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Universidad Federal do Rio de Janeiro (2014)

Des contraintes solaires à des opportunités de projet urbain : optimisation de typomorphologies urbaines en climat tropical au Brésil

Agra de Lemos Martins, Tathiane

Titre : Des contraintes solaires à des opportunités de projet urbain : optimisation de typomorphologies urbaines en climat tropical au Brésil

From solar constraints to urban design opportunities : optimization of urban typologies in tropical city in Brazil

De condicionantes solares à oportunidades de desenho urbano : optimizaçao de tipo-morfologias urbanas em contexto de clima tropical

Auteur : Agra de Lemos Martins, Tathiane

Université de soutenance : Universidad Federal do Rio de Janeiro (Brésil) co-tutelle Institut national des sciences appliquées (Toulouse)

Grade : Doctorat : Génie Civil : Universidad Federal do Rio de Janeiro (Brésil) : 2014

Résumé
Environ trois quarts des ressources globales sont aujourd’hui consommés dans les aires urbaines. Le processus d’urbanisation induit des changements sévères du climat local, de la qualité environnementale des espaces, ainsi qu’une augmentation significative de la demande énergétique des bâtiments. Les projections statistiques sur la croissance de la population urbaine indiquent que cette situation tendra à s’aggraver dans les années à venir. Il devient donc impératif de chercher d’autres stratégies pour mieux adapter les environnements urbains aux nouvelles demandes énergétiques, afin de réduire l’empreinte environnementale des villes. Dans ce contexte, ce travail est une contribution à la recherche énergétique urbaine, plus particulièrement en ce qui concerne l’énergie consommée et potentiellement produite parles bâtiments à l’échelle urbaine locale. La morphologie urbaine est ici considérée comme un paramètre crucial dans le processus d’amélioration de l’efficacité énergétique du cadre bâti. Dans les zones de basses latitudes, sous climat tropical, l’énergie solaire incidente est extrêmement abondante. Toutefois, la bonne utilisation de cette ressource dans les bâtiments peut suggérer l’adoption de formes urbaines très peu denses et étales, en vue de réduire les obstructions produites par l’environnement proche. A rebours, ces formes urbaines très peu denses peuvent entrainer une augmentation des apports solaires sur les façades,élevant la demande énergétique. Le contrôle des gains solaires sur les façades pour la réduction de la demande énergétique peut ainsi représenter une perte potentielle en terme d’éclairement naturel des espaces, et une réduction du potentiel de production d’énergie solaire. Afin de quantifier le potentiel de ces stratégies conflictuelles, il devient indispensable de convoquer des modèles d’analyse pluridisciplinaires, permettant de mettre en oeuvre des approches multicritères dans le processus de conception de la forme urbaine. Cette thèse s’appuie sur une réflexion prospective sur les quartiers de la ville de Maceió, Alagoas, au Brésil. Dans un premier temps, un ensemble de paramètres morphologiques caractéristiques sont employés pour identifier et caractériser le potentiel solaire de typologies de référence de la ville. Ensuite, ces paramètres sont soumis à une analyse de sensibilité via un plan d’expérience. Les paramètres statistiquement significatifs sont alors intégrés à une méthode paramétrique d’optimisation dans laquelle l’algorithme génétique NSGA-II est couplé à un algorithme simplifiée de radiosité, visant à maximiser le potentiel de production d’énergie sur les toitures des bâtiments, tout en minimisant les apports solaires sur ses façades. Nous considérons des seuils d’éclairement naturel et intégrons des règles locales d’urbanisme comme contraintes aux projets. Cinq typologies représentatives du tissu urbain de Maceió ont ainsi été identifiées. L’ensemble des indicateurs les plus influents sur le potentiel solaire des formes urbaines a été hiérarchisé, en mettant l’accent notamment sur le rôle du prospect moyen ou de l’albédo des surfaces. La méthode d’optimisation a permis de tester plus de 80 000configurations d’ilots urbains et les résultats obtenus font apparaître une grande diversité de morphologies « optimum ». Ces projets ont des performances solaires supérieures à celles des typologies existantes dans la ville. Cette intégration de stratégies énergétiques contradictoires montre qu’au-delà de l’intégration de contraintes variées et d’une meilleure adaptation à la complexité du processus de design urbain, l’approche utilisée ici apparaît très utile pour la recherche de solutions urbaines performantes à l’échelle des quartiers. Cette approche peut ainsi participer au renouvellement de l’Architecture de la Ville

Mots clés : Urbanisme durable — Énergies renouvelables — Algorithmes génétiques — Adaptation aux changements climatiques — Morphologie urbaine — Énergétique urbaine — Analyse de sensibilité – Optimisation — Algorithme génétique — Climat tropical — Potentiel solaire

Présentation : SUDOC

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Page publiée le 3 décembre 2015, mise à jour le 4 juillet 2017