Concevoir des espaces extrieurs en environnement urbain: une approche bioclimatique

Le matriel prsent dans cette publication est un rsultat du projet RUROS Rediscovering the Urban Realm and Open Spaces coordonn par le CRES, Dpartement des btiments (http://alpha.cres.gr/ruros/) Editeur : Dr Marialena Nikolopoulou. coordinatrice du projet Centre for Renewable Energy Sources, Department of Buildings Auteurs Introduction 1. Modles de confort thermique pour les espaces extrieurs en milieu urbain Dr Marialena Nikolopoulou, Spyros Lykoudis and Maria Kikira Centre for Renewable Energy Sources, Department of Buildings, Greece 2. Prise en compte du vent dans les espaces urbains Niels-Ulrik Kofoed and Maria Gaardsted Esbensen Consulting Engineers Ltd., Denmark 3. Evaluation des conditions de rayonnement dans les espaces urbains Prof. Gianni Scudo, Dr Valentina Dessi and Prof. Alessandro Rogora B.E.S.T. Building Environmental Science and Technology Department, Milan Polytechnic, Italy 1 2

8

14

4. Morphologie urbaine 20 Dr Koen A. Steemers, Marylis C. Ramos and Maro Sinou The Martin Centre for Architectural and Urban Studies, Department of Architecture, University of Cambridge, UK 5. Cartographie du confort thermique et zonage PD Dr Lutz Katzschner, Ulrike Bosch and Mathias Roettgen Faculty of Urban and Landscape Planning, Department of Climatology, University of Kassel, Germany 6. Confort visuel dans les espaces urbains Dr Raphal Compagnon and Jolle Goyette-Pernot Haute Ecole Spcialise de Suisse Occidentale: Ecole dingnieurs et darchitectes de Fribourg, Suisse 7. Environnement sonore et confort acoustique dans les espaces urbains Prof. Jian Kang, Wei Yang and Dr. Mei Zhang School of Architecture, University of Sheffield, UK 26

32

38

8. Principes de conception et applications 44 Prof. Niobe Chrisomallidou, Prof. Max Chrisomallidis and Dr. Theodore Theodosiou Laboratory of Building Construction and Building Physics, Faculty of Civil Engineering, Aristotle University of Thessaloniki, Greece 9. Considrations sociales dans la conception des espaces publics urbains Kallisteni Avdelidi National Centre for Social Research, Greece 10. Evaluation des outils Dr Marialena Nikolopoulou avec les contributions des auteurs des chapitres respectifs Glossaire Mise en page et supervision de la production : Maria Kikira Centre for Renewable Energy Sources, Department of Buildings Avertissement lgal Les auteurs sont seuls responsables des informations contenues dans cette publication. Les avis exprims dans cette publication ne reprsentent pas ncessairement ceux de la Commission europenne. Ni la Commission europenne, ni aucune personne agissant au nom de la Commission europenne, nest responsable de lusage qui pourrait tre fait des informations contenues dans cette publication. ISBN: 960-86907-2-2 (pour la version Anglaise) Copyright 2004, Centre for Renewable Energy Sources (C.R.E.S.) Des extraits de cette publication peuvent tre reproduits pour autant que la source soit mentionne. Imprim en Grce. 50

57 62

INTRODUCTIONLa qualit des espaces publics urbains prsente un intrt majeur et il est reconnu que ces espaces peuvent contribuer une bonne qualit de vie en milieu urbain tout comme, loppos, accrotre lisolement et lexclusion sociale. Ceci dpend de lenvironnement physique et du tissu social ; en effet les hypothses sous-jacentes sont que ces conditions affectent le comportement des usagers dans les espaces extrieurs. Ce guide tudie la conception des espaces publics selon un certain nombre de critres bioclimatiques, tels quvalus dans le cadre du projet RUROS. Une mthodologie commune a t labore visant ltude des espaces publics urbains, combinant lenvironnement physique (microclimat, confort thermique, visuel et acoustique, morphologie urbaine, etc.) avec les desiderata des usagers ainsi que leur degr de satisfaction. Diffrents modles ainsi que des outils de complexits diverses ont t dvelopps, permettant de traiter les diffrents aspects physiques de lenvironnement ainsi que les performances qui en rsultent. Ceux-ci offrent un aperu des diffrents aspects de lenvironnement ainsi que des moyens danalyse pour diffrents degrs de complexit et divers usagers allant du dbutant lexpert. Les outils dvelopps comprennent notamment : Des modles simplifis permettant la prdiction des conditions de confort thermique partir des donnes mtorologiques disponibles pour le public de mme que des critres de sensation thermique et des caractristiques dadaptation. Une mthodologie permettant lvaluation du profil de vent dans un espace urbain de conception simplifie, accompagne de recommandations portant sur les effets du voisinage sur les conditions de vent dans les espaces publics. Un outil graphique permettant dvaluer le confort thermique dun projet en fournissant une variation des charges thermiques radiatives en fonction de lutilisation des diffrents matriaux. Une mthodologie pour lvaluation de limpact environnemental de formes urbaines alternatives, examinant la performance environnementale des textures urbaines et contribuant lanalyse de la temprature, du soleil et du vent. Une mthode permettant de dessiner des cartes de confort, se concentrant sur lanalyse spatiale des zones de confort thermique. Des relations entre des paramtres mesurables et la perception des usagers propos de lenvironnement lumineux ainsi quune mthode permettant dvaluer la pntration cumule de la lumire du soleil dans un espace donn laide de projections multi strographiques. Une mthodologie permettant de dcrire lenvironnement acoustique dun espace public, considrant des caractristiques des diffrentes sources sonores, leffet acoustique de lespace, des aspects sociaux et autres ainsi que des modles simplifis de la propagation du son dans les places urbaines. Une mthodologie faisant le lien entre les aspects sociaux de la vie urbaine contemporaine et les proprits physiques caractrisant les espaces publics. Les indicateurs et questions qui en sont ressortis permettent de faire un lien entre la fonction sociale de lespace public urbain et les analyses descriptives dun certain nombre despaces en accord avec une procdure de dveloppement. Le projet RUROS a produit une base de donnes unique, rassemblant des campagnes extensives de mesures micro-climatiques et de modlisations effectues sur plusieurs espaces publics urbains rpartis en Europe. Ces campagnes ont t ralises laide dinterviews guides par des questionnaires soumis aux usagers de ces espaces. Deux espaces publics de typologies diffrentes ont t tudis dans chacune des 7 villes concernes par ltude (Athnes [GR], Thessalonique [GR], Milan [IT], Fribourg [CH], Cambridge [UK], Sheffield [UK], Kassel [D]). En tout, la base de donnes regroupe plus de 10.000 interviews et donnes environnementales associes, le tout formant la base des diffrents modles prsents dans cette publication.

Copenhagen Sheffield Cambridge Kassel

Fribourg Milan

Thessaloniki Alimos

Ces modles et outils sont destins tre employs par des architectes, planificateurs ou urbanistes au stade de lavant projet pour valuer limpact environnemental de diffrentes variantes projetes. Certains de ces outils (par exemple : les modles de confort thermique, les modles acoustiques, leffet des matriaux et lanalyse de lenvironnement radiatif) peuvent tre employs directement par le concepteur en suivant les descriptions et les diffrentes tapes prsentes dans les chapitres respectifs. Les autres outils, comme lanalyse de la texture urbaine et leffet sur le microclimat ou la cartographie de lenvironnement thermique, ncessitent divers logiciels pour leur application dans des cas o une information dtaille est dsirable. Pour dmontrer comment ces nouvelles connaissances peuvent tre employes, une valuation des divers outils et mthodologies est prsente dans le cadre dun projet de future voie pitonne Thessalonique. Lenvironnement physique de la zone ltude est identifi et analys selon ses performances environnementales, ainsi que les paramtres sociaux et les caractristiques des diffrents groupes de population qui la frquentent. Dans lensemble ce guide propose un pas significatif vers lidentification des paramtres importants qui doivent tre considrs au stade de la conception despaces publics, lors dinterventions sur le tissu urbain ou mme lors de nouveaux dveloppements urbains. Lapproche propose offre une assistance dans la conception des villes par la planification despaces extrieurs et de leurs usages en favorisant diffrentes activits ainsi que des interactions sociales, ce qui redonne vie aux espaces publics urbains. Finalement, ces connaissances systmatiques peuvent contribuer au dveloppement durable des villes de demain.1

1.

MODLES

DE

CONFORT THERMIQUE1.1

POUR LES

ESPACES EXTRIEURS

EN

MILIEU URBAIN

Introduction

Un des premiers objectifs de la conception environnementale dans un contexte urbain est la cration de zones urbaines offrant des espaces extrieurs confortables. De ce fait les paramtres microclimatiques sont de prime importance du point de vue des activits qui ont lieu sur le site et jusqu un certain point, dterminent lusage que lon en fait. Les rponses au microclimat sont la plupart du temps inconscientes mais montrent nanmoins souvent des usages diffrents associs des conditions climatiques diffrentes (Fig. 1.1) [1]. Cest pourquoi, comprendre la richesse des caractristiques microclimatiques dun espace extrieur en milieu urbain ainsi que les implications en terme de confort des usagers, ouvre de nouvelles possibilits au dveloppement despaces urbains. Les paramtres influenant les conditions thermiques lextrieur bien que semblables ceux rencontrs lintrieur, occupent une plus grande palette et sont plus variables. Cest pourquoi, du fait de cette complexit en terme de variabilit, temporelle et spatiale aussi bien que du fait du grand nombre dactivits humaines impliques, les tentatives de comprhension du confort en conditions extrieures demeurent peu nombreuses.

Figure 1.1: Diffrents types dusages de lespace sous diffrentes conditions microclimatiques, haut _ journe dt, bas _soire dt.2

Mean ASV +/- 1 St.Dev Mean ASV +/- 1 St.Dev.

1

1.2

Adaptation

0

-1

-2 5 10 15 20 25 30 35 40

0 Tair ( C) Tair(oC)2

Dans la plupart des tudes portant sur le confort thermique des espaces extrieurs, un modle purement physiologique est employ impliquant un modle mathmatique de thermorgulation du systme permettant de calculer un indice de satisfaction thermique dpendant des conditions environnementales, de lactivit de la personne et de son degr dhabillement. Les mesures faites sur le terrain ont cependant rvl quune approche purement physiologique est inadquate pour caractriser les conditions de confort thermique lextrieur alors que la notion dadaptation devient de plus en plus importante. Cela implique tous les processus par lesquels lindividu passe pour amliorer ladquation entre lenvironnement et ses propres besoins, autant dun point de vue physique que psychologique. Dans le contexte des espaces extrieurs, cela implique des changements personnels [2] tels que la modification de lhabillement selon la saison ou la variation de la chaleur mtabolise partir de la consommation de boissons froides, mais aussi des changements de posture et de position. Psychologiquement parlant [3], le choix personnel, la mmoire et les attentes ont montr quils taient des paramtres dterminants sur la satisfaction avec un environnement thermique.

Mean ASV +/- St.Dev Mean ASV +/-11 St.Dev.

