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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.

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1 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 1 Equipe de recherche AVENUES-GSU Université de Technologie de Compiègne 20 Mai 2014

2 Introduction Aménagement 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 paramètres Du 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 modèle Influence des paramètres Potentiel solaire passif Potentiel solaire actifCas d’étudeConclusions

3 20 Mai 2014 | Raphaël Nahon - Sergi Aguacil - Benoit Beckers..... 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 actuellement ils 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 Introduction du BBIO (besoin bioclimatique conventionnel) Introduction d’une condition d’accès à l’éclairage naturel IntroductionLe modèle Influence des paramètres Potentiel solaire passif Potentiel solaire actifCas d’étudeConclusions

4 20 Mai 2014 | Raphaël Nahon - Sergi Aguacil - Benoit Beckers IntroductionLe modèle Influence des paramètres Potentiel solaire passif Potentiel solaire actifCas d’étudeConclusions 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 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 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 “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.

5 20 Mai 2014 | Raphaël Nahon - Sergi Aguacil - Benoit Beckers Cas test proposé: La Roureda, Sabadell (Barcelone) Construction 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 modèle Influence des paramètres Potentiel solaire passif Potentiel solaire actifCas d’étudeConclusions

6 20 Mai 2014 | Raphaël Nahon - Sergi Aguacil - Benoit Beckers Etat actuel Model de calcul 3D proposé | sur les toits Scenario 1Scenario 2Scenario 3 Scenario 4 Projet de deux nouveaux bâtiments de 5 étages. Surface occupé : m2 Projet d’un seul bâtiment, un bloc de 10 étages et un autre de 5 étages. Surface occupé : 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 m3 de bâtiments résidentiels | 4 Scenarios IntroductionLe modèle Influence des paramètres Potentiel solaire passif Potentiel solaire actifCas d’étudeConclusions

7 Evaluation du potentiel solaire actif des panneaux solaires thermiques (ECS). Simulation : Hiver (15 octobre – 15 avril) 20 Mai 2014 | Raphaël Nahon - Sergi Aguacil - Benoit Beckers Etat actuel Irradiance solaire S.toits m2 Coté SE: 522 kWh/m2 · an Coté NO: 300 kWh/m2 · an Heliodon2 Irradiance solaire Coté SE: 522 kWh/m2 · an Coté NO: 300 kWh/m2 · an Scenario 2 Energie totale: kWh/an Energie totale: kWh/an (0 %) Coté SE: 522 kWh/m2 · an Coté NO: 300 kWh/m2 · an Scenario 1 Energie totale: kWh/an (0 %) IntroductionLe modèle Influence des paramètres Potentiel solaire passif Potentiel solaire actifCas d’étudeConclusions

8 Evaluation du potentiel solaire actif des panneaux solaires thermiques (ECS). Simulation : Hiver (15 octobre – 15 avril) 20 Mai 2014 | Raphaël Nahon - Sergi Aguacil - Benoit Beckers Irradiance solaire Heliodon2 Irradiance solaire Coté SE: 400 kWh/m2 · an Coté NO: 300 kWh/m2 · an Scenario 4 Energie totale: kWh/an (-13%) Coté SE: 460 kWh/m2 · an Coté NO: 300 kWh/m2 · an Scenario 3 Energie totale: kWh/an (-7%) IntroductionLe modèle Influence des paramètres Potentiel solaire passif Potentiel solaire actifCas d’étudeConclusions Etat actuel Irradiance solaire S.toits m2 Coté SE: 522 kWh/m2 · an Coté NO: 300 kWh/m2 · an Energie totale: kWh/an

9 20 Mai 2014 | Raphaël Nahon - Sergi Aguacil - Benoit Beckers Analyse de de l’Irradiance sur les façades plus impactées, pour maximiser les apports solaires en période de chauffage Simulation : Hiver Etat actuel Potentiel lumineuxIrradiance solaire Coté SE: 46 jours /an Coté NO: 14 jours /an S. Façades m2 Coté SE: 400 kWh/m2 · an Coté NO: 50 kWh/m2 · an Heliodon2 Potentiel lumineux Irradiance solaire Coté SE: 42 jours /an Coté NO: 14 jours /an Coté SE: 400 kWh/m2 · an Coté NO: 150 kWh/m2 · an Scenario 1 Energie totale: kWh/an Energie totale: kWh/an (-6%) IntroductionLe modèle Influence des paramètres Potentiel solaire passif Potentiel solaire actifCas d’étudeConclusions

10 20 Mai 2014 | Raphaël Nahon - Sergi Aguacil - Benoit Beckers Analyse de de l’Irradiance sur les façades plus impactées, pour maximiser les apports solaires en période de chauffage Simulation : Hiver Etat actuel Potentiel lumineuxIrradiance solaire Coté SE: 46 jours /an Coté NO: 14 jours /an S. Façades m2 Coté SE: 400 kWh/m2 · an Coté NO: 50 kWh/m2 · an Heliodon2 Potentiel lumineux Irradiance solaire Coté SE: 45 jours /an Coté NO: 14 jours /an Coté SE: 400 kWh/m2 · an Coté NO: 150 kWh/m2 · an Scenario 2 Energie totale: kWh/an Energie totale: kWh/an (-1%) IntroductionLe modèle Influence des paramètres Potentiel solaire passif Potentiel solaire actifCas d’étudeConclusions

