Modèles de ciel pour le calcul de l’irradiation solaire

L’étude de l’irradiation solaire est nécessaire pour quantifier les apports qui peuvent être reçues par une ville. Pour y arriver, il est important d’évaluer les modèles d’irradiation et de ciel disponible.

Modèle de Liu et Jordan 

Liu et Jordan (1960) furent parmi les premiers à créer un modèle de ciel dans le but de déterminer l’énergie provenant de l’irradiation solaire sur une surface horizontale en tenant compte de l’irradiation diffuse sous ciel couvert. Leurs études ont été effectuées dans le but de donner des outils aux professionnels (architectes, ingénieurs, etc.) qui voulaient mieux comprendre les phénomènes de l’irradiation solaire, lesquels constituent un enjeu important sur les bâtiments des quartiers et pour les usagers. Parmelee (1954) avait réalisé des travaux en 1954, mais ceux-ci tenaient compte uniquement de l’irradiation solaire en l’absence de couvert nuageux. Contrairement au travail de Parmelee (1954), Liu et Jordan (1960) font état des nouvelles mesures physiques disponibles prises dans les villes qui permettent d’élaborer de nouvelles stratégies de calcul d’irradiation sous couvert nuageux. Ces mesures prises dans 98 localisations aux États-Unis et au Canada permettent enfin d’établir des comparaisons de leur modèle avec des données précises. L’émergence des technologies disponibles à cette époque aide les auteurs à effectuer des calculs complexes à l’aide d’ordinateurs et de logiciels de calcul, même s’ils font état des limitations au niveau du calcul des composantes diffuses. La composante diffuse de l’irradiation solaire n’est donc pas calculable directement. En effet, Liu et Jordan (1960) effectuent des relations entre l’irradiation solaire directe et diffuse et le niveau d’ennuagement. Ils essaient ainsi de décomposer les éléments de l’irradiation solaire totale de différentes façons, soit selon le ciel dégagé, le ciel couvert et les heures d’ensoleillement .

Des relations ont ainsi pu être établies entre l’irradiation diffuse et directe sans couvert nuageux. Ce travail montre que la composante diffuse est surtout influencée par la latitude et la qualité de l’atmosphère (pollution et masse de l’air, fonction de la température de l’air et de la quantité de vapeur d’eau présente dans l’air). Liu et Jordan (1960) émettent des réserves face à leur modèle puisqu’il ne tient pas compte de la réflexion solaire autour des points de mesures ainsi que de la pollution atmosphérique. Pour ces raisons, les courbes théoriques établies ne peuvent représenter parfaitement la réalité.

Modèle de Perez

Le modèle de ciel de Perez et al. (1987) est largement utilisé pour calculer l’irradiation solaire sur une surface en tenant compte de l’irradiation diffuse et directe. Ces chercheurs montrent que la distribution de l’énergie diffuse dans le ciel est anisotrope, chaque point dans le ciel émettant vers la terre une quantité d’énergie distincte. Perez et al. (1987) utilisent les principes de calculs d’éléments finis. Ils proposent ainsi une sommation des composantes de leur modèle pour calculer l’énergie diffuse en fonction de la luminosité et de la position du soleil, montre les composantes de l’énergie diffuse.

Facteur de vue du ciel / Sky view factor

La section suivante présente la théorie derrière le facteur de vue du ciel (FVC) ainsi que des applications. Le facteur de vue du ciel (FVC) est un élément important à considérer pour quantifier l’énergie solaire en milieu urbain. Le FVC est tout d’abord un élément géométrique qui étudie un point par rapport à son contexte

Angle solide et théorie 

Le FVC part du principe de l’angle solide. L’angle solide est issu des travaux de recherche sur les domaines de l’illumination et la radiosité. Sa définition est que l’angle solide est la projection d’une surface d’un point sur sa propre sphère, le point étant le centre de la sphère (Sillion et Puech, 1994). En version mathématique simplifiée, la valeur de l’angle solide est la surface projetée sur la sphère divisée par le rayon au carré de la sphère. Dans le domaine de l’énergie, il est commun d’utiliser la définition de l’angle solide à l’aide des coordonnées sphériques .

Applications du Facteur de vue du ciel (FVC)