1

0

-1

-2 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5

Wind Speed (m/s) Wind Speed(m/s)

Figure 1.2: Distribution de vote moyen de sensation effective (ASV), en fonction respectivement de la temprature de lair (haut) et la vitesse du vent (bas), partir des enqutes menes Athnes.50% 45% 40% Frequency (%) 35% 30% 25% 20% 15% 10% 5% 0% -6 -4 -2 0 ASV, PMV 2 4 6PMV ASV

1.3

Sensation thermique

Figure 1.3: Comparaison entre les votes de sensation effective (ASV) obtenus partir des questionnaires et le vote prvisible moyen (PMV) dAthnes, calcul partir du modle mathmatique, pour chaque interview.

Dans le contexte du projet actuel, les conditions de confort thermique extrieur ont t values partir dune campagne de mesures sur le terrain dans 14 sites rpartis en Europe. La sensation thermique exprime par les individus a t value sur une chelle prsentant 5 niveaux allant de trs froid trs chaud et a t dfinie comme tant le vote de sensation effective (ASV : Actual Sensation Vote). Lanalyse des donnes collectes a rvl des corrlations entre paramtres microclimatiques et ASV.2

Season codeSpring

Winter8 6

Autumn

Summer

La Figure 1.2 montre la variation de lASV en fonction de la temprature de lair et de la vitesse du vent. En examinant les valeurs moyennes de lASV, la corrlation est vidente avec les deux variables. Comme attendu, la corrlation est lgrement ngative avec la vitesse du vent, signifiant que lASV diminue avec laugmentation de la vitesse du vent. Cependant, les corrlations relativement faibles entre les paramtres microclimatiques et lASV montrent quun seul paramtre nest pas suffisant pour traiter des conditions de confort thermique. Les donnes subjectives collectes partir des interviews ont t compares un indice thermique appel le Vote Prvisible Moyen (PMV: Predicted Mean Vote) [4], dvelopp lorigine pour des conditions environnementales intrieures et depuis, graduellement employ en confort extrieur galement. Dans son calcul, le PMV prend en compte les paramtres environnementaux objectifs moyens enregistrs pendant la dure de linterview tels que le degr dhabillement et le taux de mtabolisme de chaque personne interviewe. En comparant le PMV individuel avec lASV correspondant, on note un grand foss entre les deux indices, ceci du fait que le confort thermique effectif semble tre bien plus lev que le niveau de celui-ci rsultant du modle mathmatique (Fig. 1.3). La grande varit des conditions micro climatiques dans les espaces extrieurs renforce le fait quune approche purement physiologique est insuffisante pour parvenir caractriser des conditions de confort lextrieur tant donn que la notion dadaptation devient de plus en plus importante. Changements personnels, avec adaptation de la tenue vestimentaire en fonction de la saison (Fig. 1.4), variation du taux de mtabolisme grce la consommation de boissons fraches [2], dplacement et variations de posture (Fig. 1.5), de mme que psychologiquement [3] avec le choix personnel, la mmoire et les attentes (Fig. 1.6) ont t identifis comme des paramtres dterminants. Limportante diffrence entre le confort thorique et le confort effectif en milieu extrieur nous a amens chercher et dvelopper des modles de confort thermique adapts pour ltude du confort lextrieur. Ils se basent sur des donnes empiriques recueillies pendant les mesures faites sur le terrain et provenant des presque 10.000 interviews ralises en Europe, plutt que sur des modles thoriques existants.

1.4

1.2

1.0

4 2

clo

.80

Clothing levels, clo Clothing levels,

.68S

.46

.2

4 2 50 0

0.0 10 20 30 40

10

20

30

40

Tglobe, deg C Tglobe, degC

Tglobe, deg Tglobe, degC

C

Figure 1.4: Variation saisonnire de lhabillement (clo) en fonction de la temprature de globe (C), Athnes (gauche) et Kassel (droite).Piazza Petazzi Piazza IV Novembre SUMMER

Karaiskaki Summer Sea-shore of Alimos Summer Karaiskaki Square Square Sea-shore of Alimos SUMMERPercent

Piazza Petazzi Summer 75%

Piazza IV Novembre Summer

Percent

75% 50% 25% 0% Karaiskaki Square Autumn Sea-shore of Alimos Autumn

50%

25%

0% Piazza Petazzi Autumn 75% Piazza IV Novembre Autumn

AUTUMN

Percent

Percent

75% 50% 25% 0% Karaiskaki Square Winter Sea-shore of Alimos Winter

AUTUMN WINTER

50%

25%

0% Piazza Petazzi Winter 75% Piazza IV Novembre Winter

WINTER

75%

Percent

Percent

50% 25% 0% Karaiskaki Square Spring Sea-shore of Alimos Spring

50%

25%

0% Piazza Petazzi Spring 75% Piazza IV Novembre Spring

SPRING

75%

SPRING

Percent

Percent

50% 25% 0%

50%

25%

No

Yes

No

Yes

0%

Standing in the sun Standing in the sun Standing in the sun Standing in the sun

No

Yes

No

Yes

Standing inin the sun Standinginin the sun Standing the sun Standing the sun

Figure 1.5: Variation saisonnire des individus se tenant au soleil (standing in the sun) ou lombre en diffrents sites dAthnes (gauche) et Milan (droite).40

Neutral temperature (deg C) Neutral temperature (degC)

35 30 25 20 15 10 5 0 -5 -10 -10 -5 0 5

y = 0.9433x R2 = 0.4883

1.4

Modles de confort thermique

Du point de vue de la conception, il est trs utile de dvelopper des modles simples qui permettent de prdire les conditions de confort thermique en utilisant des donnes aisment accessibles. Des modles linaires simples ont t dvelopps qui emploient des donnes mtorologiques disponibles et publiques dune station de proximit. Ces modles sont importants pour la prdiction de lASV de faon adquate tant donn quils peuvent tre une sorte de plateforme pour llaboration de nomogrammes du confort thermique extrieur et de cartes. Il faut garder lesprit que les paramtres personnels que les individus apportent avec eux dans les espaces publics extrieurs de mme que les effets de ladaptation physique et psychologique, sont intrinsques dans les modles prsents ci-dessous. 1.4.1 Indice de confort urbain Les modles permettant le calcul de lASV sont prsents pour diffrentes villes, correspondant diffrentes zones climatiques et se basant sur des donnes horaires. Les paramtres employs sont la temprature de lair (Tair_met, C), la radiation solaire globale (Sol_met, W.m-2), la vitesse du vent(V_met, m.s-1)et lhumidit relative (RH_met,%): Athnes (GR): ASV = 0.034 Tair_met + 0.0001 Sol_met 0.086 V_met 0.001 RH_met 0.412 (r = 0.27)

10

15

20

25

30

35

Meteorological air temperature (deg Meteorological air temperature (degC) C)

Figure 1.6: Neutralit thermique, ex. Lorsque les personnes ne ressentent ni le chaud ni le froid, tout prs de la temprature mtorologique de lair (C), de tous les questionnaires effectus en Europe, cest une indication de linfluence de lexprience rcente de ces personnes. Table 1.1: Conditions mtorologiques pour les nomogrammes. Temperature de lair (C) Radiation solaire -2 (W.m ) Humidit relative (%) Vitesse du vent -1 (m.s )

0 5 10 15 20 25 30 35 40

100 400 800

20 40 80

0.1 1.0 3.0 5.0

3

Athens Milan Sheffield1

Thessaloniki Cambridge

Fribourg Kassel

Thessalonique (GR): ASV = 0.036 Tair_met + 0.0013 Sol_met 0.038 V_met + 0.011 RH_met 2.197 (r = 0.51) Milan (IT): ASV = 0.049 Tair_met 0.0002 Sol_met + 0.006 V_met + 0.002 RH_met 0.920 (r = 0.44) Fribourg (CH): ASV = 0.068 Tair_met + 0.0006 Sol_met 0.107 V_met 0.002 RH_met 0.69 (r = 0.68) Kassel (D): ASV = 0.043 Tair_met + 0.0005 Sol_met 0.077 V_met + 0.001 RH_met 0.876 (r = 0.48)

0,8 Feeling Comfortable %

0,6

0,4

0,2

SUMMER0 -2 -1 0 ASV 1 2

Cambridge (UK): ASV = 0.113 Tair_met + 0.0001 Sol_met 0.05 V_met 0.003 RH_met 1.74 (r = 0.57) Sheffield (UK): ASV = 0.07 Tair_met + 0.0012 Sol_met 0.057 V_met 0.003 RH_met 0.855 (r = 0.58) Ces modles qui indiquent les plus importantes contributions de Tair_met et V_met, peuvent tre employs pour obtenir un indice de confort pour une ville et diffrentes saisons. La combinaison des donnes initiales avec les donnes saisonnires agrges de chaque site, a permis de dvelopper un modle combin aprs quil soit clairement apparu que les niveaux du vote de sensation effective ne pouvaient pas tre interprts uniformment, en terme de confort/inconfort, soit pour une ville ou une saison. Cest pourquoi nous avions besoin dun modle pour le calcul de lASV et dun autre pour obtenir le rapport confort/inconfort pour une ville donne (Fig. 1.7).

1

0,8 Feeling Comfortable %

0,6

0,4

0,2

AUTUMN0 -2 -1 0 ASV 1 2

1

0,8 Feeling Comfortable %

De la Figure 1.7, il est clair que les conditions trs froides sont plus tolrables durant lt et le printemps comparativement aux deux autres saisons dans le cas de toutes les villes. Les conditions trs chaudes sont considres comme confortables principalement en automne et au printemps. 1.4.2 Nomogrammes de confort

0,6

0,4

0,2

SPRING0 -2 -1 0 ASV 1 2

Pour des applications en architecture, il est utile de pouvoir offrir au concepteur des modles prsents sous la forme de nomogrammes. De tels graphiques (nomogrammes) donnant une valeur moyenne de lASV ont t tablis selon un modle combin pour lEurope et prsent cidessous. Une srie de paramtres mtorologiques slectionns ont t utiliss, typiquement reprsentatifs de zones climatiques diffrentes dans les villes europennes ltude. Modle combin pour lEurope: ASV = 0.049 Tair_met + 0.001 Sol_met 0.051 V_met + 0.014 RH_met 2.079 (r = 0.78) Les valeurs de radiation solaire de 100, 400 et 800 W.m-2 correspondent respectivement de faibles niveaux dinsolation (ex. ciel couvert ou de fin daprs midi ensoleille), des valeurs moyennes (ex. ciel partiellement couvert ou ciel dhiver dgag) ainsi qu des conditions de forte luminosit (ex. ciel estival dgag). Les valeurs dhumidit relative de 20%, 40% et 80% correspondent respectivement des conditions trs sches, moyennes et humides. Enfin, des vitesses de vent allant de 0.1, 1 puis 3 et 5 m.s-1 correspondent des conditions stables, de lgre brise et de vent fort tant donn quau-del de 5 m.s-1 les effets mcaniques du vent se font sentir de faon beaucoup plus importante que les effets thermiques (Section 2.1). Pour les valeurs spcifiques des paramtres mtorologiques, le concepteur peut se rfrer ces modles (soit au modle europen soit4

1

0,8 Feeling Comfortable %

0,6

0,4

0,2

WINTER0 -2 -1 0 ASV 1 2

Figure 1.7: Part des usagers se sentant confortables pour diffrents ASV, dans diffrentes villes selon la saison (Summer=t, Autumn=automne, Spring= printemps, Winter=hiver).

