Les architectes, les urbanistes et les ingénieurs sont fortement sollicités pour élaborer des méthodes de conception permettant de limiter l'impact environnemental de l'urbanisation. De nombreux travaux montrent que des phénomènes climatiques comme l'îlot de chaleur urbain sont à la fois les causes et les conséquences de l'augmentation de la consommation énergétique à l'échelle de la ville. Par ailleurs, l'expertise énergétique des bâtiments est possible avec des outils opérationnels qui ne prennent pas correctement en compte les conditions climatiques à petite échelle spatiale alors qu'il est démontré que leurs effets sont avérés. Souvent négligé, l'impact direct et indirect de l'aménagement constitue pourtant une piste intéressante pour la régulation énergétique passive. Pour étudier ces phénomènes, nous proposons dans cette thèse d'utiliser un outil de simulation microclimatique, reposant sur le couplage d'un modèle thermoradiatif et d'un code de mécanique des fluides numérique. Dans une première partie, nous développons un modèle de sol et un modèle thermique de bâtiment, ce dernier permettant le calcul des consommations énergétiques d'un bâtiment interagissant avec son environnement urbain. Nous les intégrons à l'outil de simulation thermoradiative (Solene), puis adaptons la procédure de couplage physique avec l'outil de simulation thermoaéraulique (Fluent). Dans une deuxième partie, nous caractérisons le comportement d'un bâtiment de référence en site isolé et décrit par des paramètres variables, en établissant des classes de consommations énergétiques à partir d'une méthode statistique d'étude de sensibilité multicritères. Enfin, nous réutilisons ces classes de bâtiments dans un contexte urbain réel, le projet Lyon Confluence, pour analyser l'impact de deux modes d'aménagement des îlots étudiés : un aménagement minéral et un aménagement végétal. Cette dernière partie fait ressortir deux résultats principaux à savoir l'écart important entre des consommations énergétiques simulées en contexte théorique isolé et simulées en site urbain, puis, l'économie potentielle d'énergie entre deux choix d'aménagement urbain pour un même projet.

Thèse doctorat : Géographie : Strasbourg 1 : 2007. / Thèse soutenue sur un ensemble de travaux. Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. p. 195-215.

Depuis 2007, plus de la moitié de la population mondiale vit en ville. La forte densité de population et d'activité entraîne une augmentation des besoins en climatisation des bâtiments en été. L'augmentation des températures due à l'effet d'îlot de chaleur urbain est principalement liée à l'aménagement urbain et aux flux de chaleurs anthropiques causés par l'utilisation des systèmes de chauffage et de climatisation. En agissant sur l'aménagement urbain, comme la densité de construction, l'albédo de surface ou les espaces verts, le microclimat urbain peut être amélioré ; ce qui permet ainsi de réduire les besoins énergétiques des bâtiments. Nous proposons dans ce manuscrit un modèle pour calculer les besoins énergétiques des bâtiments à l'échelle d'un quartier en prenant en compte l'interaction entre le microclimat urbain et les bâtiments. L'objectif est de décrire d'une part les ambiances intérieures du bâtiment, telles qu'elles sont modélisées dans les codes de thermique dynamique du bâtiment, et d'autre part, l'environnement extérieur tel qu'il est modélisé dans les codes de micro-météorologie. Pour travailler à cette échelle,la description détaillée de tous les transferts thermiques à l'intérieur et à l'extérieur de chaque bâtiment n'est pas appropriée. Ainsi, un modèle réduit de bâtiment est couplé avec un modèle simplifié de microclimat urbain. Le modèle de bâtiment est basé sur la méthode des facteurs de pondération et permet de prendre en compte les gains internes, l'inertie de l'enveloppe et les échanges radiatifs et convectifs à l'intérieur du bâtiment. Il est couplé à un modèle radiatif en milieu urbain, basé sur la méthode des radiosités, et un modèle zonal tridimensionnel de la canopée urbaine. Après avoir présenté ces modèles, ils sont appliqués sur un cas d'application, à savoir le quartier Pin Sec de la ville de Nantes. Différents scénarios d'aménagement urbain sont simulés sur une année afin d'analyser l'influence de l'aménagement urbain sur les besoins énergétiques des bâtiments.

