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Rapport de-stage-cerma-poas-2012
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Rapport de-stage-cerma-poas-2012

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This report focuses on the calculation of thermal comfort in urban areas. The evaluation of outdoor thermal comfort is important in the planning and design of outdoor spaces. Comfort indices include …

This report focuses on the calculation of thermal comfort in urban areas. The evaluation of outdoor thermal comfort is important in the planning and design of outdoor spaces. Comfort indices include outside factors that define human thermal environment and provide the response (strain) of human beings for any environment.
The results are implemented in software SOLENE developed by Cerma.

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  • 1. École Supérieure d’Ingénieur Université Paris VI Electricité, Production et Méthodes Pierre et Marie Curie Industrielles EPMI UPMC Mémoire de fin d’études Présenté par Papa SALL Pour l’obtention du Titre d’ingénieur Master de Sciences et de l’école Supérieure Technologies de l’UPMC, Mentiond’Ingénieurs Électricité, Production et Sciences de l’IngénieurMéthodes Industrielles Orientation Energie et Orientation Énergétique etSystèmes Electriques Environnement OMEBA – Outils et Méthodes appliquées aux Bâtiments à zéro énergie. Année scolaire : 2011 - 2012 Calcul du confort thermique sur une zone urbaine par un modèle simplifié Date de soutenance : le 10 Septembre 2012 Jury Monsieur Vincent Tourre Président Monsieur Guillaume Legros Monsieur Jean-yves Guchet Examinateur Monsieur Assad Zoughaib Madame Marjorie Musy Stage de fin d’études effectué au sein du CERMA, Laboratoire de Recherche. Sous la direction de Monsieur Vincent TOURRE, Maitre de Conférences . Et Marjorie Musy, Ingénieur de Recherche.
  • 2. Dédicace Je dédie ce travail à ma famille //-))mon défunt père, Alpha Abdallah SALL (QLTLSL)ma mère Anne Marie Sow SALLma tante Mariam Titi Niang ainsi que toute la famille PERROCHATmes Papas Tonton Pape SALL et Tonton Samba Diouldé THIAMmes frères et sœurs : Kilab CAMARA, Deede Fatimata Alpha, AmadouHamédine Alpha, Saliou Alpha, Samba Diouldé Alphama copine Daveda BROWNEA toute la famille SALL, SOW et tous ceux qui de près ou de loin nousont soutenu d’une manière ou d’une autre.
  • 3. Remerciements Avant tout développement sur cette expérience professionnelle, il apparaît opportun decommencer ce rapport de stage par des remerciements, à ceux qui m’ont beaucoup appris aucours de ce stage, et même à ceux qui ont eu la gentillesse de faire de ce stage un moment trèsprofitable. Aussi, je remercie Vincent Tourre, mon maître de stage et Marjorie Musy Co-encadrante de ce stage qui m’ont formé et accompagné tout au long de cette expérienceprofessionnelle avec beaucoup de patience et de pédagogie. Enfin, je remercie Laurent Malys,Amar Ben Salma, Adrien Colom ainsi que l’ensemble des employés de la CERMA pour lesconseils qu’ils ont pu me prodiguer au cours de mon séjour parmi eux.
  • 4. Résumé Dans le cadre de l’année scolaire du master Énergétique et Environnement, le stageintervient afin de valider les connaissances des années précédentes et ainsi permettre à l’élèvede mieux appréhender la vie en entreprise avant de le sanctionner du diplôme de master. C’estpourquoi, l’UPMC fait en sorte que ses étudiants acquièrent de l’expérience sur le terrain. Ce rapport traite du calcul du confort thermique en milieu urbain. L’évaluation duconfort thermique en extérieur est importante dans la planification et la conception desespaces extérieurs. Les indices de confort en extérieur intègrent les facteurs qui définissentlenvironnement thermique humain et prévoient la réponse (contrainte) des êtres humains pourtout environnement. Ce rapport représente donc une étude principalement basée sur la thèse de MirelaRobitu relative à l’« Etude de linteraction entre le bâtiment et son environnement urbain :influence du confort sur les conditions de confort en espaces extérieurs » et celle de JulienBouyer « Modélisation et simulation des microclimats urbains » à la partie faisant référenceau calcul du confort thermique et à la méthode de calcul des températures de surfacesrespectivement. Les résultats sont implémentés dans le logiciel SOLENE développé par le Cerma. Mots clés: confort thermique, espaces extérieurs, milieu urbain, environnement Abstract As part of the school year master Energy and Environment, the course comes tovalidate knowledge from previous years and allow the student to better understand thebusiness life before sanctioning a Masters degree. Therefore, UPMC ensures that studentsgain experience in the field. This report focuses on the calculation of thermal comfort in urban areas. Theevaluation of outdoor thermal comfort is important in the planning and design of outdoorspaces. Comfort indices include outside factors that define human thermal environment andprovide the response (strain) of human beings for any environment. This report represents a study mainly based on the thesis of Mirela Robitu on the« Study of the interaction between the building and the urban environment: influence thecomfort of the comfort conditions in outdoor spaces » and the thesis of Julien Bouyer« modeling and simulation of urban microclimates » in part referring to the calculation ofthermal comfort and the calculation of surface temperatures respectively. The results are implemented in software SOLENE developed by Cerma. Key words: Thermal comfort, outdoor spaces, urban, environment
  • 5. TABLE DES MATIERES Nomenclature ................................................................................................................. 1 Table des figures............................................................................................................. 3 INTRODUCTION .......................................................................................................... 4 1 L’environnement économique du stage ................................................................... 5 1.1 Présentation générale du CERMA .................................................................... 5 1.2 Contexte du stage .............................................................................................. 6 2 Analyse théorique .................................................................................................... 8 2.1 Rappels de thermique ....................................................................................... 8 2.1.1 Thermorégulation du corps humain .............................................................. 8 2.1.2 Modes de transferts thermique ...................................................................... 9 2.1.3 Les échanges de chaleur.............................................................................. 11 2.1.4 Stockage de chaleur dans le corps humain.................................................. 13 2.1.5 Equation du bilan thermique ....................................................................... 13 2.2 Etude du confort thermique ............................................................................ 14 2.2.1 Les paramètres du confort ........................................................................... 14 2.2.2 Les principaux facteurs du confort thermique ............................................ 20 2.2.3 Les indicateurs de confort thermique .......................................................... 21 3 Méthodologie ......................................................................................................... 25 3.1 Les outils mis à ma disposition....................................................................... 25 3.2 Problématique ................................................................................................. 25 3.3 Le calcul de la température de surface ........................................................... 26 3.3.1 Modèle d’ENVI-MET (Bruse & Huttner, 2009) ........................................ 26 3.3.2 Modèle de SOLWEIG (Lindberg & Grimmond, 2011) .............................. 27 3.3.3 Modèle de SOLENE (Bouyer, 2009) ......................................................... 29 3.3.4 La comparaison entre ENVI-MET, SOLWEIG et SOLENE ..................... 30 4 Présentation des résultats ....................................................................................... 32 4.1 Géométrie à simuler........................................................................................ 32 4.2 Hypothèses ...................................................................................................... 34 4.3 Résultats obtenus ............................................................................................ 36 4.3.1 Calcul des températures de parois ............................................................... 36 4.3.2 Calcul du PMV* ......................................................................................... 42 4.4 Conclusion sur le travail ................................................................................. 44 5 Les apports du stage ............................................................................................... 44 5.1 Compétences acquises .................................................................................... 44 5.2 Difficultés rencontrées et solutions apportées ................................................ 45 5.3 La vie en société ............................................................................................. 45 Conclusion .................................................................................................................... 47 Bibliographie ................................................................................................................ 48 Sources internet ........................................................................................................ 48 Annexes ........................................................................................................................... I
  • 6. Nomenclature∆x : épaisseur du mur, mAD aire cutanée d’un homme selon Dubois, m²C : densité de flux échangée par convection W/m²Ce : capacité équivalente du mur extérieur, FCi : capacité équivalente du mur intérieur, Fcmur : Capacité thermique du mur, J/Kcp,b : chaleur spécifique du corps, kJ/kgKCres : flux de chaleur par convection respiratoire, W/m²dQ : quantité de chaleur échangée, W/m²Emax : l’évaporation maximale possible (-)Ep Pertes par chaleur latente de la peau, W/m²Epeau : échange de chaleur évaporatoire cutanée, W/m²Eres : flux de chaleur par évaporation respiratoire, W/m²fcl: facteur d’habillement (-)Feff : Facteur de surface effective de rayonnement (-)Fi : Les facteurs de formes entre chaque paroi et une personne debout (-)fp : Surface de projection horizontale, m²hc : coefficient d’échange par convection, W/m²/Khc,o : Coefficient d’échange convectif sur le mur extérieur, W/m²Khe : coefficient d’échange de chaleur par évaporation, W/m²kPahr : coefficient d’échange radiatif linéarisé, W/m²/KHR : humidité relative (-)Ib : L’apport solaire direct, W/m²IC : Indice de Clarté (-)Idi : Le rayonnement diffus, W/m²im : Efficacité totale d’infiltration de vapeur (-)LR : Relation de Lewis (-)m : masse corporelle, kgM : production de chaleur métabolique, W/m²Pa : pression de vapeur d’air, kPaPexp : pression de vapeur deau dans lair expiré, kPaPpeau,s : pression de vapeur à la surface de la peau, kPaQlw,netabs : Flux surfacique net absorbé le rayonnement grands longueur d’onde, W/m²Qsw,netabs : Flux surfacique net absorbé le rayonnement courts longueurs d’onde, W/m²R : densité de flux de chaleur radiatif, W/m²R : Résistance équivalente, ΩRe,cl : résistance vestimentaire à l’évaporation, m²kPa/WRvet : résistance thermique des vêtements, CloScr : densité de flux de chaleur stocké au niveau du noyau central, W/m²Speau : densité de flux de chaleur stocké au niveau de la peau, W/m²Ta : température de l’air, °CTcr : température du noyau central, °CTexp : température de lair expiré, °CTn et Tn* : Température présente et future, KTpeau : température de la peau, °CTrm : température radiante moyenne, °CTrm* : Température radiante moyenne des longues longueurs d’onde et des ondes diffuses 1
