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International audience; In a context of more frequent heat waves, urban overheating is a major environmental and public health issue. The Land Surface Temperature (LST) is a key variable to study this phenomenon and its estimation at district or city scale can help to diagnose the thermal behaviour of existing or future infrastructures. This paper compares in-situ sensors, 3D physical models and remote sensing observations to investigate the potential and accuracy of each approach to monitor LST at canyon scale. This comparison is performed based on the datasets acquired during the CAMCATT-AI4GEO experiment led in Toulouse city in June 2021 and a side experiment evaluating iButtons data using KT19 measurements as reference. This work shows that iButtons provide LST within +/- 1.25°C (over white walls) if the sensor is protected from direct sun. They offer a good spatial coverage over a small scene, providing direct LST measurement, but they seem sensitive to dark colour walls and sun exposition. On-ground TIR cameras allow for fine scale monitoring of the spatial and temporal variation of the LST, which provides information on the thermal behaviour of the surfaces over limited portion of the scene. On the other hand, airborne cameras allow to retrieve LST over horizontal surfaces at flight overpass time, which give an instant picture of the LST spatial variability at district or city scale. In both cases, retrieving LST from the thermal infrared images can be challenging. Finally, micro-climat models allow to simulate LST at high spatial and temporal resolutions up to district scale, provided that meteorological data are available and that the scene parametrization is correct. Each approach has advantages and drawbacks in terms of accuracy, spatial and temporal coverage, but they can also benefits from a combined used.; Dans un contexte de vagues de chaleur plus fréquentes, le phénomène d'îlot de chaleur urbain est un enjeu environnemental et de santé publique majeur. La température de la surface terrestre (LST) est une variable clé pour étudier ce phénomène et son estimation à l'échelle d'un quartier ou d'une ville peut aider à diagnostiquer le comportement thermique des infrastructures existantes ou futures. Cet article compare les capteurs in-situ, les modèles physiques 3D et les observations de télédétection afin d'étudier le potentiel et la précision de chaque approche pour le suivi de la LST à l'échelle du canyon. Cette comparaison est réalisée sur la base des jeux de données acquis lors de l'expérience CAMCATT-AI4GEO menée dans la ville de Toulouse en juin 2021 et d'une expérience parallèle évaluant les données iButtons en utilisant les mesures KT19 comme référence. Ces travaux montrent que les iButtons fournissent une LST à +/- 1,25°C (sur des murs blancs) si le capteur est protégé du soleil direct. Ils offrent une bonne couverture spatiale sur une petite scène, permettant une mesure directe de la LST, mais ils semblent sensibles aux murs de couleur sombre et à l'exposition au soleil. Les caméras infrarouge thermique au sol permettent un suivi à petite échelle de la variation spatiale et temporelle de la LST, ce qui fournit des informations sur le comportement thermique des surfaces sur une portion limitée de la scène. D'autre part, les caméras aéroportées permettent de récupérer la LST sur des surfaces horizontales au moment du passage du vol, ce qui donne une image instantanée de la variabilité spatiale de la LST à l'échelle d'un quartier ou d'une ville. Dans les deux cas, l'extraction de la LST à partir d'images infrarouges thermiques peut être difficile. Enfin, les modèles de microclimat permettent de simuler la LST à haute résolution spatiale et temporelle jusqu'à l'échelle du district, à condition que les données météorologiques soient disponibles et que la paramétrisation de la scène soit correcte. Chaque approche présente des avantages et des inconvénients en termes de précision et de couverture spatiale et temporelle, mais elles peuvent également bénéficier d'une utilisation combinée.