ceux spcifiques chaque ville) et calculer les valeurs du vote de sensation effective correspondantes. On doit attirer lattention sur le fait que le plus petit nombre dinterviews ralises en conditions plus extrmes de temprature ( trs chaud et trs froid ) a entran un lger biais vers les valeurs centrales. Il ny a aucun moyen statistique dy remdier. Pour cette raison, le concepteur doit tre avis de nutiliser le modle et les nomogrammes que pour une gamme de tempratures allant de 5 35C. A cause de lambigut associe linterprtation de la valeur moyenne de lASV en termes de confort/inconfort, les rsultats peuvent ensuite tre combins aux courbes spcifiques des villes afin dobtenir la part des personnes se sentant confortables avec cette valeur moyenne du vote de sensation effective. Le concepteur est ainsi en mesure de calculer ou destimer la valeur dASV correspondant aux conditions climatiques de la rgion dintrt, en utilisant soit lquation du modle soit les nomogrammes prsents en Figure 1.8. Il peut ensuite entrer cette valeur dans la courbe de la Figure 1.7 afin dobtenir la part dusagers qui devraient se sentir effectivement confortable. Enfin, en employant des facteurs tenant compte des modifications micro climatiques associes certains types doptions de conception et en rptant cette tache, il peut ainsi valuer en quoi les options du plan de dveloppement retenues peuvent affecter le pourcentage dusagers confortables.RH=20%, Wind Speed=0.1 m.s-11,5 1,0 0,5 meanASV meanASV 0,0 -0,5 -1,0 -1,5 -2,0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Air Temperature (oC) 2,0 1,5 1,0meanASV

RH=50%, Wind Speed=0.1 m.s-12,0 1,5 1,0 0,5 0,0 -0,5 -1,0 -1,5 -2,00 5 10 15 20 25 30 35 40

RH=80%, Wind Speed=0.1 m.s-1

0,5 0,0 -0,5 -1,0 -1,5 -2,0 Air Temperature (oC)

100 W/m 400 W/m 800 W/m

0

5

10

15

20

25

30

35

40

Air Temperature (oC)

RH=20%, Wind Speed=1 m.s-11,5 1,0 0,5 meanASV meanASV 0,0 -0,5 -1,0 -1,5 -2,0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Air Temperature (oC) 1,5 1,0 0,5

RH=50%, Wind Speed=1 m.s-12,0 1,5 1,0 meanASV 0,5 0,0 -0,5 -1,0 -1,5 -2,0

RH=80%, Wind Speed=1 m.s-1

0,0 -0,5 -1,0 -1,5 -2,0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Air Temperature (oC)

100 W/m 400 W/m 800 W/m

0

5

10

15

20

25

30

35

40

Air Temperature (oC)

RH=20%, Wind Speed=3 m.s-11,0 0,5 0,0 meanASV -0,5 -1,0 -1,5 -2,0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Air Temperature (oC) 1,5 1,0 0,5 meanASV

RH=50%, Wind Speed=3 m.s-12,0 1,5 1,0meanASV

RH=80%, Wind Speed=3 m.s-1

0,5 0,0 -0,5 -1,0 -1,5 -2,0

0,0 -0,5 -1,0 -1,5 -2,0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Air Temperature (oC)

100 W/m 400 W/m 800 W/m

0

5

10

15

20

25

30

35

40

Air Temperature (oC)

RH=20%, Wind Speed=5 m.s-11,0 0,5 0,0 meanASV -0,5 -1,0 -1,5 -2,0 0 5 10 15 20 25 30 35 40Air Temperature (oC)

RH=50%, Wind Speed=5 m.s-11,5 1,0 0,5 meanASVmeanASV

RH=80%, Wind Speed=5 m.s-12,0 1,5 1,0 0,5 0,0 -0,5 -1,0 -1,5 -2,0

0,0 -0,5 -1,0 -1,5 -2,0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Air Temperature (oC)

100 W/m 400 W/m 800 W/m

0

5

10

15

20

25

30

35

40

Air Temperature (oC)

Figure 1.8: Nomogrammes pour le vote moyen de sensation effective (ASV) pour diffrents paramtres mtorologiques.

5

1.4.3

Indice de confort micro chelle

Dans le cas de rgions prsentant une grande varit despaces, allant de la vgtation dense avec ombrage excessif des zones compltement exposes au soleil et au vent, les donnes de la station mtorologique ne peuvent pas reprsenter adquatement les conditions micro climatiques du site. Les modles de confort doivent tre en mesure dapprocher la micro chelle pour les besoins de la conception et faire la distinction entre une zone ombrage et une zone ensoleille, entre une zone protge et une zone dgage du vent, ce qui finalement affecte directement les conditions de confort thermique dans un espace donn. Il est de ce fait important dimaginer un moyen dajouter des paramtres relatifs la conception dans les donnes environnementales. Lidentification de facteurs de correction simplifis entre des conditions mesures localement sur le terrain et celles de la station mtorologique, peut permettre de mettre jour les modifications apportes au micro climat. De tels facteurs de correction peuvent tre ensuite employs en tant que paramtres modifis pour les modles orients vers la conception du confort en refltant la micro chelle, dimportance pour les concepteurs. Dans ce contexte la vgtation peut affecter le microclimat de nombreuses faons en rduisant la temprature de lair comparativement des surfaces non vgtales, en procurant de lombrage et amliorant la protection au vent. En faisant rfrence aux modles prsents dans la Section 1.4.1, il est possible dinclure de tels effets pour valuation. Dans le contexte urbain [5], une rduction de la temprature environnante de 1-2C est attendue avec linstallation dun bosquet dense (Fig. 1.9) alors que la radiation solaire entrante peut tre rduite de 20-60% suivant la densit des arbres. De tels taux de rduction sont attendus en t, pour des journes avec ciel dgag alors que ces facteurs de correction ne devraient pas tre utiliss sous conditions nuageuses. Concernant le vent, un facteur de permabilit de 0.4 peut tre employ afin dvaluer la rduction de la vitesse du vent du fait de la vgtation qui peut tre rduit 0.2 dans le cas o la vgtation est employe comme coupe vent. Ex. Dans le cas dAthnes, en t, midi (typiquement Tair=33C, Sol_met=1000W.m-2, V_met=1m.s-1, RH_met=30%), leffet dun groupe dense darbres sur lASV peut tre calcul en employant le modle prsent la Section 1.4.1: ASV = 0.034 (Tair_met2) + 0.0001(0.2 x Sol_met) 0.086 (0.4 x V_met) 0.001 RH_met 0.412. ASV=0.034x(332) + 0.0001x(0.2x1000) 0.086(0.4x1) 0.001x30 0.412 = 0.6, prsentant une rduction de 14% de la valeur sans ombrage.

Figure 1.9: Variation du microclimat due la vgtation

1.5

Liste de contrles

Les diffrentes tapes suivantes peuvent tre suivies: Dterminer la localisation gographique et obtenir les donnes mtorologiques. Identifier la ville prsentant les plus grandes similarits climatiques avec la ville ltude ou employer le modle europen. Calculer lASV pour la ville correspondante ou lire la valeur partir du nomogramme prenant en compte les valeurs approximatives. Lire partir des courbes le pourcentage de personnes se sentant confortables. Inclure dans les paramtres de la conception de lespace les facteurs de correction afin de calculer lASV pour diffrents espaces, rpondant diffrentes options de conception.

6

Lire partir des courbes le pourcentage de personnes se sentant confortables. Rpter les tapes prcdentes, autant que ncessaire.

1.6

Conclusions

La mthodologie prsente ci-dessus peut tre employe aux premiers stades de la conception afin didentifier diffrentes zones problme, valuer diffrentes stratgies gnriques, ex. ombrage, protection au vent, etc. Ce ne sont pas des modles de prcision permettant de justifier les actions des concepteurs et ils se doivent dtre combins au reste du travail prsent dans ce guide, concernant le rle des matriaux (Section 3), etc. A loccasion de la conception despaces extrieurs, le contact avec la nature est un des objectifs prioritaires en vue de lutilisation de lespace et doit tre mis en valeur par la conception. La stimulation environnementale est une raison importante de lutilisation dun espace pour diffrents types dactivits, tout au long de lanne et un dveloppement prudent peut contribuer aller dans ce sens en tenant compte du fait que les variations journalires ou saisonnires ncessitent des solutions diffrentes (Section 4.3.6). Le concepteur urbain dispose de diffrents choix de solutions ; forme des btiments, matriaux, vgtation, lments base deau, certains quipements urbains peuvent mme contribuer au succs dun projet urbain en offrant protection contre des aspects ngatifs ou exposition dautres aspects positifs du climat accroissant ainsi lusage de cet espace tout au long de lanne. 1.7[1] [2]

RfrencesNikolopoulou, M., Baker, N. and Steemers, K. (2001). Thermal comfort in outdoor urban spaces: the human parameter, Solar Energy, Vol. 70, No. 3. ISO 7730 (1994). Moderate thermal environments - determination of the PMV and PPD indices and specification of the conditions for thermal comfort, International Standards Organization, Geneva. Nikolopoulou, M., Baker, N. and Steemers, K. (1999). Thermal comfort in urban spaces: different forms of adaptation, Proc. REBUILD 1999: The Cities of Tomorrow, Barcelona. Nikolopoulou, M. and Steemers, K. (2003). Thermal comfort and psychological adaptation as a guide for designing urban spaces, Energy and Buildings, Vol. 35, No.1. Dimoudi, A. and Nikolopoulou, M. (2003). Vegetation in the urban environment: microclimatic analysis and benefits, Energy and Buildings, Vol. 35, No.1.

[3]

[4]

[5]

7

2

PRISE EN COMPTE DU VENT DANS LES ESPACES URBAINS2.1Tableau 2.1: Caractristiques du critre 5 m/s. A= Acceptable, I= Inconfortable, TI= Trs inconfortable / Dangereux [3].

Environnement olien

Activit

Emplacement

Caractristiques A I 50% 34% 15% TI 53% 53% 53%

Marche rapide Dambuler Debout / assis pour une courte priode Debout / assis pour une longue priode

Chausse, chemins Parcs, rues marchandes Parcs, espaces urbains

43% 23% 6%

Un des facteurs les plus importants influenant les conditions de confort des pitons dans les espaces ouverts extrieurs est le vent. Lenvironnement olien est difficile prvoir puisquil est influenc par un nombre de facteurs globaux, rgionaux, et locaux. A lchelle globale, lair se dplace des zones de hautes pressions vers des zones de basses pressions. La vitesse du vent ainsi que sa direction, gnrs par les systmes mtorologiques lchelle synoptique sont par la suite moduls par la topographie rgionale et locale. Il est alors important de comprendre quil peut y avoir de grandes diffrences dans lenvironnement olien dune partie de la ville comparativement une autre ou mme micro-chelle dun lieu un autre. Le vent nest pas un phnomne constant il varie constamment en direction et en grandeur (rafales) et ses variations peuvent tre saisonnires ou annuelles. Les vitesses du vent dans ce guide font ainsi toujours rfrence des valeurs moyennes. Les effets directs du vent peuvent tre diviss en deux catgories principales effets mcaniques et effets thermiques [1]. Les effets mcaniques peuvent tre ressentis avec des vitesses du vent suprieures 4-5 m.s-1. Au-dessus de 10 m.s-1, la marche sera malaise, et au-dessus de 15m.s-1 il existe un risque rel daccidents [2]. Considrant les effets thermiques, le critre de confort de 5 m.s-1 du Tableau 2.1 peut tre utilis, si nous prsumons que les gens adaptent leur comportement et leurs vtements selon la saison [3]. Le tableau peut tre utilis pour une temprature de lair suprieure 10C. Il est relever que, selon le climat, un vent dune certaine intensit pourrait tre peru comme peu souhaitable ou mme souhaitable. Dans des climats froids, le vent diminuera presque toujours les conditions de confort lextrieur, tandis que linverse est vrai dans des climats chauds. 2.2 Les donnes de vent

Restaurants extrieurs

0.1%

3%

53%

Exemple : lenvironnement olien sera acceptable pour des personnes assises lextrieur pour de courtes priodes si la vitesse -1 moyenne du vent nexcde pas 5 m.s plus de 6% du temps. Si ces personnes restent assises -1 pour de plus longues priodes, les 5 m.s ne doivent pas tre dpasss plus de 0.1% du temps.