  • 7. liées aux parois environnantes, °CTs : température de surfaces extérieures, °CTs,ext* : Température de surface, KTvet: température de la surface externe des vêtements, °CVa : vitesse de l’air, m/sVar : Vitesse de l’air relative, m/sα : fraction de la masse corporelle concentrée dans la peau (-)αk : Coefficient d’absorption des courtes longueurs d’onde (-)ε : émissivité du corps humain (-)εi : émissivité de chaque paroi (-)εvet: émissivité moyenne de la peau et des vêtements dans l’infrarouge lointain (-)ηmax : Elévation max du soleil (degrés)θ : temps, sλ : Conductivité thermique, W/mKρ : Masse volumique, kg/m3σ : constante de Stefan Boltzmann,ω : mouillure cutanée (-) 2
  • 8. Table des figures Figure 1: Organigramme du laboratoire de recherche CERMA..................................... 6 Figure 2 : Échanges thermiques entre l’individu et son environnement (Robitu, 2005) 9 Figure 3: Échanges thermiques entre l’individu et son environnement tenant comptedes paramètres .......................................................................................................................... 14 Figure 4 : Description fonctionnelle de la biophysique du microclimat (Fabrice &Sophie , 2005-2006) ................................................................................................................. 12 Figure 5 : Zones végétales isothermes à 27, 28 et 29 °C. Sources (Vinet, 2000) ........ 19 Figure 6 : Représentation du PPD en fonction du PMV* sous Excel .......................... 23 Figure 7 : Température au niveau des 3 nœuds dun modèle de façade, Evolution de latempérature de lair intérieur et extérieur dun bâtiment pendant 48h (durant une journée détédans le centre de l’Europe) (Bruse & Huttner, 2009) .............................................................. 27 Figure 8: Relation entre la hauteur du soleil et de la différence maximale entre lasurface du sol (Ts) et la température de lair (Ta), Pour les jours clairs. .................................. 28 Figure 9: Organigramme de la fonction Tparoi_psall_SOLWEIG .............................. 28 Figure 10: Organigramme pour le calcul d’IC ............................................................. 29 Figure 11 : Modélisation du mur analogique ............................................................... 29 Figure 12 : Schématisation du modèle de sol ............................................................... 30 Figure 13: Organigramme de la fonction TSimulation_Surface de Julien Bouyer ...... 30 Figure 14: Comparaison entre ENVI-MET, SOLWEIG et SOLENE .......................... 32 Figure 15: Géométrie de simulation à partir de Google-Map ...................................... 33 Figure 16: Géométrie de simulation à partir de Paraview ............................................ 33 Figure 17 : Répartition de lalbédo sur la scène............................................................ 34 Figure 18: Répartition du coefficient de convection sur la scène (varie de 5.884 à10.525 W/m²) ........................................................................................................................... 35 Figure 19: Répartition du flux solaire direct sur la scène (varie de 0.002 à 175.39W/m²) ....................................................................................................................................... 35 Figure 20: Répartition du flux solaire diffus sur la scène (varie de 0.002 à 175.414W/m²) ....................................................................................................................................... 36 Figure 21: Données d’entrée et sorties de la fonction TSimulation_Surface ............... 37 Figure 22: Résultats de la simulation de la température de surface en (°C) calculéeavec le modèle de SOLENE 1 Aout à 14h00 ........................................................................... 37 Figure 23 : Donnés d’entrées et sorties de la fonction Tparoi_psall_SOLWEIG ........ 38 Figure 24: Résultats de la simulation de la température de surface en °C calculée avecle modèle inspiré de SOLWEIG 1 Aout à 14h00 ..................................................................... 38 Figure 25 : Relation entre la hauteur du soleil et de la différence maximale entre lasurface du sol (Ts) et la température de lair (Ta), Pour les jours clairs à 14h00. .................... 39 Figure 26 : Température de surface en °C calculée le 1 Aout sur la même échelle. .... 39 Figure 27 : Différence entre les 2 résultats de simulation en °C le 1 Aout à 14h00 .... 40 Figure 28: Influence de la valeur de la température radiante moyenne sur le PMV .... 41 Figure 29: Organigramme de la fonction proc_out_mrt ............................................... 42 Figure 30: Organigramme de la fonction pmv_et ........................................................ 43 3
  • 9. INTRODUCTION Du mois de mars à septembre, j’ai effectué un stage au sein du laboratoire derecherche le CERMA, Centre de recherche méthodologique darchitecture, situé à l’ÉcoleNationale Supérieure d’Architecture de Nantes. Au cours de ce stage, j’ai pu m’intéresser auconfort thermique en milieu extérieur. Mon stage au CERMA a consisté essentiellement en la découverte du processus detravail dans un laboratoire en relation avec des entreprises et la mise en pratique descompétences acquises au cours de ma formation. Plus largement, ce stage a été l’opportunité pour moi d’appréhender des connaissancessur le secteur de l’urbanisme, les difficultés et les opportunités ; l’état de l’art sur le confortthermique ce qui m’a permis de voir de près les facteurs intervenants dans les conceptionsarchitecturales en collaboration avec d’autres partenaires ; un laboratoire dans un secteurporteur, en pleine évolution et où plusieurs entités sont en concurrence, gère ses travaux etmaintient sa position dans le monde de la recherche ainsi que l’évaluation de sa performance. Au-delà d’enrichir mes connaissances dans la thermique du bâtiment, ce stage m’apermis de comprendre dans quelle mesure l’organisation du travail et la synchronisation entreles tâches à effectuer sont très importantes ainsi que la communication avec autrui, que ce soitavec les collègues de l’entreprise ou avec les collaborateurs externes de l’entreprise. Uneexpérience qui a renforcé ma capacité à communiquer et à échanger des informations pour lebon déroulement des opérations et le travail d’équipe. L’élaboration de ce rapport a pour principale source les différents enseignements tirésde la pratique journalière des tâches qui ont étaient nécessaires à l’accomplissement de mamission. Enfin, les entretiens que j’ai eus avec mes collègues ou les partenaires m’ont permisde donner une cohérence à ce rapport. En vue de rendre compte de manière fidèle et analytique ces 6 mois de stage passés ausein du CERMA, il apparaît logique de présenter à titre préalable l’environnementéconomique du stage, à savoir le secteur de l’Architecture, en envisageant le cadre du stage :le laboratoire CERMA, tant d’un point de vue structurel que fonctionnel puis les travauxeffectués et les apports du stage : Analyse théorique. Seront précisées la mission et lesdifférentes tâches que j’ai effectuées au sein du projet ainsi que les nombreux apports que j’aipu en tirer. Enfin, il sera présenté les résultats obtenus et leurs interprétations. 4
  • 10. 1 L’environnement économiqu e du stage1.1 Présentation générale du CERMA Le Centre de recherche méthodologique darchitecture de lEcole Nationale SupérieuredArchitecture de Nantes (CERMA), est créé en 1971 sous forme dune association par troisenseignants de lUnité Pédagogique dArchitecture de Nantes. Il constitue avec le laboratoireCRESSON de lEcole Nationale Supérieure dArchitecture de Grenoble, lUMR 1 CNRS 1563"Ambiances architecturales et urbaines". L’UMR est rattaché à lInstitut Sciences humaines et sociales (INSHS) à titre principalet à linstitut des sciences de lingénierie et des systèmes (INSIS), à titre secondaire. Il estaussi membre de lInstitut de recherche en sciences et techniques de la ville -IRSTV-(Fédération de recherche CNRS 2488), qui est « un institut qui conduit des recherchesinterdisciplinaires sur la ville et il associe une quinzaine de laboratoires en sciences delingénieur et sciences humaines et sociales, et les établissements suivants : École nationalesupérieure darchitecture de Nantes, École Centrale de Nantes, École des Mines de Nantes,LCPC, CSTB, universités de Nantes, du Maine, de Haute-Bretagne (Rennes 2) et de LaRochelle, Agrocampus Ouest, IRSN, BRGM, Air Pays de la Loire » (CERMA, 2012). Aujourd’hui, la discipline principale du laboratoire est toujours l’architecture. On peuty recenser aussi des disciplines telle que : la physique, la thermique, l’informatique, lagéographie, et l’acoustique. Cette variété de champs d’action a pour but de permettre ledéveloppement de travaux interdisciplinaires. Une des missions sans nul doute très importante du laboratoire, est de former desdoctorants. Cette formation se fait en Co-habilitation avec lUniversité de Nantes et les Ecolesnationales supérieures darchitecture de Nantes et de Grenoble. De ce fait, le CERMA est « unlaboratoire daccueil de lEcole doctorale "Sciences pour l’Ingénieur, Géographie,Architecture (SPIGA)" de lEcole Centrale de Nantes et de lUniversité de Nantes ». Les missions du CERMA tournent principalement autour des problématiques de laRecherche. Une recherche orientée principalement vers les ambiances architecturales eturbaines, cest à dire à « lensemble des phénomènes physiques qui découle de la perceptionsensible de lenvironnement construit et au confort : lumière, chaleur, vent, son ... et à touteaction sur les formes et les propriétés physiques de lespace » (CERMA, 2012). Dans cet ensemble de questions posées autour des ambiances, lattention est portéesur :  Le développement des outils de simulation, de gestion et d’exploitation des données environnementales. C’est le cas du logiciel SOLENE  La mise au jour des qualités dambiance sur un lieu et évaluation des interactions entre les dispositions spatiales, la qualité environnementale et le confort des usagers.  Les outils et méthodes pour intégrer des ambiances dans un projet, dans les processus de conception. Le CERMA regroupe 33 employés, qui sont divisés en 4 univers, tous sous la directiondu directeur du Laboratoire, Pascal Joanne : l’enseignement et la recherche, l’administration,la technique et les doctorants : 1 UMR : Unité Mixte de Recherche 5