11 20 Mai 2014 | Raphaël Nahon - Sergi Aguacil - Benoit Beckers Analyse de de l’Irradiance sur les façades plus impactées, pour maximiser les apports solaires en période de chauffage Simulation : Hiver Etat actuel Potentiel lumineuxIrradiance solaire Coté SE: 46 jours /an Coté NO: 14 jours /an S. Façades m2 Coté SE: 400 kWh/m2 · an Coté NO: 50 kWh/m2 · an Heliodon2 Potentiel lumineux Irradiance solaire Coté SE: 23 jours /an Coté NO: 14 jours /an Coté SE: 200 kWh/m2 · an Coté NO: 150 kWh/m2 · an Scenario 3 Energie totale: kWh/an Energie totale: kWh/an (-39%) IntroductionLe modèle Influence des paramètres Potentiel solaire passif Potentiel solaire actifCas d’étudeConclusions

12 20 Mai 2014 | Raphaël Nahon - Sergi Aguacil - Benoit Beckers Analyse de de l’Irradiance sur les façades plus impactées, pour maximiser les apports solaires en période de chauffage Simulation : Hiver Etat actuel Potentiel lumineuxIrradiance solaire Coté SE: 46 jours /an Coté NO: 14 jours /an S. Façades m2 Coté SE: 400 kWh/m2 · an Coté NO: 50 kWh/m2 · an Heliodon2 Potentiel lumineux Irradiance solaire Coté SE: 22 jours /an Coté NO: 14 jours /an Coté SE: 200 kWh/m2 · an Coté NO: 150 kWh/m2 · an Scenario 4 Energie totale: kWh/an Energie totale: kWh/an (-41 %) IntroductionLe modèle Influence des paramètres Potentiel solaire passif Potentiel solaire actifCas d’étudeConclusions

13 20 Mai 2014 | Raphaël Nahon - Sergi Aguacil - Benoit Beckers Etude de l’influence de la prise en compte du positionnement des fenêtres (model 3D détaillé) Etat actuel Irradiance solaire S. Façades m2 Irradiance solaire Energie totale: kWh/anScenario 4 S. Fenêtres: m2 Etat actuelScenario 4 Energie totale: kWh/an Energie totale: kWh/anEnergie totale: kWh/an IntroductionLe modèle Influence des paramètres Potentiel solaire passif Potentiel solaire actifCas d’étudeConclusions

14 20 Mai 2014 | Raphaël Nahon - Sergi Aguacil - Benoit Beckers Etat actuelScenario 4Energie totale: kWh/anEnergie totale: kWh/an Surface de façade: 297 m2 Taux de vitrage : 15% Surface de fenêtres: 45,4 m2 Etat actuelEnergie totale: kWh/anScenario 4Energie totale: kWh/an Etat actuelScenario 4Energie totale: kWh/anEnergie totale: kWh/an Energie sur des façades avec les taux alliée Energie calculé sur des fenêtres directement (model détaillée) +20%+27% Energie totale: kWh/anEnergie totale: kWh/an Différence entre les deux calculs IntroductionLe modèle Influence des paramètres Potentiel solaire passif Potentiel solaire actifCas d’étudeConclusions Etude de l’influence de la prise en compte du positionnement des fenêtres (model 3D détaillé)

15 20 Mai 2014 | Raphaël Nahon - Sergi Aguacil - Benoit Beckers Bilan énergétique calculer avec EnergyPlus 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 modèle Influence des paramètres Potentiel solaire passif Potentiel solaire actifCas d’étudeConclusions

16 20 Mai 2014 | Raphaël Nahon - Sergi Aguacil - Benoit Beckers Contribution du rayonnement solaire en hiver (15oct-15avr) dans le bilan thermique d’un bâtiment 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 modèle Influence des paramètres Potentiel solaire passif Potentiel solaire actifCas d’étudeConclusions

17 20 Mai 2014 | Raphaël Nahon - Sergi Aguacil - Benoit Beckers 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. Contribution du rayonnement solaire en hiver (15oct-15avr) dans le bilan thermique d’un bâtiment IntroductionLe modèle Influence des paramètres Potentiel solaire passif Potentiel solaire actifCas d’étudeConclusions

18 Etude de l’influence du modèle de ciel – Modele de ciel clair – Simulation sur l’année 20 Mai 2014 | Raphaël Nahon - Sergi Aguacil - Benoit Beckers Irradiance solaire Heliodon2 Irradiance solaire Scénario 4 Scénario 3 IntroductionLe modèle Influence des paramètres Potentiel solaire passif Potentiel solaire actifCas d’étudeConclusions Irradiance solaire Heliodon2 Irradiance solaire Scénario 2 Scénario % par rapport à la simulation de référence - 13 % par rapport à la simulation de référence- 61 % par rapport à la simulation de référence - 6 % par rapport à la simulation de référence

19 Etude de l’influence de la finesse du tuilage de ciel sur l’irradiance diffuse 20 Mai 2014 | Raphaël Nahon - Sergi Aguacil - Benoit Beckers 145 Tuiles de ciel Irradiance solaire IntroductionLe modèle Influence des paramètres Potentiel solaire passif Potentiel solaire actifCas d’étudeConclusions Tuiles de ciel Irradiance solaire Une différence globale de 0.2% mais une différence allant jusqu’à 25% pour certaines fenêtres

20 20 Mai 2014 | Raphaël Nahon - Sergi Aguacil - Benoit Beckers IntroductionLe modèle Influence des paramètres Potentiel solaire passif Potentiel solaire actifCas d’étudeConclusions 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?

21 Merci de votre attention Équipe de recherches AVENUES-GSU Université de Technologie de Compiègne 20 Mai 2014

22 UTC GSU AVENUES centre Pierre Guillaumat Rue du Docteur Schweitzer Compiègne, FRANCE 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-GSU Université de Technologie de Compiègne 20 Mai 2014


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