Tableau 2.2: La hauteur gostrophique et la rugosit pour trois types de surface [1,2] Surface Terrain plat Bois, banlieue Ville densment btie Hauteur (m) 275 400 500 0.16 0.28 0.4

Le vent en altitude non influenc par la surface terrestre est appel le vent gostrophique. Laltitude gostrophique varie denviron 275 m environ 500 m selon la rugosit de la surface () terrestre (Fig. 2.1 et Tableau 2.2). Les donnes locales de vent sont essentielles pour lvaluation de lenvironnement olien dans les espaces extrieurs. La donne la plus importante est la vitesse moyenne du vent et sa direction pendant la priode ou lespace est occup. Si un espace est occup toute lanne, les donnes doivent tre disponibles sur une base saisonnire et mensuellement si des diffrences importantes existent durant les mois dune mme saison. La vitesse et la direction du vent sont habituellement mesures 10 m au-dessus du sol dans des stations mtorologiques situes lextrieur des villes. Des donnes sur le vent peuvent tre trouves dans des atlas - les roses des vents pour diffrentes rgions dun pays peuvent gnralement tre procures par les centres mtorologiques nationaux. La rose des vents est une reprsentation graphique simple illustrant les vitesses et directions des vents locaux pour une rgion particulire base sur des mesures effectues sur une longue priode de temps (Fig. 2.2).

Figure 2.1: profils de vitesses du vent pour trois diffrents types de surfaces. La rugosit est plus forte dans une ville dense avec des immeubles hauts.

Une vitesse de vent mesure une hauteur de 10 m par une station mtorologique situe dans un lieu plat et dcouvert peut tre transforme en un vent reprsentatif dune surface urbaine pour une hauteur (H) en utilisant le Tableau 2.3. H est la hauteur au-dessus de la8

surface en milieu urbain et S reprsente la relation existant entre la vitesse du vent en milieu urbain hauteur H (VH) et la vitesse du vent en milieu plat dcouvert 10 m de hauteur (V10). Ainsi, S = VH / V10. Notons que les donnes du Tableau 2.3 ne sont valides que pour des altitudes situes au-dessus de la surface urbaine (au-dessus des toits) et pas aux endroits o les obstacles locaux influencent la vitesse et la direction du vent comme cest le cas pour les immeubles. Ainsi, le Tableau 2.3 peut tre utilis pour calculer les conditions de vents audessus des toits pour une surface o sont situs les espaces ouverts et non pas pour calculer les conditions de vents pour la zone pitonnire dans cet espace. VH ou V10 peuvent tre modifies en une vitesse et une direction du vent pour la zone pitonnire en utilisant des simulations ralises dans une soufflerie ou par des simulations numriques en dynamique des fluides. Une alternative est dutiliser des diagrammes illustrant des relations simples entre VH ou V10 et la vitesse du vent dans la zone pitonnire [1, 2, 6], qui ont t drivs partir de mesures ou de calculs avancs. Cependant, il nest pas conseill de transfrer les rsultats dune tude gnrique ou dun cas spcifique un autre espace dans des conditions relles. La complexit de lcoulement de lair dans une zone pitonnire en milieu urbain est grande et mme de petits changements dans lamnagement de cet espace ou de son voisinage peuvent modifier de faon drastique les flux dair dans cet espace. Ainsi donc, chaque espace doit tre tudi comme un cas particulier. 2.3 Tests grandeur nature, tests en soufflerie ou simulations numriques

Tableau 2.3: Valeurs de S = VH / V10 pour diffrentes hauteurs H en environnement suburbain et urbain. H [m] S (suburbain) 0.6 0.73 0.82 0.89 0.94 0.99 1.04 1.08 1.11 1.14 1.18 1.21 1.24 1.27 1.29 S (urbain) 0.36 0.47 0.55 0.62 0.68 0.73 0.77 0.82 0.86 0.89 0.93 0.96 0.99 1.02 1.05

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150

Exemple: la vitesse du vent une hauteur de 100m en zone urbaine correspond 89% de la vitesse du vent une hauteur de 10 m sur un site plat et dgag.

Il existe plusieurs possibilits pour valuer la distribution du vent dans un espace ouvert. Il est possible de prendre des mesures (grandeur nature sur le site ou dans une soufflerie) ou dutiliser un modle numrique afin de simuler lcoulement de lair. Les mesures sur le site ont lavantage que les rsultats obtenus sont ceux dune situation relle, o linfluence de tous les immeubles et des obstacles sont inclus. Linconvnient dune telle dmarche est que celleci peut devenir coteuse puisque, idalement, la priode de mesures devrait tre assez tendue pour couvrir les combinaisons de vitesses et de directions de vent les plus frquentes, ce qui ncessite un grand nombre de points de mesure. Il est difficile, aussi, dvaluer de nouvelles configurations damnagement. Les tests en soufflerie ont lavantage que des rsultats fiables pour un grand nombre de combinaisons de vitesses et de directions du vent peuvent tre obtenus rapidement. Il est galement possible de tester lenvironnement olien pour de nouvelles surfaces lorsque ces dernires sont encore en stade de planification, et de tester de nouveaux amnagements. Cependant, il est essentiel de faire appel un laboratoire expriment et de dvelopper un modle prcis de la surface concerne ainsi que de ses environs. Ainsi, des essais en soufflerie peuvent tre coteux en temps et en argent. Une alternative la soufflerie est de dvelopper un modle numrique de lespace et de ses environs afin dy simuler la circulation de lair une sorte de soufflerie virtuelle. Les programmes pour ce type de simulations sont appels logiciels de simulation en dynamique des fluides (CFD) et comportent lavantage que nimporte laquelle des combinaisons de vitesses et de directions du vent et de configuration de lespace et des environs peuvent tre values. Cependant, les calculs impliquent des ressources informatiques considrables et il est ncessaire que lutilisateur de ces logiciels soit expriment et quil comprenne bien cette problmatique complexe de circulation dair.

Figure 2.2: Rose des vents et donnes tabules, aroport de Copenhague (DK), (1993-2002). Exemple : durant 4% de lanne, le vent vient de -1 louest avec une vitesse suprieure 7.5 m.s (source: Danish Meteorological Institute).

9

2.4

Un exemple danalyse des conditions de vents avec CFD

Les objectifs de cet exemple dtude sont dvaluer les effets de diffrents paramtres sur les conditions de vent au niveau du piton (1.5m au-dessus du sol), dans un espace quadrilatre entour dimmeubles. La topographie des lieux environnants est incluse dans le modle CFD pour prendre en compte les effets des structures urbaines environnantes (Fig. 2.3). La hauteur du voisinage considr est de 18 m (HNeighbourhood). Ltude prend en compte les paramtres suivants :Figure 2.3: Reprsentation graphique du modle CFD avec les directions du vent (0, 15,30, 45). Le square est situ au centre du modle et entour par un voisinage suburbain modlis par des blocs de 18 m de haut.

1. Les dimensions du quadrilatre (ASquare): 1600m et 3600m. 2. La vitesse du vent en site dgag 10 m de hauteur (V10): 2.5m.s-1 et 5m.s-1. 3. La hauteur des immeubles aux bords (HBoundary): 9 m, 18 m, 27 m. 4. La direction du vent: 0, 15, 30, 45 (Fig. 2.3). 5. Largeur et position des quatre ouvertures du quadrilatre (Figs. 2.4 2.5). 2.4.1 Observations et conclusions de ltude

Figure 2.4: Square avec les ouvertures au milieu largeur: 10 m, 20 m, 30 m.

Figure 2.5: Square avec les ouvertures en coin largeur: 7 m, 14 m, 21 m.

V(Max) / V(10) 0,60 0,40 0,20 0,00 0,2545 15 30 0

Observations: Plus le quadrilatre est grand plus intense est la vitesse du vent dans cet espace, avec une relation quasi-linaire entre ASquare et la vitesse du vent. Plus le quadrilatre est grand plus lcoulement est turbulent. Plus la vitesse du vent V10 est grande plus la vitesse du vent dans le quadrilatre est grande, avec une relation quasi-linaire entre V10 et la vitesse du vent. La configuration et le niveau de lcoulement ne sont presque pas influencs par V10. Plus hauts sont les immeubles aux bords par rapport aux voisins plus intense est le vent dans le quadrilatre (Fig. 2.6). Plus hauts sont les immeubles aux bords par rapport aux voisins plus intense est la turbulence olienne (Fig. 2.7). Il nexiste pas de relation claire entre la direction gnrale du vent et la vitesse du vent dans le quadrilatre (Fig. 2.6). Plus grand est langle dadmission du vent plus intense est la turbulence. Il existe une tendance claire que lcoulement devient plus chaotique lorsque la direction du vent scarte de lorientation principale de cet espace. Il nexiste pas de relation claire entre la vitesse du vent dans le quadrilatre et la position des ouvertures donnant sur le quadrilatre. Les ouvertures dans les coins du quadrilatre produisent un coulement plus turbulent que des ouvertures situes au milieu de ce dernier (Fig. 2.8). Plus les ouvertures sont grandes plus le vent est turbulent dans le quadrilatre. Les conclusions le quadrilatre devrait tre configur :

0,75 1,25 1,75 H(Boundary) / H(Neighbourhood)

Figure 2.6: VMax/V10 en fonction de HBoundary / HNeighbourhood. Une vitesse de vent infrieure est observe quand les immeubles aux bords sont moins levs que ceux du voisinage. Exemple: VMax vaut environ 20% de V10 dans cette situation.