  • 11. Figure 1: Organigramme du laboratoire de recherche CERMA1.2 Contexte du stage Compte tenu du fait que mon stage a été exclusivement réalisé dans le cadre du projetEnVIE, il sera uniquement développé ce contexte. Le projet EnVIE ou Enrichissement de Villes 3D numériques par des Indicateurs dedurabilité et de qualité Environnementale, est un projet du pôle images et réseaux qui réunitquatre partenaires, en l’occurrence trois entreprises : SIRADEL le porteur du projet, une PMErennaise à vocation internationale dans le domaine de la production à grande échelle de basesde données géographiques 3D de précision. METEODYN, une PME nantaise d’ingénieriespécialisée dans le calcul du vent et de ses effets. MGDIS une entreprise basée sur Vannes,qui édite des logiciels de pilotage financier et budgétaire dédiés aux collectivités locales, leshôpitaux, les organismes dEtat et les établissements publics et parapublics. Et le laboratoirede recherche CERMA. Le projet est financé par OSEO Innovation Pays de la Loire pour un budget total de773 000 € et a pour but de créer des maquettes 3D de villes avec des indicateurs de durabilitéet de qualité environnementale. Il s’inscrit aussi dans le contexte du développement durablequi, de nos jours est un facteur essentiel au cœur des préoccupations, car « laménagement desespaces urbains est souvent confronté à plusieurs objectifs (qualité de vie, contrainteséconomiques, protection de lenvironnement...) parfois contradictoires » (Pôle Images etRéseaux). À terme, la visualisation en 3D des données enrichies servira aux collectivitésterritoriales d’outils d’aide à la prise de décision, par le biais de l’intégration des notions deréalisme qui seront d’une part enrichies par des indicateurs techniques qui caractérisent laqualité de l’environnement et le potentiel énergétique des quartiers, et d’autre part coupléesavec des données économiques et sociales. En somme, on peut citer des indicateurs de calculde l’ensoleillement, de l’exposition au vent, du niveau de visibilité et même du degré deconfort ressenti qui seront calculés à partir de simulations, et d’autres indicateurs qui sontissus de campagnes de mesure aériennes ou terrestre. 6
  • 12. La fin du projet est prévue en Janvier 2013 et les résultats seront testées sur deuxzones de l’agglomération rennaise de différentes typologies : la commune de Saint-Grégoiremajoritairement résidentielle et le quartier du Blosne constitué de grands immeubles. A cemoment, les partenaires espèrent disposer d’un outil interopérable, qui pourra être exploitéavec les principaux outils SIG2 du marché qui sont à la disposition des collectivités. Le rôle du CERMA dans le cadre de ce projet est de calculer des indicateurs liés auxphénomènes physiques sur une maquette 3D dun tissu urbain. En particulier, un de cesindicateurs est le confort thermique en extérieur ressenti par un piéton. L’objectif initial du stage était de mettre au point une méthode simplifiée de calcul duconfort thermique applicable à l’échelle de la ville. L’étude bibliographique a été orientée surl’étude des paramètres intervenant dans le confort thermique en milieu extérieur. Nous avonspu constater que des travaux en ce sens ont déjà été réalisés au sein du CERMA. Par la suitenous avons constaté lors de l’étude des données du projet que certains paramètres intervenantdans le calcul ne sont pas disponibles dans les données du projet ; c’est le cas de latempérature de surface des parois des bâtiments et du sol. De ce fait, la première partie dustage a été consacrée aux calculs des températures de surfaces. 2 SIG : Système dInformation Géographique 7
  • 13. 2 Analyse théorique Pour une meilleure compréhension des tâches que nous avons effectuées, il apparaîtapproprié de faire un rappel des notions de thermique utilisées pour une meilleurecompréhension et ensuite de définir le confort thermique.2.1 Rappels de thermique La thermique est la science qui traite de la production dénergie, de lutilisation delénergie pour la production de chaleur ou de froid, et des transferts de chaleur suivantdifférents phénomènes physiques en particulier la convection, la conduction et lerayonnement et la vaporisation. Nous allons voir dans un premier temps la thermorégulation du corps puis lesphénomènes physiques intervenant dans le confort.2.1.1 Thermorégulation du corps humain L’évaluation du confort thermique peut se faire suivant 3 approches :  Une approche psychosociologique, la question du confort est directement posée à la personne concernée pour savoir son ressenti.  Une approche physique, le corps représente un système thermique qui interagit avec l’environnement, la peau et les vêtements.  Une approche thermo physiologique, qui a lieu à l’intérieur du corps. Le corps humain assure le maintien de la température autour de 36,7 °C par unerégulation physiologique involontaire, cette température est largement supérieure à latempérature ambiante en règle générale, donc un équilibre doit être trouvé pour assurer lebien-être de l’individu. Pour répondre au besoin du stage, nous nous sommes intéressé à l’approche physiquedu confort avec des modèles de bilan dénergie applicables dans toute situation (Höppe, 2002 ;(Robitu, 2005)). Le bilan thermique de l’homme peut être modifié par divers processus dethermorégulation physiologiques et comportementaux afin de fournir un équilibre entre lecorps et lenvironnement (voir Figure 2). Les échanges thermiques entre le corps humain et son environnement sont définis dansde nombreux ouvrages (Fanger, 1972; Givoni, 1976; Depecker and Al., 1989; ASHRAE,1993; Hoffmann, 1994). 8
  • 14. Figure 2 : Échanges thermiques entre l’individu et son environnement (Robitu, 2005)2.1.2 Modes de transferts thermique2.1.2.1 La conduction La conduction est provoquée par une différence de température entre deux régionsdun même milieu, ou entre deux milieux en contact, et se réalisant sans déplacement globalde matière (à léchelle macroscopique). En général les échanges par conductions ne sont pas pris en compte dans le cas quinous intéresse car influence qu’une petite partie de la surface corporelle. La conduction au niveau des pieds et du sol est négligée car ne représente que 1% dubilan d’énergie.2.1.2.2 La convection La convection correspond aux échanges de chaleur entre le corps et l’air entourant. Elle dépend de la différence entre la température de l’air et celle de la surface exposée,peau ou vêtement, en cas de convection naturelle. Dans le cas où l’air est plus froid, le corpsse refroidit par le mouvement de l’air qui se réchauffe au contact du corps. Le mouvement de l’air peut aussi être imposé en cas de convection forcée ou mixte.En plus, il faut prendre en compte le mouvement relatif de l’air par rapport au corps en cas decertaines activités (marche, course,…) qui s’ajoute au mouvement effectif de l’air. Quand l’airest plus chaud que la surface en contact, la convection résulte en un réchauffement du corps. Elle dépend de la différence entre la température d’air et celle du corps, peau ouvêtement, et du mouvement de l’air autour du corps. Ainsi, on peut exprimer ces échangespar: Où : C : Densité de flux échangé par convection, W/m². : Facteur de réduction des échanges de chaleur sensible par les vêtements (facteurd’habillement). C’est le rapport de la surface vêtue du corps à la surface corporelle, il est égalà 1 pour un sujet nu. : Température de la surface externe des vêtements, °C. : Température de l’air, °C. 9
  • 15. Le coefficient d’échange par convection [W/m²/K] dépend du mouvement de l’air effectifautour du corps mais aussi de l’a posture et de l’activité. Il exite une multitude d’expressiondu coefficient de convection, les corrélations peuvent donner des résultats différents selon lasituation d’etude. La norme ISO 7730 (AFNOR, 1995) adopte pour valeur de la plusgrande des deux valeurs suivantes : ( ) ( ) √ { √ ( ) √ Avec : : vitesse de l’air , m/s. : Température de la peau, °C. : Température de l’air, °C. Il existe un classement des corrélations pour déterminer les coefficients de convection.Palvyos (Palyvos, 2007) propose plusieurs expressions empiriques pour calculer hc selondifférentes configurations (personne assise, debout, en marche dans un air calme ou enmouvement), avec les limites d’application exprimées en termes de vitesse d’air. La forme laplus utilisé et la plus simple est . Avec : : vitesse de l’air , m/s.2.1.2.3 Le transfert de chaleur par rayonnement L’échange radiatif est le mode d’échange de chaleur à distance entre deux corps parondes électromagnétiques. On distingue deux catégories selon la bande d’émission : leséchanges courtes longueurs d’onde (rayonnement solaire) non pris en compte dans lesbâtiments, et les échanges grandes longueurs d’onde (rayonnement infrarouge) avec les paroisqui entourent le sujet. A la température ambiante (300 K), toutes les surfaces émettent desradiations principalement dans l’infrarouge dont la puissance est proportionnelle à laquatrième puissance de la température absolue de la surface. Ainsi, le corps humain émet enpermanence une chaleur radiative liée à sa température cutanée et son émissivité, de mêmeque les parois qui l’entourent. Le flux radiatif échangé par le corps correspond à la différenceentre le rayonnement émis par celui-ci et le rayonnement reçu de son environnement. Si lerayonnement reçu par le corps est supérieur à sa propre émission, le corps se réchauffe, et serefroidit dans le cas inverse. Pour simplifier le calcul du flux radiatif, la température radiante moyenne est utilisée àcondition que l’environnement thermique soit homogène. Elle est une moyenne pondérée destempératures de surface des parois du local en fonction de leur émissivité et de leurs positionsrelatives par rapport au sujet. Elle est donnée par l’équation suivante: Où : R = Densité de flux de chaleur radiatif, W/m² 10
  • 16. = L’émissivité moyenne de la peau et des vêtements dans l’infrarouge lointain estde l’ordre de 0,97. = Facteur d’habillement. = Constante de Stefan Boltzmann, = Température radiante moyenne, °C = Le facteur de surface effective de rayonnement, défini par le rapport entre lasurface effective de rayonnement de l’individu et sa surface totale. En pratique on adopte :une valeur de 0,7 pour les individus assis et de 0,73 pour ceux qui sont débout. Il joue le rôled’un facteur de forme et dépend de la posture. De plus, une approximation linéaire est utilisée pour écrire l’équation du flux radiatifen raison des faibles écarts de température. L’expression est la suivante : = Facteur d’habillement. = coefficient d’échange radiatif linéarisé, W/m².K : Température de la surface externe des vêtements, °C = Température radiante moyenne, °C = Constante de Stefan Boltzmann, = Le facteur de surface effective de rayonnement.2.1.3 Les échanges de chaleur2.1.3.1 Les échanges par chaleur latente : lévaporation Lévaporation est un passage progressif de l’état liquide à l’état gazeux. Cephénomène est donc une vaporisation progressive. La vaporisation est la déperdition de chaleur à la surface du corps humain d’oùs’échappent les molécules sous formes de gaz. Un tel processus est amplifié par la productionde sueur. Les échanges de chaleur latente peuvent se caractériser par la notion de débitévaporatoire maximal. Le système de thermorégulation détermine le débit de sueur nécessaire pour conserverl’équilibre thermique du corps. Le phénomène moteur de l’évaporation sur une surfacehumide est le gradient de pression de vapeur entre la surface cutanée, l’air environnant et lamouillure cutanée.Avec : Epeau : échange de chaleur évaporatoire cutanée, W/m² Pa : pression de vapeur d’air, kPa Pvet,s : pression de vapeur à la surface de la peau, kPa (considérée saturée) Re,cl : résistance vestimentaire à l’évaporation, m²kPa/W (similaire à Rvet) he : coefficient d’échange de chaleur par évaporation W/m².kPa (similaire à h) ω : mouillure cutanéeLe coefficient d’évaporation he peut être calculé à partir du coefficient d’échange convectif h c 11
