Soutenance Stage Papa SALL 2012

1. Projet de fin d'étude pour l'obtention du titre d’
Ingénieur
De l’école Supérieure d’Ingénieurs Électricité,
Production et Méthodes Industrielles
Calcul du confort thermique sur une zone urbaine par
un modèle simplifié
Présenté par :
Papa SALL
Société d'accueil : Centre de recherche méthodologique d'architecture de
l’Ecole Nationale Supérieure d’Architecture de Nantes (CERMA)
Encadré par : Monsieur Vincent TOURRE, Maitre de Conférences.
et Madame Marjorie MUSY, Ingénieur de Recherche.
Année universitaire 2011/2012

2. Projet de fin d'étude pour l'obtention du
Master de Sciences et Technologies de l’UPMC
Mention Sciences de l’Ingénieur
Orientation Énergétique et Environnement
Calcul du confort thermique sur une zone urbaine par
un modèle simplifié
Présenté par :
Papa SALL
Société d'accueil : Centre de recherche méthodologique d'architecture de
l’Ecole Nationale Supérieure d’Architecture de Nantes (CERMA)
Encadré par : Monsieur Vincent TOURRE, Maitre de Conférences.
et Madame Marjorie MUSY, Ingénieur de Recherche.
Année universitaire 2011/2012

