Dans de nombreuses études micrométéorologiques, les modèles numériques prenant en compte les bâtiments considèrent généralement l'atmosphère comme neutre. Néanmoins, les transferts radiatifs urbains jouent un rôle important en raison de leur influence sur le bilan énergétique. Afin de prendre en compte le rayonnement atmosphérique et les effets thermiques des bâtiments dans les simulations de l'écoulement atmosphérique et la dispersion des polluants en milieux urbains, nous avons développé un modèle de rayonnement atmosphérique tridimensionnel (3D), dans le module atmosphérique du code de mécanique des fluides Code_Saturne. Le schéma radiatif a été précédemment validé avec des cas idéalisés, en utilisant dans un premier temps, un champ constant de vent 3D. Dans ce travail, le couplage des schémas radiatifs et thermiques avec le modèle dynamique est évalué. L'objectif de la première partie est de valider le couplage complet avec les mesures de la campagne de mesure américaine ‘Mock Urban Setting Test' (MUST) sur des géométries simples. La deuxième partie traite deux approches différentes pour modéliser les échanges radiatifs en milieu urbain avec une comparaison entre Code_Saturne et SOLENE. La troisième partie utilise le couplage complet pour montrer l'apport du modèle de transfert radiatif sur l'écoulement de l'air dans des conditions de faible vitesse du vent dans une canopée 3D. Dans la dernière partie, nous utilisons le couplage dynamique-radiatif pour simuler un environnement urbain réel et valider le modèle avec les données expérimentales de la campagne ‘Canopy and Aerosol Particle Interactions in Toulouse Urban Layer' (CAPITOUL) / In many micrometeorological studies, building resolving models usually assumea neutral atmosphere. Nevertheless, urban radiative transfers play an important role because of their influence on the energy budget. In order to take into account atmospheric radiation and the thermal effects of the buildings in simulations of atmospheric flow and pollutant dispersion in urban areas, we have developed a three-dimensional (3D) atmospheric radiative scheme, in the atmospheric module of the Computational Fluid Dynamics model Code_Saturne. The radiative scheme was previously validated with idealized cases, using as a first step, a constant 3D wind field. In this work, the full coupling of the radiative and thermal schemes with the dynamical model is evaluated. The aim of the first part is to validate the full coupling with the measurements of the simple geometry from the ‘Mock Urban Setting Test' (MUST) experiment. The second part discusses two different approaches to model the radiative exchanges in urban area with a comparison between Code_Saturne and SOLENE. The third part applies the full coupling scheme to show the contribution of the radiative transfer model on the airflow pattern in low wind speed conditions in a 3D urban canopy. In the last part we use the radiative-dynamics coupling to simulate a real urban environment and validate the modeling approach with field measurements from the ‘Canopy and Aerosol Particle Interactions in Toulouse Urban Layer' (CAPITOUL)

Environ trois quarts des ressources globales sont aujourd'hui consommés dans les aires urbaines. Le processus d'urbanisation induit des changements sévères du climat local, de la qualité environnementale des espaces, ainsi qu'une augmentation significative de la demande énergétique des bâtiments. Les projections statistiques sur la croissance de la population urbaine indiquent que cette situation tendra à s'aggraver dans les années à venir. Il devient donc impératif de chercher d'autres stratégies pour mieux adapter les environnements urbains aux nouvelles demandes énergétiques, afin de réduire l'empreinte environnementale des villes. Dans ce contexte, ce travail est une contribution à la recherche énergétique urbaine, plus particulièrement en ce qui concerne l'énergie consommée et potentiellement produite parles bâtiments à l'échelle urbaine locale. La morphologie urbaine est ici considérée comme un paramètre crucial dans le processus d'amélioration de l'efficacité énergétique du cadre bâti. Dans les zones de basses latitudes, sous climat tropical, l'énergie solaire incidente est extrêmement abondante. Toutefois, la bonne utilisation de cette ressource dans les bâtiments peut suggérer l'adoption de formes urbaines très peu denses et étales, en vue de réduire les obstructions produites par l'environnement proche. A rebours, ces formes urbaines très peu denses peuvent entrainer une augmentation des apports solaires sur les façades,élevant la demande énergétique. Le contrôle des gains solaires sur les façades