  • 17. moyennant la relation de Lewis. (LR est le « Lewis ratio », il estapproximativement 16,5 °C/kPa pour des conditions intérieures typiques.) La mouillure cutanée est le rapport entre l’évaporation actuelle E peau et l’évaporationmaximale possible Emax (obtenu en remplaçant ω par 1 dans l’équation précédente). Ellereprésente la fraction équivalente de peau mouillée pour obtenir l’évaporation observée (pourω=1 la peau est complètement mouillée). La mouillure cutanée dépend de la production desueur qui est déterminée par le système de thermorégulation. D’ailleurs elle n’est jamais nulle,il y a toujours une diffusion de l’eau à travers les cellules cutanées. Il s’agit de perspirationinsensible, elle vaut 6% de l’évaporation maximale.2.1.3.2 Les échanges de chaleur sensible L’échange de chaleur sensible à la surface cutanée passe à travers les vêtements. Cetéchange de chaleur peut être considéré en série : (1) l’échange de chaleur de la surface cutanée à la surface externe des vêtements àtravers l’épaisseur des vêtements, (2) l’échange de chaleur de la surface externe des vêtements à l’environnement. Figure 3 : Description fonctionnelle de la biophysique du microclimat (Fabrice & Sophie ,2005-2006)2.1.3.3 Les échanges de chaleur par respiration Pendant la respiration, le corps échange de la chaleur sensible et latente, parconvection et évaporation, avec l’air inhalé. A la sortie des poumons, l’air expiré est à unetempérature proche de la température interne du corps, et il est presque saturé. La respirations’accompagne ainsi d’un transfert de chaleur et de masse. Ces échanges dépendent desdifférences de température et d’humidité entre l’air expiré et l’air ambiant, et du débit ventilé.L’ASHRAE donne l’équation suivante pour calculer les échanges respiratoires : ( )Avec : Cres = flux de chaleur par convection respiratoire, W/m² Eres = flux de chaleur par évaporation respiratoire, W/m² M = production de chaleur métabolique, W/m² Texp = température de lair expiré, °C (~34 °C) Ta = température d’air, °C Pexp = pression de vapeur deau dans lair expiré, kPa (5,87 kPa à 34°C) Pa = pression de vapeur deau dans lair, kPa 12
  • 18. 2.1.4 Stockage de chaleur dans le corps humain Le corps peut être considéré comme étant composé de deux compartimentsthermiques: la peau et le noyau central. Le taux de stockage peut être écrit séparément pourchaque compartiment en termes de capacité thermique et de variation temporelle detempérature. La chaleur stockée dans le corps peut être déterminé à partir du taux d’augmentationde l’énergie interne. Elle est exprimée en fonction de la capacité thermique et le taux dechangement de la température dans le temps.Avec : Scr : Chaleur stocké au niveau du noyau central, W/m² Speau : Chaleur stocké au niveau de la peau, W/m² α : fraction de la masse corporelle concentrée dans la peau m : masse corporelle, kg cp,b : chaleur spécifique du corps, kJ/kg.K Tpeau : Température de la peau, °C Tcr : Température du noyau central, °C θ : temps, s : Aire cutanée d’un homme selon Dubois ,1916 Les valeurs de Tpeau et Tcr en fonction du temps s’exprime selon Gagge et Al., 1971 : ∫ ∫2.1.5 Equation du bilan thermique La détermination du confort se fait grâce à l’équilibre dynamique des échangesthermiques entre le corps humain et son environnement avec l’équation bilan : ( ) Où : Le métabolisme, W/m² Le travail représentant l’énergie dépensée par l’individu, W/m² Le rayonnement de la surface du corps, W/m² La convection à la surface du corps, W/m² Les pertes par chaleur latente de la peau, W/m² Les pertes par respiration, W/m² Les densités de flux de chaleur stockée dans le compartiment de la peau etdans le noyau central, W/m² 13
  • 19. Figure 4: Échanges thermiques entre l’individu et son environnement tenant compte desparamètres2.2 Etude du confort thermique Au cours de ce stage, nous nous sommes intéressés à la définition du confortthermique et les indicateurs de confort en milieu urbain. Le confort thermique se définit selon Fanger (1970) comme étant « l’état de lesprit quiexprime la satisfaction avec lenvironnement thermique ». C’est une notion subjective et desurcroit personnelle dans la mesure de la différence entre les individus et leurs sensationsdifférentes.2.2.1 Les paramètres du confort Les travaux de recherche les plus connus sont ceux de Fanger (1970). De manièresimple, le confort thermique intervient pour une plage limitée de température de la peau et desudation. Il a mesuré dans ses expériences ces deux paramètres sur des individus soumis àdifférentes ambiances thermiques. Puis, il en a déduit une équation permettant de prédire leconfort thermique à partir des paramètres de lenvironnement, du métabolisme et delhabillement. L’équation obtenue permet de donner les indicateurs de confort. Le confort thermique dépend principalement de 6 paramètres :  Le métabolisme M, met.  Le style vestimentaire qui représente une résistance thermique aux échanges entre la surface de la peau et l’environnement Rvet, Clo  La température ambiante de l’air Ta, °C  La température de surfaces extérieures Ts, °C  L’humidité relative de l’air HR  La vitesse du vent Va, m/s Ces paramètres peuvent être classés sous forme de 2 catégories : les facteursindividuels et les facteurs d’ambiance.2.2.1.1 Les facteurs individuels2.2.1.1.1 Le métabolisme 14
  • 20. Le métabolisme est lensemble des transformations moléculaires et énergétiques qui sedéroulent de manière ininterrompue dans la cellule ou lorganisme vivant. L’individu crée del’énergie grâce à un dégagement de chaleur important selon son activité. Cette énergie est dégagée essentiellement sous forme de chaleur. Une partie dumétabolisme est utilisée par les muscles pour le travail externe, noté W, qui est défini enfonction du métabolisme par un facteur η, appelé rendement mécanique. La chaleurmétabolique est alors obtenue en déduisant le travail externe W du taux de métabolisme M. La chaleur métabolique produite dans le corps peut être stockée dans celui-ci,entrainant une élévation de la température interne, ou dissipée dans l’environnement à traversla surface cutanée et par voie respiratoire. Le métabolisme total M peut être mesuré expérimentalement à partir du volumed’oxygène consommé. Dans la pratique, il est estimé à partir des tableaux qui donnent lemétabolisme en fonction de la description de l’activité ou la tâche. La puissance métaboliqueest donnée par rapport à la surface corporelle. Elle est exprimée souvent en Met, l’unité deMet est égale à 58.15 W/m² et correspond au métabolisme d’un individu assis au repos. Elle correspond à la somme des métabolismes partiels : M = Mb + Mp + Ma Avec : Mb métabolisme de base [métabolisme minimal (homme nu allongé à la thermoneutralité hors période postprandiale)] Mp métabolisme de posture Ma métabolisme d’activité Enfin, le métabolisme peut être influencé énormément par la thermorégulation. Lesfrissons peuvent multiplier sa valeur jusqu’à 4 à 5 fois par rapport à une personne qui nefrissonne pas. En plus, la thermorégulation comportementale peut avoir des effets nonnégligeables dans les conditions chaudes et froides. Dans les situations chaudes, les individuspeuvent s’adapter en réduisant la vitesse de leurs mouvements, ceci se traduit par uneréduction du métabolisme de près 10 %. Quelques exemples de valeurs usuelles du métabolisme : MActivité W/m² metRepos, Couché 46 0,8Repos, Assis 58 1,0Activité légère, assis (bureau, domicile, école, laboratoire) 70 1,2Activité légère, assis (achats, industrie légère, laboratoire) 93 1,6Activité moyenne, debout (vendeur, travail ménager) 116 2,0Marche à plat : 2 km/h (0,56 m/s) 110 1,9 3 km/h (0,83 m/s) 140 2,4 4 km/h (1,11 m/s) 165 2,8 5 km/h (1,39 m/s) 200 3,4 Tableau 2-1: Production dénergie métabolique AFNOR, 1995 (Robitu, 2005)2.2.1.1.2 L’indice vestimentaire 15
  • 21. Un des rôles des vêtements est en effet de protéger des intempéries, et notamment dufroid. Ils sont également utiles pour se protéger de la chaleur. Le style vestimentaire qui représente une résistance thermique aux échanges entre lasurface de la peau et l’environnement . Elle est utilisée pour effectuer le calcul de latempérature du vêtement. La résistance thermiques peut être mesurée ou calculer en faisant la somme desdifférents vêtements grâce à l’expression de Depecker et Al., 1985 : ∑ Par ailleurs, si le vêtement a un effet bénéfique sur la déperdition ou sur les gains dechaleur sèche (effet Fcl sur la convection et le rayonnement), il a un effet négatif surl’évaporation possible de la sudation (effet Fpcl sur la thermolyse évaporatoire). Le tableau ci-dessous donne des exemples de valeurs de l’isolation de quelquesvêtements : 16
  • 22. Tableau 2-2: Valeurs des résistances propres Icl de quelques vêtements (Depecker et Al., 1989)(Robitu, 2005) 17
  • 23. 2.2.1.2 Les facteurs d’ambiance2.2.1.2.1 La température de l’air Comme annoncé plus tôt, la température ambiante de l’air Ta est importante poureffectuer le calcul des échanges par convection. Elle se détermine grâce à des relevés météorologiques à l’aide de sondes classiquescomme un thermocouple ou des thermistances, ou grâce à des capteurs de températures telsqu’un thermomètre à dilatation. Météo-France utilise, dans ses stations automatiques, des thermomètres conçus sur lavariation de résistance dun conducteur électrique en fonction de la température.2.2.1.2.2 La température des parois2.2.1.2.2.1 La température radiante moyenne Plutôt que de calculer les différents flux de chaleur radiatifs (complexes) et de lesintégrer pour une estimation du flux radiatif global, on introduit la température radiantemoyenne qui correspond à la moyenne pondérée des températures des parois Ts. Elle se faitpar l’intégration de l’apport radiatif de chaque paroi environnante et par l’évaluation del’apport radiatif induit par l’utilisation du soleil artificiel (Fabrice & Sophie , 2005-2006). La température moyenne radiante est définie comme la température d’unenvironnement factice, thermiquement uniforme, qui échangerait avec l’homme la mêmepuissance thermique radiante échangée dans un environnement réel. Pour évaluer la température moyenne radiante il faut relever: la température dethermomètre globe, la température de l’air et la vitesse de l’air mesurée autour duthermomètre globe. La température moyenne radiante se relève avec le thermomètre globe, c’est une sondede température constituée d’une sphère en cuivre de diamètre 50 mm, vernie dans une couleurnoire opaque, avec un pouvoir d’émission équivalent à εg = 0.95 (selon ce qui est prévu par lanorme ISO 7726), avec un capteur à l’intérieur. La température du thermomètre globe peutêtre notablement plus élevée que la température de l’air. Elle est pratique surtout dans les cas où les écarts de température de surface sontfaibles. Dans les cas contraires, elle occulte les flux locaux qui peuvent être perçus de façondésagréable par les individus. Elle est donnée par les formules issues des travaux de Gennusa et Al. , en prenant encompte la posture et un plan fictif à hauteur de 1,1m correspondant au centre de gravité d’unindividu en général. Les équations suivantes permettent de calculer la température radiante moyenne : [ ] [ ∑ ] Avec : = Température radiante moyenne, °C = Température radiante moyenne des longues longueurs d’onde et des ondesdiffuses liées aux parois environnantes, °C = Surface de projection horizontale pour une personne debout 0,082. = émissivité du corps humain 18
