Masques solaires urbains

Projet Grand Nancy Thermal

Etude des masques solaires

Enjeux

Il s’agit d’évaluer le secteur situé entre la rue du Sergent Blandan, l’avenue Hyppolyte Maringer et le Parc Sainte Marie à Nancy. Il se trouve 3 piscines dont une extérieure. Le projet inclura la réhabilitation des deux piscines intérieures historiques (inaugurées en 1913) et une réimplantation de la piscine extérieure (idéalement en accès direct avec le bassin olympique intérieur afin de créer un bassin nordique attenant au bassin rectangulaire intérieur).

L’étude d’ensoleillement porte sur l’ensemble du site balisé ci-dessus, en tenant compte de l’existant : les arbres du Parc, les habitations alentour et les deux bâtiments historiques existant.

Localisation et orientation

Les coordonnées du site sont 48.6782319, 6.1688124 ou 48° 40′ 41.635″ N / 6° 10′ 7.725″ E. Les calculs sont effectués pour les journées suivantes : solstice d’hiver, équinoxe de printemps, solstice d’été, équinoxe d’automne. Ces journées représentent les minimums et maximums d’ensoleillement et les valeurs médianes, soit pour 2016 : 20 mars, 20 juin, 22 septembre et 21 décembre.

Figure 1 – Graphique polaire avec analème

Quelques données climatiques.

Le vent

La rose des vents à Nancy se présente ainsi

Apports solaires

Les apports solaires moyens en Wh /m² donnent des indications sur les gisements potentiels en énergie et le confort extérieur pour les bassins de plein air.

Mois Wh/m2 Mois Wh/m2
—— ——- —— ——-
Janvier 1 292 juillet 6 711
Février 2 139 Aout 5 930
Mars 3 840 Septembre 4 032
Avril 4 603 Octobre 2 267
Mai 5 401 Novembre 1 567
Juin 6 377 Décembre 1 102

Ces données sont issues du site energyplus, généralement utilisé pour les calculs climatiques et thermiques.

https://energyplus.net/weather-location/europe_wmo_region_6/FRA//FRA_Nancy.071800_IWEC

Maquette numérique.

La maquette numérique 3D a été extrapolée à partir des données ouvertes disponibles sur le site : http://opendata.grand-nancy.org/jeux-de-donnees/rechercher-un-jeu-de-donnees/ Les données ont été nettoyées et préparées pour le calcul des masques solaires.

Figure 2 – ensoleillement le 21 juin à 16h, heure solaire

Méthode de calcul

Aujourd’hui de nombreux logiciels de 3D sont capables de calculer les masques solaires avec des résultats justes. Une étude proposée en annexe porte sur la comparaison des grandes solutions disponibles sur le marché et confirme la convergence des résultats. Les erreurs potentielles peuvent donc plus provenir de la géométrie 3D que de l’interprétation de la course solaire.

Zone rouge

La première partie de l’étude va porter sur l’étude des ombres portées dans la zone identifiée en rouge.

L’extraction directe de la base 3D donne cette géométrie, habillée de la photo aérienne :

La modélisation retravaillée donne cette géométrie permettant de travailler.

Calcul des ombres

20 mars, équinoxe de printemps.

Comportement solaire.

position du soleil Elévation Azimut latitudes longitudes
crépuscule Levé couché Azimut levé Azimut couché
Le crépuscule civil -6° 07:06:14 20:20:04 83.11° 277.21°
Crép. astronomique -18° 05:51:10 21:35:28 68.32° 292.11°
jour hh:mm:ss diff. dd+1 diff. dd-1 midi
20/03/2016 12:11:04 00:03:35 -00:03:36 13:43:08

Figure 3 – trajectoire solaire, heure par heure, 20 mars 2016

Bilan global

Le cumul des heures permet de comparer en fonction du gisement d’heures de soleil de la journée, ce que la parcelle peut recevoir. C’est donc un ratio entre le potentiel du site et le réel reçu.