pour la réduction de la demande énergétique peut ainsi représenter une perte potentielle en terme d'éclairement naturel des espaces, et une réduction du potentiel de production d'énergie solaire. Afin de quantifier le potentiel de ces stratégies conflictuelles, il devient indispensable de convoquer des modèles d'analyse pluridisciplinaires, permettant de mettre en oeuvre des approches multicritères dans le processus de conception de la forme urbaine. Cette thèse s'appuie sur une réflexion prospective sur les quartiers de la ville de Maceió, Alagoas, au Brésil. Dans un premier temps, un ensemble de paramètres morphologiques caractéristiques sont employés pour identifier et caractériser le potentiel solaire de typologies de référence de la ville. Ensuite, ces paramètres sont soumis à une analyse de sensibilité via un plan d'expérience. Les paramètres statistiquement significatifs sont alors intégrés à une méthode paramétrique d'optimisation dans laquelle l'algorithme génétique NSGA-II est couplé à un algorithme simplifiée de radiosité, visant à maximiser le potentiel de production d'énergie sur les toitures des bâtiments, tout en minimisant les apports solaires sur ses façades. Nous considérons des seuils d'éclairement naturel et intégrons des règles locales d'urbanisme comme contraintes aux projets. Cinq typologies représentatives du tissu urbain de Maceió ont ainsi été identifiées. L'ensemble des indicateurs les plus influents sur le potentiel solaire des formes urbaines a été hiérarchisé, en mettant l'accent notamment sur le rôle du prospect moyen ou de l'albédo des surfaces. La méthode d'optimisation a permis de tester plus de 80 000configurations d'ilots urbains et les résultats obtenus font apparaître une grande diversité de morphologies «optimum». Ces projets ont des performances solaires supérieures à celles des typologies existantes dans la ville. Cette intégration de stratégies énergétiques contradictoires montre qu'au-delà de l'intégration de contraintes variées et d'une meilleure adaptation à la complexité du processus de design urbain, l'approche utilisée ici apparaît très utile pour la recherche de solutions urbaines performantes à l'échelle des quartiers. Cette approche peut ainsi participer au renouvellement de l'Architecture de la Ville / At the beginning of 21th century, the world was faced with unprecedented environmental transformations. The urbanization process reached record levels and it keeps increasing, especiallyin developing countries. Around 3/4 of global resources are currently consumed in urban settlements, with corresponding adverse environmental consequences which leads to severe local climate changes, affecting environmental quality of spaces and leading to a significant increase of energy demand in buildings. A projection of the world urban population indicates that this situation will worsen in the coming years. It is therefore imperative that we understand how to design less resource intensive urban settlements. This research consists of a contribution to the energy debate in cities, focusing on the energy potentially consumed and produced by the built environment in the neighborhood scale. Urban morphology has been pointed out as a pivotal issue on shifting to climate adapted urban environments towards energy efficiency of buildings. In tropical climate regions, solar energy represents a high potential for renewable electric production in buildings, recording high levels of irradiation throughout the year. Though, engaging such a strategy may suggest applying sparsely low-density urban forms, aiming at reducing obstructions caused by the urban built surroundings. On one hand, scattered and less dense urban forms may result in significant increase of solar thermal load in buildings vertical facades, but on the other hand, the control of the solar heat gains in urban facades may represent significant losses on indoors daylight levels andalso reducing solar energy harness. Estimating the relative potential of these conflicting design strategies, taking into account the constrained parameters related to local building regulation, requires coupling multidisciplinary and multiobjective models of analysis in order to integrate multi-criteria approach in the urban design process. This thesis aims to contribute to a prospective energy debate toward sustainable urban districts for the city of Maceió in Brazil. Firstly, a set of energy-related morphological parameters are applied to identify, classify and characterize the solarpotential of local urban typologies. Then, these parameters are analyzed by means of a sensitivity analysis using a design of experiments reduced