  • 24. = émissivité de chaque paroi (0,9) = Coefficient d’absorption des courtes longueurs d’onde (0,7) = Le rayonnement diffus, W/m² = L’apport solaire direct, W/m² : Température de la surface extérieure, °C = Constante de Stefan Boltzmann, = Les facteurs de formes entre chaque paroi et une personne debout.Température de surface des végétaux Grâce à des mesures thermiques par imagerie infrarouge il a été constaté que latempérature de surface du feuillage est pratiquement équivalente à celle de lair sous abri,même pour des conditions de rayonnement solaires très différentes (Hoyano 1988, (Vinet,2000)). En effet, il est possible de relever que les différences de température, des feuilles desfaces supérieures et inférieures d’une pergola, pour un apport solaire de 465 W/m², sont lesmêmes à 1 °C près, lécart nétant que de 2°C pour un rayonnement de lordre de 930 W/m².Les températures de surface observées dans l’infrarouge, indiquent les zones de la couronnevégétale de l’arbre qui sont à 27, 28 et 29 °C dans le cas où celui-ci est dans un air à 28 °C etsoumis à un ensoleillement important correspondant à celui d’une journée claire d’été(Alvarez et al. 2000, Vinet 2000). Figure 5 : Zones végétales isothermes à 27, 28 et 29 °C. Sources (Vinet, 2000) Autrement dit, sous un arbre, tout se passe comme si le rayonnement solaire étaittotalement annulé. Cet effet est très intéressant sur les voies urbaines avec arbresdalignement. Celles-ci deviennent des espaces non seulement à lombre, mais aussi des zonesdans lesquelles aucun effet de surface chaude ne vient augmenter la température environnante. Enfin, il est ajouté que la température des troncs suit la température de l’air avec unedifférence positive moyenne de 0.5 °C, l’écart maximal étant de 2°C en début d’après-midi(Escourou 1981, (Vinet, 2000)). La plupart des études concernant l’influence de la végétation sur les conditionsthermiques extérieures se sont principalement concentrées sur les espaces verts de grandestailles. Les effets de la végétation dans de petites zones, comme les squares urbains et les ruessont moins connus, même si dans la plupart des villes leur influence sur le microclimat estimportante.2.2.1.2.3 L’humidité relative L’humidité relative de l’air en elle-même n’a pas beaucoup d’impact sur les échangesthermiques. Elle intervient parce que l’organisme humain a des muqueuses qui, par définition, 19
  • 25. sont toujours moites ou mouillées (lèvres, yeux, voies respiratoires). À ce niveau les échangessont relativement faibles mais la perception des changements est grande. Lorsque la mouillure cutanée devient notable, l’humidité joue un rôle important. Unehumidité relative élevée réduit l’évaporation de la sueur par conséquent peut entrainer unegêne pour l’individu.2.2.1.2.4 La vitesse de l’air relative La vitesse du vent Vair intervient dans le calcul des échanges par convection et parévaporation. Elle est introduite par la vitesse d’air résultante Var qui tient compte de la vitessede l’air ambiant Vair et des vitesses liées aux déplacements et à l’activité du sujet selon laproposition : Var = Vair + 0,0052 (M – 58)Avec : Var : Vitesse de l’air relative, m/s M activité métabolique, W/m²Avec une condition supplémentaire de sorte que, si M > 200 alors M est pris égal à 200W/m², afin de limiter le second terme du membre de droite de l’équation à 0,7. La vitesse du vent Vair sera obtenue à partir des données du projet par l’intermédiairedu partenaire Meteodyn.2.2.2 Les principaux facteurs du confort thermique Le corps humain est capable de sadapter et trouver un équilibre pour une large plagedambiances thermiques différentes tant quil est capable de compenser les pertes ou les gainsde chaleur. Une ambiance thermique est définie par 3 principaux facteurs qui conditionnent leconfort thermique:  la température ressentie entre 19 et 24°, (différente de la température de lair)  le taux dhumidité de lair entre 30 et 70%  les vitesses de courant dair <0,25 m/s. Au-delà de 0,2m/s l’individu commence à la ressentir l’effet du vent. Par ailleurs, pour garder une sensation de confort, deux parties du corps ne doivent pasêtre soumises à des conditions trop différentes. Par exemple, un inconfort thermique peut êtreressentit dans les cas suivants : o Gradient de température : Une différence supérieure à 3°C entre les chevilles et la tête. o Gêne par courant d’air : Un courant dair local trop important (>0,5m/s) ou atteignant seulement une partie du corps. o Asymétrie de rayonnement : Une différence ou asymétrie trop importante entre la température de lair et la température de rayonnement ressentie (sensation locale de froid en hiver quand on se rapproche dune fenêtre, sensation dinconfort par rayonnement direct du soleil, différence trop importante entre la température de lair et le plancher ou le plafond...). Pour obtenir une sensation de confort, deux conditions sont nécessaires :  Une neutralité thermique entre la température de la peau et la température interne. 20
  • 26.  Un équilibre énergétique au niveau du corps : la chaleur produite par le métabolisme énergétique doit être égal à la chaleur perdue par le corps. La grande difficulté est d’associer les indicateurs à une notion aussi subjective que leconfort, qui varient dans l’espace et dans le temps. En milieu extérieur il est très difficile deprendre en compte tous les éléments du bilan d’énergie. Le confort thermique sera alors donnésous forme d’indice.2.2.3 Les indicateurs de confort thermique2.2.3.1 La norme de confort ISO 7730 Extrait des Techniques de l’ingénieur BE 9 085 (CANDAS, p. 12): En réaction à des variations thermiques, deux types de réponses sont attendues :  Une réponse discriminative de type perceptif qui peut être relative soit à l’individu (par exemple, pieds froids), soit au climat (courant d’air chaud au visage) ;  Une réponse affective (j’aime bien ou je préférerais avoir plus frais). Pour appréhender l’intensité des réponses, on utilise des échelles continues oudiscontinues. Ces échelles peuvent être symétriques quand on peut trouver un point médian(exemple : ni chaud – ni froid) et que l’intensité des réponses attendues peut être la même depart et d’autre (ce qui est le cas pour le froid et le chaud). Pour ce faire, il est nécessaire de disposer des mots (libellé écrit) qui aientsymétriquement les mêmes valeurs d’intensité. Si tel n’est pas le cas, on peut toujours selimiter à une échelle continue (un segment de droite AB, par exemple) avec des libellés àchaque extrémité, du moins intense au plus intense (extrêmement froid et extrêmement chaud,par exemple) : on quantifie la réponse par un nombre correspondant à une longueur desegment AC (la réponse C étant située entre A et B) : on n’obtient pas vraiment de résultatquantifiant la réponse en elle-même mais on peut faire des analyses comparatives entre lesréponses à différents tests. Les échelles utilisées pour l’élaboration de la norme ISO 7730 relative à la sensationthermique et au confort n’ont pas été clairement définies au départ, l’échelle sensorielleaméricaine de froid ou chaud comportait des termes de type « confortablement chaud ou froid», ce qui mélange les notions perceptive et affective. Ce n’est qu’après 1967 que lesterminologies des échelles se sont standardisées. Quoi qu’il en soit, la norme ISO 7730 a étéconçue à partir des résultats obtenus aux USA et en Scandinavie. Pour résumer les conditions qui ont servi à l’élaboration de la norme, on peut dire que:  1000 personnes ont été recrutées ;  Une centaine de conditions thermiques ont été testées ;  Seuls les vêtements « classiques » d’intérieur et des niveaux d’activité faible ont été utilisés ;  Les climats étaient homogènes (les expositions sont de 1 à 2 heures et les jugements ne sont que globaux).2.2.3.2 L’indice PMV* Parmi les indicateurs il y a lindice PMV qui représente l’avis sur léchelle de sensationthermique dune importante population exposée à un certain environnement qui exprimeraitun vote de sensation de confort thermique. Le PMV sapplique à une population exposée à desconditions constantes et un métabolisme constant pendant une longue période. Il est donc plusadapté au milieu intérieur d’après Mirela Robitu, « entant donné que la température moyennede la peau et le taux de sudation sont déterminés comme des ‘’valeurs de confort‘’ dépendant 21
  • 27. uniquement de l’activité de la personne sans prendre en compte les conditions climatiques.Dans ces conditions, les effets de lévaporation et de lhumidité son minimaux » (Robitu,2005). Pour le milieu extérieur il y a le PMV* qui est mieux adapté. Il est basé sur le modèleà deux nœuds proposé par Gagge et Al. en 1971 en remplaçant dans léquation du PMV latempérature opérative qui est une fonction de la température ambiante et de la températureradiante moyenne par la température effective (ET*) permettant ainsi davoir une plus grandesensibilité à lhumidité dans la zone chaude et garantissant la même valeur dans la zone neutreet en dessous. Le PMV* est donné par l’équation suivant : Avec : = Température de la peau, °C = Coefficient de transfert de chaleur par rayonnement ( ). : Facteur de surface effective de rayonnement (0,7 pour individu assis et 0,73pour individu debout). = émissivité (0,97). = Coefficient de transfert de chaleur par convection ( ). . = La mouillure cutanée qui correspond au rapport de la quantité d’eau se trouvantsur la peau à un instant donné sur la quantité d’eau maximale possible. = Efficacité totale d’infiltration de vapeur. LR = Rapport de Lewis (on utilisera LR=0,0165 K/Pa (Robitu, 2005)). En se réfèrent à la norme ISO 7730 dans les Techniques de l’ingénieur BE 9 085, tousles questionnaires utilisés ne comportaient pas (forcément) des réponses relatives àl’estimation affective des conditions, Fanger a posé le postulat suivant :  Sont déclarés inconfortables tous les individus qui ont donné des valeurs absolues de sensations thermiques.  N’ont donc pas été inconfortables les sujets ayant répondu – 1, 0 et + 1. Ensuite, on a comptabilisé, par classe de PMV, les pourcentages de gens ayantrépondu à l’échelle sensorielle par des valeurs « 2 et plus » et on a baptisé cette variable PPD(Pourcentage Prévisible dInsatisfaction). La norme conclut donc que 27 % des personnes seront insatisfaites pour l’échelonmoyen PMV = – 1, et que pour un PMV=0 il y au moins 5% d’individus insatisfaites. 22
  • 28. On peut compléter le PMV* par une notion dinconfort. Étant donné que le confort estune notion subjective et quelle dépend de la physiologie de la personne, le concept visant àdonner le PPD, qui couplé au , prédira le pourcentage dinsatisfaction propre à chaquevaleur du . La relation liant le au : Figure 6 : Représentation du PPD en fonction du PMV* sous Excel2.2.3.3 L’indice PET En 1999, l’indice PET est introduit par Höppe qui a développé un nouvel indice deconfort thermique pour un lieu donné (intérieur ou extérieur). L’indice est basé sur lesmodèles d’énergie-équilibre de MEMI (Munich Energy balance Model for Individuals). Elleest définie comme la température de l’air à laquelle, dans un local typique intérieur, sans ventet rayonnement solaire, le bilan d’énergie du corps humain est équilibré avec les mêmestempératures interne et de peau que celles obtenues dans les conditions à évaluer (Höppe,1999). Ainsi, le PET permet de comparer les effets d’un environnement thermique complexeen extérieur avec sa propre expérience en intérieur. Dans le calcul du PET, les hypothèses suivantes ont été faites pour le climat intérieurde référence :  la température radiante moyenne est égale à la température de lair, (T rm = Ta),  la vitesse de l’air est fixée à 0,1 ms-1,  la pression de vapeur deau est fixée au 12 hPa (approximativement équivalente à une humidité relative de 50% à Ta =20°C). 23
