Analyse de l'impact des propriétés radiatives de façades pour la performance énergétique de bâtiments d'un environnement urbain dense, Analysis of façade radiative properties for building energy efficiency in a dense urban environment

De
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Sous la direction de Francis Allard
Thèse soutenue le 08 juillet 2010: La Rochelle
L’interaction des phénomènes de transfert de chaleur et de masse dans un tissu urbain avec les apports anthropiques participent à l’îlot de chaleur urbain et à la dégradation de la performance énergétique des bâtiments. L’objectif de cette étude est de définir l’impact de la modification des propriétés radiatives aux façades des bâtiments qui peut être réalisée par l’utilisation de revêtements sélectifs colorés récemment développés pour les toitures. Les flux sensibles et l’impact sur les bâtiments sont étudiés pour une morphologie caractéristique des milieux urbains denses, la rue canyon. Un suivi expérimental mené sur des surfaces élémentaires de propriétés radiatives différentes nous a permis de développer par une méthode d’optimisation un procédé de détermination simultané du coefficient de convection et des absorptivités solaires effectives sur la période de mesure. L’utilisation de peintures sélectives dans la configuration canyon retenue est ensuite analysée expérimentalement. Pour cela une maquette (1/10ème) de scène urbaine a été conçue sur la base de 5 rangées de cuves de béton creux qui ont fait l’objet de mesures de températures et de flux radiatifs. Dans un premier temps, le traitement de deux mois de mesures a permis de caractériser les évolutions de champs de températures liés à cette forme urbaine. Par la suite, trois configurations de propriétés radiatives aux façades ont été étudiées simultanément et ont permis d’analyser les modifications spécifiques sur les champs de température, de sur-faces et d’air. Afin d’estimer les économies d’énergie réalisables sur un bâtiment réel ainsi que l’impact sur son environnement proche, une étude paramétrique des revêtements de façade et de la chaussée a été effectuée par des simulations de l’interaction du bâti et du micro-climat. Les méthodes et expériences établies dans cette étude nous permettent d’envisager le développement du traitement des façades et de la caractérisation de leurs performances globales.
-Caractérisation des propriétés radiatives
-Peintures sélectives
-Rue canyon
-Maquettes
-Microclimat urbain
-Consommation énergétique
-Performance thermique
Modified heat and mass transfer in the urban built and anthropogenic loads contribute to the urban heat island phenomenon as to the deterioration of building energy efficiency. The scope of this study is to define the impact implied by the modification of façade radiative properties that can be achieved by using selective cool-coloured coatings initially developed for roofing. Sensible heat transfers and consequences on building comfort are studied through a characteristic morphology from dense urban environment, the street canyon. Monitoring of surface energy budget on elementary discs of different radiative properties allowed us to develop, through optimisation method, a process to determine simultaneously the effective solar absorptivities and a convective heat transfer coefficient on the measurement period. The following step consists in an experimental analysis of cool selective paints in the chosen canyon configuration. A reduced-scale model (1/10th) of an urban scene has been designed with 5 rows of hollow concrete tanks that had temperatures and radiative fluxes monitored. Measured data for uniform coatings allowed highlighting the temperature evolution linked to the particular urban form. Afterwards, three façades radiative properties configurations have been studied simultaneously and allowed the analysis of those specific modifications on air and surface temperature fields. Lastly, in order to estimate energy consumption savings on real scale buildings as well as the impact on the near urban environment, a parametric study on coating of façades and roads has been performed through simulation taking into account interactive heat transfers between the built environment and the microclimate. The experiments and methods designed along the study permit to consider façade coating development and global efficiency characterization.
-Radiative properties
-Selective cool paints
-Urban microclimate
-Street canyon
-Reduce scale model
Source: http://www.theses.fr/2010LAROS296/document
Publié le : vendredi 28 octobre 2011
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UNIVERSITÉ DE LA ROCHELLE




École Doctorale Sciences pour l’Environnement Gay Lussac (GL)

THÈSE
Analyse de l’impact des propriétés radiatives de façades
pour la performance énergétique de bâtiments
d’un environnement urbain dense