Le confort thermique des habitants d'une ville est principalement affecté par l'îlot de chaleur urbain. Ce phénomène se traduit par des températures plus chaudes en ville que dans sa périphérique, principalement la nuit. Il est causé par les relâchements de chaleur stockée dans les bâtiments et la route le jour mais aussi par des sources anthropiques comme le chauffage ou le trafic routier. L'îlot de chaleur urbain peut atteindre jusqu'à 10°C la nuit pour les plus grandes mégapoles. Mais au cœur d'un quartier, la variabilité de la température, en fonction des ombrages ou de la présence d'eau et de parcs peut aussi atteindre quelques degrés. Elle peut donc être de la même amplitude que l'îlot de chaleur urbain. L'objectif de cette thèse est d'étudier la variabilité de la température à l'échelle de la ville et à l'échelle de la rue. Le but est de mettre en place une chaîne de modélisation de la température à l'échelle de rue à partir de données de stations météorologiques opérationnelles en périphérie d'une ville. Cette chaîne de modélisation doit être rapide et faire appel à des données accessibles au plus grand nombre afin de pouvoir simuler des scénarios d'aménagement urbains sur le long terme en dehors des laboratoires de recherche. La première partie de la chaîne de modélisation s'appuie sur un modèle numérique physique, le générateur de climat urbain spatialisé, permettant de calculer l'îlot de chaleur à l'échelle du quartier à partir de données se situant en dehors d'une ville et d'un modèle de surface de ville comme le modèle TEB. La deuxième partie permet de modéliser statistiquement la variabilité de température à l'échelle de la rue à partir des conditions météorologiques simulées par le générateur au sein d'un quartier et d'une cartographie précise du tissu urbain du quartier considéré. Cette modélisation statistique s'appuie sur des campagnes de mesures effectuées en 2013 et 2014 dans des quartiers des villes de Marseille, Paris et Toulouse. / The thermal comfort of the inhabitants of a city is mainly affected by the urban heat island (difference in air temperature between urban and surrounding area. This effect is caused by anthropogenic sources, low vegetated areas and heat stored in buildings and roads during the night. The urban heat island can reach 10°C at night for the biggest cities. But inside a neighborhood, the temperature variability can reach a few degrees with the effect of the shadow of the trees or the presence of lake or parks. This variability may have the same magnitude than the urban heat island. The objective of this thesis is to study the temperature variability at the city-scale and at the street-scale. The aim of this PhD work is to develop a modeling chain of the temperature at the street-scale from data from operational weather stations located in airports.The modeling chain has to be fast in order to simulate long term urban planning scenarios and have a low computational cost in order to be run outside of atmospheric sciences laboratories. The first step of the modeling chain is the spatialized urban weather generator, a numerical physical scheme which calculated the urban heat island at the neighborhood scale from data of an operational weather station located outside of the city and with sur urban surface model TEB. The second part is a statistical model of temperature variability at the street scale calculated with meteorological data coming from the generator and a mapping of the urban tissue. The statistical model relies on field campaigns achieved in 2013 and 2014 in the neighborhoods of Marseille, Paris and Toulouse.