Le plus petit possible: un grand quadrilatre un environnement plus venteux. Avec des immeubles aux bords plus bas que le voisinage environnant. Plus les immeubles dpassent leurs voisins plus venteux est lenvironnement. Avec des ouvertures au milieu de lespace et avec laxe principal du quadrilatre orient paralllement la direction des vents dominants et de lorientation dominante des alignements des rues voisines.10

2.5 2.5.1

Paramtres de lamnagement, recommandations et solutions Paramtres de lamnagement

Il existe un nombre de paramtres gnraux prendre en considration en vue de lvaluation des conditions de vent dans un espace ouvert. La localisation gographique, ou la zone climatique laquelle lespace ouvert appartient. Est-ce quun niveau de vent est souhait ou non souhait ? Est-ce un endroit venteux o des vents violents peuvent survenir ? Le type despace, par exemple la forme de lespace ainsi que les caractristiques des environs. Est-ce que lespace est couvert ou situ dans un espace ouvert ? Est-ce que les immeubles peuvent influencer lcoulement du vent dans lespace ouvert ? Le dernier paramtre considrer est le type dutilisation, c.--d., qui utilise cet espace, quand est-il frquent et pourquoi lest-il ? Un parc est un exemple dun espace ouvert o les usagers sont invits demeurer pour de longues priodes, ce qui impose des exigences leves pour lenvironnement extrieur.

2.5.2

Recommandations damnagementFigure 2.7: Graphique vectoriel montrant les directions et vitesses du vent dans le square. Hauteur des btiments aux bords: 9 m (haut) et 27 m (direction du vent 15). Plus hauts sont les btiments aux bords comparativement au voisinage, plus le vent est turbulent.

Il est important de considrer chaque espace comme un cas unique. Il est ainsi difficile de proposer des recommandations dtailles pour lamnagement des espaces urbains. Cependant, il est possible de proposer des recommandations propos des aspects sur lesquels les concepteurs doivent prter attention. viter de placer un espace urbain prs des immeubles qui sont plus hauts que la hauteur moyenne de lespace urbain environnant. De tels immeubles peuvent gnrer des mouvements verticaux gnants scoulant le long des faades vers le bas des immeubles (downwash) ainsi quun fort vent autour des coins (Fig. 2.9). Plus limmeuble est haut, plus le vent est intense. Le rsultat peut savrer tre un environnement venteux autour de la base et des coins de limmeuble et un vent horizontal sloignant de limmeuble lencontre du vent dominant (effet Wise). Des contres mesures visent en premier lieu de construire moins haut. Si un immeuble haut ne peut tre vit, alors une possibilit est dintroduire une structure qui puisse dvier lcoulement descendant (downwash), par exemple une vranda (Fig. 2.10). Les effets de coins sont difficiles viter mais au niveau des pitons, ils peuvent tre rduits en utilisant des paravents. viter de placer un espace urbain en ligne directe avec de longues avenues linaires. Les structures urbaines linaires comme les immeubles peuvent crer un effet de canalisation o le vent peut sacclrer et ainsi engendrer un environnement dsagrable. Cet effet peut survenir lorsque les voies sont plus longues que 100 125 m [4]. Leffet peut mme tre pire si les rues forment un entonnoir (effet Venturi, Fig. 2.11). Des contres mesures sont par exemple, dviter des voies directes entre lespace et la rue, de faire des rues plus courtes (nouveaux espaces), dviter la construction de rues dans le sens du vent dominant, de casser lalignement de la rue (des rues incurves ne conviennent pas car la rsistance au vent est faible dans de telles rues) et de reboiser la rue afin daugmenter la rsistance au vent. Les passages situs entre ou sous les immeubles menant un espace ouvert peuvent aussi former une sorte dentonnoir o le vent peut sacclrer et de ce fait engendrer un environnement dplaisant. Cet effet peut tre radicalement aggrav lorsquil est combin de hauts immeubles ou de longues avenues linaires (voir ci-dessus).

Figure 2.8: Graphique vectoriel montrant les directions et vitesses du vent dans le square avec une ouverture de taille moyenne place au milieu (haut) et aux coins (direction du vent 15). Les ouvertures aux coins donnent lcoulement le plus turbulent.

11

Les dimensions des espaces urbains peuvent tre conues de manire ce que le vent scoule plutt au-dessus et non dans cet espace rserv aux pitons en crant ainsi des conditions inconfortables. Cet effet est appel effet de maille [4, 5]. Un facteur important est la relation existant entre la surface de lespace urbain et la hauteur des immeubles avoisinants (ou celle dautres structures comme les paravents), facteur qui sexprime comme suit : ASpace/ (HBoundary) = K. K est un paramtre sans dimension dont la valeur ne doit pas dpasser 6. Il est important que la largeur des ouvertures en direction de lespace ne soit pas suprieure 25% de la longueur du primtre de la place. Un exemple est donn par lespace du quadrilatre de la section 1.4, o HBoundary = 18 m. Dans ce cas, la surface maximale du quadrilatre devrait tre ASpace = 18 x 6 = 1944m (44 x 44 m) et la largeur maximale des ouvertures = 0.25 x 4 x 44 = 44m. Avec quatre ouvertures de mme taille cela donne une largeur 44/4 = 11m par ouverture. Il est prfrable que les ouvertures ne fassent pas face la direction du vent dominant. Leffet de maille est aussi valide dans les cas dautres formes que des quadrilatres et des rectangles. Il existe une relation complexe entre la configuration du vent dans la zone pitonnire et la largeur et longueur de cet espace (LSpace, WSpace), la hauteur des structures aux bords (HBoundary) et la direction du vent. Une tude ralise en soufflerie pour des espaces rectangulaires a dmontr [6] quavec des espaces rduits et moyennement rduits (WSpace / HBoundary = 1-4), la longueur optimale de lespace est de 4 5 fois la hauteur des bords. Avec de grands espaces (WSpace / HBoundary = 8), la longueur optimale de lespace est de 6 8 fois la hauteur des bords. Des paravents peuvent tre utiliss pour protger les pitons dans lespace urbain des vents intenses et de la turbulence et peuvent tre la fois des structures entires (immeubles, murs, etc.) ou partielles (vgtation, cltures, etc.). Des paravents entiers peuvent tre efficaces prs des structures, mais tendent acclrer le vent et crer des turbulences dans leur sillage. Ainsi, dans la plupart des cas, il est prfrable demployer des structures partielles. La vgtation constitue un paravent efficace car les branches et les feuilles ralentissent le vent sans pour autant crer beaucoup de turbulence (Fig. 2.12). Des tudes ont montr quune plate bande de bonne densit produit la meilleure protection et la plus uniforme (50-65% de la surface ouverte) [7]. Il est impratif que la plate bande produise la mme protection en pleine hauteur, ainsi il est ncessaire de combiner diffrent type de vgtation par exemple en utilisant des arbres pour protger en hauteur et des arbustes/buissons pour la protection prs du sol. De telles plates bandes peuvent protger efficacement sur une distance quivalent 4 5 fois leur hauteur en aval de la barrire [4]. Il est important que les ouvertures dans la barrire soient distribues sur toute la surface ainsi plusieurs petits trous produiront un vent plus agrable supporter quun petit nombre de trous de plus grandes dimensions.

Figure 2.9: Trajectoire de lcoulement du vent autour dun haut et dun bas btiment.

Figure 2.10: Exemple dune contre mesure sur lcoulement descendant (downwash) une vranda la base dun haut btiment.

Figure 2.11: Un cas particulier de leffet de canalisation leffet Venturi.

2.6

Liste de contrles Dfinir le climat, le type despace et le type dutilisation. Dfinir les critres de confort appropri pour cet espace les critres peuvent ventuellement tre diffrents pour les diffrentes parties de cet espace (Tableau 2.1). Etablir les statistiques du vent pour le site en question (vent moyen V10 selon les mesures effectues la station mtorologique la plus proche et selon le profil du vent de la rgion avoisinante (Fig. 2.1 et Tableau 2.2). Analyser comment le voisinage et lespace influencent les conditions de vent sur lespace en utilisant des mesures sur le site, des tests en12

Figure 2.12: La vgtation utilise comme paravent.

soufflerie, des simulations CFD ou des suggestions damnagements simplifies (par exemple, Sections 2.4 et 2.5). Comparer les rsultats des analyses avec les critres de confort et changer la disposition de lespace et de son voisinage si les conditions ne sont pas acceptables.

2.7[1] [2] [3] [4]

RfrencesPenwarden, A.D. and Wise, A.F.E. (1975). Wind environment around buildings. Department of the Environment BRE, Her Majestys Stationery Office, London. Bjerregaard, E. and Nielsen, F. (1981). SBI direction 128 Wind environment around buildings. (In Danish): Danish Buildings Research Institute, Hrsholm. Davenport, A.G. (1972). An Approach to Human Comfort Criteria for Environmental Wind Conditions, Swedish National Building Research Institute, Stockholm. Houlberg, C. (1979). An introduction to wind environment part II: Wind and Shelter in Built-up Aareas with commented stock of bibliography for BSA. (In Danish): The Royal Danish Academy of Fine Arts, Copenhagen. Gandemer, J. (1977). Wind environment around buildings: Aerodynamic concepts, Proc.: Fourth International Conference on Wind Effects on Buildings and Structures, Cambridge University Press. Smith, F. and Wilson, C.B. (1977). A parametric study of airflow within rectangular walled enclosures, Building and Environment, Vol. 12, pp. 223-230. Houlberg, C. (1976). An introduction to wind environment part I: Living fences and windscreens with commented stock of bibliography, 2nd edition. (In Danish): The Royal Danish Academy of Fine Arts, Copenhagen.

[5]

[6] [7]

13

3.

VALUATION DES CONDITIONS DE RAYONNEMENT DANS LES ESPACES URBAINS3.1 Introduction

La recrudescence de lintrt port la qualit des espaces urbains ouverts est lie au besoin essentiel des gens accrotre leur vie sociale en relation avec un environnement physique confortable. Peu dtudes analytiques sont disponibles visant valuer les exigences de confort lies aux microclimats urbains spcifiques gnrs par la morphologie des lieux, par les matriaux, par leau et la vgtation, et elles sont malheureusement trop compliques ou peu adquates pour la pratique. Les conditions de confort thermique dans les espaces urbains sont dtermines par une combinaison de facteurs socio-psychologiques et physiques qui ont t tudis dans le cadre du projet de recherche RUROS [1], [2], et [3]. Les facteurs physiques concernent ladaptation au microclimat local dtermine par lenvironnement physique ambiant.Figure 3.1: Longueurs dombrage dans des rues orientes NS. (a.m. = matin, p.m. = aprs-midi)

Les objets qui constituent lenvironnement urbain, incluant les matriaux de construction, les abris, la vgtation , jouent un rle important dans la modification du microclimat et des conditions de confort thermique. Leurs tempratures superficielles influencent le bilan thermique et le confort par des changes radiatifs qui sont dominants dans un environnement peu ventil, ce qui correspond aux conditions les plus frquentes des espaces urbains la hauteur des pitons. Tandis que leffet gnral des matriaux de construction sur le microclimat, dans un contexte urbain li des dispositions spcifiques, a t tudi en dtail en climatologie urbaine (llot de chaleur urbain estival et hivernal, la distribution des albdos, les flux radiatifs dans les canyons, etc) les effets de matriaux particuliers nont t tudis que rcemment [4]. Toutes ces tudes, cependant, ne sont pas destines la problmatique de lamnagement, puisquelles sont constitues soit de mesures, soit dtudes de cas ou de simulations ralises avec des modles complexes. Le but de ce guide est de fournir un outil graphique simplifi permettant aux concepteurs de dvelopper une sensibilit au rayonnement dans la conception despaces urbains thermiquement confortables. En dautres termes, cet outil aide les concepteurs valuer les conditions de confort thermique du schma damnagement propos, en indiquant une variation de la temprature moyenne radiante (Mean Radiant Temperature ou MRT), en fonction de lutilisation de diffrents matriaux (et de morphologie).