3. PLAN
Introduction
I. Présentation du CERMA
II. Problématique
III. Méthodologie
IV. Présentation des résultats
Conclusion
• Apports du stage
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4. Introduction
Mon intérêt pour le stage
• EPMI + UPMC
# Validation des connaissances théoriques
# Expérience professionnelle
• Projets futurs
# Ingénierie d’Etudes
# Thèse
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5. I. Présentation du CERMA
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6. I. Présentation du CERMA
Le CERMA
• Centre de Recherche Méthodologique d‘Architecture
Créé en 1971, sous forme d'une association
UMR CNRS 1563 « Ambiances architecturales et urbaines »
Disciplines du CERMA
Architecture
Thermique Géographie
Recherche
Physique Acoustique
Informatique
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7. I. Présentation du CERMA
Pascal Joanne
Organigramme du Cerma Directeur du CERMA
Recherche et Administration
enseignement et technique Doctorants
MCC Chercheurs Associés
*Professeurs HEGRON Gérard MCC
MIGUET Francis IFSTTAR de Nantes Chargée d’études
ENSA de Nantes PENEAU Jean-Pierre CHAZELAS Martine
MARENNE Christian Professeur Emérite
ENSA de Nantes ENSA de Nantes
ENSA Nantes Derouiche Malek
SIMONNOT Nathalie Grimaud Valentin
Secrétaire
*Maitres-assistants IR MCC ENSA Versailles
DA RUGNA Josiane HASMAINA Rachid
JOANNE Pascal GROLEAU Dominique
ENSA de Nantes
IR honoraire
CNRS HE Shuang
ENSA de Nantes
MEUNIER Virginie
DROZD Céline *Assistante de Direction LIU Ruijun
ENSA de Nantes Gestionnaire
BEN SALMA Amar MALYS Laurent
FERCOQ Agnès
*Ingénieurs de Recherche PETIT Anne
Ecole Centrale de Nantes *Chargée de la communication
CHAILLOU Francoise SALIOU Jean-Rémy
*MESR (CERMA et IRSTV)
Ingénieur contractuelle
MUSY Marjorie Professeur DOM Véronique VIGIER Toinon
SIRET Daniel MOREAU Guillaume CHANG Fan
*Administrateur réseau et parc
*Maitres de Conférences informatique
CNRS
MARTIN Jean-Yves MIGNE Cédric
*Ingénieur de recherche
LEDUC Thomas SERVIERES Myriam
TOURRE Vincent
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8. II. Problématiques
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9. II. Problématiques
Le projet EnVIE
Enrichissement de Villes 3D numériques par des Indicateurs de
durabilité et de qualité Environnementale,
- 3 PME :
# SIRADEL
# METEODYN
# MGDIS
- 1 laboratoire de recherche :
# CERMA
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10. II. Problématiques
Le projet EnVIE
• Aide à la prise de décision
• Fin du projet : fin janvier 2013
• Zones de test :
# la commune de Saint-Grégoire majoritairement résidentielle
# le quartier de Blosne constitué de grands immeubles
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11. II. Problématiques
Le travail du stage
Proposer une méthode de calcul du confort thermique à l’échelle
urbaine
• Problème :
# Acquisition des données du projet
# Exploitation des données
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12. II. Problématiques
Le travail du stage
Calcul de la température de surface
Calcul du TRM
Calcul du confort
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13. III. Méthodologie
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14. III. Méthodologie
Etat de l’art sur le confort thermique
Définition :
# Un état de satisfaction de l’individu dans son environnement
thermique.
Conditions du confort :
# Une sensation de neutralité thermique.
# Un équilibre énergétique du corps.
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15. III. Méthodologie
Rappel de Thermique
La convection
La rayonnement
L'évaporation
Les échanges par chaleur respiration
Le stockage
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16. III. Méthodologie
Les phénomènes thermiques :
35%
Convection
35%
Rayonnement
Sudation
24%
Respiration
Pertes de chaleur
Evaporation
1%
Conduction
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17. III. Méthodologie
Bilan thermique
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18. III. Méthodologie
Indicateur de confort thermique
Coefficient de proportionnalité
Production de chaleur métabolique
Pertes de chaleur sensible à travers la peau
Pertes par diffusion à travers la peau
Pertes de chaleur par sudation
Pertes de chaleur sensible par respiration
Pertes de chaleur latente par respiration
Température Effective
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19. III. Méthodologie
Indicateur de confort thermique
Représentation du PPD en fonction du PMV* avec Excel
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20. III. Méthodologie
Paramètres du confort
Dépend de 6 paramètres
Les paramètres qui dépendent de l’individu :
1 -Le métabolisme
2 -Le style vestimentaire
Les paramètres qui dépendent des données météo :
3 -La température ambiante de l’air
4 -L’humidité relative de l’air
5 -La vitesse du vent
6 -La température de surface des parois
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21. III. Méthodologie
Paramètres du confort
Les paramètres qui dépendent de l’individu :
1 -Le métabolisme OK
2 -Le style vestimentaire OK
Les paramètres qui dépendent des données météo :
3 -La température ambiante de l’air OK
4 -L’humidité relative de l’air OK
5 -La vitesse du vent OK
6 - Le calcul de la température de surface des parois ?
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22. III. Méthodologie
Comparaison entre SOLWEIG et ENVI-met
SOLWEIG
3 Paramètres à
déterminer
ENVI-met
18 Paramètres à
déterminer
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23. III. Méthodologie
Calcul de Ts sur Solene
Source J. Bouyer 2009
Modélisation d’un mur
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24. III. Méthodologie
Calcul de Ts sur Solene
Source J. Bouyer 2009
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25. III. Méthodologie
Comparaison ENVI-met SOLWEIG SOLENE
SOLWEIG
3 Paramètres à
déterminer
ENVI-met
18 Paramètres à
déterminer
SOLENE
17 Paramètres à
déterminer
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26. III. Méthodologie
Le calcul du GLO
FACTEURS DE
FORMES
ENVI-met SOLENE
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27. III. Méthodologie
Solutions retenues
ENVI-met SOLENE
SOLWEIG
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28. III. Méthodologie
Géométrie à simuler
Géométrie de simulation à partir de Paraview
Géométrie de simulation à partir de Google-Map
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29. IV. Présentation des
résultats
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30. IV. Présentation des résultats
Hypothèses de calculs
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31. IV. Présentation des résultats
Méthode SOLWEIG
# Procédé de calcul de l’indice de clarté IC
Luminance_ciel
Energie_sol_direct
Masques_sol
Energie_sol_globale
Energie_sol_diffuse
Organigramme pour le calcul d’IC
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32. IV. Présentation des résultats
Loi de variation de la température de surface pour la méthode Solweig pour IC =1
35
30
25
20
15 Ts-Ta en fonction de la hauteur max
Ts-Ta
du soleil
10 Linéaire (Ts-Ta en fonction de la
hauteur max du soleil )
5
0
0 20 40 60 80 100
-5
-10
nmax
Relation entre la hauteur du soleil et de la différence maximale entre la
surface du sol (Ts) et la température de l'air (Ta), Pour les jours clairs.
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33. IV. Présentation des résultats
Résultats de la simulation de la température de surface avec le modèle inspiré de
Solweig
Données
météo
Tparoi_psall
_Solweig Ts
Caractéristiques
géométriques
Organigramme pour le calcul de Ts
avec la méthode basée sur Solweig
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Température de surface en (°C) calculée pour la date du 1 Aout
à 14h00

