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21.03.17 - Destiné aux ingénieurs et aux météorologues, un modèle permet de rapidement calculer l’influence du bâti sur la météo en milieu urbain. Un fabricant de stores s’est déjà montré intéressé à l’implémenter. Les climatologues pourraient aussi s’en servir.

En ville, l’agencement des bâtiments, leur forme et la chaleur qu’ils dégagent ont un impact sur la météo. Le calcul de ces phénomènes complexes a plusieurs avantages: il permet aux météorologues d’améliorer leurs prévisions en milieu urbain et aux ingénieurs d’adapter la consommation énergétique des bâtiments qu’ils conçoivent.

Les modèles mathématiques mesurant ces phénomènes sont toutefois lourds, chronophages et coûteux. Une étude publiée en 2016 par le Laboratoire CRYOS de l’EPFL rendait compte de l’importance, mais aussi de la complexité de ces mesures. Au Laboratoire d’énergie solaire et physique du bâtiment de l’EPFL (LESO-PB), Dasaraden Mauree, post-doctorant, a relevé le pari de simplifier ce calcul pour le rendre plus facile d’usage aux ingénieurs. En se basant sur la ville de Bâle, les résultats et les tendances qu’il a obtenus se sont révélés proches de ce qu’il a observé sur un modèle théorique et sur un modèle plus élaboré de calcul, nommé LES. L’étude, dont il est le premier auteur, a paru dans la revue Frontiers in Earth Science.

«Actuellement, les bâtiments sont souvent construits sans tenir compte de la singularité des phénomènes météo propres à la ville ou de l’influence des bâtiments qui les entourent. Notre objectif visait à développer un outil qui réunisse les modèles de prévisions météorologiques actuels et les modèles mesurant l’impact des dépenses énergétiques des bâtiments», résume Dasaraden Mauree.

Comme des pièces de Lego
Concrètement, le post-doctorant a décidé de modéliser un seul groupe de bâtiments représentatifs de la ville de Bâle et non toute la Cité rhénane. Ceci implique de calculer la densité du quartier présélectionné et la moyenne de la hauteur, de la longueur et de la profondeur de ses bâtiments pour obtenir un bâtiment-type. Le chercheur a ensuite découpé son prototype en «mailles», que l’on peut apparenter à des étages. Il a ensuite décidé de les représenter sur une colonne, avec des boîtes rectangulaires empilées, comme des pièces de Lego: «Ce découpage est essentiel pour comprendre les phénomènes météorologiques en milieu urbain car ceux-ci varient à chaque hauteur de bâtiment», explique Dasaraden Mauree. (Ci-contre: Représentation simplifiée des bâtiments dans un quartier avec un empilement d'obstacle de profondeur et de largeur différentes. ©EPFL/LESO-PB)

Une fois le découpage effectué, le chercheur a ajouté à son modèle mathématique des données météorologiques récoltées à Bâle (vent, température, humidité). L’algorithme obtenu lui a permis d’effectuer une estimation précise des phénomènes en jeu à chaque «mailles» du bâtiment du quartier. Une base qui permettra à un ingénieur d’adapter la consommation énergétique d’une façade de bâtiment à chacun de ses étages. «Au rez-de-chaussée, nous pouvons avoir peu de vent mais de l’humidité, s’il y a de la végétation, par exemple. En revanche, on aura plus de pertes énergétiques tout en haut de la colonne, car les vents sont plus forts à cette hauteur. Par ailleurs, les jours de forte chaleur, les mouvements de convection turbulents peuvent être plus forts près du sol ou de la surface des bâtiments, en raison de leur réchauffement. Ces mouvements impliquent que l’air chaud, moins dense, montera et que l’air froid, plus dense, descendra. Autre exemple: la conception énergétique d’un bâtiment devra tenir compte du faible ensoleillement d’une ville très dense.»

Aussi pour le météorologue l’industriel et le climatologue
L’ingénieur ne serait pas le seul à bénéficier de cette méthode, selon le chercheur: «Ce modèle a pour but de mieux représenter la surface, de mieux calculer les flux d’humidité et de vent en ville, il pourra donc servir aux météorologues. Un fabricant de stores s’est déjà montré intéressé par notre travail, car il permet d’obtenir une bonne mesure du vent proche des façades», explique le post-doctorant. Le modèle donne également une description précise de ce qui se passe au niveau du sol. Il pourrait donc intéresser les climatologues occupés à modéliser des phénomènes météo à large échelle, car les mesures qu’ils utilisent n'offrent actuellement pas ce niveau de précision. 

Référence :

Dasaraden Mauree, Nadege Blond, Manon Kohler, Alain Clappier, On the Coherence in the Boundary Layer: Development of a Canopy Interface Model, Frontiers in Earth Science, Janvier 2017.

Une plateforme en libre accès

Outre deux publications complémentaires sur le sujet prévues cette année, le chercheur a comme ambition de développer une plateforme en libre accès permettant à toute personne intéressée d’entrer sur un logiciel des données simples liées à un quartier pour obtenir de meilleures représentations du vent et de l’effet des bâtiments sur la météo dans un espace donné. Dasaraden Mauree: «Notre but est que les ingénieurs et météorologues obtiennent rapidement des données fiables pour leurs prévisions météo et leurs conceptions de bâtiments, sans devoir maîtriser un code ou passer par de la programmation informatique.»

Le chercheur prévoit également de développer sa méthode. Dans ce but, il va coupler à son algorithme un modèle développé à l’EPFL, CitySim, pour améliorer le calcul des dépenses énergétiques des bâtiments et du confort thermique extérieur. «Nous avons également une campagne de mesures en cours, nommée «Motus», qui devrait nous permettre de perfectionner le modèle «Canopy Interface Model» (CIM), dont le but est de mieux représenter les divers processus météo dans un milieu urbain», ajoute Dasaraden Mauree qui croit à l’importance de ce champ de recherche non seulement pour réduire la consommation énergétique des bâtiments en ville, mais aussi pour améliorer la conception de l'espace urbain.

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