EW oriented street - time: 3 p.m.50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0

0,06 0,17 0,28 0,39 0,50 0,61 0,72

0,72 0,61 0,50 0,39 0,28 0,17 0,06

W/HCopenhagen Milan Athens

Figure 3.2: Valeurs de MRT dans les rues de rfrence orientes EW (Est-Ouest).

3.2

Mthodologie dvaluation des conditions de rayonnement

NS oriented street-time: 3 p.m.48 43 38 33 28 23 18 13 8 0,05 0,16 0,27 0,38 0,5 0,6 0,72 0,72 0,61 0,5 0,38 0,27 0,16 0,05

Une mthode graphique simplifie destine valuer les conditions de rayonnement dans un contexte urbain a t dveloppe sur la base de simulations numriques avec le logiciel Solene [5]. Les rsultats de cette mthode constituent une approximation de la MRT qui peu tre utilise pour calculer des indices de confort comme la PET ou dautres [6]. Un intrt particulier de la recherche visait ltude des variations spatiotemporelles du champ de rayonnement selon lutilisation de divers matriaux et de leurs proprits physiques, qui est considre comme variable principale, dans un amnagement urbain nouveau ou rnov. Trois rgions climatiques ont t considres : lEurope du nord, celle du centre, et celle du sud, correspondant respectivement aux villes de Copenhague, Milan et Athnes. La condition de rfrence a t dfinie comme une valeur constante de MRT dans un plan horizontal illimit. Un plan vertical (simulant une

W/HCopenhagen Milan Athens

Figure 3.3: Valeurs de MRT dans les rues de rfrence orientes NS.

14

faade dun immeuble) modifie la valeur de MRT autour de cet espace en fonction de la taille, de lorientation et des matriaux (Fig. 3.2, 3.3). Le modle prend en considration diffrentes configurations spatiales variant dune rue de largueur infinie (avec seulement une faade) une rue troite, ainsi que les effets de coins. Les dimensions sont spcifies par un rapport Largeur/Hauteur (W/H). Les simulations impliquent des variations des paramtres suivants : Figure 3.4: Variation de MRT dans les rues de rfrence orientation EW (Est-Ouest) en matine. sunny area= zone ensoleille shaded area=zone ombre

Latitude (Copenhague, Milan, Athnes) Orientation des lments verticaux (S-N, E-W) Lalbdo de la chausse (0.2, 0.8) Dimensions de la rue (100, 50, 26, 16, 12 de largeur, 18 de hauteur) Effets de coins (toutes les units sont en m. 30x30, 60x60, 30x60, 60x30, 18 hauteur)

Les simulations considrent un vent faible (moins de 1.5 m.s-1), valeur typique dans un contexte urbain durant une journe ensoleille dt, et les tempratures de lair sont typiques dune journe chaudes (Tableau 3.1).Tableau 3.1: Les tempratures de lair pour cinq priodes Milan, Athnes et Copenhague[7]

Temprature de lair (C) Matine Midi Aprs-midi Soire Nuit

Milan 24 30.5 32.5 29 22

Athnes 26 33.5 37 33.5 24.5

Copenhague 20 24.5 25.5 22.5 17

Figure 3.5: Variation de MRT dans les rues de rfrence orientation NS en matine.

Les conditions de rayonnement qui varient constamment ont t divises en cinq priodes de conditions semblables : nuit, matine, midi, aprs-midi, et soire. Pour chacune delles, les valeurs de MRT lombre ou au soleil ont t values. Durant ces priodes les conditions de rayonnement sont considres constantes, constituant les variations contrles par les mcanismes physiques et psychologiques dadaptation. Dues aux diffrents rayonnements rcolts, les valeurs de MRT calcules pour des surfaces adjacentes peuvent changer de faon significative. Les valeurs moyennes de MRT sont reportes dans les diffrents tableaux en association avec les variations prvues durant ces mmes priodes. 3.3 Critres dvaluation

Zones climatiques : Trois villes ont t retenues en Europe: Copenhague (Latitude 55), Milan (Latitude 45) et Athnes (Latitude 37). Type de matriaux : Les matriaux sont regroups en deux classes dpendant de lalbdo et de la capacit thermique. Les matriaux frais sont normalement ceux possdant une couleur claire et une forte capacit thermique, tandis que les matriaux chauds diurnes sont ceux possdant une couleur sombre et une capacit thermique faible. Les urbanistes traditionnels choisissent des matriaux sur la base de diffrentes exigences techniques, lesquelles remplissent des besoins et des usages locaux spcifiques, satisfaisant aussi des lgislations au niveau de la perception visuelle, de la scurit, de la sant, de la durabilit, du cot, etc. Les considrations environnementales ne sont habituellement pas prises en compte. Ainsi, afin de promouvoir le confort15

Figure 3.6: Variation de MRT dans les rues de rfrence orientation EW (Est-Ouest) midi.

thermique dans les espaces extrieurs, il est ncessaire dassocier ces exigences techniques avec celles lies lenvironnement, comme dcrit ci-aprs. Le rayonnement est contrl par la couleur (albdo), la capacit thermique par la masse. La mthode simplifie considre les matriaux les plus frquemment utiliss comme revtement : le bton. Ce matriau est dfini par ses proprits thermiques, c.--d., sa chaleur spcifique (1000 J.Kg-1K-1), sa densit (2200 Kg.m-3), et sa conductivit (0.9 W.m-1K-1). Les modifications du rayonnement ont t considres par lalbdo. Plus prcisment, un matriau clair rflchissant 80% du rayonnement solaire incident et un matriau sombre ne rflchissant que 20% ont t retenus (Tableau 3.2).Tableau 3.2: Classification des matriaux en trois catgories en fonction de leur albdo [8]

Figure 3.7: Variation de MRT dans les rues de rfrence orientation NS midi.

Surfaces

Albdo 0.1 0.3 Asphalte noir Bton sombre Pelouse Ardoise

Albdo 0.4 0.6 Bton clair Cuivre oxyd Brique rouge Pierre

Albdo 0.7 0.9 Pierre calcaire Marbre blanc Peinture blanche

Type despace : la mthode simplifie est approprie pour des espaces urbains tels que rues et places. Une large plage de rapports W/H a t considre allant des plus petits 0.06, o une faade dun cot ninfluence pas les conditions climatiques de lautre cot de la rue, des valeurs plus leves 0.72, o les deux cots de la rue exercent une influence combine sur le microclimat de toute la section. Leffet intressant valuer sur les places est leffet de coins d au croisement de deux faades perpendiculaires formant une niche microclimatique. Le comportement thermique de la niche est considr comme une variation de la rue correspondante (avec le mme rapport dimensionnel). Les places avec des rues le long des faades, c.--d., sans effet de coins, ont un comportement semblable aux rues cause de la pntration du rayonnement solaire sur les cts. Type dutilisation : la mthode simplifie est adquate pour assister les concepteurs planifier des activits et des quipements dans les espaces urbains, selon les conditions de confort thermique de ceux-ci. Par exemple, les activits au repos faible niveau mtabolique comme la lecture, etc, ont des besoins diffrents que les activits de dplacement , comme la marche ou le jogging, qui peuvent aussi tre considres, mais dune faon plus critique [9]. Le temps : cinq priodes temporelles ont t prises en considration afin de couvrir le cycle diurne : la matine, le midi, laprs-midi, la soire et la nuit.

Figure 3.8: Variation de MRT dans les rues de rfrence orientation EW (Est-Ouest) dans laprs-midi.

3.4

La vgtation

Les deux effets principaux de la vgtation sont leffet dombrage du rayonnement solaire (la plupart des arbres feuillus ont une transmissivit faible lgard du rayonnement solaire, entre 2 et 5%) et la conservation dune temprature du feuillage proche de celle de lair, soit entre 20-35 C infrieurs aux tempratures des surfaces des matriaux urbains communs, comme lasphalte, les blocs de bton, etc. Comme rsultat, la temprature de globe sous un grand arbre est habituellement de 15 20 C plus faible que la temprature de globe de la mme surface sans ombre.Figure 3.9: Variation de MRT dans les rues de rfrence orientation NS dans laprs-midi. 16

Les effets microclimatiques de la vgtation dpendent aussi de la maturit de cette dernire. Les arbres gs ont des tempratures de feuillage lgrement infrieures celle de lair, tandis que les jeunes arbres et les pergolas ont des tempratures de feuillage quelques degrs au-dessus de celle de lair.

Figure 3.10: Variation de MRT aux centres de places de diffrentes gomtries comparativement des rues dorientations et de dimensions similaires. Night=nuit, Morning=matine, Noon=midi, Afternoon=aprs-midi, Evening=soire.

Figure 3.11: Variation de MRT aux coins dune Place de diffrentes gomtries comparativement des rues dorientations et de dimensions similaires.

3.5

LApplication de la mthode simplifie pour valuer MRT

La mthode graphique pour dfinir en gros les conditions de confort thermique dans les espaces urbains est facile dusage. La mthode procure une information sur les valeurs de MRT et leurs variations pour les cinq priodes de la journe (Figs. 3.4-3.9 et 3.12-3.15), en priode estivale un moment ensoleill en fonction des paramtres suivants : (i) la latitude, (ii) lalbdo de la chausse, (iii) la protection solaire, et (iv) de la gomtrie de lespace et (v) de son orientation. Les tapes pour appliquer la procdure sont les suivantes : 1. Dfinir la latitude du lieu ltude, 2. Vrifier lorientation de lespace urbain ainsi que les sections en termes de rapport H/W, 3. Dfinir la priode du jour, 4. Lire la valeur approximative de MRT sur le graphique appropri.

Figure 3.12: Variation de MRT dans les rues de rfrence orientation EW (Est-Ouest) en soire.

17

Les valeurs de MRT ainsi que leurs variations moyennes, en fonction de lalbdo et de la protection solaire locale, peuvent tres lues sur les graphiques des rues (Figures 3.4 -3.9 et 3.12-3.15). Les valeurs de MRT se rfrent : i) des surfaces totalement ombrages, ii) surfaces ensoleilles, iii) surfaces ensoleilles disposant dune protection locale contre le rayonnement solaire direct (100%). Linterpolation est possible pour des conditions diffrentes, c.--d., pour une protection solaire ayant une transparence de 50%. Comme les valeurs de MRT sur une place sont diffrentes de celles sur une rue de dimension similaire, les Figures 3.10 et 3.11 indiquent les valeurs de MRT diffrents endroits de la place (en terme de diffrence par rapport la valeur de MRT prvue dans une rue de dimensions semblables). Quatre places ont t simules avec des dimensions et orientations diffrentes ; pour chaque place les diffrences de MRT en 5 points sont indiques, comme des niches microclimatiques (centres et coins). Par exemple, si nous considrons une rue 18H, 50W, oriente NS Milan, la valeur de MRT prvue durant la matine est environ 24C avec une variation de 3C au soleil et de 12.5C lombre, tandis que pour la surface ensoleille avec une protection solaire locale la valeur de MRT prvue est de 15C 1C. Si nous considrons une place rectangulaire de 30x60m, 18H, Milan, la temprature prvue durant la matine est de 0.5C suprieure dans le coin SE ( lombre) compare la valeur sur la rue de dimension semblable. Dans des conditions identiques, dans le coin NE la MRT prvue sera de 13C plus leve.