Dans un environnement complexe, comme une zone urbaine, les éléments bâtis du tissu urbain modifient fortement les conditions microclimatiques en perturbant la distribution de l'écoulement du vent et de la chaleur entre les différentes surfaces. En effet, l'étude de l'impact du microclimat urbain sur les besoins énergétiques et sur le confort thermique des occupants est devenue une nécessité pour une meilleure évaluation de la performance énergétique des bâtiments. Dans la perspective de garantir le confort thermique intérieur et d'apporter des solutions techniques adéquates, la prédiction de la consommation énergétique doit être de plus en plus réaliste. La littérature récente montre que l'utilisation des modèles basés sur des codes de calculs de mécanique de fluides (CFD) pour étudier le microclimat urbain et son impact sur les besoins énergétiques des bâtiments est répandue. Ces modèles sont généralement détaillés, mais en revanche complexes à utiliser (temps de calcul élevé, utilisation de plusieurs logiciels…). Afin de surmonter cette complexité, l'objectif de ce papier est de présenter une approche simplifiée d'une modélisation intégrée dans un outil de simulation énergétique des bâtiments couplé à un modèle basé sur une approche zonale pour le calcul des écoulements d'air à l'extérieur. Cette approche vise à évaluer les interactions entre le microclimat urbain et le bâtiment. Pour ce faire, un modèle thermoradiatif basé sur le facteur de Gebhart a été intégré dans un outil STD pour la modélisation du rayonnement solaire de courtes longueurs d'onde (CLO), du rayonnement thermique de grandes longueurs d'onde (GLO) dans le quartier. D'autre part, pour décrire de manière adéquate les champs de température et de vitesse du vent autour des bâtiments, un modèle zonal tridimensionnel d'écoulement du vent respectant la conservation de la masse a été développé sur la base de modèles empiriques existants dans la littérature. Quant au modèle thermo-aéraulique du bâtiment, il est basé sur le modèle aéraulique de CONTAM qui est couplé à TRNSYS. En outre, Urban Weather Generator (UWG) est utilisé pour générer des fichiers météorologiques en vue de tenir compte notamment des effets microclimatiques à l'échelle de la ville. Pour évaluer la fiabilité de la modélisation développée une comparaison avec des résultats expérimentaux a été effectuée. Les résultats numériques obtenus sont concordants avec ceux des expérimentations avec une erreur absolue moyenne sur la température surfacique des parois extérieures d'environ 1 $^{\circ}$C et une erreur relative moyenne d'environ 5\%. L'utilisation de cette méthode montre son intérêt en terme du temps de calcul réduit par rapport à des calculs CFD tout en gardant une précision satisfaisante afin d'obtenir une meilleure précision par rapport à l'évaluation des performances énergétiques des bâtiments à l'échelle d'un quartier.

International audience; An extensive field experiment, CAMCATT-AI4GEO, was conducted for 15 days in June 2021 over Toulouse, to acquire an urban reference dataset combining airborne acquisitions and ground measurements. This presentation aims at introducing the campaign and describing the collected data, which will be used for the validation of tools developed to produce future TRISHNA products, such as algorithms used for atmospheric compensation and temperature emissivity retrieval, microclimatic models. The several workshops of this experiment will be detailed. Joint airborne multispectral thermal infrared and VISNIR-SWIR hyperspectral images were acquired along a 30 km transect centred over Toulouse. A second flight was devoted to calibrating these sensors with on-ground reference targets. During and between the flights, two cars acquired air temperature and relative humidity along a predefined itinerary across the city with sensors mounted on their roof. During the airborne acquisitions, land surface temperature measurements were performed in three locations in Toulouse for calibration purposes. They were completed outside the flight by spectral optical properties in the VISNIR-SWIR and thermal infrared domains over a large range of manmade and natural materials. A specific in lab session was dedicated to the intercalibration of the on-ground thermal sensors. Atmosphere composition data were monitored using radio soundings during the airborne acquisitions and completed with continuous measurements from on-ground stations. Finally, the last session was devoted to the validation of a thermo-radiative model. For this purpose, surface temperature sensors were installed at different locations of buildings walls supplemented by a thermal infrared images acquisition for one of the facades in order to continuously monitor its temperature during the 15 days of the experiment. The air temperature was also measured at different positions in the district (under trees, in flats, etc).

