Un nouveau modèle développé à l'EPFL peut aider les ingénieurs et les météorologues à calculer rapidement l'effet des bâtiments urbains sur les conditions météorologiques locales. Un fabricant de stores s'y intéresse déjà, et les climatologues pourraient être les prochains.

La forme des bâtiments de la ville, comment ils sont disposés, et la chaleur qu'ils génèrent affectent tous le climat local. Être capable de modéliser les processus complexes impliqués n'aide pas seulement les météorologues à améliorer leurs prévisions météorologiques urbaines, mais permet également aux ingénieurs d'améliorer l'efficacité énergétique des bâtiments qu'ils conçoivent.

Les programmes généralement utilisés pour modéliser de tels phénomènes sont onéreux, long, et coûteux à exploiter. Cependant, une étude réalisée en 2016 par le laboratoire CRYOS de l'EPFL a montré l'importance, ainsi que la complexité, de ces calculs. Au Laboratoire d'énergie solaire et de physique du bâtiment de l'EPFL (LESO-PB), postdoc Dasaraden Mauree a réussi à simplifier les équations pour les rendre plus faciles à utiliser pour les ingénieurs. Il a exécuté les données de la ville de Bâle à travers son modèle simplifié, obtenir des résultats et des tendances similaires à ceux générés par un modèle théorique ainsi qu'un modèle plus sophistiqué appelé LES. Cette étude, avec Mauree comme auteur principal, a été publié dans Frontières en sciences de la Terre .

« Les bâtiments sont souvent construits sans tenir compte des caractéristiques spécifiques des conditions météorologiques d'une ville ou de l'influence que les bâtiments de la ville peuvent avoir sur la météo. Notre objectif était de développer un programme qui combine des modèles de prévision météorologique modernes avec des modèles qui mesurent l'effet de la chaleur libéré par les bâtiments, " dit Mauree.

Comme des briques Lego

Au lieu de modéliser toute la ville de Bâle, Mauree a décidé de modéliser un groupe de bâtiments pouvant le représenter. Il a dû calculer la densité de construction du quartier qu'il a choisi ainsi que la hauteur moyenne, longueur et largeur de ses bâtiments. Cela lui a donné un "bâtiment standard" à utiliser dans ses calculs. Il a ensuite divisé ce bâtiment standard en « briques » apparentées à des étages, et empilé ces briques les unes sur les autres comme des Legos :« La division des bâtiments en briques est essentielle pour comprendre les processus météorologiques qui se déroulent dans une ville, parce que ces processus varient avec la hauteur du bâtiment, " dit Mauree.

Une fois son bâtiment divisé en briques, Mauree a ensuite intégré des données météorologiques pour Bâle (telles que la vitesse et la direction du vent, température et humidité) dans son modèle. L'algorithme résultant lui a permis de générer des estimations précises des phénomènes météorologiques se produisant à chaque brique. Les ingénieurs pourraient utiliser ces types de calculs, par exemple, optimiser la consommation énergétique d'un bâtiment en choisissant la meilleure façade pour chaque étage. "Au rez-de-chaussée, vous n'avez généralement pas beaucoup de vent mais vous pouvez avoir beaucoup d'humidité, surtout s'il y a des plantes autour. Mais le vent devient plus important aux étages supérieurs, entraînant une plus grande perte d'énergie. Les courants de convection peuvent devenir particulièrement forts par temps chaud lorsque le sol et les surfaces des bâtiments se réchauffent. Ces courants sont provoqués lorsque l'air chaud, qui a une densité plus faible, coule vers le haut, et de l'air plus frais, qui a une densité plus élevée, coule vers le bas. Comme autre exemple, les ingénieurs qui calculent les besoins énergétiques d'un nouveau bâtiment devraient tenir compte du faible niveau de pénétration de la lumière solaire dans les villes densément peuplées.

Données pour les météorologues, fabricants et climatologues

Selon Mauree, les ingénieurs ne seront pas les seuls à bénéficier de sa nouvelle méthode. "Notre modèle est conçu pour mieux représenter les surfaces des bâtiments et calculer plus précisément le vent et le flux d'humidité dans une ville. Cela le rend naturellement utile pour les météorologues. Mais un fabricant de stores est également intéressé par notre approche, car il peut fournir de bonnes estimations de la vitesse et de la direction du vent près des façades des bâtiments, " dit Mauree. En plus, son modèle peut prédire des phénomènes se produisant près du sol, ce qui signifie que les climatologues pourraient l'utiliser pour simuler des processus météorologiques à grande échelle, puisque les méthodes actuelles n'offrent pas le même niveau de précision.

Une plateforme ouverte

Deux autres articles sur ce sujet devraient être publiés cette année. Mais Mauree envisage déjà la prochaine étape :développer une plate-forme ouverte où n'importe qui peut saisir des données de base sur un quartier et obtenir un modèle fiable de ses courants d'air et de l'effet de ses bâtiments sur la météo. "Nous voulons donner rapidement aux ingénieurs et aux météorologues, des données fiables pour leurs conceptions de bâtiments et leurs prévisions météorologiques, sans les obliger à écrire du code ou à utiliser un programme informatique, " il dit.

Mauree envisage également d'enrichir son modèle, en le couplant avec le logiciel CitySim développé à l'EPFL afin de calculer plus précisément la consommation énergétique du bâtiment et le confort thermique extérieur. "Nous collectons également des données dans le cadre de la campagne MoTUS [Measurement of Turbulence in an Urban Setup] qui nous permettra d'améliorer notre modèle d'interface Canopy, qui vise à mieux simuler les différents processus météorologiques en milieu urbain, " a déclaré Mauree. Il voit le potentiel de ses recherches non seulement dans la réduction de la consommation d'énergie des bâtiments, mais aussi améliorer la conception globale des espaces urbains.