Mesure et modélisation de la lumière naturelle dans les canyons urbains

Résumé : L’augmentation de la population mondiale et l’urbanisation croissante conduisent à une densification urbaine qui menace l’accès des habitants des villes au soleil et à la lumière naturelle. Cet accès est lié à des problématiques de consommation d’énergie, de santé et de bien-être ; il peut être limité par plusieurs caractéristiques du tissu urbain telles que la largeur des rues, la hauteur des bâtiments, la clarté des façades et de la chaussée. Nous avons étudié l’influence des caractéristiques les plus importantes d’un canyon urbain sur la disponibilité de la lumière naturelle à l’intérieur du canyon sous des conditions climatiques réelles.Nous avons fabriqué dans ce but, le modèle réduit d’un canyon urbain, la représentation simplifiée d’une rue. Cette maquette est modifiable, le rapport d’aspect H/W (Hauteur/Largeur) du canyon peut être modifié et les façades sont interchangeables. Durant une année, les éclairements lumineux y ont été mesurés sur le sol et à plusieurs hauteurs des façades, au pas de la minute, sous des conditions de ciel réelles. Au total, 12 configurations sont représentées dans la base de données obtenue, avec 3 rapports d’aspect : H/W=0,5, 1 et 2, et 4 types de façades de facteur de réflexion lumineux différent. Les revêtements de façade utilisés sont : noir, blanc, crépi et crépi avec des parties vitrées. Nous étudions l’influence de ces paramètres en fonction des types de ciel définis par la CIE pour un canyon orienté nord/sud.Nous utilisons aussi ces données pour étudier l’usage, la performance et la précision de trois logiciels de modélisation du rayonnement solaire en milieu urbain : Citysim, Daysim et Heliodon. Ces trois logiciels offrant différents niveaux de simplification.Enfin, nous avons mené une campagne de mesure dans les rues de Lyon. Cela nous a permis de nous confronter à la réalité des données de terrain, juger des difficultés à les recueillir et à modéliser le rayonnement solaire dans l'espace réel. Nous avons aussi évalué une nouvelle méthode de mesure des éclairements lumineux d’une façade. Cette méthode se base sur des cartes de luminances obtenues à partir de photos fisheye avec un appareil photo numérique étalonné en luminances. La comparaison de ces mesures avec celles de la maquette permet d’évaluer l’erreur commise en utilisant un revêtement simplifié.En utilisant les données récoltées sur la maquette, le rapport d’aspect H/W=1 permet d’obtenir le meilleur accès à la lumière naturelle dans le canyon, il correspond à un bon compromis entre la contribution des façades et du ciel. Pour chaque ville, une configuration optimale peut être déterminée en fonction du climat local, qui peut être représenté par la fréquence d’observation des différents types de ciel CIE. Nous avons évalué la capacité des logiciels choisis à prendre en compte le climat. Avec Heliodon, il est possible d’obtenir des éclairements lumineux proches de ceux mesurés sur la maquette, pour des ciels sans nuages. Puisque le climat varie tout au long de l’année, la prise en compte des 15 types de ciel CIE doit être préférée à l’utilisation d’un ciel uniquement sans nuages, ou couvert comme cela est souvent le cas. Les logiciels Citysim et Daysim sont capables de prendre en compte le climat réel et produisent de bonnes corrélations avec les mesures effectuées sur la maquette pour tous les types de ciel.Grâce aux mesures dans les rues de Lyon, nous avons pu valider la méthode de calcul des éclairements lumineux à partir de photos avec un objectif fisheye. Cette méthode pourrait donner des résultats plus précis en disposant d’une carte des facteurs de réflexion de la façade. La complexité du terrain a été mise en évidence, empêchant de faire le lien entre les mesures sur la maquette et dans les rues réelles. L’utilisation de modèles simplifiés de rues dans des simulations peut donc produire des résultats erronés, par exemple, dans les études d’estimation de la consommation énergétique des bâtiments pour l’éclairage à l’échelle d’un quartier ou d’une ville.Il est nécessaire de réduire la densité des zones urbaines afin d’améliorer l’accès à la lumière naturelle. Cela apporte d’autres avantages comme la réduction de l’exposition à la pollution des véhicules ou la réduction de l’îlot de chaleur urbain. Le calcul d’un rapport d’aspect idéal peut être effectué à l’aide des outils étudiés et de données météo locales.
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Thèse
Sciences de l'environnement. ENTPE, 2014. Français
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Contributeur : Manolis Patriarche <>
Soumis le : samedi 29 novembre 2014 - 10:49:03
Dernière modification le : mardi 16 décembre 2014 - 10:35:57
Document(s) archivé(s) le : vendredi 14 avril 2017 - 23:43:41

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Manolis Patriarche. Mesure et modélisation de la lumière naturelle dans les canyons urbains. Sciences de l'environnement. ENTPE, 2014. Français. <tel-01088928>

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