Personaje: Amedeo Clemente Modigliani

Report
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
Introduction
Le modèle
Cas d’étude
Potentiel solaire actif
Potentiel solaire passif
Influence des paramètres
Conclusions
Sommaire
•
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
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
..... 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
......
Incroyablement actuellement
ils on enlevé cette condition !!
Decret sobre condicions mínimes d’habitabilitat.
2009 ... 2012.
Règlement d’urbanisme de
l’arrondissement Sud-Ouest (01-280)
(Montréal)
… 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 estouest ….
..... 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 ......
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. 235245.
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
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
Model de calcul 3D proposé | sur les toits
Etat actuel
Périodes de simulations
Scenario 1
Projet de deux nouveaux
bâtiments de 5 étages.
Annuelle: 15 déc – 15 déc
P. Photovoltaïque
Chauffage: 15 oct – 15 avril
P. Thermique
Scenario 2
Scenario 3
Scenario 4
Projet d’un seul bâtiment, un
bloc de 10 étages et un autre
de 5 étages.
Projet d’un seul bâtiment, une
tour composée de deux blocs
de 15 étages chacun.
Projet d’un seul bâtiment, une
tour composée de deux blocs
de 19 et 11 étages.
Surface occupé : 1.645 m2
Surface occupé : 900 m2
Surface occupé : 900 m2
Surface occupé : 2.636 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
Evaluation du potentiel solaire actif des panneaux solaires thermiques (ECS). Simulation : Hiver (15 octobre – 15 avril)
Coté SE: 522 kWh/m2 · an
Coté NO: 300 kWh/m2 · an
Energie totale:
209.365 kWh/an
Irradiance solaire
Energie totale:
209.365 kWh/an (0 %)
Heliodon2
Scenario 2
S.toits 7.616 m2
Coté SE: 522 kWh/m2 · an
Coté NO: 300 kWh/m2 · an
Energie totale:
209.365 kWh/an (0 %)
Irradiance solaire
Etat actuel
Coté SE: 522 kWh/m2 · an
Coté NO: 300 kWh/m2 · an
Irradiance solaire
Scenario 1
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)
Coté SE: 522 kWh/m2 · an
Coté NO: 300 kWh/m2 · an
Energie totale:
209.365 kWh/an
Irradiance solaire
Energie totale:
195. 069 kWh/an (-7%)
Heliodon2
Scenario 4
S.toits 7.616 m2
Coté SE: 400 kWh/m2 · an
Coté NO: 300 kWh/m2 · an
Energie totale:
181.587 kWh/an (-13%)
Irradiance solaire
Etat actuel
Coté SE: 460 kWh/m2 · an
Coté NO: 300 kWh/m2 · an
Irradiance solaire
Scenario 3
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
Coté SE: 46 jours /an
Coté NO: 14 jours /an
Coté SE: 400 kWh/m2 · an
Coté NO: 50 kWh/m2 · an
S. Façades 1.323 m2
Heliodon2
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%)
Irradiance solaire
Scenario 1
Potentiel lumineux
Energie totale:
241.178 kWh/an
Irradiance solaire
Potentiel lumineux
Etat actuel
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
Coté SE: 46 jours /an
Coté NO: 14 jours /an
Coté SE: 400 kWh/m2 · an
Coté NO: 50 kWh/m2 · an
S. Façades 1.323 m2
Heliodon2
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%)
Irradiance solaire
Potentiel lumineux
Scenario 2
Energie totale:
241.178 kWh/an
Irradiance solaire
Potentiel lumineux
Etat actuel
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
Coté SE: 46 jours /an
Coté NO: 14 jours /an
Coté SE: 400 kWh/m2 · an
Coté NO: 50 kWh/m2 · an
S. Façades 1.323 m2
Heliodon2
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%)
Irradiance solaire
Potentiel lumineux
Scenario 3
Energie totale:
241.178 kWh/an
Irradiance solaire
Potentiel lumineux
Etat actuel
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
Coté SE: 46 jours /an
Coté NO: 14 jours /an
Coté SE: 400 kWh/m2 · an
Coté NO: 50 kWh/m2 · an
S. Façades 1.323 m2
Heliodon2
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 %)
Irradiance solaire
Potentiel lumineux
Scenario 4
Energie totale:
241.178 kWh/an
Irradiance solaire
Potentiel lumineux
Etat actuel
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)
Scenario 4
Energie totale: 4.260.044 kWh/an
Scenario 4
Energie totale: 461.665 kWh/an
Irradiance solaire
Energie totale: 4.414.007 kWh/an
Irradiance solaire
Etat actuel
S. Façades 19.189 m2
Irradiance solaire
Energie totale: 509.302 kWh/an
Irradiance solaire
Etat actuel
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
Scenario 4
Energie totale: 461.665 kWh/an
+27%
Energie totale: + 177.341 kWh/an
Energie calculé sur des fenêtres directement (model détaillée)
Etat actuel
Energie totale: 509.302 kWh/an
Différence entre les deux calculs
+20%
Energie totale: + 152.799 kWh/an
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 | hiver (15 oct. – 15 avr.)
Vitrage
Gains d’énergie
20,00
Bilan thermique en Etat actuel
Murs extérieurs
Bâtiment construit en 1975
Plafonds intérieurs
38,3 %
10,00
Sol
-10,00
Besoins de chauffage
-20,00
-30,00
-40,00
-50,00
-60,00
Pertes d’énergie
35 %
énergie total [kWh/m2]
0,00
Murs intérieurs
Caractéristiques:
Toiture
Murs extérieurs  U: 1,48 W/m2·K
Ventilation
Toiture  U: 1,29 W/m2·K
Infiltrations
Vitrage  U: 5,81 W/m2·K
Eclairage
Ordinateurs et Equipement
Infiltrations  50 m3/h·m2 (Δ: 100 Pa)
Etanchéité Clase 0
Occupation
Gains solaires (fenêtres)
Besoins de chauffage
Eau chaude sanitaire
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
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 | hiver (15 oct. – 15 avr.)
Gains d’énergie
20,00
Bilan thermique mis à norme
Vitrage
Murs extérieurs
Plafonds intérieurs
34,7 %
10,00
Murs intérieurs
Caractéristiques:
500 %
Toiture
Murs extérieurs  U: 0,44 W/m2·K
Ventilation
Toiture  U: 0,36 W/m2·K
Besoins de chauffage
Sol
Infiltrations
Vitrage  U: 3,15 W/m2·K
énergie total [kWh/m2]
0,00
-10,00
-20,00
Pertes d’énergie
-30,00
-40,00
Bâtiment réhabiliter selon la
règlementation thermique 2013
Eclairage
Ordinateurs et Equipement
Infiltrations  3 m3/h·m2 (Δ: 100 Pa)
Etanchéité Clase 4
Occupation
Gains solaires (fenêtres)
-50,00
-60,00
Besoins de chauffage
Eau chaude sanitaire
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
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:
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.
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 du modèle de ciel – Modele de ciel clair – Simulation sur l’année
Scénario 3
Heliodon2
- 6 % par rapport à la simulation de référence
Heliodon2
Scénario 4
- 56 % par rapport à la simulation de référence
Irradiance solaire
Irradiance solaire
Scénario 2
- 61 % par rapport à la simulation de référence
Irradiance solaire
- 13 % par rapport à la simulation de référence
Irradiance solaire
Scénario 1
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
20 000 Tuiles de ciel
Irradiance solaire
Irradiance solaire
145 Tuiles de ciel
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
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
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

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