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

Sommaire Introduction Aménagement urbain. Le modèle Cas d’étude Potentiel solaire actif Potentiel solaire passif Influence des paramètres Conclusions 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 Sommaire 20 Mai 2014 | Raphaël Nahon - Sergi Aguacil - Benoit Beckers

20 Mai 2014 | Raphaël Nahon - Sergi Aguacil - Benoit Beckers Introduction Le modèle Cas d’étude Potentiel solaire actif Potentiel solaire passif Influence des paramètres Conclusions Introduction du BBIO (besoin bioclimatique conventionnel) Introduction d’une condition d’accès à l’éclairage naturel 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 ...... Decret sobre condicions mínimes d’habitabilitat. 2009 ... 2012. Règlement d’urbanisme de l’arrondissement Sud-Ouest (01-280) (Montréal) ..... 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 …. 20 Mai 2014 | Raphaël Nahon - Sergi Aguacil - Benoit Beckers

20 Mai 2014 | Raphaël Nahon - Sergi Aguacil - Benoit Beckers Introduction Le modèle Cas d’étude Potentiel solaire actif Potentiel solaire passif Influence des paramètres Conclusions 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. “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. 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. 20 Mai 2014 | Raphaël Nahon - Sergi Aguacil - Benoit Beckers

Introduction Le modèle Cas d’étude Potentiel solaire actif Potentiel solaire passif Influence des paramètres Conclusions Evaluation de l’impact de la construction d’un nouveau bâtiment sur un quartier existant Cas test proposé: La Roureda, Sabadell (Barcelone) Construction 1975-1978 400 logements avec appartements de 60 m2 49ºN 41 ºN 20 Mai 2014 | Raphaël Nahon - Sergi Aguacil - Benoit Beckers

20 Mai 2014 | Raphaël Nahon - Sergi Aguacil - Benoit Beckers Introduction Le modèle Cas d’étude Potentiel solaire actif Potentiel solaire passif Influence des paramètres Conclusions Evaluation de l’impact | Projet de densification du quartier avec 40.000 m3 de bâtiments résidentiels | 4 Scenarios Etat actuel Model de calcul 3D proposé | sur les toits Périodes de simulations Annuelle: 15 déc – 15 déc P. Photovoltaïque Chauffage: 15 oct – 15 avril P. Thermique 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 20 Mai 2014 | Raphaël Nahon - Sergi Aguacil - Benoit Beckers

20 Mai 2014 | Raphaël Nahon - Sergi Aguacil - Benoit Beckers Introduction Le modèle Cas d’étude Potentiel solaire actif Potentiel solaire passif Influence des paramètres Conclusions Evaluation du potentiel solaire actif des panneaux solaires thermiques (ECS). Simulation : Hiver (15 octobre – 15 avril) Scenario 1 Coté SE: 522 kWh/m2 · an Coté NO: 300 kWh/m2 · an Energie totale: 209.365 kWh/an (0 %) Etat actuel Coté SE: 522 kWh/m2 · an Coté NO: 300 kWh/m2 · an Energie totale: 209.365 kWh/an Irradiance solaire Heliodon2 Scenario 2 Coté SE: 522 kWh/m2 · an Coté NO: 300 kWh/m2 · an Energie totale: 209.365 kWh/an (0 %) Irradiance solaire S.toits 7.616 m2 Irradiance solaire 20 Mai 2014 | Raphaël Nahon - Sergi Aguacil - Benoit Beckers

20 Mai 2014 | Raphaël Nahon - Sergi Aguacil - Benoit Beckers Introduction Le modèle Cas d’étude Potentiel solaire actif Potentiel solaire passif Influence des paramètres Conclusions Evaluation du potentiel solaire actif des panneaux solaires thermiques (ECS). Simulation : Hiver (15 octobre – 15 avril) Scenario 3 Coté SE: 460 kWh/m2 · an Coté NO: 300 kWh/m2 · an Energie totale: 195. 069 kWh/an (-7%) Etat actuel Coté SE: 522 kWh/m2 · an Coté NO: 300 kWh/m2 · an Energie totale: 209.365 kWh/an Irradiance solaire Heliodon2 Scenario 4 Coté SE: 400 kWh/m2 · an Coté NO: 300 kWh/m2 · an Energie totale: 181.587 kWh/an (-13%) Irradiance solaire S.toits 7.616 m2 Irradiance solaire 20 Mai 2014 | Raphaël Nahon - Sergi Aguacil - Benoit Beckers

