Optimisation de forme d’un damier urbain soumis au rayonnement solaire

1. Optimisation de forme d’un damier urbain soumis au rayonnement solaire Thibaut Vermeulen (Avenues/Roberval) Benoit Beckers (AVENUES) Pierre Villon (Roberval) Catherine Vayssade(Roberval)

2. Plan • Introduction/Problématique • Conditions de l’optimisation • Modélisation solaire • Optimisation • Optimisation de grilles de bâtiments rectangulaires et hexagonales • Optimisation de cellules urbaines • Conclusion

3. Introduction/Problématique • Qu’est-ce qu’un bon quartier vis-à vis du rayonnement solaire ? • Rayonnement mis à profit pour le chauffage • Confort lumineux • Confort thermique • Panneaux solaires • Objectif 1: améliorer le potentiel solaire en ville aux dates critiques (hiver) • Algorithme génétique pour rechercher les meilleures formes urbaines • Calcul sur des grilles théoriques de bâtiments • Objectif 2: étudier les formes urbaines en modifiant le critère • Différentes dates pour le rayonnement direct • Facteur de vue du ciel

4. Rayonnement solaire Rayonnement diffus Facteurs de vue du ciel (FVC) Rayonnement direct Modèle de ciel clair de Liu & Jordan (1960) Latitude, heure, date Calcul des ombres (intersection de polygones) Trajets solaires Avec valant 1 si ciel visible, 0 sinon angle d’incidence Puissance du rayonnement direct Facteur de vue du ciel moyen sur une surface Energie sur les surfaces

5. Optimisation génétique adaptée • Beaucoup de minima locaux et de symétries • Contrainte sur le volume à construire imposée • Algorithme génétique • Bonne exploration de l’ensemble des paramètres • Opérateurs ajustés au problème Sélection élitiste Croisement de sous-quartiers Population initiale admissible Condition d’arrêt atteinte Evaluation Réparation Mutation : - échange la position de deux bâtiments - perturbe aléatoirement un paramètre Sélection Réparation: répartit localement ou en distribuant le volume à ajouter/retirer Mutation Croisement

6. Géométries urbaines • Géométries urbaines simplifiées par des grilles régulières • Variables : hauteur des bâtiments : • Contraintes : • Hauteur des bâtiments • Volume à bâtir Grille rectangulaire Grille hexagonale

7. Exemple 1 : optimisation des hauteurs de bâtiments sur une grille • Bâtiments sur une grille 5*5 (Kämpf 2009) • Paramètres : hauteurs des bâtiments Source : (Kämpf 2009) maximise l’énergie annuelle incidente sous le climat de Bâle (Suisse) avec Radiance (modèle de Perez 1993) Ciel cumulé annuel Source : (Robinson 2004)

8. Exemple 1 : grille rectangulaire • Objectif : maximiser le rayonnement solaire direct au pire jour (21 décembre) • Somme de l’énergie sur toutes les surfaces (toits compris) Irrandiance au point x, et temps t (W/m²) Façade sud : 91 % du rayonnement direct normal

9. Exemple 1 : grille rectangulaire Rayonnement direct Enveloppe du quartier + volume + volume

10. Exemple 2 : grille hexagonale • Grille hexagonale : orientations différentes de l’enveloppe Rayonnement direct

11. Exemple 2 : grille hexagonale Trajet solaire du solstice d’été et hiver : Radiation principalement du zénith, de l’est et de l’ouest Rayonnement direct 50° N

12. Exemple 2 : grille hexagonale, vue du ciel Maximiser le facteur de vue du ciel moyen sur les façades du quartier Facteur de vue du ciel Petits bâtiments Grands bâtiments

13. Cellule urbaine • Pour éviter un contexte fixe ou l’absence de contexte Contexte = cellule reproduite sur une grille • Suppose une périodicité des meilleures formes urbaines • Irradiation calculée sur chaque bâtiment dans un certain périmètre • Optimisation sur plusieurs tailles de cellules recherche d’une période

14. Cellule urbaine : résultats Cellule optimisée pour le rayonnement direct le 21 décembre (50° N) Rayonnement direct Cellule optimisée

15. Cellule urbaine : résultats Cellule optimisée pour le rayonnement direct le 21 mars (50° N) Dans toutes les solutions : rangées de bâtiments Est-Ouest Rayonnement direct 21 mars / 21 septembre 50° N

16. Cellule urbaine : résultats Facteur de vue du ciel Facteur de vue du ciel moyen : bâtiments écartés

17. Conclusions • Cellules • Pas d’amélioration des FO liées au rayonnement direct/FVC avec la taille de la cellule • Différences observées lorsque le volume à bâtir sur une même surface est plus important • Le rayonnement solaire direct et diffus peut se ramener géométriquement à un ensemble de directions

18. Merci de votre attention

19. Références • (Ng 2010) Ng, E. (2010). Designingfor UrbanVentilation, in Designinghigh-densitycities. Earthscan • (Bokeloh 2010) Bokeloh, M., Wand, M., & Seidel, H. (2010). A connectionbetween partial symmetry and inverse proceduralmodeling. ACM Transactions on Graphics (TOG). • (El Ansary 2014) El Ansary, A. M., & Shalaby, M. F. (2014). Evolutionaryoptimization technique for site layout planning. SustainableCities and Society • (Littlefair 1998) Littlefair, P. (1998). Passive solarurban design: ensuring the penetration of solarenergyinto the city. Renewable and SustainableEnergyReviews. • (Eaton 2001) Eaton, R. (2001). Cités idéales, L'utopisme et l'environnement (non) bâti. Anvers, Fonds Mercator • (Harzallah 2007) Harzallah, A. (2007). Emergence et évolutions des préconisations solaires dans les théories architecturales et urbaines en France, de la seconde moitié du XIXème siècle à la deuxième guerre mondiale. Thèse de doctorat. Ecole Nationale Supérieure d'Architecture de Nantes. Université de Nantes. • (Siret 2006) Siret, D., & Harzallah, A. (2006). Architecture et contrôle de l’ensoleillement. In Congrès IBPSA France. • (Montavon 2010) Montavon, M. (2010). Optimisation of UrbanForm by the Evaluation of the SolarPotential. City. PhDthesis, EPFL. • (Knowles 2003) Knowles, R. (2003). The solarenvelope: itsmeaning for energy and buildings. Energy and Buildings, 35, 15–25 • (Compagnon 2004) Compagnon, R. (2004). Solar and daylightavailability in the urbanfabric. Energy and Buildings, 36(4), 321– 328.

20. (Van Esch 2012) Van Esch, M., Looman, R., & Bruin-Hordijk, G. de. (2012). The effects of urban and building design parameters on solaraccess to the urban canyon and the potential for direct passive solarheatingstrategies. Energy and Buildings, 47, 189–200 • (Vanegas 2012) Vanegas, C., & Garcia-Dorado, I. (2012). Inverse design of urbanproceduralmodels. ACM Transactions on Graphics