Figure 4 – cumul des heures

Heure par heure

Figure 5 – 20 mars 2016- 8h00

Figure 6 – 20 mars 2016- 9h00

Figure 7 – 20 mars 2016- 10h00

Figure 8 – 20 mars 2016- 11h00

Figure 9 – 20 mars 2016- 12h00

Figure 10 – 20 mars 2016- 13h00

Figure 11 – 20 mars 2016- 14h00

Figure 12 – 20 mars 2016- 15h00

Figure 13 – 20 mars 2016- 16h00

Figure 14 – 20 mars 2016- 17h00

Figure 15 – 20 mars 2016- 18h00

20 juin, solstice d’été.

Comportement solaire.

position du soleil Elévation Azimut latitudes longitudes
crépuscule levé couché Azimut levé Azimut couché
crépuscule -0.833° 05:32:23 21:41:39 51.75° 308.24°
Le crépuscule civil -6° 04:49:59 22:23:59 43.5° 316.48°
Le crépuscule nautique -12° 03:49:54 23:24:03 30.94° 329.04°
crépuscule astronomique -18° –:–:– –:–:– 337.09° 337.09°
jour hh:mm:ss diff. dd+1 diff. dd-1 midi
20/06/2016 16:09:16 -00:00:01 -00:00:06 13:37:01

Figure 16 – trajectoire solaire, heure par heure, 20 juin 2016

Figure 17 – cumul des heures

Figure 18- 20 juin 2016- 7h00

Figure 19- 20 juin 2016- 8h00

Figure 20- 20 juin 2016- 9h00

Figure 21- 20 juin 2016- 10h00

Figure 22- 20 juin 2016- 11h00

Figure 23- 20 juin 2016- 12h00

Figure 24- 20 juin 2016- 13h00

Figure 25- 20 juin 2016- 14h00

Figure 26- 20 juin 2016- 15h00

Figure 27- 20 juin 2016- 16h00

Figure 28- 20 juin 2016- 17h00

Figure 29- 20 juin 2016- 18h00

22 septembre, équinoxe d’automne.

Comportement solaire

Figure 30 – trajectoire solaire, heure par heure, 22 septembre 2016

position du soleil Elevation Azimut latitudes longitudes
22/09/2016   17:46 | GMT1 16.47° 250.3° 48.6782815° N 6.1688232° E
crépuscule Levé couché Azimut levé Azimut couché
crépuscule -0.833° 07:22:18 19:32:37 88.84° 270.86°
crépuscule astronomique -18° 05:35:30 21:18:56 68.01° 291.53°
jour hh:mm:ss diff. dd+1 diff. dd-1 midi
22/09/2016 12:10:19 -00:03:32 00:03:32 13:27:27

A Nancy, le comportement solaire aux équinoxes est très semblable, cela explique que les résultats de mars ressemblent à ceux de septembre.

Figure 31 – cumul des heures

Figure 32 – 20 septembre 2016- 7h00

Figure 33 – 20 septembre 2016- 8h00

Figure 34 – 20 septembre 2016- 9h00

Figure 35 – 20 septembre 2016- 10h00

Figure 36 – 20 septembre 2016- 11h00

Figure 37 – 20 septembre 2016- 12h00

Figure 38 – 20 septembre 2016- 13h00

Figure 39 – 20 septembre 2016- 14h00

Figure 40 – 20 septembre 2016- 15h00

Figure 41 – 20 septembre 2016- 16h00

Figure 42 – 20 septembre 2016- 17h00

Figure 43 – 20 septembre 2016- 18h00

21 décembre, solstice d’hiver

Figure 44 – trajectoire solaire, heure par heure, 21 décembre 2016

Position du soleil Elévation Azimut latitudes longitudes
21/12/2016   17:46 | GMT1 -1.39° 234.91° 48.6782815° N 6.1688232° E
crépuscule Levé Couché Azimut Levé Azimut Couché
crépuscule -0.833° 09:25:26 17:41:50 125.86° 234.13°
crépuscule astronomique -18° 07:29:35 19:37:37 105.29° 254.7°
jour hh:mm:ss diff. dd+1 diff. dd-1 midi
21/12/2016 08:16:24 00:00:03 00:00:03 13:33:38