  • 29. 2.2.3.4 Lévaluation du TP La température perçue, PT en °C, est la température de lair dans un environnement deréférence dans lequel la perception de la chaleur et/ou du froid serait la même que dans lesconditions réelles (Jendritzky and Nuebler, 1981, (Robitu, 2005)). Le froid ou la chaleurperçus sont calculés avec le modèle Klima-Michel. Ce modèle repose sur le bilan d’énergie ducorps humain et il est basé sur léquation de confort de Fanger couplé avec les flux solaires(Staiger et Al., 1997, (Robitu, 2005)). Dans lenvironnement de référence, la vitesse de ventest réduite à un simple courant d’air, et la température radiante moyenne est égale à latempérature de lair. La pression de vapeur deau est identique à celle de lenvironnement réel,dans la mesure où elle nest pas diminuée par la condensation (Jendritzky and Nuebler, 1981,(Robitu, 2005)).2.2.3.5 L’indice SET* L’indice OUT_SET* de Dear et Pickup (1999), basé sur l’indice de températurestandard effective (SET*) de Gagge et al. (1971), intègre le modèle OUT_MRT de calcul dela température radiante moyenne. Il peut donner des représentations physiologiquementvalides du stress et du confort thermique en extérieur à travers des combinaisons infinies de latempérature de l’air, la température radiante moyenne, lhumidité, la vitesse de lair, lisolationthermique de vêtements et le taux métabolique. Le modèle OUT_MRT calcule la températurede surface dune zone hypothétique autour dun sujet debout qui échangerait le mêmerayonnement infrarouge avec le sujet que le rayonnement dans toutes les longueurs d’ondesdans lenvironnement solaire et infrarouge réel (Robitu, 2005). 24
  • 30. 3 Méthodologie3.1 Les outils mis à ma disposition J’ai bénéficié au cours de ce stage de portails documentaires tels que la BibliothèqueINIST et le catalogue des bibliothèques de lÉcole nationale supérieure darchitecture deNantes qui ont mis en œuvre des portails interdisciplinaires ou thématiques pour accéder à desressources numériques (bases de données bibliographiques, bases factuelles, accès au texteintégral des articles de plusieurs milliers de revues scientifiques électroniques). Grâce à cetteressource j’ai pu avoir laccès à des mines dinformations comme ScienceDirect etSpringerLink, des sites très complets en matière darticles et de documents scientifiques. Acôté de ces portails, il y a aussi la bibliothèque du CERMA qui regroupe des articles ettravaux intéressants sur le sujet. De plus, laccès à la forge SOLENETB m’a permis d’étudier les fonctions de SOLENEsous la forme de lignes de code afin d’en savoir plus sur son fonctionnement et d’implémenterdirectement mes résultats. SOLENE est un logiciel de simulation densoleillement,déclairement et de rayonnement thermique développé par le CERMA.3.2 Problématique On veut calculer le confort thermique à l’aide d’un indice de confort présenté en 2.2.3. Pour se faire nous avons procédé à un inventaire des données du projet disponible etdes méthodes existantes. Tout dabord la recherche bibliographique nous a conduit à des indices telle que laTempérature Perçue (TP), la Température Physiologique Équivalente (PET), la Températurestandard effective (SET*) et le PMV*. Nous avons fait le lien entre ces différents indices pourarriver à la conclusion que:  Lévaluation du TP se fait à partir du PMV.  Pour le PET lapproche est différente car elle se fait sur la comparaison des effets de lenvironnement thermique extérieur avec lexpérience en intérieur. Il est donc rapporté sur la base des domaines du PMV.  Pour le SET*, elle est utilisé dans le calcul du PMV* avec la Température Effective (ET*) et son utilisation indépendante ne suffit pas à donner ordre de grandeur du confort.  Le choix du PMV* est motivé par sa sensibilité à lhumidité dans la zone chaude quil offre grâce à la température effective (qui découle du SET*) tout en garantissant la même valeur dans la zone neutre et en dessous. Le calcul du PMV* comme décrit plus haut, nécessite les paramètres du confortprésenté au 2.2.1. En faisant l’inventaire des données on se rend compte que dans l’équationdu PMV*, pour calculer la température effective au niveau des pertes de chaleur sensible de lapeau, il faut au préalable calculer la température radiante moyenne grâce à des formulesempiriques. Cette température radiante moyenne est une fonction de la température desurface. Dans SOLENE, le calcul de la température de surface peut être compliqué etmalheureusement ne fera pas partie des données du projet. De plus, la méthode présente dansSOLENE nécessite de calculer au préalable les facteurs de forme3, et à l’heure actuelle un tel 3 Les facteurs de formes c’est part du flux quittant A qui atteint B 25
  • 31. calcul est très lourd et requiert une grande capacité de stockage (par exemple dans lasimulation de test le fichier facteur de forme faisait 650mo, et il semble que Julien Bouyeravait parfois des fichiers de 4Go). Ces facteurs de forme sont utilisés par la suite pour estimerle rayonnement grandes longueurs d’onde (GLO) indispensable pour déterminer de manièreplus précise la température de surface. La première partie du stage a été l’occasion d’effectuer une comparaison entre lesdifférentes méthodes de calcul des températures de parois afin de pouvoir calculer le confortthermique4. Des logiciels tel que : TOWNSCOPE (Teller and Azar, 2001), RAYMAN(Matzarakis, 2000), ENVI-MET (Bruse & Huttner, 2009) permettent d’effectuer le calcul dela température radiante moyenne grâce à la méthode de calcul de Fanger (1972). L’objectif est maintenant de trouver une méthode simplifiée de calcul de latempérature de surface des parois que l’on pourra implémenter dans le logiciel SOLENE duCerma.3.3 Le calcul de la température de surface3.3.1 Modèle d’ENVI-MET (Bruse & Huttner, 2009) Celle qui est utilisée dans ENVI-MET 4 (non disponible pour le moment) se base surl’équation bilan entre de la façade extérieur et la façade intérieur : ( ) ( ) Où : : Flux surfacique net absorbé le rayonnement courts longueurs d’onde, W/m² Flux surfacique net absorbé le rayonnement grands longueur d’onde, W/m² Tn et Tn* : Température présente et future, K Ts,ext* : Température de surface, K cmur : Capacité thermique du mur, J/K ρ : Masse volumique, kg/m3 2*∆x : épaisseur du mur, m hc,o : Coefficient d’échange convectif sur le mur extérieur, W/m²K λ : Conductivité thermique, W/mK : Emissivité du mur : Constante de stephan-boltzman La méthode prend en compte la réflexion, l’absorption, la transmission, la capacitéthermique du mur et masse volumique, l’épaisseur du mur, le coefficient d’échange convectifsur le mur extérieur, l’émissivité du mur, la conductivité thermique comme paramètrephysique. L’utilisation de cette méthode implique la résolution de l’équation de Fourier : 4 Cf. Erreur ! Source du renvoi introuvable. 26
  • 32. => Pour calculer la température au centre du mur : Pour le mur intérieur : ( ) : Coefficient d’échange convectif sur le mur intérieur = 7,7 W/m²K Le résultat suivant est obtenu après expérimentation de cette méthode: Figure 7 : Température au niveau des 3 nœuds dun modèle de façade, Evolution de latempérature de lair intérieur et extérieur dun bâtiment pendant 48h (duran t une journée dété dans lecentre de l’Europe) (Bruse & Huttner, 2009)3.3.2 Modèle de SOLWEIG (Lindberg & Grimmond, 2011) J’ai fait un programme basé sur la formulation du calcul de la température de surfaceutilisé dans SOLWEIG. Cette estimation est elle-même est basée sur les résultats de Brogen etAl. (2000) (Lindberg, Holmer, & Thorsson, 2008, p. 700) pour faire la comparaison et testerles limites du programme. Une relation linéaire entre la différence des températures de surfaces au solensoleillées et ombragées, et lélévation maximale du soleil dans les conditions de météoclaires. La méthode de calcul de SOLWEIG qui parait très simple en termes de calcul estdonnée par la formule : 27
  • 33. Où : Température de surface (°C) : Température ambiante (°C) : Elévation max du soleil (degrés) La différence entre et est appelée . Elle est considérée 2h après que lesoleil ait atteint sa hauteur élévation maximale. Naturellement la valeur est initialisée à -3,41K inferieur à , basée sur laformulation quand 35 30 25 20 Ts-Ta en fonction de la 15 hauteur max du soleil Ts-Ta 10 Linéaire (Ts-Ta en fonction de la hauteur max du soleil 5 ) 0 0 20 40 60 80 100 -5 -10 nmax Figure 8: Relation entre la hauteur du soleil et de la différence maximale entre la surface dusol (T s ) et la température de lair (T a ), Pour les jours clairs. Figure 9: Organigramme de la fonction Tparoi_psall_ SOLWEIG Dans le cas où le ciel est ombragé, est multipliée par un coefficient appeléIndice de Clarté (IC). L’IC se définit comme le rapport entre l’irradiance sur la face etl’irradiance potentielle dans le cas où la face verrait directement le soleil c’est-à-dire en tempsclair. Pour calculer IC dans ce cas précis on procède par deux simulations : en temps clair eten temps partiellement couvert selon le schéma suivant : 28
  • 34. Figure 10: Organigramme pour le calcul d’IC Afin de prendre en compte IC à tout moment j’ai utilisé la formule suivante :3.3.3 Modèle de SOLENE (Bouyer, 2009) Pour SOLENE, je me suis inspiré du programme qui a été développé par JulienBouyer pour évaluer la température des parois, dans le cadre de sa thèse sur la modélisation etsimulation des micros climats urbains. Elle est basée sur une analogie électrothermique appliquée à un bilan d’énergie auniveau des parois des bâtiments et du sol. Au niveau du mur on a : Figure 11 : Modélisation du mur analogique La résistance équivalente à travers le mur : ∑ La capacité équivalente du mur intérieur : ∑ 𝛽 La capacité équivalente du mur extérieur : ∑ 𝛽 La Quantité de chaleur échangée sur la paroi pour un pas de temps donné : Avec : ∑ ∑ 𝛽 Pour effectuer le calcul au niveau du sol, on le discrétise en 4 nœuds de calculs : 29
  • 35. Figure 12 : Schématisation du modèle de sol Le nœud 4 est positionné à une profondeur de référence où on estime lesconditions limite de température. Au nœud 3 on est à la profondeur : Au nœud 2 au niveau de la sous-face du revêtement : A la surface on fait le bilan entre le flux convectif, le flux conduit, le flux stocké, leflux radiatif net global et le flux latent : Avec : J’ai implémenté le programme de sorte à fournir un fichier où le GLO est déjà estimé àla place du fichier lu pour les facteurs de forme. Apres cela le programme est devenu plusrapide et nécessite moins d’itération pour le calcul des températures de parois. Figure 13: Organigramme de la fonction TSimulation_Surface de Julien Bouyer3.3.4 La comparaison entre ENVI-MET, SOLWEIG et SOLENE Lobjectif de cette comparaison est de savoir si on peut se passer du calcul des facteursde forme. Comme annoncé plus tôt dans la partie 3.2, pour calculer le flux rayonnement 30
