Development of a model to study the urban microclimate impact on building energy performance: the case of street canyons and courtyards
Développement d’un modèle pour l’étude de l’impact du microclimat urbain sur les performances énergétiques des bâtiments : cas des rues canyons et des cours intérieures
Résumé
To face up to the energy challenges confronting the world today, buildings' energy design is one of the major issues. The real challenge in the coming years is undoubtedly the reduction of primary fossil energy needs and of carbon footprint in which the building sector is responsible for a large part. In order to ensure energy performance and provide adequate technical solutions, the prediction of energy consumption must be more and more realistic. In this case, buildings' thermal modelling must take into account the indoor and outdoor conditions of their surrounding environments. This research work therefore focuses on the development of an urban microclimate simulation model for canyon streets and courtyards. This model is integrated into the dynamic thermal simulation software TRNSYS 18 to study the impact of this microclimate on the building's energy performance. A bibliographic review of the existing microclimatic models in the literature has been carried out. This has shown that the major problem lies in computing time and interoperability. Indeed, a nodal model was developed using the Python programming language and then integrated into the TRNSYS 18 software to study the impact of microclimate on the buildings energy performance in the case of canyon streets. The obtained results show a satisfactory coherence between the developed model and experimental studies existing in the literature. This model was then used to carry out a parametric study in this street typology and thus quantify the impact on the heating and cooling energy needs of the studied buildings. Like the previous model, a zonal model has also been developed and it concerns the modeling of interior courtyards in the case of "Riad" type buildings. This model was compared with CFD simulations by the ENVI-met E software and the results were very relevant. Afterwards, a study was carried out on the impact of the courtyard form and microclimatic parameters on such buildings' energy needs. Finally, a Canyon-type neighborhood of buildings with courtyards located in Tangier City was the subject of a case study through the application of all the developed models. The main results of this research work clearly reveal the need to take into account the urban microclimate for a better estimation of the buildings' energy performance. The developed and integrated models in TRNSYS 18 present then an interesting compromise compared to the existing software. It has also been shown that there is a strong interaction between urban energy design and building envelope. The choice of microclimatic parameters can be a determining factor on the hygro-thermo-aerodynamic behavior of buildings. These developed models remain within the reach of engineers and researchers for easy implementation in dynamic thermal simulation tools for buildings.
Face aux défis énergétiques auxquels le monde est aujourd'hui confronté, la conception énergétique des bâtiments est l'un des enjeux majeurs. Le véritable défi des années à venir est sans aucun doute la réduction des besoins en énergie fossile primaire et de l'empreinte carbone dont le secteur du bâtiment est responsable d’une grande partie. Afin de garantir les performances énergétiques et apporter des solutions techniques adéquates, la prédiction de la consommation énergétique doit être de plus en plus réaliste. En l’occurrence, la modélisation thermique des bâtiments doit tenir compte des conditions intérieures et extérieures de ses environnements proches. Ce travail de recherche porte donc sur le développement d’un modèle de simulation du microclimat urbain dans le cas des rues canyons et des cours intérieures. Ce modèle est intégré dans le logiciel de simulation thermique dynamique TRNSYS 18 pour étudier l’impact de ce microclimat sur les performances énergétiques du bâtiment. Une étude bibliographique sur les modèles microclimatiques existants dans la littérature a été réalisée. Ceci a montré que le problème majeur réside dans le temps de calcul et l’interopérabilité. En effet, un modèle nodal a été développé par le langage de programmation Python et puis intégré au logiciel TRNSYS 18 pour étudier l’impact du microclimat dans le cas des rues canyons sur les performances énergétiques des bâtiments. Les résultats montrent une cohérence satisfaisante du modèle développé par rapport à des études expérimentales qui existent dans la littérature. Ce modèle a ensuite été utilisé pour effectuer une étude paramétrique dans le cas de cette typologie de rue et pour quantifier ainsi l’impact sur les besoins énergétiques de chauffage et de refroidissement des bâtiments étudiés. A l’instar du modèle précédent, un modèle zonal a été aussi développé et il porte sur la modélisation des cours intérieures dans le cas des bâtiments types « Riad ». Ce modèle a été comparé avec des simulations CFD par le logiciel ENVI-met. Les résultats obtenus ont été très pertinents. Ensuite une étude a été réalisée sur l’impact de la forme des cours intérieures et des paramètres microclimatiques sur les besoins énergétiques de ces bâtiments. En fin, un quartier type Canyon avec des bâtiments comprenant des cours intérieures situé à la ville de Tanger (Maroc) a fait l’objet d’un cas d’étude par l’application de l’ensemble des modèles développés. Les principaux résultats de ce travail de recherche dévoilent clairement la nécessité de la prise en compte du microclimat urbain pour une meilleure estimation des performances énergétiques des bâtiments. Les modèles développés et intégrés dans le logiciel TRNSYS 18 présentent donc un compromis intéressant par rapport aux logiciels existants. Il a été aussi démontré qu’il y a une forte interaction entre la conception énergétique urbaine et l’enveloppe des bâtiments. Le choix des paramètres microclimatiques peut être déterminant sur le comportement hygro-thermo-aéraulique des bâtiments. Ces modèles développés restent à la portée des ingénieurs concepteurs et des chercheurs pour les implémenter facilement dans les outils de simulations thermiques dynamiques des bâtiments.