C’est le FVC qui permet de valider le pourcentage disponible au sol (ou sur des parois) de l’énergie diffuse provenant du ciel. Le facteur de vue du ciel est issu des études en milieu urbain où la géométrie d’un quartier influence l’apport solaire disponible. Les travaux de Watson et Johnson (1987) mettent en évidence plusieurs variantes de calculs du facteur de vue du ciel en milieu urbain. Leur travail y compare l’énergie reçue sur une surface horizontale à plusieurs endroits dans une ville et à une surface qui est placée dans un champ proche de la ville à l’étude où il n’y a pas d’obstruction de la vue du ciel. Les auteurs suivant [Sakakibara (1996), Chen et Ng (2011), Unger (2004) Parry (1967)] dans le texte ont par la suite tenté d’établir des liens entre le facteur de vue du ciel et des phénomènes observés. Dans une majorité de cas, ces chercheurs cherchaient à quantifier l’énergie absorbée par un quartier ou un canyon à l’aide du FVC pour étudier les phénomènes d’ilot de chaleur urbain. C’est ce que fait Sakakibara (1996) en validant le comportement de l’ilot de chaleur urbain sous différentes géométries de bâtiment. Il utilise le FVC pour démontrer que la forme des bâtiments d’un quartier a un impact sur la formation d’ilots de chaleur urbains. Parfois le FVC est utilisé pour modéliser la quantité de lumière qui entre dans un quartier. Les travaux de Chen et Ng (2011) utilisent le FVC afin de faire une classification du climat urbain de la ville de Hong Kong pour définir un confort urbain dans une ville à haute densité. Plusieurs des études sont basées sur les notions d’Oke (1982). En particulier, les travaux de Unger (2004) expliquent l’historique des études qui s’intéressent aux relations entre le FVC et certains phénomènes spécifiques, et plus particulièrement les ilots de chaleur. Ainsi, en 1967, Parry avait cherché à établir des relations entre six stations métrologiques dans la ville de Reading au Royaume-Uni en mesurant la température moyenne minimum journalière à cet endroit et en prenant des photos du ciel. Parry (1967) a remarqué que selon le type d’ombrage sur le site, la température moyenne journalière variait.

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Table des matières

INTRODUCTION 
CHAPITRE 1 ÉTAT DE L’ART
1.1 Étude des phénomènes dans une ville
1.2 Modèles de ciel pour le calcul de l’irradiation solaire
1.2.1 Modèle de Liu et Jordan
1.2.2 Modèle de Perez
1.3 Facteur de vue du ciel / Sky view factor
1.3.1 Angle solide et théorie
1.3.2 Applications du Facteur de vue du ciel (FVC)
1.4 Consommation énergétique des bâtiments
1.4.1 Méthode de calcul statique versus dynamique
1.4.2 Degrés-jours et indicateur du climat
1.5 Présentation des méthodes du calcul des degrés-jours ASHRAE, Allemande et
Française
1.5.1 Méthode ASHRAE
1.5.2 Méthode allemande
1.5.3 Méthode française
1.6 Comparaison des méthodes pour les cinq villes à l’étude
1.7 Scénarios de projection de la consommation énergétique des bâtiments selon leur année de construction et de rénovation
1.8 Orientation des bâtiments et énergie consommée
1.9 Lois et objectifs gouvernementaux
1.9.1 Canada
1.9.2 France
CHAPITRE 2 MÉTHODOLOGIE
2.1 Sélection des villes et des quartiers
2.2 Modèle géométrique du quartier
2.3 Modification du modèle initial, scénario de densification
2.3.1 Densification du modèle initial par l’ajout d’un étage (densification
uniforme)
2.4 Densification du modèle initial par l’ajout de tours (densification localisée)
2.5 Simplification des modèles par des prismes rectangulaires pour validation des
calculs et niveau de détails
2.6 Trajet solaire et modèles solaires
2.6.1 Direction du rayonnement direct par rapport à une surface au sol
2.6.2 Énergie solaire disponible
2.6.3 Irradiation directe
2.6.4 Irradiation diffuse
2.6.5 Application du trajet solaire et du modèle de Perez sur un quartier
2.6.6 Application du facteur de vue du ciel (Sky View Factor) et de la
visibilité
2.6.7 Limitation de la méthode du calcul de l’irradiation solaire
2.7 Besoins énergétiques en chauffage
2.7.1 Exclusions de la méthode de la demande énergétique en chauffage
CHAPITRE 3 RÉSULTATS 
3.1 Chronologie des simulations
3.2 Paramètres des simulations et précisions des simplifications
3.3 Irradiation totale, comparaison entre les modèles et simplification
3.3.1 Irradiation totale sur le quartier original (scénario 1)
3.3.2 Irradiation totale sur quartier original densifié par étalement
(scénario 3)
3.3.3 Irradiation totale sur le quartier original densifié par ajout de tours
(scénario 3)
3.3.4 Analyse des scénarios original, densifié par étalement et par ajout de
tours
3.3.5 Comparaison de l’irradiation selon les modèles
3.3.6 Irradiation des blocs simplifiés et niveau de détails des modèles
3.4 Effet d’ajout d’étages sur le quartier densifié par étalement et analyse du premier
étage (rez-de-chaussée)
3.4.1 Irradiation pour ajout de deux et trois étages supplémentaires sur le
quartier original et vérification de l’orientation optimale
3.4.2 Comportement du premier étage (rez-de-chaussée)
3.5 Irradiation solaire par critère de performance, par m2
de surface vitrée
3.6 Demande énergétique en besoin de chauffage pour les scénarios et comparaison
avec l’irradiation solaire comme chauffage passif
3.6.1 Paramètres et dimensions pour la demande énergétique
3.6.2 Énergie solaire passive et demande énergétique
3.6.3 Analyse des gains solaires en comparaison avec des blocs ayant des
performances élevées au niveau des pertes thermiques, maison solaire
passive (scénario du futur)
CHAPITRE 4 DISCUSSIONS 
4.1 Portée des résultats
4.2 Le modèle géométrique
4.3 Le modèle solaire
4.4 Saison de modélisation et position sur le globe terrestre
4.5 Modélisation de la demande énergétique pour le chauffage
4.6 Retombés
CONCLUSION

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