Maxime DOYA

soutenance prévue : le 08 juillet 2010

pour l’obtention du grade de Docteur de l’Université de La Rochelle
Discipline : Génie Civil


Thèse dirigée par Francis ALLARD et Emmanuel BOZONNET




JURY :
Rapporteurs :
D. ROBINSON Professeur, École Polytechnique Fédérale de Lausanne
G. GUARRACINO Professeur, ENTPE de Lyon
Examinateurs :
M. SANTAMOURIS Professeur, National and Kapodistrian University of Athens
F. ALLARD Professeur, Université de La Rochelle
E. BOZONNET Maître de conférences, Université de La Rochelle
C. INARD Professeur, Université de La Rochelle
M. MUSY HDR, École d’Architecture de Nantes
S. KHERROUF Docteur, Ingénieur ADEME
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Remerciements

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Résumé
L’interaction des phénomènes de transfert de chaleur et de masse dans un tissu urbain avec les
apports anthropiques participent à l’îlot de chaleur urbain et à la dégradation de la perfor-
mance énergétique des bâtiments. L’objectif de cette étude est de définir l’impact de la modi-
fication des propriétés radiatives aux façades des bâtiments qui peut être réalisée par
l’utilisation de revêtements sélectifs colorés récemment développés pour les toitures. Les flux
sensibles et l’impact sur les bâtiments sont étudiés pour une morphologie caractéristique des
milieux urbains denses, la rue canyon.
Un suivi expérimental mené sur des surfaces élémentaires de propriétés radiatives différentes
nous a permis de développer par une méthode d’optimisation un procédé de détermination si-
multané du coefficient de convection et des absorptivités solaires effectives sur la période de
mesure. L’utilisation de peintures sélectives dans la configuration canyon retenue est ensuite
èmeanalysée expérimentalement. Pour cela une maquette (1/10 ) de scène urbaine a été conçue
sur la base de 5 rangées de cuves de béton creux qui ont fait l’objet de mesures de températu-
res et de flux radiatifs. Dans un premier temps, le traitement de deux mois de mesures a per-
mis de caractériser les évolutions de champs de températures liés à cette forme urbaine. Par la
suite, trois configurations de propriétés radiatives aux façades ont été étudiées simultanément
et ont permis d’analyser les modifications spécifiques sur les champs de température, de sur-
faces et d’air. Afin d’estimer les économies d’énergie réalisables sur un bâtiment réel ainsi
que l’impact sur son environnement proche, une étude paramétrique des revêtements de fa-
çade et de la chaussée a été effectuée par des simulations de l’interaction du bâti et du micro-
climat. Les méthodes et expériences établies dans cette étude nous permettent d’envisager le
développement du traitement des façades et de la caractérisation de leurs performances globa-
les.

Mots clés : Caractérisation des propriétés radiatives, expériences, microclimat urbain, peintu-
res sélectives, rue canyon, maquettes
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Abstract
Analysis of façade radiative properties
for building energy efficiency in a dense urban environment

Modified heat and mass transfer in the urban built and anthropogenic loads contribute to the
urban heat island phenomenon as to the deterioration of building energy efficiency. The scope
of this study is to define the impact implied by the modification of facade radiative properties
that can be achieved by using selective cool-colored coatings initially developed for roofing.
Sensible heat transfers and consequences on building comfort are studied through a characte-
ristic morphology from dense urban environment, the street canyon. Monitoring of surface
energy budget on elementary discs of different radiative properties allowed us to develop,
through optimisation method, a process to determine simultaneously the effective solar ab-
sorptivities and a convective heat transfer coefficient on the measurement period. The follo-
wing step consists in an experimental analysis of cool selective paints in the chosen canyon
configuration. A reduced-scale model (1/10th) of an urban scene has been designed with 5
rows of hollow concrete tanks that had temperatures and radiative fluxes monitored. Measu-
red data for uniform coatings allowed highlighting the temperature evolution linked to the
particular urban form. Afterwards, three facades radiative properties configurations have been
studied simultaneously and allowed the analysis of those specific modifications on air and
surface temperature fields. Lastly, in order to estimate energy consumption savings on real
scale buildings as well as the impact on the near urban environment, a parametric study on
coating of facades and roads has been performed through simulation taking into account inte-
ractive heat transfers between the built environment and the microclimate. The experiments
and methods designed along the study permit to consider façade coating development and
global efficiency characterization.
Keywords: Radiative properties, reduce scale model, urban microclimate, selective cool
paints, street canyon

