Mesure et modélisation de la lumière naturelle dans les canyons urbains

par Manolis Patriarche

Thèse de doctorat en Génie civil

Sous la direction de Dominique Dumortier.

Le président du jury était Jean-Yves Toussaint.

Le jury était composé de Philippe Blanc, Jean-Michel Deleuil.

Les rapporteurs étaient Benoit Beckers, Pierre Ineichen.


  • Résumé

    L’augmentation de la population mondiale et l’urbanisation croissante conduisent à une densification urbaine qui menace l’accès des habitants des villes au soleil et à la lumière naturelle. Cet accès est lié à des problématiques de consommation d’énergie, de santé et de bien-être ; il peut être limité par plusieurs caractéristiques du tissu urbain telles que la largeur des rues, la hauteur des bâtiments, la clarté des façades et de la chaussée. Nous avons étudié l’influence des caractéristiques les plus importantes d’un canyon urbain sur la disponibilité de la lumière naturelle à l’intérieur du canyon sous des conditions climatiques réelles. Nous avons fabriqué dans ce but, le modèle réduit d’un canyon urbain, la représentation simplifiée d’une rue. Cette maquette est modifiable, le rapport d’aspect H/W (Hauteur/Largeur) du canyon peut être modifié et les façades sont interchangeables. Durant une année, les éclairements lumineux y ont été mesurés sur le sol et à plusieurs hauteurs des façades, au pas de la minute, sous des conditions de ciel réelles. Au total, 12 configurations sont représentées dans la base de données obtenue, avec 3 rapports d’aspect : H/W=0,5, 1 et 2, et 4 types de façades de facteur de réflexion lumineux différent. Les revêtements de façade utilisés sont : noir, blanc, crépi et crépi avec des parties vitrées. Nous étudions l’influence de ces paramètres en fonction des types de ciel définis par la CIE pour un canyon orienté nord/sud. Nous utilisons aussi ces données pour étudier l’usage, la performance et la précision de trois logiciels de modélisation du rayonnement solaire en milieu urbain : Citysim, Daysim et Heliodon. Ces trois logiciels offrant différents niveaux de simplification. Enfin, nous avons mené une campagne de mesure dans les rues de Lyon. Cela nous a permis de nous confronter à la réalité des données de terrain, juger des difficultés à les recueillir et à modéliser le rayonnement solaire dans l'espace réel. Nous avons aussi évalué une nouvelle méthode de mesure des éclairements lumineux d’une façade. Cette méthode se base sur des cartes de luminances obtenues à partir de photos fisheye avec un appareil photo numérique étalonné en luminances. La comparaison de ces mesures avec celles de la maquette permet d’évaluer l’erreur commise en utilisant un revêtement simplifié. En utilisant les données récoltées sur la maquette, le rapport d’aspect H/W=1 permet d’obtenir le meilleur accès à la lumière naturelle dans le canyon, il correspond à un bon compromis entre la contribution des façades et du ciel. Pour chaque ville, une configuration optimale peut être déterminée en fonction du climat local, qui peut être représenté par la fréquence d’observation des différents types de ciel CIE. Nous avons évalué la capacité des logiciels choisis à prendre en compte le climat. Avec Heliodon, il est possible d’obtenir des éclairements lumineux proches de ceux mesurés sur la maquette, pour des ciels sans nuages. Puisque le climat varie tout au long de l’année, la prise en compte des 15 types de ciel CIE doit être préférée à l’utilisation d’un ciel uniquement sans nuages, ou couvert comme cela est souvent le cas. Les logiciels Citysim et Daysim sont capables de prendre en compte le climat réel et produisent de bonnes corrélations avec les mesures effectuées sur la maquette pour tous les types de ciel.

  • Titre traduit

    Daylight measurement and modelling in urban canyons


  • Résumé

    As the world population and the urbanization increase, cities become denser, thus reducing access to daylight and sunlight for city dwellers. This access is linked to some issues such as energy consumption, health and comfort; it can be limited by several urban fabric features such as street width, building height, façade and road coating. We have evaluated the influence of the most important features of an urban canyon regarding daylight availability inside the canyon under real sky conditions.To that end, we have built a scale model of an urban canyon, the simplest representation of a street. This scale model can be modified: the aspect ratio H/W (Height/Width) can be changed as well as the type of façade. During one year, outdoor illuminances have been measured every minute on the ground and at different heights of the façades. Hence, we created a database containing twelve combinations of an urban canyon with the following parameters: three aspect ratios (H/W=2, 1 and 0.5) and four types of façades with different reflection factors. The different coatings of the façades are: black, white, roughcast and roughcast with windows. We evaluate the influence of these parameters for each type of sky defined according to the CIE for a north/south orientated canyon.We also use this database in order to evaluate the ease of use, performance and precision of three software tools for the estimation of solar radiation in urban context: Citysim, Daysim and Heliodon, each having different simplification levels.Finally, we have carried a measuring campaign in the streets of the French city of Lyons. This campaign allowed us to realize the difficulty of collecting data in the field and modelling solar radiation of a real street. We have also assessed a new method for measuring illuminances of a whole façade. This method is based on a luminance map generated from a calibrated digital camera equipped with a fisheye lens. A comparison between these illuminances with illuminances measured on the scale model with regular sensors allows us to estimate the bias of using a simplified coating.Based on illuminances measured on the scale model, a canyon with an aspect ratio H/W=1 has a better access to daylight, it represents a good compromise between contributions of the sky and the opposing façade. Every city has an optimal canyon shape according to its local climate that could be defined as the frequency of occurrence of the CIE types of sky. We have evaluated the ability of the selected software tools to take into account the climate. For clear skies, Heliodon is able to produce illuminances close to those measured on the scale model. Because the weather changes throughout the year, one would rather take into account the 15 CIE types of sky instead of using either a clear sky or an overcast sky as many studies do. Citysim and Daysim are able to take into account the climate and correlate well with scale model measurements for each type of sky. The method for measuring illuminances using a fisheye lens camera has been validated based on the measurements in real streets of Lyons. This method could produce more accurate values using a reflection factor map of the façade. Illuminances measured on the scale models didn’t correlate well with illuminances measured in real streets because of the complexity of the streets compared to the simplicity of the idealized canyon of the scale model. The use of simplified models of streets can lead to bad results, for instance, with studies estimating the energy consumption of buildings for lighting at district or urban scale. The density of urban areas must decrease in order to improve access to daylight. That would provide other advantages such as the reduction of exposure to vehicles pollution or reduction of the urban heat island. The calculation of an ideal aspect ratio could be achieved using tools evaluated in this thesis.


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