Figure 3.13: Variation de MRT dans les rues de rfrence orientation NS en soire.

Figure 3.14: Variation de MRT dans les rues de rfrence orientation EW (Est-Ouest) durant la nuit.

3.6

Lgislation (lignes directrices)

2001. TOROC (Torino Organising Committee XX Olympic Winter Games) - Linee guida di sostenibilit nel progetto, nella costruzione e nell' esercizio dei villaggi olimpici". 2003. ITACA. Protocollo ITACA (Istituto per la Trasparenza, lAggiornamento e la Certificazione degli Appalti)- Gruppo di lavoro interregionale in materia di bioedilizia. Protocollo ITACA per la valutazione della qualit energetica ed ambientale di un edificio.Figure 3.15: Variation de MRT dans les rues de rfrence orientation NS durant la nuit.

3.7

Liste de contrles Niche microclimatique Conditions de rayonnement Albdo de la chausse Morphologie

3.8[1]

RfrencesNikolopoulou, M. and Steemers, K. (2003). Thermal comfort and psychological adaptation as a guide for designing urban spaces, Energy and Buildings, Vol. 35, No.1. Katzshner, L. (2002). Bioclimatic characterization of urban microclimates for the usage of open spaces, Proc.: Architectural and Urban Ambient Environment, Nantes. Scudo, G., Rogora, A. and Dess, V. (2002). Thermal comfort perception and evaluation in urban space, Proc.: EPIC 2002 AIVC, Lyon. Asaeda, T. and Ca Thanh, V. (1996). Heat storage of pavements and its effect on the lower atmosphere, Atmospheric Environment, Vol. 3, No 3. SOLENE++ Guide dUtilisation, Laboratoire CERMA, cole d Architecture de Nantes. 18

* sun protection in a sunny area= dans une zone ensoleilleavec protection solaire

[2] air temperature in Milan air temperature in Athens air temperature in Copenhagen

[3] [4] [5]

[6]

Dess, V. (2001). Evaluation of microclimate and thermal comfort in open space, th Proc.: 18 Passive and Low Energy Architecture (PLEA) International Conference, Florianpolis. http://www.meteotest.ch Santamouris M. and Doulos L. (2001). Comparative Study of Almost 70 Different Materials for Streets and Pavements, M.Sc. Final Report, University of Athens, Department of Physics, Athens. Dess, V. (2002). Peoples behaviour in an open space as design indicator comparison between thermal comfort simulation and users behaviour in an open th space, Design with the environment, Proc.: 19 Passive and Low Energy Architecture (PLEA) International Conference, Toulouse.

[7] [8]

[9]

19

44.1

MORPHOLOGIE URBAINEIntroduction

Figure 4.1: Modle tri-dimensionnel du All Saints Garden, Cambridge.

Des recherches, menes au Martin Centre Cambridge, ont montr que des applications innovantes de techniques danalyses dimages sur des textures urbaines tri-dimensionnelles permettent de relier, un niveau simplifi, les caractristiques micro-climatiques avec la forme urbaine. Plus prcisment, des paramtres de la forme urbaine ont t extraits laide de techniques danalyses dimages. Celles-ci se sont avres trs utiles pour explorer les corrlations entre la forme urbaine et divers aspects des performances environnementales concernant lenvironnement solaire et olien ainsi que la consommation dnergie. Ceci ouvre la possibilit de progrs significatifs dans la caractrisation du micro climat urbain et dans la capacit dvaluer, sans la ncessit de modles labors, limpact environnemental de formes urbaines alternatives ainsi que de propositions de changements. Les paramtres environnementaux qui ont t identifis comme jouant un rle majeur sur le confort dans le contexte urbain une chelle locale sont ceux qui sont directement influencs par les altrations micro climatiques dues lurbanisation. Les facteurs micro climatiques clefs comprennent la temprature (effet dlot de chaleur), lensoleillement, le mouvement du vent, lenvironnement acoustique et la propagation du bruit urbain. Lanalyse morphologique urbaine peut principalement contribuer ltude de la temprature, de lensoleillement et du vent, ainsi que procurer un aperu des questions relatives la propagation du bruit.

Figure 4.2: Modle dlvation numrique (DEM). Une image 2D en niveaux de gris avec des valeurs comprises entre 0 (noir) et 255 (blanc), o le noir et le blanc correspondent respectivement aux hauteurs maximales et minimales de la zone.

4.2

Morphologie urbaine

En parlant de morphologie urbaine on signifie simplement la forme tridimensionnelle dun groupe de btiments ainsi que les espaces quils crent. La raison principale de travailler avec cette faon de voir la forme urbaine est quelle permet aux concepteurs et planificateurs de comprendre les consquences de choix stratgiques sans perdre les questions de dtails architecturaux. La morphologie urbaine est dimportance primordiale pour le micro climat extrieur. Pour dcrire la morphologie urbaine, on utilisera une gamme de descripteurs de forme qui permettent de faire des liens avec les performances environnementales. Par exemple, on peut discuter de linfluence de la gomtrie des btiments sur lensoleillement, le vent ou le bruit dans un espace ouvert. Le but nest pas de dcrire en dtail la physique ou la complexit des phnomnes mais de dfinir des relations simplifies.

Figure 4.3: Carte doccupation du sol. Une image en noir et blanc o le noir indique une zone construite et le blanc un espace ouvert.

4.3 4.3.1

Paramtres morphologiques et leurs influences sur les espaces urbains ouverts. Introduction

Une gamme de paramtres gomtriques et leurs relations avec le micro climat urbain sont dcrits ci-dessous. Laccent est port sur les facteurs morphologiques qui ont un impact sur le confort extrieur.Une collection de paramtres morphologiques est liste la Figure 4.4, qui indique aussi le flux dinformation entre les diverses cartes produites par analyses dimages ainsi que la faon dont elles sont superposes et combines pour servir au processus de conception. Pour ces recommandations relatives la morphologie urbaine, le site du All Saints Garden Cambridge (UK) a t retenu comme tude de cas.Figure 4.4: Carte du facteur de vue du ciel. Les tons clairs correspondent aux facteurs de vue du ciel levs. (Algorithme Matlab de Ratti [1])

20

Figure 4.5: Organigramme du processus danalyse de la morphologie urbaine. INPUT=donnes dentre, OUTPUT=donnes de sortie.

En spcifiant un modle 3D (Figure 4.1), un modle dlvation numrique (DEM) (Figure 4.2), une carte doccupation du sol (Figure 4.3) ainsi que des donnes gographiques et micro climatiques, des sorties telles que des cartes du facteur de vue du ciel, dombrage solaire et dobstruction du vent peuvent tre produites afin de caractriser les espaces ouverts et didentifier les zones qui requirent des interventions. Cette caractrisation peut aussi aider formuler des stratgies de conception soccupant de questions lies la morphologie urbaine et au micro climat. 4.3.2 Le facteur de vue du ciel

Le facteur de vue du ciel (SVF) est simplement une mesure de langle solide sous lequel le ciel est vu depuis un espace urbain. Il dtermine les changes de chaleur par rayonnement entre la ville et le ciel. Un SVF de 1 signifie que la vue du ciel est dpourvue de toute obstruction par exemple depuis un champ isol et que, par consquent, les tempratures suivront de prs les valeurs mtorologiques. Un SVF de 0 signifie que la vue du ciel est totalement obstrue et que, ds lors, les tempratures seront fortement influences par le contexte urbain. Ainsi, dans une ville mdivale avec des rues troites on sattend un SVF faible autour de 0.2 alors que dans un environnement urbain plus ouvert avec des rues et des espaces larges, le SVF sera plus prs de 0.8. Dans une ville donne, il peut y avoir des valeurs de SVF typiques qui dterminent globalement les variations de tempratures mais il peut aussi y avoir des variations significatives du SVF lintrieur du tissu urbain. Une cartographie du facteur de vue du ciel pour notre site est illustre la Figure 4.4. En terme de conception, le facteur de vue du ciel est directement li leffet dlot de chaleur urbain [2], et influence fortement les variations de temprature dans lenvironnement urbain. Gnralement, un faible facteur de vue du ciel implique une augmentation de leffet dlot de chaleur urbain bien que dautres facteurs, comme le besoin dombrage qui peut tre rsolu par des rues troites, doivent aussi tre considrs. Le SVF peut tre exprim comme des variations de la temprature rsultante estivale. Il montre les environnements thermiquement plus stables (les zones noires ont des variations de temprature plus faibles) comparativement ceux qui suivent de plus prs les conditions synoptiques (variations de temprature plus importantes). Dans les

Figure 4.6: Carte dombrage solaire. Les gris les plus sombres correspondent aux zones qui demeurent le plus souvent lombre en moyenne annuelle.

Figure 4.7: Carte de dure dinsolation produite partir de la carte dombrage solaire (Figure 4.6). Chaque couleur correspond au nombre moyen dheures densoleillement. 21

environnements plus stables, particulirement dans les cours profondes, des tempratures estivales diurnes plus fraches que lair ambiant ont t mesures ce qui confirme la prsence dlots de fracheur urbains. Toutefois, les tempratures nocturnes dans ces espaces confins sont plus leves que celles de lair ambiant et correspondent bien lintensit de llot de chaleur telle que dfinie par Oke [2]. Visuellement, un plus grand facteur de vue du ciel procure un sentiment douverture qui sest avr tre un facteur important pour les usagers des espaces ouverts. 4.3.3Figure 4.8: Carte dobstruction du vent. Obtenue partir de simulations effectues avec 12 diffrentes directions du vent, cette carte montre la frquence moyenne annuelle de lcoulement du vent. Les zones sombres correspondent au zones les plus abrits du vent.