Le phénomène d'îlot de chaleur urbain désigne les zones urbaines où les températures d'air et de surfaces sont supérieures à celles des zones rurales environnantes. Ce phénomène, qui tend à s'intensifier avec le réchauffement climatique et lors d'évènements ponctuels tels que les vagues de chaleur, a des conséquences délétères sur le confort et la santé des populations urbaines. Au sein d'une ville, tous les quartiers ne sont pas égaux face à ce phénomène principalement en raison de l'hétérogénéité des activités, des infrastructures, de la proximité de végétation ou d'étendues d'eau, etc. Afin d'apporter une réponse adaptée à cette problématique, il est essentiel d'identifier les quartiers les plus touchés. Pour quantifier l'intensité des îlots de chaleur, deux indices sont généralement utilisés : l'indice UHI (Urban Heat Island) qui désigne la différence de température de l'air entre la ville et son environnement rural et l'indice SUHI (Surface Urban Heat Island) défini comme la différence de température de surface de la ville et de la zone rurale. La réalisation de cartographies détaillées de la température de l'air en milieux urbains pour l'évaluation de l'UHI par des mesures locales est très limitée. En revanche, en raison de la disponibilité et de la couverture des données, la télédétection dans le domaine de l'infrarouge thermique permet de déterminer la température des surfaces de la ville et donc de calculer l'indice SUHI aux heures de passage des satellites. Si on observe des comportements semblables de nuit, les deux indices diffèrent aux cours de la journée notamment en raison des formes urbaines. Néanmoins, la pleine compréhension des relations entre les deux indices n'est pas encore atteinte. Une piste prometteuse de poursuite de ces travaux est le couplage de la télédétection à la modélisation numérique du microclimat urbain. L'un des objectifs de la mission franco-indienne TRISHNA, dont le lancement du satellite éponyme est prévu en 2025, concerne la préparation de produits adaptés à l'étude des villes. Le projet DIRT (District Infrared theRmography for microclimaTe) s'inscrit dans les travaux du groupe TRISHNA urbain et a pour objectif d'évaluer l'apport des futures données infrarouges thermiques (IRT) mesurées par le satellite TRISHNA pour la cartographie de la température de l'air et d'indices de confort thermique en zone urbaine en s'appuyant sur des simulations numériques du modèle Solene-Microclimat. Ces travaux s'appuient sur la modélisation numérique du microclimat du quartier du Pin Sec à Nantes. En attendant le lancement du satellite TRISHNA, les données de télédétection utilisées sont les images infrarouges aéroportées acquises lors de la campagne de mesures FluxSAP2010 à la résolution de 2,6 mètres. A partir de ces données, des images proxy sont réalisées à différentes résolutions spatiales. Les températures de surfaces déterminées à partir des images infrarouges sont imposées dans le calcul des bilans thermo-radiatifs. Nous présentons ici l'étude de l'influence de la résolution spatiale et temporelle des données IRT sur les températures de surface et d'air simulées, les températures simulées sont notamment confrontées aux mesures de températures in situ des sols, façades et toits de la campagne de mesure FluxSAP2010.

International audience; Climate projections for the next decades predict heat waves, which will be intensified in cities due to the Urban Heat Island (UHI) effect. To mitigate the UHI, new urban planning projects look forward to integrate more solutions based on vegetation and water. Thus, urban parks can generate cooled air but the amount of freshness created will depend on the park's constitution and proportion of each element and the urban environment surrounding the park. In addition, the cooled air will be spread differently in the surroundings depending on the urban district's morphology. The interaction between the urban morphology and the urban park will be considered in the CoolParks project. The aim of this project is to develop a tool for local communities to design urban parks and the surrounding districts with the aim to optimize urban cooling and reduce the buildings' energy consumption.; Les projections climatiques des prochaines décennies prévoient des périodes de canicule plus longues et plus fréquentes qui seront exacerbées en ville par le phénomène d'Îlot de Chaleur Urbain (ICU). Un des enjeux des nouveaux aménagements urbains est d'intégrer des mesures pour atténuer l'intensité de l'ICU en ayant recours au végétal et à l'eau. Ainsi, les parcs urbains offrent une source importante de fraîcheur. Les effets de ces aménagements varient largement selon leur type, leur proportion, leur répartition, leur mode de gestion et l'environnement urbain dans lequel ils sont implantés. Aussi, la fraîcheur générée se diffuse différemment dans les alentours proches du parc selon la morphologie des quartiers qui l'environnent. Le projet de recherche Coolparks, présenté dans cet article, interroge ces problématiques. Son objectif est de concevoir un outil simple à mettre en oeuvre, permettant aux collectivités locales de concevoir conjointement les parcs et les quartiers environnants, en considérant leurs interactions réciproques, pour optimiser le rafraîchissement urbain et la réduction des consommations énergétiques dans les bâtiments.

