Modélisation des échanges thermiques et radiatifs en environnement urbain à très haute résolution spatiale : aide à l’interprétation des mesures par télédétection infrarouge - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2015

High resolution radiation and thermal transfer modeling in urban environment for interpreting infrared remote sensing data

Modélisation des échanges thermiques et radiatifs en environnement urbain à très haute résolution spatiale : aide à l’interprétation des mesures par télédétection infrarouge

Résumé

The main origin of the energy consumption in France is in the residential and the commercial sectors. In urban environment, housing is mostly old, which means high heat losses. The improvement of energy performances requires the quantification of heat losses. This quantification may be based on a global measurement by infrared thermography at high spatial resolution. The infrared images interpretation requires a description of the radiative terms that make up the IR signal. For that purpose, a new simulator was developed. The temperature field is calculated from a meshed 3D scene composed of 1D walls and 2D thermal bridges (i.e, the thermal bridges located at floor slabs and at building corners). This is achieved with SUSHI, a thermal software we developed. It uses as input environmental data measured in the field, the solar irradiance pre-computed by SOLENE (CERMA) and the 2D unitary responses pre-computed by CASTEM (CEA). The infrared sensor signal is then simulated by the 3D radiative software MOHICANS we adapted for the purpose. The originality of this software chain is to provide an efficient fusion of the dynamic response simulations of temperature and radiance, for areas with 1D heat transfer and for areas with 2D heat transfer. SUSHI software allows evaluating the sensitivity of the temperature on a façade or on a roof to environmental measured data and it allows identifying the critical parameters therefrom. The experimental campaign BATIR was set-up for measuring the thermal behavior of a building façade and its convective and radiative environment. A local validation of the temperature calculation by SUSHI was achieved through a comparison with thermocouple measurements. Infrared cameras were operated in order to collect the radiance coming from the analyzed façade in band II and in band III. The radiances calculated by MOHICANS were compared with these acquisitions in order to validate the software chain at this level. As a result, the computation of a temperature field is possible when all parameters are measured with precision because estimation biases are prejudicial. The images in band III confirm this statement and the images in band II highlight the need, for this particular spectral band, for a better evaluation of the radiative environment.
La consommation énergétique en France a pour origine principale les secteurs résidentiel et tertiaire. En environnement urbain, l’habitat est encore principalement ancien, ce qui implique des déperditions importantes. L’amélioration des performances énergétiques des bâtiments passe par une quantification des pertes thermiques, ce qui peut être basé sur une mesure globale par thermographie infrarouge à haute résolution spatiale. L’interprétation des images infrarouges acquises nécessite une description des termes radiatifs composant le signal IR, pour cela un simulateur original a été mis au point. A partir d’une scène 3D maillée, le champ de température est calculé pour les parois à transfert 1D et pour les ponts thermiques à transfert 2D (ex : ponts thermiques au droit des planchers et des arêtes de bâtiments) par un code thermique développé à cet effet, SUSHI, qui s’appuie sur un pré-calcul d’éclairement solaire par SOLENE (CERMA) et un pré-calcul de réponses indicielles 2D par CASTEM (CEA). Le calcul s’effectue à partir des données environnementales acquises sur le terrain. Le signal du capteur infrarouge est ensuite simulé par le code radiatif 3D MOHICANS que nous avons adapté pour le besoin. Cette chaîne logicielle a l’originalité de proposer, pour une scène donnée, une fusion efficace des simulations de la réponse dynamique en température et en luminance pour les zones 1D et pour les zones 2D. L’utilisation du code SUSHI permet d’évaluer la sensibilité de la température externe d’une paroi de bâtiment aux données environnementales mesurées et d’en spécifier les paramètres critiques. La mise en œuvre de la campagne expérimentale BATIR a permis de mesurer le comportement thermique d’une façade de bâtiment et de son environnement radiato-convectif. Une validation ponctuelle des températures calculées par SUSHI a été réalisée par confrontation à des mesures par thermocouple. Des caméras infrarouges ont été mises en œuvre afin de collecter la luminance issue de la façade étudiée en bande II et en bande III. Les luminances calculées par MOHICANS sont comparées à ces acquisitions et valident la chaîne logicielle à ce niveau. On en déduit que le calcul d’un champ de température est possible lorsque tous les paramètres sont mesurés avec précision car les biais d’estimation sont pénalisants. Les images en bande III illustrent cette observation et les images en bande II mettent en évidence la nécessité, pour cette bande particulière, d’améliorer l’évaluation de l’environnement radiatif.
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Dates et versions

tel-01235688 , version 1 (30-11-2015)

Identifiants

  • HAL Id : tel-01235688 , version 1

Citer

N. Lalanne. Modélisation des échanges thermiques et radiatifs en environnement urbain à très haute résolution spatiale : aide à l’interprétation des mesures par télédétection infrarouge. Optique / photonique. UNIVERSITE D'AIX-MARSEILLE, 2015. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-01235688⟩

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