Figure 45 – cumul des heures

Figure 46 – 20 décembre 2016- 9h00

Figure 47 – 20 décembre 2016- 10h00

Figure 48 – 20 décembre 2016- 11h00

Figure 49 – 20 décembre 2016- 12h00

Figure 50 – 20 décembre 2016- 13h00

Figure 51 – 20 décembre 2016- 14h00

Figure 52 – 20 décembre 2016- 15h00

Figure 53 – 20 décembre 2016- 16h00

Cumul Année

Sur un gisement d’heures de soleil potentiel, la parcelle en reçoit une fraction donnée par les durées cumulées d’ensoleillement.

Visualisions de la parcelle totale

Dans cette partie, l’ensemble du site va être observé avec une modification particulière : la disparition d’un corps de bâtiment venant à la fois pénaliser l’esthétique de l’existant et l’usage de la parcelle. Le calcul se fait selon le même protocole.

Attention, pour des raisons d’optimisation des calculs, l’ombre portée au sol peut avoir une forme légèrement différente. Le fichier OpenData est très hétérogène. Pour ce calcul, la grille de sol a été refaite et homogénéisée.

20 mars, équinoxe de printemps. 8h->17h

Figure 54 – 20 mars 2016- 08h00

Figure 55 – 20 mars 2016- 09h00

Figure 56 – 20 mars 2016- 10h00

Figure 57 – 20 mars 2016- 11h00

Figure 58 – 20 mars 2016- 12h00

Figure 59 – 20 mars 2016- 13h00

Figure 60 – 20 mars 2016- 14h00

Figure 61 – 20 mars 2016- 15h00

Figure 62 – 20 mars 2016- 16h00

Figure 63 – 20 mars 2016- 17h00

20 juin, solstice d’été. 7h->19h

Figure 64- 20 juin 2016- 07h00

Figure 65- 20 juin 2016- 08h00

Figure 66- 20 juin 2016- 09h00

Figure 67- 20 juin 2016- 10h00

Figure 68- 20 juin 2016- 11h00

Figure 69- 20 juin 2016- 12h00

Figure 70- 20 juin 2016- 13h00

Figure 71- 20 juin 2016- 14h00

Figure 72- 20 juin 2016- 15h00

Figure 73- 20 juin 2016- 16h00

Figure 74- 20 juin 2016- 17h00

Figure 75- 20 juin 2016- 18h00

Figure 76- 20 juin 2016- 19h00

Focalication sur la période 17h -> 19h

Dans la zone rouge, la période 17h -> 19h est moins favorable du fait des ombres portées le long du corps central du bâtiment. Attention, c’est en heure GMT+1, il faut donc avancer d’une heure pour l’heure d’été, ce qui rend la situation moins contraingnantes.

Figure 77- 20 juin 2016- 17h00

Figure 78- 20 juin 2016- 17h30

Figure 79- 20 juin 2016- 18h00

Figure 80- 20 juin 2016- 18h30

Figure 81- 20 juin 2016- 19h00

22 septembre, équinoxe d’automne. 8h->17h

Figure 82 – 20 septembre 2016- 08h00

Figure 83 – 20 septembre 2016- 09h00

Figure 84 – 20 septembre 2016- 10h00

Figure 85 – 20 septembre 2016- 11h00

Figure 86 – 20 septembre 2016- 12h00

Figure 87 – 20 septembre 2016- 13h00

Figure 88 – 20 septembre 2016- 14h00

Figure 89 – 20 septembre 2016- 15h00

Figure 90 – 20 septembre 2016- 16h00

Figure 91 – 20 septembre 2016- 17h00

21 décembre, solstice d’hiver 9h->16h

Figure 92 – 20 décembre 2016- 09h00

Figure 93 – 20 décembre 2016- 10h00

Figure 94 – 20 décembre 2016- 11h00

Figure 95 – 20 décembre 2016- 12h00

Figure 96 – 20 décembre 2016- 13h00

Figure 97 – 20 décembre 2016- 14h00

Figure 98 – 20 décembre 2016- 15h00

Figure 99 – 20 décembre 2016- 16h00

Cumul des ombres

La course solaire annuelle permet de réaliser des calculs cumulatifs.

