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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 – Université de Lille 1Equipe de recherche AVENUES-GSU
Université de Technologie de Compiègne20 Mai 2014
• IntroductionAménagement 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 paramètresDu 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
modèleInfluence des paramètres
Potentiel solaire passif
Potentiel solaire actif
Cas d’étudeConclusio
ns
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 actuellementils 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.2009 ... 2012.
Introduction du BBIO (besoin bioclimatique conventionnel)Introduction d’une condition d’accès à l’éclairage naturel
IntroductionLe
modèleInfluence des paramètres
Potentiel solaire passif
Potentiel solaire actif
Cas d’étudeConclusio
ns
20 Mai 2014 | Raphaël Nahon - Sergi Aguacil - Benoit Beckers
IntroductionLe
modèleInfluence des paramètres
Potentiel solaire passif
Potentiel solaire actif
Cas d’étudeConclusio
ns
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. 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.
“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.
20 Mai 2014 | Raphaël Nahon - Sergi Aguacil - Benoit Beckers
Cas test proposé:
La Roureda, Sabadell (Barcelone)
Construction 1975-1978
400 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
modèleInfluence des paramètres
Potentiel solaire passif
Potentiel solaire actif
Cas d’étudeConclusio
ns
20 Mai 2014 | Raphaël Nahon - Sergi Aguacil - Benoit Beckers
Etat actuel Model de calcul 3D proposé | sur les toits
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
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 40.000 m3 de bâtiments résidentiels | 4 Scenarios
IntroductionLe
modèleInfluence des paramètres
Potentiel solaire passif
Potentiel solaire actif
Cas d’étudeConclusio
ns
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
Irra
dia
nce s
ola
ire
Irra
dia
nce s
ola
ire
S.toits 7.616 m2
Coté SE: 522 kWh/m2 · anCoté NO: 300 kWh/m2 · an
Heliodon2
Irra
dia
nce s
ola
ire
Coté SE: 522 kWh/m2 · anCoté NO: 300 kWh/m2 · an
Scenario 2
Energie totale:209.365 kWh/an
Energie totale:209.365 kWh/an (0 %)
Coté SE: 522 kWh/m2 · anCoté NO: 300 kWh/m2 · an
Scenario 1
Energie totale:209.365 kWh/an (0 %)
IntroductionLe
modèleInfluence des paramètres
Potentiel solaire passif
Potentiel solaire actif
Cas d’étudeConclusio
ns
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
Irra
dia
nce s
ola
ire
Heliodon2
Irra
dia
nce s
ola
ire
Coté SE: 400 kWh/m2 · anCoté NO: 300 kWh/m2 · an
Scenario 4
Energie totale:181.587 kWh/an (-13%)
Coté SE: 460 kWh/m2 · anCoté NO: 300 kWh/m2 · an
Scenario 3
Energie totale:195. 069 kWh/an (-7%)
IntroductionLe
modèleInfluence des paramètres
Potentiel solaire passif
Potentiel solaire actif
Cas d’étudeConclusio
ns
Etat actuel
Irra
dia
nce s
ola
ire
S.toits 7.616 m2
Coté SE: 522 kWh/m2 · anCoté NO: 300 kWh/m2 · an
Energie totale:209.365 kWh/an
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
Pote
nti
el
lum
ineu
x
Irra
dia
nce s
ola
ire
Coté SE: 46 jours /anCoté NO: 14 jours /an
S. Façades 1.323 m2
Coté SE: 400 kWh/m2 · anCoté NO: 50 kWh/m2 · an
Heliodon2
Pote
nti
el
lum
ineu
x
Irra
dia
nce s
ola
ire
Coté SE: 42 jours /anCoté NO: 14 jours /an
Coté SE: 400 kWh/m2 · anCoté NO: 150 kWh/m2 · an
Scenario 1
Energie totale:241.178 kWh/an
Energie totale:226.909 kWh/an (-6%)
IntroductionLe
modèleInfluence des paramètres
Potentiel solaire passif
Potentiel solaire actif
Cas d’étudeConclusio
ns
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
Pote
nti
el
lum
ineu
x
Irra
dia
nce s
ola
ire
Coté SE: 46 jours /anCoté NO: 14 jours /an
S. Façades 1.323 m2
Coté SE: 400 kWh/m2 · anCoté NO: 50 kWh/m2 · an
Heliodon2
Pote
nti
el
lum
ineu
x
Irra
dia
nce s
ola
ire
Coté SE: 45 jours /anCoté NO: 14 jours /an
Coté SE: 400 kWh/m2 · anCoté NO: 150 kWh/m2 · an
Scenario 2
Energie totale:241.178 kWh/an
Energie totale:238.408 kWh/an (-1%)
IntroductionLe
modèleInfluence des paramètres
Potentiel solaire passif
Potentiel solaire actif
Cas d’étudeConclusio
ns
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
Pote
nti
el
lum
ineu
x
Irra
dia
nce s
ola
ire
Coté SE: 46 jours /anCoté NO: 14 jours /an
S. Façades 1.323 m2
Coté SE: 400 kWh/m2 · anCoté NO: 50 kWh/m2 · an
Heliodon2
Pote
nti
el
lum
ineu
x
Irra
dia
nce s
ola
ire
Coté SE: 23 jours /anCoté NO: 14 jours /an
Coté SE: 200 kWh/m2 · anCoté NO: 150 kWh/m2 · an
Scenario 3
Energie totale:241.178 kWh/an
Energie totale:146.156 kWh/an (-39%)
IntroductionLe
modèleInfluence des paramètres
Potentiel solaire passif
Potentiel solaire actif