  • 36. grandes longueurs d’onde net dans ENVI-MET et SOLENE, les facteurs de forme sontindispensables. Nous avons effectué dans un premier temps une comparaison entre la méthode utiliséedans SOLWEIG avec la méthode utilisée dans ENVI-MET. En faisant cette comparaison, nous avons vu que pour SOLWEIG, la température desurface dépend de la température ambiante de l’air, de l’élévation maximale du soleil et del’indice de clarté; Bien entendu au début elle parait trop simplifié si on ne prend pas encompte les échanges de lenvironnement étant donné qu’elle se base sur une hypothèseconsistant à dire que . Elle ne prend pas en compte lesmatériaux. Le modèle ENVI-MET, dépend du flux net absorbé, du rayonnement, de laconvection, de la conduction, et du stockage d’énergie. Et la formule prend en compte lescaractéristiques géométriques et les échanges d’énergie. Cette méthode parait très efficace enthermique de précision, cependant elle nécessite de connaitre la température de surfaceprécédente pour effectuer le calcul, et de plus une initialisation de la température estnécessaire. Elle prend en compte les facteurs urbains. En faisant la comparaison des 3 méthodes: on se rend compte que la méthode ENVI-MET et la méthode de SOLENE ont pratiquement les mêmes entrées donc le calcul n’est paspour autant plus simple (les mêmes freins au niveau du jeu des données). Les deux méthodesnécessitent le calcul des facteurs de forme. Le tableau ci-dessous est la synthèse de l’étude de l’état de l’art sur les méthodesutilisées pour effectuer le calcul du confort thermique dans les différents logiciels similaires àSOLENE : ENVI-MET et SOLWEIG (voir Figure 14: Comparaison entre ENVI-MET,SOLWEIG et SOLENE). On y retrouve les données d’entrée nécessaires aux deux logicielspour effectuer les simulations pour la température radiante moyenne dans le cas deSOLWEIG et pour le PMV dans le cas d’ENVI-MET. De plus des notes personnelles dans lacolonne remarque permettent de faire une comparaison avec SOLENE. 31
  • 37. Figure 14: Comparaison entre ENVI-MET, SOLWEIG et SOLENE Donc dans la suite nous allons opposer la méthode de SOLENE qui dans ce cas-ci estla méthode de référence avec la méthode simplifiée de SOLWEIG dans le but d’éviter d’avoirà gérer trop d’arguments et surtout le calcul des facteurs de forme.4 Présentation des résultats L’objectif est maintenant de trouver une méthode simplifiée de calcul de latempérature de surface des parois que l’on pourra implémenter dans le logiciel SOLENE duCERMA. Pour cela une géométrie de test a été nécessaire. Dans la suite nous allons décrire lagéométrie à simuler et le procédé de calcul.4.1 Géométrie à simuler En attendant la réception des données du projet, les simulations seront effectuées sur lequartier de Pin Sec à Nantes puis visualisé avec Paraview (Figure 16) le modèle est au format.cir : 32
  • 38. Figure 15: Géométrie de simulation à partir de Google-Map Figure 16: Géométrie de simulation à partir de Paraview Cet échantillon représente une maille de 289x132 m. Avec 9 bâtiments disposés detelle sorte qu’ils puissent avoir une espace ouvert et des ruelles. Elle permet de faire lescalculs simples qui pourront être exportés à grande échelle. La végétation y est aussireprésentée. 33
  • 39. 4.2 Hypothèses Afin de simplifier les calculs on se place dans les hypothèses de calcul suivantes :  L’on se place à l’heure solaire vraie à 14h00.  Les simulations sont effectuées à la date du 01/08 pour la précision de calcul nécessaire à l’exécution du programme basé sur SOLWEIG on se place à l’an 2012.  La température de l’air est fixée = 19,673 °C  La température de surface des végétaux est égale à la température ambiante  Pas d’évaporation.  Emissivité= 0,9.  HR = 57,72%  Maillage : 4 pour bâtiment au centre et 7 pour le reste de la scène. C’est le rapport entre lénergie solaire réfléchie par une surface et lénergie solaire incidente, on peut la comparer à la réflectivité5. Figure 17 : Répartition de lalbédo sur la scène 5 L’albédo est le rapport entre lénergie solaire réfléchie par une surface et lénergie solaire incidente, onpeut la comparable à la réflectivité 34
  • 40. Figure 18: Répartition du coefficient de convection sur la scène (varie de 5.884 à10.525 W/m²/K) Figure 19: Répartition du flux solaire direct sur la scène (varie de 0.002 à 175.39W/m²) 35
  • 41. Figure 20: Répartition du flux solaire diffus sur la scène (varie de 0.002 à 175.414 W/m²)4.3 Résultats obtenus4.3.1 Calcul des températures de parois J’ai effectué dans un premier temps une simulation de la méthode de calcul de latempérature des parois déjà présente dans SOLENE et dans un second temps une simulationde la méthode de calcul de température de surface inspiré de SOLWEIG (Lindberg &Grimmond, 2011) que j’ai adapté sous forme de programme.4.3.1.1 Méthode SOLENE La simulation se fait suivant le schéma ci-dessous pour la fonctionTSimulation_Surface : 36
  • 42. Figure 21: Données d’entrée et sorties de la fonction TSimulation_Surface Figure 22: Résultats de la simulation de la température de surface en (°C) calculée avec lemodèle de SOLENE 1 Aout à 14h00 On peut voir que pour une simulation avec des données de calculs 14h00 appliquées àla géométrie, La température de surface varie entre 19.673°C et 49.991 °C pour unetempérature ambiante initiale de 19.673°. La répartition spatiale de la température rappel sans celle constaté sur la répartition del’albédo traduisant l’importance des propriétés géométrique. Les résultats de cette simulation sont pris comme référence étant donné que l`efficacitéde la méthode nest pas mise en cause.4.3.1.2 Méthode SOLWEIG Avec le programme inspiré de SOLWEIG, suivant le schéma suivant pour la mêmeheure de calcul : 37
  • 43. Figure 23 : Donnés d’entrées et sorties de la fonction Tparoi_psall_ SOLWEIG Figure 24: Résultats de la simulation de la température de surface en °C calculée avec lemodèle inspiré de SOLWEIG 1 Aout à 14h00 A 14h00, l’élévation maximum du soleil calculé est de 63.6 degrés donc on s’attendraà avoir une différence entre Ts et Ta pouvant aller jusqu’à 20 °C (voir Figure 25). Le résultat est cohérent au niveau de la différence de température entre la températureambiante et la température de surface calculé. Car en tenant compte l’indice de clarté la valeurabsolue à diminuer. 38
  • 44. 35 30 25 20 15 Ts-Ta en fonction de la Ts-Ta hauteur max 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 Figure 25 : Relation entre la hauteur du soleil et de la différence maximale entre la surface dusol (Ts) et la température de lair (Ta), Pour les jours clairs à 14h00. La température de surface dans ce cas-ci varie entre 19.673 °C et 37.143 °C. Lasimilitude au niveau de la température calculée au niveau de la végétation se justifie du faitque l’hypothèse de calcul ou est supposée égale à pour les surfaces végétale est appliquételle que pour TSimulation_Surface on a .4.3.1.3 Comparaison Les deux résultats de calculs comparés sur la même échelle de température c’est-à-direvariante entre 19,6 et 49,9 degrés Celsius montre mieux la différence entre les deux modèles.Tant au niveau des valeurs que de la répartition. On peut voir une grande différence devaleurs. Figure 26 : Température de surface en °C calculée le 1 Aout sur la même échelle. 39
  • 45. On constate une différence significative de 14.848 °C, une différence prévisible du faitque la méthode qui est appliquée ne prend pas en compte les échanges d’énergie dans lagéométrie. De plus les propriétés géométriques ne sont pas prises en compte pour le modèle deSOLWEIG, de ce fait dans le cas d’une température ambiante uniforme, la variation de latempérature de surface ne sera pas significative car la dépendance à l’élévation max du soleilfait en sorte que son influence ne s’applique que toutes les heures. Afin de faciliter la comparaison j’ai calculé la différence entre les valeurs des 2simulations : Figure 27 : Différence entre les 2 résultats de simulation en °C le 1 Aout à 14h00 La comparaison entre les deux méthodes montre une différence non négligeable etflagrante surtout au niveau des faces des bâtiments où les échanges thermiques sontimportants, mais aussi au niveau du sol. Au niveau des toits des bâtiments la méthodeSOLWEIG pourraient être intéressante, mais généralement le calcul du confort thermique enmilieu extérieur est destiné aux piétons et la partie la plus importante à exploiter dans ce genrede calcul est à 1m10 du sol, le centre de gravité d’une personne de taille moyenne. De plus, en faisant un calcul avec Excel sur la base du PMV montre les résultatssuivants : 40
  • 46. Figure 28: Influence de la valeur de la température radiante moyenne sur le PMV Une variation de 10 degrés de la temperature radiante moyenne entraine une variationde 1 à la valeur du PMV. Cette ecart suffit à invalider la methode inspirée de SOLWEIG. 41
  • 47. 4.3.2 Calcul du PMV*4.3.2.1 Calcul de la température radiante moyenne Une fonction déjà présente de SOLENE (proc_out_mrt) permet de calculer latempérature radiante moyenne à partir de la température de surface. Son exécution a nécessité 3h02min. Figure 29: Organigramme de la fonction proc_out_mrt Jai réussi à faire tourner la fonction de calcul du TRM. Mais linscription des résultatsdans le fichier TRM.val ne s’est pas correctement déroulée. Elle sarrête à la face 38/198 touten donnant une confirmant le bon déroulement de l’exécution du programme. J’ai testé l’exécution grâce à la commande sous linux : echo $? C’est unecommande binaire qui rend 0 quand l’exécution s’est bien déroulée et 1 dans le cascontraire. Dans la suite je vais supposer la valeur de la température radiante moyenne constanteafin de pouvoir tester la fonction sur le PMV*.4.3.2.2 Calcul du confort Pour effectuer le calcul du confort je me suis inspiré de la fonction (confort_ext.c) ;Une fonction qui permet à la base de calculer le confort thermique en milieu intérieur. 42
  • 48. Figure 30: Organigramme de la fonction pmv_etLe test est effectué avec des paramètres fixés :  Le métabolisme est fixé =1,2 met correspond à une personne en faible activité.  La résistance thermique aux échanges entre la surface de la peau et l’environnement = 0,5 correspond à une style vestimentaire d’été.  La vitesse du vent = 0,25 m/s.Quelques exemples de calcul du PMV* avec une hypothèse de valeurs constantes: TRM Ta HR Va M Rcl PMV* PPD (°C) (%) (m/s) (met) (Clo) (%) (°C) 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 Tableau 4-1: Quelques exemples de calcul du PMV* 43
  • 49. 4.4 Conclusion sur le travail Effectuer le calcul avec la méthode basée sur SOLWEIG nécessite d’effectuer descorrections très complexes qui à l’échelle d’une ville peuvent être très réductrice. De plusl’application de cette méthode se résume entre les plages horaires de lever et coucher du soleilce qui limite les possibilités de calcul de confort pour la nuit par exemple. Du fait de la grande différence constatée entre les résultats de la simulation, laméthode basée sur SOLWEIG ne suffit pas pour valider le modèle car il y’aura desrépercussions sur la valeur de la température radiante moyenne puis de la températureeffective. Une autre solution pour la méthode de SOLENE est de réduire la taille de la scène àsimuler ainsi on pourra par la même occasion réduire la taille des facteurs de formes. Doncdans le cadre du projet on pourrait diviser les géométries en plus petite zone et les traiterséparément, en prenant soin de ne pas rater les zones de forts échanges à forts facteurs de vue. En attendant de pouvoir alléger le calcul des facteurs de forme, j’ai implémenté leprogramme de Julien Bouyer de façon à avoir directement les rayonnements grandeslongueurs d’onde en entrée au lieu des facteurs de forme et le résultat de cette opération est derendre le calcul presque instantané pour le calcul des températures de surface. Apres avoir confronté la méthode disponible dans SOLENE et la méthode simplifiéede SOLWEIG, il est préférable d’utiliser TSimulation_surface car elle permet d’avoir plus deprécision. Elle sera utilisée dans le calcul de la température radiante moyenne. La fonction de calcul du TRM (proc_out_mrt) devra être debuggée. Le problème sesitue au niveau de l’inscription des données sur le fichier des résultats. Il est fort probable quecela soit dû à un problème de mémoire. Des tests supplémentaires seront effectués afind’apporter une solution à ce problème. Le calcul du PMV s’est bien déroulé. L’intérêt de faire le test avec des constantes estde voir si le calcul est fonctionnel et correspond aux résultats théoriques. L’état actuel desdonnées du projet ne permet pas de faire une étude en situation réelle sur les agglomérationsde test.5 Les apports du stage Au cours de ce stage, j’ai appris beaucoup de choses. Les apports que j’ai tirés de cetteexpérience professionnelle peuvent être regroupés autour de trois idées principales : lescompétences acquises, les difficultés rencontrés et solutions apportées ainsi que la vie ensociété.5.1 Compétences acquises Ce stage ma permis de mettre à lœuvre certaines de mes compétences déjà en place,mais aussi den développer de nouvelles. Le fait de travailler dans un environnement de recherche ma confronté au traitementde linformation. Pour cela la capacité danalyse et de synthèse ma été très utile. Cetteexpérience ma permis de les renforcer. Jai appris à me familiariser avec les outils informatiques de développement de logicielnotamment à la contribution à la forge SOLENETB. Ainsi mes compétences basiques enprogrammation ont pu être renforcées. Grâce aux échanges avec certains de mes sources bibliographiques et quelquespartenaires, mais aussi de laide que jai pu recevoir de certains de mes collègues de travail surleur domaine respectif, jai pu mesurer limportance du travail en équipe. Ainsi jai amélioréma capacité de communication. 44