Le cumul des ombres donne à voir les zones les plus ensoleillées et celles les moins exposées.

Figure 100- Cumul des ombres le 22 mars

Figure 101- Cumul des ombres le 22 juin 8h->18h

Figure 102- Cumul des ombres le 22 juin 8h->20h

Figure 103- Cumul des ombres le 22 septembre

Figure 104- Cumul des ombres le 22 décembre

Conclusion

Du fait de son orientation et de la configuration de l’environnement, la parcelle marquée en rouge bénéficie de valeurs d’ensoleillement très favorables. Orientée Est/Ouest, la parcelle ne souffre pas de longues ombres portées en automne ou au printemps. En hiver, les effets de masques sont plus importants, en été en revanche, la parcelle est pratiquement tout le temps découverte.

Pour une période d’exploitation allant par exemple de mai à fin septembre, pour une ouverture de 11h00 à 20h, nous pouvons établir les apports théoriques (supposant qu’il fait beau tous les jours).

Les zones ensoleillées plus de 10 heures apparaissent en jaune orangé, puis le dégradé indique la réduction avec un pas d’une heure..

Figure 105 – Apports horaires pour la période de mai à septembre

Une approche incidente montre le cumul d’heures ensoleillées par secteurs. Dans la période considérée, c’est environ 1400 heures cumulées dans certaines zones.

Figure 106 – cumul d’heures d’ensoleillement dans une période de mai à fin septembre

Récapitulatif du comportement solaire et des apports.

TOTAL MONTHLY SOLAR EXPOSURE NANCY, FRA
Objects: 0 (Exposed Area: 0.000 m2)
AVAIL. AVG REFLECT INCIDENT ABSORBED TRANSMITTED
MONTH Wh/m2 SHADE Wh/m2 Wh/m2 TOT.Wh Wh/m2 TOT.Wh Wh/m2 TOT.Wh
Jan 40927 0% 0 27528 27528 0 0 27528 27528
Feb 59868 0% 0 47415 47415 0 0 47415 47415
Mar 117951 0% 0 92519 92519 0 0 92519 92519
Apr 137030 0% 0 128100 128100 0 0 128100 128100
May 171199 0% 0 160153 160153 0 0 160153 160153
Jun 193499 0% 0 183466 183466 0 0 183466 183466
Jul 208562 0% 0 190266 190266 0 0 190266 190266
Aug 180791 0% 0 160621 160621 0 0 160621 160621
Sep 121473 0% 0 106303 106303 0 0 106303 106303
Oct 71201 0% 0 61017 61017 0 0 61017 61017
Nov 46507 0% 0 33601 33601 0 0 33601 33601
Dec 33061 0% 0 22438 22438 0 0 22438 22438
TOTALS 1382069 0 1213426 1213426 0 0 1213426 1213426

A partir de cette base, il est possible de prédéfinir la position des bassins futurs, les horaires d’ouverture et éventuellement, commencer à bâtir des hypothèses sur des apports d’énergies renouvelables du fait des gisements potentiels et de l’environnement bâti.

Cette évaluation est réalisée à partir des éléments disponibles en ligne, présents sur l’open Data de la ville et des informations disponibles en ligne. Une étude plus fine pourrait être réalisée, mais il y a peu de chances qu’elles viennent fortement nuancer les présentes estimations.

 

Figure 80- 20 juin 2016- 18h30 49

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