20 Mai 2014 | Raphaël Nahon - Sergi Aguacil - Benoit Beckers Introduction Le modèle Cas d’étude Potentiel solaire actif Potentiel solaire passif Influence des paramètres Conclusions Analyse de de l’Irradiance sur les façades plus impactées, pour maximiser les apports solaires en période de chauffage Simulation : Hiver Etat actuel Coté SE: 46 jours /an Coté NO: 14 jours /an Coté SE: 400 kWh/m2 · an Coté NO: 50 kWh/m2 · an Energie totale: 241.178 kWh/an Potentiel lumineux Irradiance solaire S. Façades 1.323 m2 Heliodon2 Scenario 1 Coté SE: 42 jours /an Coté NO: 14 jours /an Coté SE: 400 kWh/m2 · an Coté NO: 150 kWh/m2 · an Energie totale: 226.909 kWh/an (-6%) Potentiel lumineux Irradiance solaire 20 Mai 2014 | Raphaël Nahon - Sergi Aguacil - Benoit Beckers

20 Mai 2014 | Raphaël Nahon - Sergi Aguacil - Benoit Beckers Introduction Le modèle Cas d’étude Potentiel solaire actif Potentiel solaire passif Influence des paramètres Conclusions Analyse de de l’Irradiance sur les façades plus impactées, pour maximiser les apports solaires en période de chauffage Simulation : Hiver Etat actuel Coté SE: 46 jours /an Coté NO: 14 jours /an Coté SE: 400 kWh/m2 · an Coté NO: 50 kWh/m2 · an Energie totale: 241.178 kWh/an Potentiel lumineux Irradiance solaire S. Façades 1.323 m2 Heliodon2 Scenario 2 Coté SE: 45 jours /an Coté NO: 14 jours /an Coté SE: 400 kWh/m2 · an Coté NO: 150 kWh/m2 · an Energie totale: 238.408 kWh/an (-1%) Potentiel lumineux Irradiance solaire 20 Mai 2014 | Raphaël Nahon - Sergi Aguacil - Benoit Beckers

20 Mai 2014 | Raphaël Nahon - Sergi Aguacil - Benoit Beckers Introduction Le modèle Cas d’étude Potentiel solaire actif Potentiel solaire passif Influence des paramètres Conclusions Analyse de de l’Irradiance sur les façades plus impactées, pour maximiser les apports solaires en période de chauffage Simulation : Hiver Etat actuel Coté SE: 46 jours /an Coté NO: 14 jours /an Coté SE: 400 kWh/m2 · an Coté NO: 50 kWh/m2 · an Energie totale: 241.178 kWh/an Potentiel lumineux Irradiance solaire S. Façades 1.323 m2 Heliodon2 Scenario 3 Coté SE: 23 jours /an Coté NO: 14 jours /an Coté SE: 200 kWh/m2 · an Coté NO: 150 kWh/m2 · an Energie totale: 146.156 kWh/an (-39%) Potentiel lumineux Irradiance solaire 20 Mai 2014 | Raphaël Nahon - Sergi Aguacil - Benoit Beckers

20 Mai 2014 | Raphaël Nahon - Sergi Aguacil - Benoit Beckers Introduction Le modèle Cas d’étude Potentiel solaire actif Potentiel solaire passif Influence des paramètres Conclusions Analyse de de l’Irradiance sur les façades plus impactées, pour maximiser les apports solaires en période de chauffage Simulation : Hiver Etat actuel Coté SE: 46 jours /an Coté NO: 14 jours /an Coté SE: 400 kWh/m2 · an Coté NO: 50 kWh/m2 · an Energie totale: 241.178 kWh/an Potentiel lumineux Irradiance solaire S. Façades 1.323 m2 Heliodon2 Scenario 4 Coté SE: 22 jours /an Coté NO: 14 jours /an Coté SE: 200 kWh/m2 · an Coté NO: 150 kWh/m2 · an Energie totale: 143.725 kWh/an (-41 %) Potentiel lumineux Irradiance solaire 20 Mai 2014 | Raphaël Nahon - Sergi Aguacil - Benoit Beckers

20 Mai 2014 | Raphaël Nahon - Sergi Aguacil - Benoit Beckers Introduction Le modèle Cas d’étude Potentiel solaire actif Potentiel solaire passif Influence des paramètres Conclusions Etude de l’influence de la prise en compte du positionnement des fenêtres (model 3D détaillé) Etat actuel Energie totale: 4.414.007 kWh/an Scenario 4 Energie totale: 4.260.044 kWh/an Irradiance solaire Irradiance solaire S. Façades 19.189 m2 Etat actuel Energie totale: 509.302 kWh/an Scenario 4 Energie totale: 461.665 kWh/an Irradiance solaire Irradiance solaire S. Fenêtres: 2.623 m2 20 Mai 2014 | Raphaël Nahon - Sergi Aguacil - Benoit Beckers