Cas d’étudeConclusio
ns
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
Pote
nti
el
lum
ineu
x
Irra
dia
nce s
ola
ire
Coté SE: 46 jours /anCoté NO: 14 jours /an
S. Façades 1.323 m2
Coté SE: 400 kWh/m2 · anCoté NO: 50 kWh/m2 · an
Heliodon2
Pote
nti
el
lum
ineu
x
Irra
dia
nce s
ola
ire
Coté SE: 22 jours /anCoté NO: 14 jours /an
Coté SE: 200 kWh/m2 · anCoté NO: 150 kWh/m2 · an
Scenario 4
Energie totale:241.178 kWh/an
Energie totale:143.725 kWh/an (-41 %)
IntroductionLe
modèleInfluence des paramètres
Potentiel solaire passif
Potentiel solaire actif
Cas d’étudeConclusio
ns
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
Irra
dia
nce s
ola
ire
Irra
dia
nce s
ola
ire
S. Façades 19.189 m2
Irra
dia
nce s
ola
ire
Irra
dia
nce s
ola
ire
Energie totale: 4.414.007 kWh/an Scenario 4
S. Fenêtres: 2.623 m2
Etat actuel Scenario 4
Energie totale: 4.260.044 kWh/an
Energie totale: 509.302 kWh/an Energie totale: 461.665 kWh/an
IntroductionLe
modèleInfluence des paramètres
Potentiel solaire passif
Potentiel solaire actif
Cas d’étudeConclusio
ns
20 Mai 2014 | Raphaël Nahon - Sergi Aguacil - Benoit Beckers
Etat actuel Scenario 4Energie totale: 509.302 kWh/an Energie totale: 461.665 kWh/an
Surface de façade: 297 m2
Taux de vitrage :
15%
Surface de fenêtres: 45,4 m2
Etat actuel Energie totale: 4.414.007 kWh/an Scenario 4 Energie totale: 4.260.044 kWh/an
Etat actuel Scenario 4Energie totale: 662.101 kWh/an Energie totale: 639.006 kWh/an
Energie sur des façades avec les taux alliée
Energie calculé sur des fenêtres directement (model détaillée)
+20% +27%Energie totale: + 152.799 kWh/an Energie totale: + 177.341 kWh/an
Différence entre les deux calculs
IntroductionLe
modèleInfluence des paramètres
Potentiel solaire passif
Potentiel solaire actif
Cas d’étudeConclusio
ns
Etude de l’influence de la prise en compte du positionnement des fenêtres (model 3D détaillé)
20 Mai 2014 | Raphaël Nahon - Sergi Aguacil - Benoit Beckers
Bilan énergétique calculer avec EnergyPlus
-60,00
-50,00
-40,00
-30,00
-20,00
-10,00
0,00
10,00
20,00
éner
gie
tota
l [kW
h/m
2]
bilan | hiver (15 oct. – 15 avr.) Vitrage
Murs extérieurs
Plafonds intérieurs
Sol
Murs intérieurs
Toiture
Ventilation
Infiltrations
Eclairage
Ordinateurs et Equipement
Occupation
Gains solaires (fenêtres)
Besoins de chauffage
Eau chaude sanitaire
Pertes d’énergie
Gains d’énergie
Beso
ins
de c
hauff
age
38,3
%35
%
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
modèleInfluence des paramètres
Potentiel solaire passif
Potentiel solaire actif
Cas d’étudeConclusio
ns
-60,00
-50,00
-40,00
-30,00
-20,00
-10,00
0,00
10,00
20,00
éner
gie
tota
l [kW
h/m
2]
bilan | hiver (15 oct. – 15 avr.) Vitrage
Murs extérieurs
Plafonds intérieurs
Sol
Murs intérieurs
Toiture
Ventilation
Infiltrations
Eclairage
Ordinateurs et Equipement
Occupation
Gains solaires (fenêtres)
Besoins de chauffage
Eau chaude sanitaire
Beso
ins d
e ch
auff
age
34,7
%
500
%Pertes d’énergie
Gains d’énergie
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
modèleInfluence des paramètres
Potentiel solaire passif
Potentiel solaire actif
Cas d’étudeConclusio
ns
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
modèleInfluence des paramètres
Potentiel solaire passif
Potentiel solaire actif
Cas d’étudeConclusio
ns
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
Irra
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Heliodon2
Irra
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nce s
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Scénario 4
Scénario 3
IntroductionLe
modèleInfluence des paramètres
Potentiel solaire passif
Potentiel solaire actif
Cas d’étudeConclusio
ns Ir
rad
ian
ce s
ola
ire
Heliodon2
Irra
dia
nce s
ola
ire
Scénario 2
Scénario 1
- 56 % 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
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
Irra
dia
nce s
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ire
IntroductionLe
modèleInfluence des paramètres
Potentiel solaire passif
Potentiel solaire actif
Cas d’étudeConclusio
ns
20 000 Tuiles de ciel
Irra
dia
nce s
ola
ire
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
IntroductionLe
modèleInfluence des paramètres
Potentiel solaire passif
Potentiel solaire actif
Cas d’étudeConclusio
ns
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?
Merci de votre attention
Équipe de recherches AVENUES-GSUUniversité de Technologie de Compiègne
20 Mai 2014
UTCGSU
AVENUEScentre Pierre Guillaumat
Rue du Docteur SchweitzerCompiègne, 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-GSUUniversité de Technologie de Compiègne
20 Mai 2014