Modelling and simulation of urban microclimates : Study of the impact of urban morphology on comfort in outside spaces. cases of Eco-districts
Modélisation et simulation des microclimats urbains : Étude de l'impact de la morphologie urbaine sur le confort dans les espaces extérieurs. Cas des éco-quartiers
Résumé
The building elements of urban fabric induce significant change in the microclimatic parameters at local scale by affecting the local wind field and increasing the heat transfers between walls, ground and air. The thermo-radiative energy balance of outdoor spaces is closely linked to the nature and morphology of the building arrangement. This research work aims to study the relationship between urban forms of eco-districts, microclimate and outdoor thermal comfort in public outdoor spaces through modeling and numerical simulations. To characterize this impact, we developed a numerical approach based on a coupling of a CFD model (Code_Saturne software developed by E.D.F) and thermo-radiative model (Solene software developed by CERMA laboratory). The results of variables allowing evaluating comfort parameters (surface and air temperature, wind speed and turbulent kinetic energy) were compared with in situ data obtained during the EM2PAU campaign, aiming to validate the relevance and robustness of the numerical model. Then we applied this numerical model on three eco-district configurations to analyze their impact on outdoor comfort. The physical results of this study were crossed with those of the physic-morphological indicators study that we carried out in parallel, to evaluate the effects of urban geometry on outdoor space environment. The findings of this research led in the elaboration of some recommendations on the eco-districts conception for architects and urban planners.
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.
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