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Table des matières
Nomenclature ........................................................................................................................... 12
Caractères latins ....................................................................................................................... 12
Indices ...................................................................................................................................... 13
Introduction et problématique .................................................................................................. 15
1. État de l’art sur le traitement de l’îlot de chaleur urbain (ICU) ....................................... 25
1.1. Processus physiques de formation de l’ICU ............................................................ 25
1.1.1. Notions de climats et microclimats .................................................................. 25
1.1.2. Formalisation du bilan énergétique à l’échelle d’une ville .............................. 27
1.1.3. Mécanismes affectant les espaces urbains et ruraux ........................................ 30
1.2. Modélisation de l’ICU.............................................................................................. 33
1.2.1. Modélisation à l’échelle locale de la canopée urbaine..................................... 33
1.2.2. Modélisation des échelles microclimatiques : des quartiers aux blocs urbains35
1.2.3. Applications aux formes urbaines spécifiques ................................................. 37
1.2.4. Validation physique des modèles..................................................................... 40
1.3. Applications expérimentales de stratégies d’atténuations de l’ICU......................... 41
1.3.1. Plans d’urbanismes adaptés à la formation du microclimat............................. 41
1.3.2. Stratégies applicables aux centres urbains denses comme mesures de
réhabilitation énergétique et microclimatique.................................................................. 43
1.4. Impact du traitement radiatif des surfaces urbaines ................................................. 49
1.4.1. Qualification des produits « cool » .................................................................. 49
1.4.2. Développement de produits colorés cool ......................................................... 51
1.4.3. Impact du vieillissement et de l’encrassement sur la réflectivité solaire ......... 53
1.4.4. Performances des revêtements cool pour toitures ............................................ 55
1.4.5. Façades cool pour l’environnement urbain ...................................................... 60
2. Performances thermiques des peintures sur un élément « paroi » ................................... 65
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2.1. État de l’art et objectifs : Caractérisations et performances des échantillons ........ 66
2.1.1. Effet de la pureté et de la concentration........................................................... 66
2.1.2. Effets de la rugosité.......................................................................................... 67
2.1.3. Objectifs ........................................................................................................... 69
2.2. Caractérisation des échantillons par spectrophotoscopie ......................................... 70
2.2.1. Présentation brute de la réflectivité des échantillons à une source de 1000
W/m en fonction de la longueur spectrale. ......... ............................................................ 71
2.2.2. Variations des mesures de réflectivité spectrale .............................................. 72
2.2.3. Méthode de détermination des réflectivités solaires ........................................ 72
2.2.4. Comparaison de la réflectivité entre les produits standards et les produits
COOL de même teinte...................................................................................................... 74
2.3. Caractérisation des échantillons par émissiométrie ................................................. 83
2.3.1. Incertitudes sur la mesure................................................................................. 85
2.3.2. Résultats des mesures....................................................................................... 85
2.4. Banc expérimental extérieur..................................................................................... 86
2.4.1. Protocole expérimental du banc extérieur........................................................ 86
2.4.2. Traitement des données : élimination des problèmes....................................... 89
2.4.3. Évaluation des performances thermiques des peintures................................... 93
2.5. Estimation des coefficients du bilan énergétique de surface.................................... 99
2.5.1. Observations et analyse du terme convectif................................................... 100
2.5.2. Détermination expérimentale des absorptivités solaires en connaissant le
coefficient de convection h global. ................................................................................ 108
2.5.3. Ajustement simultané des coefficients radiatifs et convectifs ....................... 111
2.6. Conclusions et Perspectives ................................................................................... 114
3. Performances thermiques des peintures sur une maquette de scène urbaine ................. 117
3.1. Développement de la maquette in-situ CLIMABAT ............................................. 118
3.1.1. État de l’art : simulation in situ et maquettes................................................ 118
3.1.2. Aspect et Géométrie ....................................................................................... 120
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