Introduction Le modèle Cas d’étude Potentiel solaire actif Potentiel solaire passif Influence des paramètres Conclusions Etude de l’influence de la prise en compte du positionnement des fenêtres (model 3D détaillé) Etat actuel Energie totale: 4.414.007 kWh/an Scenario 4 Energie totale: 4.260.044 kWh/an Surface de façade: 297 m2 Taux de vitrage : 15% Surface de fenêtres: 45,4 m2 Energie sur des façades avec les taux alliée Etat actuel Energie totale: 662.101 kWh/an Scenario 4 Energie totale: 639.006 kWh/an Energie calculé sur des fenêtres directement (model détaillée) Etat actuel Energie totale: 509.302 kWh/an Scenario 4 Energie totale: 461.665 kWh/an Différence entre les deux calculs +20% Energie totale: + 152.799 kWh/an +27% Energie totale: + 177.341 kWh/an 20 Mai 2014 | Raphaël Nahon - Sergi Aguacil - Benoit Beckers

20 Mai 2014 | Raphaël Nahon - Sergi Aguacil - Benoit Beckers Introduction Le modèle Cas d’étude Potentiel solaire actif Potentiel solaire passif Influence des paramètres Conclusions Contribution du rayonnement solaire en hiver (15oct-15avr) dans le bilan thermique d’un bâtiment Bilan thermique en Etat actuel Bâtiment construit en 1975 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 Note : Consommation annuelle d’énergie finale en état actuel : 106 kWh/m2·an Bilan énergétique calculer avec EnergyPlus 20 Mai 2014 | Raphaël Nahon - Sergi Aguacil - Benoit Beckers

20 Mai 2014 | Raphaël Nahon - Sergi Aguacil - Benoit Beckers Introduction Le modèle Cas d’étude Potentiel solaire actif Potentiel solaire passif Influence des paramètres Conclusions Contribution du rayonnement solaire en hiver (15oct-15avr) dans le bilan thermique d’un bâtiment Bilan thermique mis à norme Bâtiment réhabiliter selon la règlementation thermique 2013 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 Note : Consommation annuelle d’énergie finale en état actuel : 25 kWh/m2·an Bilan énergétique calculer avec EnergyPlus 20 Mai 2014 | Raphaël Nahon - Sergi Aguacil - Benoit Beckers

20 Mai 2014 | Raphaël Nahon - Sergi Aguacil - Benoit Beckers Introduction Le modèle Cas d’étude Potentiel solaire actif Potentiel solaire passif Influence des paramètres Conclusions Contribution du rayonnement solaire en hiver (15oct-15avr) dans le bilan thermique d’un bâtiment Conclusion: 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. Après rénovation, l’augmentation des charges de chauffage peut atteindre 500%. Plus le bâtiment est performant, plus la contribution de l’ensoleillement est importante sur le bilan énergétique du bâtiment. 20 Mai 2014 | Raphaël Nahon - Sergi Aguacil - Benoit Beckers

Scénario 1 Scénario 3 Scénario 2 Scénario 4 Introduction Le modèle Cas d’étude Potentiel solaire actif Potentiel solaire passif Influence des paramètres Conclusions Etude de l’influence du modèle de ciel – Modele de ciel clair – Simulation sur l’année Scénario 1 - 13 % par rapport à la simulation de référence Scénario 3 - 61 % par rapport à la simulation de référence Irradiance solaire Irradiance solaire Heliodon2 Heliodon2 Scénario 2 - 6 % par rapport à la simulation de référence Scénario 4 - 56 % par rapport à la simulation de référence Irradiance solaire Irradiance solaire 20 Mai 2014 | Raphaël Nahon - Sergi Aguacil - Benoit Beckers

20 Mai 2014 | Raphaël Nahon - Sergi Aguacil - Benoit Beckers Introduction Le modèle Cas d’étude Potentiel solaire actif Potentiel solaire passif Influence des paramètres Conclusions Etude de l’influence de la finesse du tuilage de ciel sur l’irradiance diffuse 145 Tuiles de ciel 20 000 Tuiles de ciel Irradiance solaire Irradiance solaire Une différence globale de 0.2% mais une différence allant jusqu’à 25% pour certaines fenêtres 20 Mai 2014 | Raphaël Nahon - Sergi Aguacil - Benoit Beckers

Quel est l’impact pour le niveau de détail du modèle géométrique? Introduction Le modèle Cas d’étude Potentiel solaire actif Potentiel solaire passif Influence des paramètres Conclusions 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? 20 Mai 2014 | Raphaël Nahon - Sergi Aguacil - Benoit Beckers

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

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