Les grandes villes, en période estivale, développent de plus en plus fréquemment certains problèmes liés au phénomène d'« îlot de chaleur urbain », comme les pics de pollution et la surconsommation énergétique due à la climatisation. La minéralisation des villes, en remplaçant la végétation et les zones humides par du béton et de l'asphalte contribue à ces nuisances. Notre objectif est alors de déterminer l'impact de la végétation et des bassins ou jets d'eau sur le microclimat urbain et sur les situations de confort thermique ressenties par un individu. Cette étude fait appel aux techniques de modélisation numérique. Dans la première partie, une importante synthèse bibliographique permet de faire le point sur des domaines aussi variés que la micro-climatologie urbaine, la simulation, l'urbanisme, l'arboriculture et le confort thermique en espace extérieur. Ces informations sont utiles lors de la mise en œuvre et de l'interprétation des simulations envisagées. Dans la deuxième partie, nous détaillons la réalisation d'un couplage thermo-aéraulique, basé sur deux outils numériques, SOLENE (logiciel d'ensoleillement et de thermique développé par le CERMA) et N3S (code de mécanique des fluides, développé par EDF). Ce couplage nécessite le développement de programmes spécifiques et de procédures d'interfaçage. Des éléments de validation sur des études de cas référencées, ainsi qu'une comparaison avec des mesures in-situ sont présentés. L'application de cette démarche à une étude de cas urbaine, la Place du Millénaire du quartier Antigone à Montpellier, permet d'analyser l'impact de la végétation sur le microclimat urbain et les conditions de confort en espace extérieur. La comparaison de trois situations, l'une sans végétation, l'autre avec la végétation actuelle et la dernière avec une végétation à taille adulte, démontre une évolution notable au cours des années des conditions microclimatiques et une amélioration sensible des situations de confort.

L'interaction des phénomènes de transfert de chaleur et de masse dans un tissu urbain avec les apports anthropiques participent à l'îlot de chaleur urbain et à la dégradation de la performance énergétique des bâtiments. L'objectif de cette étude est de définir l'impact de la modification des propriétés radiatives aux façades des bâtiments qui peut être réalisée par l'utilisation de revêtements sélectifs colorés récemment développés pour les toitures. Les flux sensibles et l'impact sur les bâtiments sont étudiés pour une morphologie caractéristique des milieux urbains denses, la rue canyon. Un suivi expérimental mené sur des surfaces élémentaires de propriétés radiatives différentes nous a permis de développer par une méthode d'optimisation un procédé de détermination simultané du coefficient de convection et des absorptivités solaires effectives sur la période de mesure. L'utilisation de peintures sélectives dans la configuration canyon retenue est ensuite analysée expérimentalement. Pour cela une maquette (1/10ème) de scène urbaine a été conçue sur la base de 5 rangées de cuves de béton creux qui ont fait l'objet de mesures de températures et de flux radiatifs. Dans un premier temps, le traitement de deux mois de mesures a permis de caractériser les évolutions de champs de températures liés à cette forme urbaine. Par la suite, trois configurations de propriétés radiatives aux façades ont été étudiées simultanément et ont permis d'analyser les modifications spécifiques sur les champs de température, de sur-faces et d'air. Afin d'estimer les économies d'énergie réalisables sur un bâtiment réel ainsi que l'impact sur son environnement proche, une étude paramétrique des revêtements de façade et de la chaussée a été effectuée par des simulations de l'interaction du bâti et du micro-climat. Les méthodes et expériences établies dans cette étude nous permettent d'envisager le développement du traitement des façades et de la caractérisation de leurs performances globales.

