modélisation solaire Optimisation Optimisation de grilles de bâtiments rectangulaires et hexagonales Optimisation de cellules urbaines Conclusion

3 3Introduction/Problématique Qu’est-ce qu’un bon quartier vis-à vis du rayonnement solaire ? Rayonnement mis à profit pour le chauffage Confort lumineux Confort thermique Panneaux solaires Objectif 1: améliorer le potentiel solaire en ville aux dates critiques (hiver) Algorithme génétique pour rechercher les meilleures formes urbaines Calcul sur des grilles théoriques de bâtiments Objectif 2: étudier les formes urbaines en modifiant le critère Différentes dates pour le rayonnement direct Facteur de vue du ciel

4 4Rayonnement solaire Rayonnement direct Modèle de ciel clair de Liu & Jordan (1960) Facteur de vue du ciel moyen sur une surface Latitude, heure, date Trajets solaires Puissance du rayonnement direct Calcul des ombres (intersection de polygones) Energie sur les surfaces Rayonnement diffus Facteurs de vue du ciel (FVC)

5 5 Beaucoup de minima locaux et de symétries Contrainte sur le volume à construire imposée Algorithme génétique Bonne exploration de l’ensemble des paramètres Opérateurs ajustés au problème Evaluation Optimisation génétique adaptée Population initiale admissible Sélection Croisement Mutation Réparation Condition d’arrêt atteinte Condition d’arrêt atteinte Sélection élitiste Croisement de sous-quartiers Mutation : - échange la position de deux bâtiments - perturbe aléatoirement un paramètre Réparation: répartit localement ou en distribuant le volume à ajouter/retirer

6 6 Géométries urbaines simplifiées par des grilles régulières Variables : hauteur des bâtiments : Contraintes : Hauteur des bâtiments Volume à bâtir Géométries urbaines Grille rectangulaire Grille hexagonale

7 7Exemple 1 : optimisation des hauteurs de bâtiments sur une grille Bâtiments sur une grille 5*5 (Kämpf 2009) Paramètres : hauteurs des bâtiments Source : (Kämpf 2009)  maximise l’énergie annuelle incidente sous le climat de Bâle (Suisse) avec Radiance (modèle de Perez 1993) Ciel cumulé annuel Source : (Robinson 2004)

8 8 Objectif : maximiser le rayonnement solaire direct au pire jour (21 décembre) Somme de l’énergie sur toutes les surfaces (toits compris) Exemple 1 : grille rectangulaire Façade sud : 91 % du rayonnement direct normal

9 9Exemple 1 : grille rectangulaire + volume Enveloppe du quartier Rayonnement direct

10 10Exemple 2 : grille hexagonale Grille hexagonale : orientations différentes de l’enveloppe Rayonnement direct

11 11Exemple 2 : grille hexagonale 50° N Trajet solaire du solstice d’été et hiver :  Radiation principalement du zénith, de l’est et de l’ouest Rayonnement direct

12 12Exemple 2 : grille hexagonale, vue du ciel Maximiser le facteur de vue du ciel moyen sur les façades du quartier Facteur de vue du ciel Grands bâtiments Petits bâtiments

13 13 Pour éviter un contexte fixe ou l’absence de contexte  Contexte = cellule reproduite sur une grille Suppose une périodicité des meilleures formes urbaines Irradiation calculée sur chaque bâtiment dans un certain périmètre Optimisation sur plusieurs tailles de cellules  recherche d’une période Cellule urbaine

14 14Cellule urbaine : résultats Cellule optimisée pour le rayonnement direct le 21 décembre (50° N) Cellule optimisée Rayonnement direct

15 15Cellule urbaine : résultats Rayonnement direct 21 mars / 21 septembre 50° N Cellule optimisée pour le rayonnement direct le 21 mars (50° N) Dans toutes les solutions : rangées de bâtiments Est-Ouest

16 16Cellule urbaine : résultats Facteur de vue du ciel Facteur de vue du ciel moyen : bâtiments écartés

17 17Conclusions Cellules Pas d’amélioration des FO liées au rayonnement direct/FVC avec la taille de la cellule Différences observées lorsque le volume à bâtir sur une même surface est plus important Le rayonnement solaire direct et diffus peut se ramener géométriquement à un ensemble de directions

18 18 Merci de votre attention

19 19Références (Ng 2010) Ng, E. (2010). Designing for Urban Ventilation, in Designing high-density cities. Earthscan (Bokeloh 2010) Bokeloh, M., Wand, M., & Seidel, H. (2010). A connection between partial symmetry and inverse procedural modeling. ACM Transactions on Graphics (TOG). (El Ansary 2014) El Ansary, A. M., & Shalaby, M. F. (2014). Evolutionary optimization technique for site layout planning. Sustainable Cities and Society (Littlefair 1998) Littlefair, P. (1998). Passive solar urban design: ensuring the penetration of solar energy into the city. Renewable and Sustainable Energy Reviews. (Eaton 2001) Eaton, R. (2001). Cités idéales, L'utopisme et l'environnement (non) bâti. Anvers, Fonds Mercator (Harzallah 2007) Harzallah, A. (2007). Emergence et évolutions des préconisations solaires dans les théories architecturales et urbaines en France, de la seconde moitié du XIXème siècle à la deuxième guerre mondiale. Thèse de doctorat. Ecole Nationale Supérieure d'Architecture de Nantes. Université de Nantes. (Siret 2006) Siret, D., & Harzallah, A. (2006). Architecture et contrôle de l’ensoleillement. In Congrès IBPSA France. (Montavon 2010) Montavon, M. (2010). Optimisation of Urban Form by the Evaluation of the Solar Potential. City. PhD thesis, EPFL. (Knowles 2003) Knowles, R. (2003). The solar envelope: its meaning for energy and buildings. Energy and Buildings, 35, 15–25 (Compagnon 2004) Compagnon, R. (2004). Solar and daylight availability in the urban fabric. Energy and Buildings, 36(4), 321– 328.

20 20 (Van Esch 2012) Van Esch, M., Looman, R., & Bruin-Hordijk, G. de. (2012). The effects of urban and building design parameters on solar access to the urban canyon and the potential for direct passive solar heating strategies. Energy and Buildings, 47, 189–200 (Vanegas 2012) Vanegas, C., & Garcia-Dorado, I. (2012). Inverse design of urban procedural models. ACM Transactions on Graphics


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