Développement d’un outil de simulation couplé pour la demande énergétique des bâtiments urbains, des systèmes énergétiques de quartier et la modélisation du microclimat

Development of a coupled simulation tool for urban building energy demand, district energy systems and microclimate modeling

• Auteur / Autrice : Georgios-Evrystheas Kyriakodis
• Direction : Emmanuel Bozonnet, Peter Riederer
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie civil
• Date : Soutenance le 26/08/2020
• Etablissement(s) : La Rochelle
• Ecole(s) doctorale(s) : EUCLIDE
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des Sciences de l’Ingénieur pour l’Environnement (La Rochelle)
• Jury : Président / Présidente : Christophe Ménézo
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Emmanuel Bozonnet, Peter Riederer, Christophe Ménézo, Godfried Augenbroe, Mattheos Santamouris, Christian Inard, Marjorie Musy, Monika Woloszyn
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Godfried Augenbroe, Mattheos Santamouris

Mots clés

Mots clés contrôlés

Simulation, Méthodes de

Microclimat urbain

Réponse à la demande (énergie)

Villes

Chauffage et ventilation

Habitations

Mots clés libres

Modélisation énergétique des bâtiments urbains

Modélisation du microclimat

Effets spécifiques au site

Couplage synchrone

Couplage chainage

Réseau énergétique du quartier

Urban Building Energy Modeling (UBEM)

Microclimate modeling

Site-specific effects

Synchronous coupling

Chaining coupling

District energy network (DEN)

Résumé

Ce travail de thèse aborde les liens complexes entre les processus physiques urbains, par le développement de modèles couplés pour tenir compte simultanément de la demande énergétique des bâtiments, les systèmes énergétiques individuels ou de quartier, et du microclimat urbain. L'échelle spatiale correspond aux quartiers urbains explicités géométriquement, et l’échelle temporelle est annuelle. Différentes stratégies de couplage ont été évaluées, pour leur capacité de représentation des effets thermiques, et des phénomènes couplés. Les schémas de couplages synchrones sont efficaces pour les interactions dynamiques entre bâtiments et microclimat. Néanmoins, ce couplage est sensible aux propriétés thermiques du bâtiment. La simplification de la canopée urbaine à un nœud de calcul entraîne une variation significative de la demande énergétique. Par ailleurs, le modèle développé a été utilisé pour évaluer les performances thermiques d'un quartier de La Rochelle. Le remplacement des climatiseurs individuels par un réseau urbain de froid élimine la contribution anthropique des bâtiments, et améliore le confort thermique extérieur, agissant comme une stratégie d'atténuation locale d’îlot de chaleur. Cependant, il entraîne une pénalité énergétique due aux pertes par le sol du réseau urbain. Cette pénalité énergétique est amplifiée lorsqu'une stratégie d'atténuation passive (matériaux froids) est mise en œuvre simultanément.

This PhD work investigates the complex links between urban physical processes, through the development of coupled simulation platforms to account simultaneously for building energy demand, individual or district energy systems, and urban microclimate. The spatial and temporal scales correspond to urban neighborhoods under explicit geometries, and annual simulations respectively. Several coupling strategies have been evaluated, regarding thermal efficiency indicators, and the determination of the diversity of coupled phenomena. The synchronous coupling schemes can effectively assess the dynamical interactions between buildings and the local microclimate. Nevertheless, the coupling variable is sensitive to the thermal properties of the building. The simplification of the urban canopy layer to a single-node description reveals significant variability in building energy demand. Besides, the developed model has been employed to assess the thermal performance of an urban neighborhood in La Rochelle. The transition from local energy systems to the district energy network eliminates anthropogenic heat from buildings, and improves the outdoor thermal comfort conditions, acting as a local heat island mitigation strategy. However, it is associated with an energy penalty due to the ground losses of the piping circuit. This energy penalty is amplified when a passive mitigation strategy (cool materials) is implemented concurrently.