Depuis 2007, plus de la moitié de la population mondiale vit en ville. La forte densité de population et d'activité entraîne une augmentation des besoins en climatisation des bâtiments en été. L’augmentation des températures due à l’effet d’îlot de chaleur urbain est principalement liée à l'aménagement urbain et aux flux de chaleurs anthropiques causés par l’utilisation des systèmes de chauffage et de climatisation. En agissant sur l'aménagement urbain, comme la densité de construction, l'albédo de surface ou les espaces verts, le microclimat urbain peut être amélioré ; ce qui permet ainsi de réduire les besoins énergétiques des bâtiments. Nous proposons dans ce manuscrit un modèle pour calculer les besoins énergétiques des bâtiments à l'échelle d’un quartier en prenant en compte l’interaction entre le microclimat urbain et les bâtiments. L'objectif est de décrire d'une part les ambiances intérieures du bâtiment, telles qu’elles sont modélisées dans les codes de thermique dynamique du bâtiment, et d'autre part, l'environnement extérieur tel qu’il est modélisé dans les codes de micro-météorologie. Pour travailler à cette échelle,la description détaillée de tous les transferts thermiques à l'intérieur et à l'extérieur de chaque bâtiment n'est pas appropriée. Ainsi, un modèle réduit de bâtiment est couplé avec un modèle simplifié de microclimat urbain. Le modèle de bâtiment est basé sur la méthode des facteurs de pondération et permet de prendre en compte les gains internes, l'inertie de l'enveloppe et les échanges radiatifs et convectifs à l'intérieur du bâtiment. Il est couplé à un modèle radiatif en milieu urbain, basé sur la méthode des radiosités, et un modèle zonal tridimensionnel de la canopée urbaine. Après avoir présenté ces modèles, ils sont appliqués sur un cas d'application, à savoir le quartier Pin Sec de la ville de Nantes. Différents scénarios d'aménagement urbain sont simulés sur une année afin d’analyser l’influence de l’aménagement urbain sur les besoins énergétiques des bâtiments. / Since 2007, more than half of world population lives in urban areas. The high density of population and its activity leads to an increase of building energy demand in summer. The temperature rise of densely built areas is mainly due to urban landscaping and anthropogenic heat fluxes caused by combustion flues and air conditioning of buildings. Acting on urban landscaping, like building density, surface albedo or green areas, the urban microclimate can be improved, which consequently reduces the building energy demand. We propose in this thesis a model to compute the energy demand at the district scale taking into account the interaction between urban microclimate and building energy demand.On the one hand, the aim is to describe the indoor thermal conditions as usually in thermal dynamic simulations; on the other hand, the external condition are modeled as they should be described in micro-meteorological models. To work at this scale, the detailed description of all thermal transfers inside and outside each building is not appropriate. Thus, a reduced thermal building model is coupled with a simplified urban microclimate model. The building model is based on weighting factors method and allows taking into account the internal gains, the envelope inertia, and the radiative and convective exchanges inside the building. This model is coupled with a radiative model of a district, based on radiosity method, and a tridimensional zonal model of the urban canopy. Following the description of these models, a case study of the district Pin Sec in Nantes is presented. Different scenarios of urban landscaping are simulated over one year to assess their influences on building energy demand.

Les systèmes de conditionnement des ambiances intérieures participent pour une part importante à la demande énergétique des bâtiments, notamment en été. L'objectif de cette étude est de définir par des simulations thermoaérauliques l'interaction du microclimat urbain avec le bâti et sa demande énergéti-que de climatisation dans le cas d'une rue canyon.<br />Le modèle choisi, de type zonal, nous permet de décrire les paramètres de température et de vitesse d'air dans la rue, avec un degré de précision intermédiaire entre la modélisation CFD fine et les appro-ches nodales simplifiées. L'ensoleillement et les inter-réflexions dans la rue sont ensuite modélisés par une méthode simplifiée, développée et appliquée à l'étude de la convection naturelle dans une rue. Les écoulements dominants dus au vent sont par ailleurs étudiés à partir de données expérimentales, sur la base desquelles un modèle simplifié est proposé, en conditions isothermes. Le couplage des effets du vent et de la convection naturelle a été étudié dans le cas d'une rue canyon sur 28 jours. Nous concluons sur l'importance de la modélisation thermoaéraulique pour la détermination de l'effet d'îlot de chaleur urbain, ainsi que la demande énergétique des bâtiments.