  • 50. De plus jai pu faire valoir mes compétences théoriques acquises lors de ma formation.5.2 Difficultés rencontrées et solutions apportées Durant ma formation jai pu étudier les outils et méthodes appliquées aux bâtiments,cest à dire une surface prédéfinie où les données sont maitrisées avec des hypothèsesrelativement simple à mettre en place. Élargir ces notions théoriques du bâtiment à léchelledu milieu urbain, demandait plus de précision en tenant en compte les spécificitésgéométrique et les différents systèmes mis en œuvre afin de répondre au cahier des charges enproposant un outil de calcul cohérent ;Une documentation sérieuse sur le sujet ma permis decontourner cette difficulté, notamment le fait de mappuyer sur des thèses dauteurs ayant déjàréfléchi sur la question. Ceci m’a simplifié le travail puis à certains moments donné lapossibilité de privilégier une méthode au détriment dune autre en me basant du contexte etdes hypothèses de calcul. Afin de tester le modèle suivant le cahier des charges (effectué le test pourlagglomération Rennaise), il est indispensable davoir à ma disposition les donnéesnécessaires pour effectuer le calcul. J’ai aussi pris contact avec Meteodyn 6 pour connaitre lanature des données de vent que nous allons recevoir ; Cependant au début du stage toutes lesdonnées nétaient pas disponibles, de ce fait linventaire des données na pas été fait. Je mesuis alors résolu à effectuer mes calculs en prenant en compte toutes les données dentrées quidoivent être prises en compte. Ainsi à la réception de la maquette de lagglomération Rennaiseune mise au point sera faite pour éliminer les entrées inutiles. Ces entrées n’étant pas sous lemême type, un traitement préalable est nécessaire avant leur implémentation. Une autre difficulté liée à l’outil SOLENE. Certaines fonction ne fonctionnent pascorrectement et présente des erreurs, c’est le cas de proc_out_mrt ; J’ai contacté Julien Bouyerafin d’avoir des éclaircissements sur les arguments à utiliser. Malheureusement je suis le seulà avoir utilisé cette fonction depuis sa création.5.3 La vie en société Mon stage au CERMA a été très instructif. Au cours de ces 6 mois, j’ai pu observer lefonctionnement d’un laboratoire de recherche. Au-delà, de l’activité de chacun des services,j’ai pu apprendre l’articulation des différents services d’une telle structure. Par ailleurs, lesrelations humaines entre les différents employés de la société, indépendamment de l’activitéexercée par chacun d’eux, m’ont appris sur le comportement à avoir en toute circonstance. Comme il a été vu plus haut, 4 services structurent le CERMA. Aussi, et au travers del’analyse qui a pu être faite, il apparaît indéniable que tous ces services interviennent à unmoment ou à un autre de la prise de décision. L’expression la plus éloquente de ce partage deresponsabilité est la mise en place d’une réunion bimensuelle appelée « 60’ du labo » danslaquelle un des chercheur, post-doctorant ou doctorant faisait une présentation d’environ 60minutes sur ses travaux en cours et pouvait ainsi avoir l’expertise des collègues afin d’avoirune vision différente de son travail d’un point de vue extérieur. La circulation de l’information est ainsi un des points forts que j’ai retenu de cettesociété, tant au niveau du travail collaboratif, que dans l’implication de tous dans le bonfonctionnement de la société, de manière à ce que tout le monde soit impliqué dans la vie dulaboratoire. 6 1.2 Contexte du stage 45
  • 51. Les relations humaines entre les employés Au-delà du fonctionnement de l’entreprise, j’ai pu ressentir une atmosphère trèschaleureuse qui régnait au sein du CERMA. J’ai ainsi constaté qu’un respect exemplaire de lahiérarchie des fonctions était primordiale dans les rapports entre les employés, favorisant par-là même occasion l’échange, le dialogue et la productivité. Au travers de cette convivialité, j’ai pu comprendre que l’activité d’une société estplus performante dans une atmosphère chaleureuse et bienveillante. 46
  • 52. Conclusion Ce stage au CERMA m’aura beaucoup apporté en ce qui concerne l’expériencepersonnelle. En effet, désirant m’orienter plus tard dans le secteur de la recherche et dudéveloppement, je voulais découvrir le fonctionnement d’un centre de recherche, et leCERMA a en cela répondu à toutes mes attentes. Je suis bien sûr conscient du fait que cetInstitut, avec ses locaux tout neufs, sa bonne ambiance, son équipe motivée et accueillante estvraiment exceptionnel, et qu’il est difficile de trouver de si bonnes conditions de travail danstous les centres de recherche. Mais ce stage m’a donné envie de persévérer dans cette voie, etj’espère donc, par la suite, pouvoir m’orienter dans le secteur de la recherche. Par ailleurs, j’ai été vraiment très intéressé par la découverte du secteur del’architecture en parallèle avec le travail qui m’a été confié. Cela n’a bien sûr pas été trèsfacile au début, et je pense avoir encore beaucoup de lacunes dans ce domaine. Sur un plan plus personnel et plus anecdotique, ce stage m’a permis de découvrir laville de Nantes dont j’ai apprécié l’architecture, la vie culturelle et m’a fait sortir du quotidiende la vie parisienne. Pour clore ce chapitre, je suis vraiment très content de mon stage au CERMA, où touts’est très bien déroulé, sans stress ni temps mort, et j’espère avoir communiqué monenthousiasme à travers mon rapport. 47
  • 53. BibliographieBouyer, J. (2009). Modélisation et simulation des microclimats urbains. Nantes: l’École Nationale Supérieure d’Architecture de Nantes.Bruse, M., & Huttner, S. (2009). Numerical modeling of the urban climate – A preview on ENVI-MET 4.0. Yokohama, Japan.CANDAS, V. (s.d.). Traité Génie énergétique. les Techniques de l’ingénieur BE 9 085.CERMA. (2012, mars 26). Acceuil. Consulté le mars 26, 2012, sur http://www.cerma.archi.fr/: http://www.cerma.archi.fr/CERMA. (2012, avril 19). index [Le wiki de la liste solenetb]. Consulté le avril 19, 2012, sur https://groupes.renater.fr/wiki/solenetb/indexDoya, M., Bozonnet, E., & Allard, F. (2009). INVESTIGATING CHANGES IN FAÇADES’ ENERGY BALANCE ACCORDING TO COATING OPTICAL PROPERTIES. 8.Fabrice, D., & Sophie , M. (2005-2006). Confort Thermique ressenti, Analyse des campagnes expérimentales. Nantes.Lindberg, F., & Grimmond, C. S. (2011). The influence of the vegetation and building morphologiy on shadow patterns and mean radiant temperatures in urban areas : model development and evaluation. Theor Appl Climatol, 13.Lindberg, F., Holmer, B., & Thorsson, S. (2008). Modelling spatial variations of 3D radiant fluxes and mean radiant temperature in complex urban settings. International Journal of Biometeorology, 52(7), 697-713.LumaSense inc. (s.d.). PMV (Predicted Mean Vote) Calculation. Consulté le Avril 17, 2012, sur http://lumasenseinc.com/EN/products/thermal-comfort/pmv-calculation/Palyvos, J. (2007). A survey of wind convection coefficient correlations for building envelope energy systems modeling. Applied Thermal Engineering 28 801-808.Pôle Images et Réseaux. (s.d.). PROJET « EnVIE ». Dans APPEL A PROPOSITIONS 2009 DOSSIER DEFINITIF DE POJET.Prediction of Thermal Comfort. (s.d.). Consulté le Avril 17, 2012, sur http://personal.cityu.edu.hk/~bsapplec/newpage315.htmQu, Y. (2011). Three-dimensional modeling of radiative and convective exchanges in the urban atmosphere. Université of Paris-Est.Robitu, M. (2005). Etude de linteraction entre le bâtiment et son environnement urbain : influence du confort sur les conditions de confort en espaces extérieurs. Nantes: université de Nantes.Vinet, j. (2000). Contribution à la modélisation thermo-aéraulique du microclimat urbain. Caractérisation de l’impact de l’eau et de la végétation sur les conditions de confort en espaces extérieurs. Nantes: école doctorale Mécanique, Thermique et Génie Civil. Sources internetCERMA. (2012, mars 26). Acceuil. Consulté le mars 26, 2012, sur: http://www.cerma.archi.fr/CERMA. (2012, avril 19). index [Le wiki de la liste SOLENEtb]. Consulté le avril 19, 2012, sur https://groupes.renater.fr/wiki/SOLENEtb/indexPrediction of Thermal Comfort. (s.d.). Consulté le Avril 17, 2012, sur http://personal.cityu.edu.hk/~bsapplec/newpage315.htmLumaSense inc. (s.d.). PMV (Predicted Mean Vote) Calculation. Consulté le Avril 17, 2012, sur http://lumasenseinc.com/EN/products/thermal-comfort/pmv-calculation/ 48
  • 54. Annexes Annexe 1 : Méthodes de calcul de la température de surface Au cours des recherches sur le sujet, j’ai pu voir un panel de méthodes pouvantpermettre d’effectuer le calcul de la température de surface. Et chaque méthode méritant des’y attarder. 1. Modèle Force Restore de Young Feng Qu (Qu, 2011) Pour le calcul de la température de surface intérieure, ( ) ̅( ) : Sont les températures intérieures calculée respectivement températuresfuture et passé : Le pas de temps en (s) : Nombre de seconde par jour (s) ̅ : Température moyenne de toutes les surfaces calculée au moment n (K). En négligeant le flux dorigine anthropique et les termes de flux de chaleur latente dansléquation : √ ⁄ La procédure simplifiée du bilan énergétique donne : Dans lhypothèse dune seule couche dexprimer le terme de conduction : : Conductivité thermique surfacique (W/m/K) : Épaisseur du mur (m) : Température intérieur (K) : Température ambiante (K) Pour appliquer cette méthode il faudra trouver le moyen d’effectuer la résolution del’équation polynomiale de degrés 4. On note qu’elle n’a pas été testée par la source. 2. Modèle Maxime Doya (Doya, Bozonnet, & Allard, 2009) I
  • 55. Annexe 2: SOLENE SOLENE (le logiciel de simulation densoleillement, déclairement et de rayonnementthermique), développé par la CERMA, il qui apporte une aide efficace à lévaluation et à laconception climatique des projets architecturaux et urbains. Il permet de mener desinvestigations à caractères théoriques et pratiques sur lajustement microclimatique et solairedes bâtiments et des formes urbaines. Il constitue un système ouvert de questionnementsolaire, lumineux et thermique organisé autour de fonctions de simulation, qui permettentd’appréhender les ensembles construits suivant divers paramètres physiques, et de fonctionsde visualisation qui rendent compte des comportements observés dans l’espace et le temps. II