Modélisation du microclimat urbain pour les bâtiments confortables et à basses consommations énergétiques​

Urbanisation has been a growing trend for several decades. With the rapidly increasing population, urban areas expand significantly. At the same time, problems related to a higher energy demand and local climate changes have been disturbing the entire humankind. During the last two decades, thermal regulation has been well developed in France for all the new constructions, as well as for building retrofit. The objectives are to reduce the energy consumption principally due to heating and to increase the building thermal comfort especially in Summer. Usually, the effort is focused on increasing the building insulation and air sealing, in order to reduce the need of air heating or air conditioning. The calculation of the energy consumption is often based on tabulated weather data outside buildings: some of the calculation parameters thus stay the same during a part of or the whole simulation period or are not specific to the location of interest (e.g. urban areas). Real urban conditions are far more complex than what is usually assumed in the simulations. Furthermore, a precise knowledge of the real operating conditions outside the buildings is difficult to ensure due to the interactions between the buildings and the urban environment, through a large range of possible heat and mass transfer phenomena, together with the complex urban morphology. The objective of this PhD work is to develop a tool devoted to an accurate description of the thermal environment outside of buildings. Among the three energy transfer modes considered here, i.e. conduction, convection and radiation, we focus on thermal radiation which is usually the most time consuming and less detailed part in building studies. The main idea is to put the widely used assumption of transparent air into perspective for thermal building simulations.With several air absorption models and different algorithms to evaluate the radiative transfer in the urban area, we are able to analyse the influence of some modeling assumptions (in particular related to thermal radiation) and compare their orders of magnitude. The results of the numerical simulations exhibit a difference of 2°C on the building surface temperature in Summer, which suggests that the absorption of thermal radiation by air needs to be taken into account for accurate heat budget predictions.Avec l'augmentation rapide de la population, les zones urbaines se développent très rapidement. Les problèmes liés à la demande d'énergie et aux changements climatiques dérangent toute l'humanité à la fois. Depuis l'année 1974, la régulation thermique est bien développée en France pour tous les bâtiments. L’objectif est de réduire la consommation d'énergie principalement liée au chauffage et d'augmenter le confort thermique des bâtiments, notamment en été. Le calcul de la consommation d'énergie est souvent basé sur des données météorologiques mesurées à l'extérieur des bâtiments. Mais les conditions urbaines réelles sont beaucoup plus complexes que ce que l'on suppose habituellement dans les simulations. De plus, une connaissance précise des conditions réelles à l'extérieur des bâtiments est difficile à assurer en raison des interactions entre les bâtiments et l'environnement urbain, avec une grand quantité de transfert de chaleur et de masse, ainsi que la morphologie urbaine complexe. L'objectif de cette thèse est de développer un outil dédié à une description précise de l'environnement thermique à l'extérieur des bâtiments.Parmi les trois modes majeurs de transfert d'énergie: la conduction, la convection et le rayonnement, nous nous concentrons sur le rayonnement thermique qui est généralement le plus coûteux en temps de calcul et le moins détaillé dans les études de bâtiments. L'idée principale est de faire la simulation avec differents modèles d'air non transparent, afin d'analyser l'influence de certaines hypothèses de modélisation (liées notamment au rayonnement thermique) et de comparer leurs ordres de grandeur. Les résultats des simulations numériques montrent une différence de 2 degrés sur la température de surface du bâtiment en été, ce qui suggère que l'absorption du rayonnement thermique par l'air doit être prise en compte pour des prévisions précises du bilan thermique à l'échelle du bâtiment