Les éléments bâtis du tissu urbain modifient fortement les paramètres microclimatiques à l'échelle locale en perturbant la distribution de l'écoulement du vent et en amplifiant les transferts de chaleur entre les surfaces. Le bilan énergétique thermo-radiatif des espaces extérieurs est ainsi étroitement lié à la nature et à la morphologie des arrangements de bâtiments. Ce travail de recherche vise à étudier par le biais de la modélisation et de la simulation numérique la relation entre la morphologie urbaine spécifique des éco-quartiers, le microclimat et le confort ou l'inconfort thermique dans les espaces publics extérieurs. Pour caractériser cet impact, nous avons développé une approche numérique basée sur un couplage entre un modèle CFD (Code_Saturne développé par EDF) et un modèle thermo-radiatif (Solene développé par le laboratoire CERMA). Les paramètres physiques simulés (température de surface, température de l'air, vitesse du vent et énergie cinétique turbulente) permettant d'évaluer les indices de confort du milieu extérieur ont été comparés avec les données de mesure obtenues durant la campagne expérimentale EM2PAU (Nantes, 2010-2011) afin de valider la pertinence et la robustesse du modèle numérique développé. Nous avons par la suite appliqué le modèle numérique développé à trois configurations d'éco-quartiers représentatives d'une forme urbaine particulière afin d'analyser leurs impacts sur le confort extérieurs. Les résultats de cette étude ont été croisés avec ceux de l'étude des indicateurs physico-morphologiques menée en parallèle pour évaluer les effets de la géométrie urbaine sur les ambiances dans les espaces extérieurs. Les conclusions de cette recherche ont abouti à l'élaboration de quelques recommandations sur la conception des éco-quartiers pour les architectes et les urbanistes.

Cette étude s’inscrit dans le cadre du projet "ANR-Villes Durables VegDUD : Rôle du végétal dans le développement urbain durable ; une approche par les enjeux liés à la climatologie, l’hydrologie, la maîtrise de l’énergie et les ambiances" (2010-2013). Elle traite de la modélisation et de l’expérimentation de toitures et de façades végétales, en vue de l’évaluation de leurs impacts hygrothermiques sur les bâtiments et sur les microclimats urbains. Un modèle physique a été développé pour décrire les mécanismes de transferts couplés de chaleur et de masse au sein de la paroi végétale. L’implémentation de ce modèle dans un code de simulation thermique dynamique permet de prédire l’impact de la végétalisation sur la performance énergétique des bâtiments. L’extension de cette démarche à l’échelle d’une rue-canyon permet d’inclure l’interaction microclimatique dans la simulation thermohydrique des bâtiments. Sur le plan expérimental, une maquette reconstituant une scène urbaine est mise en place pour étudier l’impact de différentes typologies de parois végétales dans plusieurs configurations microclimatiques. La confrontation des résultats expérimentaux et ceux issus de la modélisation numérique a été entreprise à l’échelle du système constitué du bâtiment et du microclimat urbain environnant. Pour cela, l’étude du comportement d’un bâtiment et d’une rue végétalisés par rapport au comportement du même bâtiment et d’une rue témoins a permis d’évaluer l’incidence des transferts thermiques, hygrométriques et radiatifs de la végétalisation. Ceci a permis d’entreprendre la validation des outils de prédiction numérique développés. Les résultats de l’étude montrent que les transferts thermiques et hydriques sont fortement couplés et que le comportement thermique des parois végétales est tributaire de l’état hydrique du substrat de culture. Pour l’été comme pour l’hiver, les simulations numériques et les données expérimentales montrent que la végétalisation permet d’améliorer la performance énergétique des bâtiments et de réduire les îlots de chaleur urbains. / This study was conducted in the framework of the National Program "ANR-VegDUD Project : Role of vegetation in sustainable urban development, an approach related to climatology, hydrology, energy management and environments" (2010 -2013). It deals with the experimental and numerical modeling of green roofs and green facades to evaluate their thermohydric effects on buildings and urban microclimates. A physical model describing the thermal and water transfer mechanisms within the vegetated building envelopes has been developed. The model’s program has been implemented in a building simulation program. Using this tool, we are able to predict the impact of green roofs and green facades on building energy performance. This approach is extended to the street canyon in order to assess the microclimatic interaction in building simulation. An experimental mockup modeling an urban scene at reduced scale is designed to study the impact of different types of green roofs and walls. The comparison of the measurements carried out on vegetated buildings and streets with the reference highlights the hygrothermal and radiative impacts of vegetated buildings envelopes. In addition, these experimental data are used to verify and validate the reliability of developed tools. The results show that thermal and water transfers are strongly coupled. Hence, the thermal behavior of green roofs and green walls depend on the water availability within the growing medium. In summer and winter, measurements and numerical simulations show that green envelopes improve the energy efficiency of buildings and reduce the urban heat island.