factorial method. The statistically most significant parameters are then submitted to a parametric design methodology via optimization, in which thenon-dominated sorting genetic algorithm (NSGA-II) is coupled with a simplified radiosity algorithm.The solar constraints are integrated as design criteria aiming at maximizing the solar energy potential on building roofs and minimizing solar gains on the their vertical facades. Daylight threshold levels as well as local building regulation parameters are taken into account as design constraints. Five representative types of urban fabric of Maceió were identified which allowed examining and adapting them from the use of energy-related indicators of the urban form. A set of most influential indicators of solar potential of urban forms was hierarchized, highlighting the role of the aspect ratio and albedo of urban surfaces. The application of optimization algorithm allowed testing more than 80,000 urban settings, pointing out a great diversity of "optimum" morphologies of urban blocks. The urban block designs obtained behaved better compared to the existing local typologies. Dealing with conflicting energy strategies by means of a constrained evolutionary optimization design process offered a great opportunity in searching for new solutions to the urban design in the neighborhood scale, helping to guide urban designers' decisions and allowing arenewal of the Architecture of the city

La thèse porte sur les processus de transition énergétique urbaine et leur caractère multi-niveaux. Sachant que les processus de transition ne peuvent être pensés indépendamment du contexte local dans lequel ils évoluent et qu’ils se construisent en interaction avec les autres niveaux d’action, leur compréhension appelle une analyse multi-niveaux, mettant en lumière les articulations en jeu entre les échelles de décision et d'action. La première partie montre que le caractère systémique et transversal des enjeux climat-énergie complexifie les processus de gouvernance et participe à leur reconfiguration à toutes les échelles d’action, remettant en question les cadres conceptuels et les champs disciplinaires conventionnels. Les deuxième et troisième parties mobilisent des études de cas contrastées, Munich et Bristol. Cette analyse révèle un choc des modèles de transition, entre Bristol, privilégiant une stratégie de décentralisation et de résilience énergétique, portée par la municipalité, les communautés énergétiques et les acteurs industriels, et Munich, adoptant une stratégie de délocalisation de la production d’électricité et d’internationalisation des activités de la régie municipale d’énergie (SWM) – 7ème géant allemand. On observe à l’échelle locale et non sans paradoxe une inversion des dynamiques et des modèles énergétiques nationaux. Le centralisme britannique agit comme une contrainte structurante sur la stratégie décentralisée de Bristol ; tandis qu'à Munich, l’Energiewende est un catalyseur pour la stratégie industrielle délocalisée de la SWM, qui devient en retour un acteur majeur de la transition fédérale au vu de son envergure. / The PhD addresses the processes of urban energy transition and their multi-level dimension. Given that these processes cannot be considered independently from the local context in which they apply and that they are built in interaction with the other levels of action, understanding them calls for a multi-level analysis to shed light the articulations between the different scales of decision and action. The first part shows that the systemic and cross-cutting nature of the climate-energy issues makes governance processes more complex and contributes to their reorganization at all scales of action by questioning the standard conceptual frameworks and disciplinary fields. The second and third parts develop mixed case studies, Munich and Bristol. This analysis reveals a contrast in the transition models, between Bristol, which favors a strategy of decentralization and energy resilience supported by the municipality, the energy communities and the industrial actors, and Munich, which adopts a strategy organized around the relocation of electricity generation and the internationalization of activities of the municipal energy company (SWM) – 7th largest German producer. A reversal of the dynamics and national models of energy is paradoxically observed between the national and the local scales. The UK centralism acts as a structural constraint for the decentralized strategy of Bristol, in Munich, the EnergieWende is a driver for the industrial and delocalized strategy of the SWM, which becomes a major player in the federal transition given its scale.