Numerical assessment of heat stress in dwellings and immediate surroundings : Development of a microclimate zonal model coupled to building models
Evaluation numérique du stress thermique dans les habitations et leurs environs immédiats : Développement d'un modèle zonal de microclimat couplé à des modèles de bâtiments
Résumé
Consistent high temperatures during hot spells can significantly escalate the risk to health by increasing heat exposure. The purpose of this thesis is therefore to develop a methodology to assess heat stress over daily and seasonal periods in dwellings and their nearby. Two exposure approaches are suggested: an Eulerian approach in regards of a fixed place, and a Lagrangian approach in regards of an individual’s displacement. A numerical assessment method is chosen. This thesis aims to establish a methodology that assesses heat stress over both daily and seasonal periods in residential areas. Two approaches to exposure are proposed; the Eulerian approach focuses on a fixed location, while the Lagrangian approach examines the movement of individuals. The thesis chooses a numerical assessment method and introduces the concepts of heat stress and heat strain. It defines daily and seasonal indices, pinpoints the climatic variables influencing them, and determines their spatial and temporal scales. An analysis of the factors contributing to urban heat exposure underscores the necessity for numerical modelling in heat stress assessment. This analysis, however, reveals a gap in the existing modelling approach. Hence, this study involves the development and coupling of a microclimate zonal model (McZM) with a building energy model (BEM). The McZM is based on interpolating mass flow rates obtained from pre-computed Computational Fluid Dynamics (CFD) simulations using steady RANS realisable k − ε. CFD simulations also predict spatial wind speeds, external heat transfer coefficients, and pressure coefficients. The McZM integrates a soil model and outdoor radiation models that account for solar and long-wave radiations as well as the mean radiant temperature. The study introduces an indoor airflow pressure model coupled with both the McZM and BEM. The accuracy of model components is verified using experimental data or model comparison. The Ydeal Square block in Confluence served as the application site for the developed model to validate the benefits of using a spatial approach in assessing heat stress. It also allowed for the evaluation of the effectiveness of various cooling measures on heat stress. In conclusion, the thesis proposes broader views on the advancement of microclimate and building modelling based on residents’ summer cooling practices according to a social survey. Future work highlights improving the existing McZM and its validation process.
La persistance des épisodes de surchauffe urbaine affecte directement l’exposition a la chaleur, augmentant ainsi les risques pour la sante tout particulièrement en milieu urbain. Le but de cette thèse est donc de développer une méthodologie pour évaluer le stress thermique sur une base quotidienne et saisonnière dans le logement et son environnement proche. Deux approches d’exposition sont suggérées : une approche eulérienne par rapport a un lieu fixe, et une approche lagrangienne par rapport au déplacement de l’individu. Une méthode d’évaluation numérique est choisie. Ainsi, la thèse introduit les concepts de stress thermique et de contrainte thermique, définit les indices journaliers et saisonniers et identifie les variables climatiques influentes ainsi que leurs échelles spatiales et temporelles. Un aperçu des facteurs influençant l’exposition à la chaleur urbaine met en évidence les besoins en modélisation numérique pour l’évaluation du stress thermique, tandis que l’analyse des modèles existants de microclimat et de simulation thermique dynamique (STD) du batiment met en évidence l’absence d’une approche de modélisation appropriée. Par conséquent, le travail de thèse consiste à développer et a coupler un modèle zonal de microclimat (McZM) avec un modèle de STD du bâtiment. Le McZM repose sur une interpolation linéaire des débits massiques obtenus avec un precalcul CFD (Computational Fluid Dynamics) k-epsilon realizable RANS stationnaire. Les simulations CFD sont également utilisées pour prédire les vitesses du vent spatialisées, les coefficients de transfert convectifs extérieurs et les coefficients de pression. Le McZM inclut un modèle de sol et des modèles radiatifs pour les calculs du rayonnement solaires et de grandes longueurs d’ondes, ainsi que pour le calcul de la température radiante moyenne. Pour les écoulements dans le bâtiment, un modèle de pression couple au McZM et au modèle de STD du bâtiment est développé. Les composants des modèles sont soumis à une validation a l’aide de données expérimentales ou de comparaisons de modèles. Une application du modèle couple au cas d’étude de l’ilot Ydeal Square a Confluence, confirme les avantages de l’utilisation d’une approche spatialisée dans l’évaluation du stress thermique. Ce cas permet également d’évaluer les avantages relatifs de la mise en œuvre de différentes mesures de rafraichissement sur le stress thermique. Enfin, cette thèse suggère des perspectives élargies sur l’évolution de la modélisation du microclimat et des bâtiments, basées en partie sur une enquête sociale sur les pratiques de rafraichissement des résidents pendant l’été. D’autres perspectives se concentrent sur l’amélioration du McZM actuel et de son processus de validation.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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