Quand les ombres d’une ville révélent les flux d’énergie

Des chercheurs de l’Université Technique de Madrid (UPM, Espagne) ont créé à la fois des « modèles d’ombre » et un logiciel spécifique qui calcule la quantité de rayonnement solaire atteignant les rues et les bâtiments en haute résolution.

Selon les résultats publiés dans le Journal de recherches "chimie et environnement", ces deux outils pourraient aider à optimiser la consommation d’énergie des villes.

"Les radiations solaires qui tombent sur certains endroits de la ville varient en fonction de la journée, des conditions météorologiques, du niveau de pollution et d’autres variables", a expliqué Roberto San José, maître de conférences à l’Université Technique de Madrid (UPM). Et d’ajouter, "ce que nous avons fait est de calculer le rayonnement en utilisant des superordinateurs qui traitent et simulent de vastes quantités de données impliquées dans le processus atmosphérique."

La méthode consiste à "lancer" jusqu’à 100.000 rayons lumineux en seulement quelques secondes sur n’importe quelle position géographique et de vérifier le point de chute sur les obstacles touchés. Les calculs sont si complexes que les chercheurs ont eu recours à la puissance des supercalculateurs (UPM-CEsViMa et Mare Nostrum Barcelone), pendant 72 heures afin de parvenir à seulement 6 secondes d’intéraction d’ombres et de lumières dans une région de Madrid.

Des données météorologiques ont été fournies par le Centre National de recherche atmosphérique des Etats-Unis. Les informations s’appliquant à l’Europe et à l’Espagne ont été prises à partir de ces données avant d’atteindre un niveau plus localisé. A noter que le point de départ de l’ensemble du processus est lié à un modèle de recherche géophysique Open Source, appelé EULAG.

Les chercheurs ont conçu deux modèles mathématiques "d’ombre" dans lesquels le premier fournit des données au second. L’un montre en images 3D, le comportement des radiations alors que l’autre révèle l’échange d’énergie qui se produit dans une zone déterminée. La structuration urbaine semble donc jouer un rôle crucial dans l’équilibre énergétique.

"Selon le tracé urbain, à une certaine heure de la journée il y aura des rayons lumineux qui entrent en collision avec le bitume, le trottoir et d’autres bâtiments. Ils sont ensuite successivement réfléchis jusqu’à ce qu’ils créent différents degrés d’ombre sur la surface" a expliqué R. San José.

L’équipe a mis en place leurs 2 modèles dans un outil informatique appelé Shamo (Shadow Model), un logiciel qui permet de quantifier les ombres et le rayonnement solaire dans n’importe quelle ville. En particulier, les surfaces d’une base de 1 km x 1 km et d’une hauteur de 400 mètres sont analysées avec une résolution de 4 mètres.

"Les résultats peuvent servir d’outil pour la durabilité et l’optimisation énergétique des villes à la fois pour l’architecture (un bâtiment ombragé nécessite plus de chauffage -interne- qu’un bâtiment exposé au soleil) et du point de vue de la planification urbaine. En ce sens, les résultats peuvent être utilisés dans la recherche de l’harmonie entre la consommation d’énergie humaine et naturelle." a précisé R. San José.

"Le chauffage est souvent allumé pendant la journée et éteint la nuit, mais dans certains cas, cela pourrait être l’inverse, par exemple, parfois, la quantité de rayonnement solaire qui atteint un bâtiment est suffisante pour conserver la chaleur accumulée par le chauffage."

Cette étude s’inscrit dans le cadre du projet européen BRIDGE sur le métabolisme urbain, un concept qui perçoit la ville comme un organisme vivant, à la recherche d’un équilibre énergétique durable. Le département de planification urbaine de la ville de Madrid a exprimé sont intérêt pour un tel outil.

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