Ombrage solaire et dure dinsolation

La reprsentation de lombrage solaire ncessite de tracer les ombres pour chaque heure diurne durant une journe de chaque saison, puis de superposer ces images afin de crer un profil annuel des ombres portes sur le site. Cette carte dombrage solaire est reprsente la Figure 4.6. Laccs au soleil et lombrage solaire sont des aspects importants dans la conception, principalement lorsque lon considre lensoleillement et lclairage naturel. Comme lensoleillement a un impact significatif sur le confort thermique, la disponibilit du soleil et de lombre reprsente par une valeur de seuil sur le nombre dheures dombrage est un indicateur simplifi de la diversit spatiale. A partir de la carte dombrage solaire, il est possible de reprsenter le nombre dheures densoleillement que chaque partie dun site urbain reoit. Pour simplifier limage, des contours de dures dinsolation peuvent tre tracs (Figure 4.7), des valeurs de seuils peuvent tre tablies et, partir de l, des zones principalement ensoleilles ou ombres peuvent tre identifies. 4.3.4 Porosit et obstruction du vent

Figure 4.9: Roses des vents pour Cambridge, UK

Lcoulement du vent constitue un autre paramtre important prendre en compte lors de la conception despaces urbains. Le vent peut tre considr comme un facteur positif ou ngatif selon le climat gnral du lieu et selon la saison. Comme cest un lment assez perceptible du micro climat urbain, il influence beaucoup le confort thermique. Pour tudier le comportement du vent dans les villes, nous avons employ une soufflerie virtuelle pour observer les coulements du vent provenant de 12 directions diffrentes. Les rsultats ont t superposs en une seule carte (Figure 4.8) o chaque cas a t reprsent par une transparence proportionnelle son pourcentage de frquence directionnelle obtenu daprs la rose des vents. Ainsi une zone abrite du vent identifie pour une direction du vent prdominante est plus significative quune zone abrite observe pour une direction moins frquente. Pour ce projet, nous avons utilis la rose des vents de Cambridge pour tablir la carte dobstruction du vent (Figure 4.9). Cette carte illustre les zones le plus frquemment calmes comparativement aux zones le plus souvent exposes au vent. La rose de porosit de la Figure 4.10 constitue encore un autre indicateur de lcoulement et de la circulation du vent lintrieur du site. Elle indique, pour chaque direction, les obstructions cres par les zones construites. Un plus grand degr de porosit dans une certaine direction indique des cheminements dans lesquels le vent peut circuler. Ainsi, une porosit leve donne une indication sur les vitesses du vent et sur lefficacit de ventilation. 4.3.5Figure 4.11: Carte de laire de visibilit. Une reprsentation du champ visuel depuis le centre du site. Les zones blanches correspondent aux zones et surfaces comprises dans le champ visuel potentiel de lobservateur. (Algorithme Matlab de Ratti [1])

Figure 4.10: Rose de porosit. Elle illustre la permabilit de la zone en indiquant lobstruction cause par les btiments selon toutes les directions. (Algorithme Matlab de Ratti [1])

Champ de vision

La carte de laire de visibilit (Figure 4.11) est simplement une illustration des surfaces visibles lorsquon se situe au centre du site. Cette reprsentation du champ de vision est un outil de conception utile lorsque lon considre les stimuli visuels ressentis dans un espace urbain.

22

4.3.6

Diversit environnementale

Lors de la conception despaces urbains ouverts, il est important de se rappeler quil est prfrable de crer une varit de conditions environnementales car cest la faon naturelle dont les choses se prsentent dans les espaces extrieurs [3]. En faisant cela, on sera capable de crer toute une varit de conditions environnementales favorables adaptes une plus large gamme de prfrences personnelles. Linteraction entre les diffrents paramtres de la morphologie urbaine cre un profil de diversit unique sur chaque site. Pour visualiser le potentiel de diversit environnementale dans un contexte urbain, nous avons superpos, avec les couleurs primaires Rouge/Vert/Bleu, les cartes de seuils du ciel, de lensoleillement et du vent. Les images en tons de gris du facteur de vue du ciel (Figure 4.4), de lombrage solaire (Figure 4.6) et de lobstruction du vent (Figure 4.8) ont t rduites selon des seuils et assignes sparment aux canaux RVB dimages en couleur (Figure 4.12). La carte rsultante (Figure 4.13) montre quun mlange complexe de conditions environnementales diffrentes est disponible. Le graphique de la rpartition des diffrents profils environnementaux montre que le site dispose dune prdominance de lieux calmes-ensoleills et dgagsensoleills-venteux assez bien adapts au climat anglais en particulier parce quil y a aussi quelques lieux calme-ombrags et venteuxensoleills. Pour un climat tempr, labsence presque totale de lieux venteux-ombrags dans les espaces extrieurs na pas grande importance hormis durant des journes caniculaires, que lon prdit plus frquentes cause des changements climatiques, o cette absence pourrait constituer une limitation notable du confort. Des mesures correctives, telles que lombrage et le refroidissement par vaporation par des arbres, pourraient amliorer la situation. Dautre part, on pourrait concevoir ou procurer laccs des espaces intermdiaires disposant de caractristiques thermiques adquates telles que : inertie thermique leve, orientation sur les vents dominants pour augmenter les mouvements dair, orientation septentrionale, etc. Ce type de carte de diversit environnementale peut tre produit pour nimporte quel climat, site ou saison de faon explorer leurs caractristiques relatives. Lanalyse peut tre plus ou moins dtaille, bien que la quantit dinformation contenue, mme sur une carte relativement simple comme prsente ici, atteint probablement la limite dune utilit

Figure 4.12: Cartes de seuils. SKY : Ciel (Noir= peu de ciel, rouge= plus de ciel, seuil=0.5) SUN : Ensoleillement (Noir= peu densoleillement, vert= plus densoleillement, seuil=0.25) WIND : Vent (Noir peu de vent, bleu= plus de vent, seuil=0.5) Ces cartes sont employes comme canaux Rouge/Vert/Bleu dans la carte de diversit (Figure 4.13).

Figure 4.13: Profil de diversit environnementale dun espace ouvert. Limage de gauche montre le rsultat de la superposition des cartes de seuils du facteur de vue du ciel, dombrage solaire et dobstruction du vent. Le graphique droite montre la distribution des diffrentes combinaisons environnementales prsentes sur le site. 23

Tableau 4.1: Classement des profils environnementaux pour Cambridge, UK. W: hiver, A/Sp: automne/printemps, Su: t, An: anneENVIRONMENTAL PROFILE SHADE+STILL+SKY SUN+STILL+COVER SHADE+WIND+COVER SUN+WIND+COVER SHADE+WIND+SKY SUN+STILL+SKY SUN+WIND+SKY SHADE+LEE+COVER +3 -3 A/ W Sp Su An -1 -1 -1 -1 1 1 -3 0 -3 -3 1 -2 0 0 0 0 -2 -2 2 -1 2 2 -2 1 1 1 1 1 -2 -2 -2 -2 best condition worst condition

pratique. Le but principal de ce type de carte est dindiquer le degr relatif de diversit environnementale en fonction de la forme urbaine. Lvaluation de la diversit environnementale sous la forme de gamme et de quantits de diverses conditions thermiques disponibles doit reflter le contexte climatique. On pourrait considrer comme diversit approprie l o les facteurs ngatifs sont rduits et o des conditions positives sont augmentes. Dans un climat chaud et aride, on viserait avoir plus dombrage et de stabilit thermique alors que dans un climat chaud et humide, le vent et lombrage sont critiques. Dans un contexte froid, du soleil et des conditions peu venteuses devraient prdominer. De faon similaire, dans les climats fortes variations saisonnires, il est possible de dfinir certains espaces ayant des conditions appropries principalement en t et dautres pour un usage hivernal. Cependant, pour tous les climats ou saisons, il y a un avantage disposer dune gamme approprie de conditions afin d'augmenter la libert de choix.

Adapted from Brown, G.Z. and DeKay, M., 2001 [5]

+3=meilleure condition -3=pire condition

4.3.7

Dsirabilit

Pour affiner lanalyse, un classement de diffrentes combinaisons environnementales a t produit partir dune mthodologie propose par Brown et de Kay [4]. Dans ce livre, un ensemble de valeurs recommandes pour diffrentes variables micro climatiques ont t identifis par climat et par saison. Ces valeurs ont ensuite t combines afin dattribuer des points aux diffrentes combinaisons entre soleil, ombrage, calme et venteux. Nous avons adapt cette table pour y inclure le ciel et le couvert puis, en slectionnant une classification climatique approprie pour Cambridge, nous avons gnr lvaluation des combinaisons environnementales du Tableau 4.1. A partir de cette valuation, le degr de dsirabilit des diffrentes parties de lespace ouvert peut tre reprsent sur une base annuelle ou saisonnire (Figure 4.14). Ces cartes donnent une indication sur les zones propices au dveloppement et permettent didentifier celles qui requirent des interventions, particulirement celles comprises dans lespace considr et colores dans le bleu le plus fonc. Une table dvaluation complte est disponible dans la partie consacre la morphologie urbaine du rapport final RUROS.

4.4

Logiciels

Ce qui suit est une liste des types de logiciel et de quelques exemples correspondants de progiciels qui peuvent tre employs pour produire des images et pour procder l'analyse dcrite dans ces directives:Tableau 4.2: Types de logiciels utiliss pour lanalyse des morphologies urbaines.

TcheModlisation 3D Modle dlvation numrique et carte doccupation du sol Cartes du facteur de vue du ciel, rose de porosit, carte de laire de visibilit Cartes dombrage solaire et de dure dinsolation Obstruction du vent Figure 4.14: Cartes de dsirabilit saisonnire et annuelle (de haut en bas: Et, Hiver et Anne) bases sur le profil de diversit (Figure 4.13) et un classement des prfrences gnrales (Tableau 4.1). Les zones fonces indiquent un degr de dsirabilit moindre.

Type de logicielConception et dessin assists par ordinateurs Rendu 3D, traitement dimage Traitement et analyse dimage [1]

ExempleAutoCAD 3D Studio MAX, Maya, Lightwave, Adobe Photoshop, Corel PhotoPaint, Matlab Matlab

Rendu 3D ou traitement dimage Logiciel de simulation en physique et dynamique des fluides Traitement dimage

3D Studio, Maya, Lightwave, Matlab, Adobe Photoshop, Corel Photopaint Flovent, Fluent, Maya, 3D Studio MAX Matlab, Adobe Photoshop, Corel Photopaint.

Cartes de diversit et de dsirabilit

24

4.5

Conclusion

Il est peu important de vouloir dfinir ou de chercher atteindre des conditions thermiques optimales en milieu urbain. Par contre, lvaluation du succs dun environnement urbain en terme de diversit est plus pertinente. Ainsi, le but consiste maximiser une diversit adquate afin daugmenter les possibilits de choix en relation avec le climat, les activits et les prfrences des usagers.

4.6[1] [2] [3] [4]

RfrencesRatti, C. (2001). Urban analysis for environmental prediction, PhD Dissertation, University of Cambridge. Oke, T. (1987) Boundary Layer Climates, 2nd ed., Routledge. London Proshansky, H.M., Ittelson, W.H. and Rivlin, L.G. (eds.) (1976) Environmental Psychology: People and their physical settings, Holt, R. and W., New York. Brown, G.Z. and DeKay, M. (2001). Sun, Wind & Light: Architectural Design Strategies, John Wiley and Sons, New York.

25

55.1

CARTOGRAPHIE DU CONFORT THERMIQUE ET ZONAGEIntroduction

La mthodologie de la cartographie du confort bioclimatique est prsente, oriente davantage sur les besoins des preneurs de dcisions urbains, planificateurs et architectes. Les cartes de confort se rapportent lenvironnement urbain lchelle du quartier et visent faciliter la prvision des conditions bioclimatiques, celle de lutilisation de lespace et influencer lamnagement urbain en : se concentrant sur lanalyse spatiale des zones de confort thermique dans un site, facilitant la comparaison des conditions de confort thermique en diffrents sites, permettant la comparaison des conditions de confort thermique entre diffrentes conceptions damnagement, procurant de linformation sur le lien existant entre le confort thermique et lutilisation de lespace.

Comme il est mentionn dans les chapitres prcdents de ce guide, lacceptation et lutilisation des espaces ouverts sont influences par les conditions micro climatiques offertes aux gens. Le microclimat et la sensation thermique dpendent fortement de lamnagement