International audience; Alert tool for identifying good periods to refresh parks. In the coolparks framework, mobile measurement campaigns will be performed to quantify the cooling induced by urban parks and the cool air diffusion within their surrounding urban areas. In order to identify the optimal conditions to implement these campaigns, fixed air temperature measurements performed during several years within parks (in Nantes, France) and their surrounding urban environment are utilized. Five interesting periods per season are identified for future campaigns : 3 are diurnal and 2 are nocturnal. For each of the {period, season} combinations, the meteorological conditions that allow to maximize the park cooling or the cool air diffusion within their close environment are investigated. Decision trees are constructed to facilitate the weather alert implementation allowing to identify the favorable days for future measurement campaigns taking place.; Dans le cadre du projet CoolParks, des campagnes de mesures mobiles vont être menées pour mesurer le rafraîchissement occasionné par des parcs et la diffusion de cette fraîcheur dans leurs quartiers environnants. Afin d'identifier les conditions propices pour la mise en oeuvre de ces campagnes, des mesures fixes de température de l'air réalisées pendant plusieurs années dans des parcs nantais et leur environnement urbain sont utilisées. Cinq périodes intéressantes par saison sont identifiées pour les futures campagnes : 3 périodes diurnes et 2 périodes nocturnes. Pour chacune de ces combinaisons {période, saison}, les conditions météorologiques permettant de maximiser le rafraîchissement des parcs ou la diffusion de fraîcheur dans leur environnement proche sont étudiées. Des arbres de décision sont construits pour faciliter la mise en oeuvre d'alertes permettant d'identifier les journées propices à la tenue des futures campagnes de mesure.

International audience; Le Centre d’Expertise Scientifique (CES) Température de surface et émissivité (LST/LSE) réunit des équipes de l’Onera, d’Icube, du LSCE, du Cesbio, de l’INRAE, du Cerema, du CNRM, du CNES et de l’OFB travaillant sur l’amélioration de l’estimation de la température de surface (LST), de l’émissivité de surface (LSE) ainsi que leur cartographie et leur usage. La communauté utilisatrice visée est autant scientifique qu’institutionnelle. L’objectif du CES est de répondre aux enjeux suivants :- Améliorer les algorithmes d’estimation pour les capteurs (actuels et futurs) à haute résolution spatiale dans l’infrarouge thermique- Établir des méthodes d’évaluation afin de fournir des produits avec une incertitude associée- Améliorer la résolution spatiale et/ou temporelle des estimations en fusionnant des données spatiales ou exogènes.- Développer des séries temporelles de produits thermiques- Valoriser et mettre à disposition des produits thermiques pour répondre aux différents besoins,- Fédérer la communauté scientifique et fluidifier les échanges avec les instituts

International audience; Le Cerema, qui accompagne les collectivités dans l'aménagement durable de leur territoire, étudie les solutions de rafraîchissement urbain et livre quelques clés de compréhension sur leur fonctionnement et leur efficacité.