34. IV. Présentation des résultats
Résultats de la simulation de la température de surface avec le modèle de Solene
Données
Caractéristiques météo
géométriques
de surfaces Caractéristiques TSimulation_
Caractéristiques géométriques Surface Ts
géométriques
de sols Conditions
initiales de
températures
Organigramme pour le calcul de Ts
avec la méthode de julien Bouyer
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Température de surface en (°C) calculée pour la date du 1 Aout
à 14h00

35. IV. Présentation des résultats
Comparaison des résultats de simulation
Résultat version TSimulation_Surface Résultat version Tparoi_psall
Température de surface en (°C)
calculée pour la date du 1 Aout
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36. IV. Présentation des résultats
Comparaison des résultats de simulation
Différence entre les 2 résultats de simulation
Température de surface en (°C)
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37. IV. Présentation des résultats
Simulation de la température radiante moyenne
Flux solaire
Température
direct + albédo Vitesse air
air
diffus
Scène sol
piéton
Surface Elévation du
Bonhomme
bonhomme soleil
Température
radiante
moyenne
Géométrie du
Scène masque
ciel
Scène maillée
Organigramme de la fonction proc_out_mrt.c
Température
Emissivité
Page  37 de surface

38. IV. Présentation des résultats
Simulation du PMV*
Métabolisme
= 1,2
Température
radiante
moyenne
HR
confort PMV* PPD
Vitesse air
Température
air
Organigramme de la fonction pmv_et.c
Rcl= 0,5
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39. IV. Présentation des résultats
Simulation du PMV*
TRM Ta HR Va M Rcl PPD
PMV*
(°C) (°C) (%) (m/s) (met) (Clo) (%)
0 19.673 0.5572 0.25 1.2 0.5 0.192 5.768
10 19.673 0.5572 0.25 1.2 0.5 0.561 11.579
20 19.673 0.5572 0.25 1.2 0.5 0.956 24.296
30 19.673 0.5572 0.25 1.2 0.5 1.380 44.468
40 19.673 0.5572 0.25 1.2 0.5 1.834 68.891
50 19.673 0.5572 0.25 1.2 0.5 2.327 89.076
Quelques exemples de calcul du PMV* avec une hypothèse
de valeurs constantes
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40. IV. Présentation des résultats
Conclusion sur la méthode
# Méthode Solweig invalide
# Réduire la taille de la scène
# Fonction proc_out_mrt
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41. Conclusion
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42. CONCLUSION
• Implications dans un projet intéressant
• Un stage très riche en contenu et en nouvelles notions
• La découverte milieu des architectes
Apport du stage
Sur le plan personnel Sur le plan professionnel
# Expériences # Traitement de l’information
# Adaptation # Travail d’équipe
# Communication
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43. QUESTIONS ?
Calcul du confort thermique sur une zone
urbaine par un modèle simplifié
Présenté par :
Papa SALL
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44. La convection
Page  44

45. La convection
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46. Le rayonnement
R = Densité de flux de chaleur radiatif, W/m²
𝜀 𝑣𝑒𝑡 = L’émissivité moyenne de la peau et des vêtements dans l’infrarouge lointain
est de l’ordre de 0,97.
𝑓𝑐𝑙 = Facteur d’habillement.
𝜎 = Constante de Stefan Boltzmann, 5.67 × 10−8 𝑊/𝑚²𝐾 4
𝑇 𝑟𝑚 = Température radiante moyenne, °C
𝑇 𝑝 = Température de la peau, °C
𝐹 𝑒𝑓𝑓 = Le facteur de surface effective de rayonnement
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47. Le rayonnement
Page  47

48. Le rayonnement
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49. Les échanges par chaleur latente :
l'évaporation
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50. Les échanges par chaleur respiration
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51. Les échanges par chaleur sensible
Environnement
Environnement (1) Microclimat Homme (2)
urbain proche
Transfert de masse
Ambiance climatique Microclimat local
globale urbain T
V
ê
R > T interne
t P > T cutanée
e E
Température HR > Thermorégulation
Tair m A
Rayonnement e U > Activité
Rayonnement
Humidité n C > Métabolisme
Humidité relative
Vent t
Vitesse d’air
Précipitation E
Description fonctionnelle de la biophysique du
microclimat (Fabrice & Sophie , 2005-2006)
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52. Le stockage de chaleur
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