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Low energy building constructions become sensitive to internal gains : any internal heating source has an impact on the envelope. Therefore, it is important to evaluate the performance of current transient thermal models when adapted to low energy buildings. This work describes a numerical model to simulate a single room, using a refined spatial three-dimensional description of heat conduction in the envelope but a single air node is considered. The model has been developed for environmental conditions that vary over short time-steps and has integrated the projection of solar radiation through a window onto interior walls : the sun patch. The validation of the model has been done through a detailed comparison between model and measurements. The in situ experiment has been carried out in one of the BESTlab cells (EDF R&D). The sun patch has been followed by a camera to validate its calculated position and surface. Temperature measurements by thermocouples and by thermal cameras have been compared to the models outputs. Differences between air and surface temperatures measured and simulated were never above 1.5 ˚C and mean errors reached 0.5 ˚C. The two innovations of the model have then be proven. Using minute wise weather data and inputs associated to an adaptative solver, enabled to pull down simulation errors : in May maximal differences rised from 1 ˚C to 2 ˚C for respectivelly one minute and hourly wise inputs. More important errors are seen in summer whereas in winter, air temperatures simulated tend to more fluctuate around the set up temperature when the sampling step gets longer. Two one dimensional models, close to traditional taken simulation tools, were used. Model M 1D,sol supposed the incoming radiation to reach only the floor. A 1D model with sun patch movement, called 1D,parois , was also used. These two models evaluated the air temperature with an acceptable error. However, their surface temperatures were still subject to important errors. Thus, for temperature surfaces evaluation, both 1D model presented differences up to 20 ˚C for surfaces touched by the sun patch. In winter, the 3D model can predict heating energy consumptions overestimated by 6.5 % when M 1D,parois overestimated them by 11 % and M1D,sol by 22 %. The improvements brought by our model have been proven also for other cells with different thermal masses. For these cells, differences between M1D,sol and the 3D model could reach 4.5 ˚C. Differences seemed to be more important for low thermal mass cells, and the orientation of the building had a strong impact. This work has confirmed the necessity of representing more accuratelly the descriptions of the enveloppe for strongly insulated rooms. To improve the model, the anisothermal hypotheses of the air should be considered., Cette thèse s’inscrit dans le contexte du développement de Bâtiments Basse Consommation. La conception de telles constructions les rend sensibles aux sollicitations internes. Aussi, les outils de thermique du bâtiment existants ne sont pas adaptés pour simuler assez fidèlement ce type de bâtiments, si bien qu’un modèle tridimensionnel et dynamique a été développé ici. Celui-ci présente plusieurs particularités : il s’appuie sur une discrétisation spatiale optimisée des parois, la tache solaire y est localisée et l’intégration des dynamiques des conditions environnementales est assurée par un solveur numérique à pas de temps adaptatif et un seul nœud d’air est considéré. La validation du modèle s’est suivant une confrontation avec des mesures en conditions réelles réalisées dans une cellule de BESTlab d’EDF R&D. Un suivi visuel de la tache solaire a permis de confirmer sa bonne localisation par notre modèle. Des mesures de température en surface complétées par des cartographies thermographiques ont été comparées aux champs de températures simulés, montrant une bonne concordance. Les comparaisons de températures d’air mesurées et simulées ont montré des résidus ne dépassant pas 1,5 ˚C, pour des erreurs moyennes de 0,5 ˚C. La pertinence des deux principales innovations du modèle a été ensuite démontrée : l’utilisation d’entrées échantillonnées à la minute associées à un solveur à pas de temps adaptatif permet de minimiser les erreurs de simulation : en mi-saison, les résidus maximaux sont respectivement de 1 ˚C et 2 ˚C pour des entrées à la minute et à l’heure. En hiver, les températures d’air simulées tendent à plus osciller autour de la consigne quand le pas d’échantillonnage des entrées s’allonge. Deux modèles unidimensionnels, représentatifs de modèles courants, M1D,sol diluant le rayonnement solaire sur le sol seul et M1D,parois le distribuant de façon homogène sur les parois au prorata de la taille de la tache solaire censée les frappées, ne dégradent que légèrement la précision des calculs de température d’air. Cependant, ces modèles 1D ne permettent pas de calcul des champs de températures sur les parois si bien qu’ils présentent des erreurs locales dépassant 20 ˚C aux endroits touchés par la tache solaire. Enfin en hiver, le modèle 3D permet de prédire des consommations de chauffage surestimées de 6,5 % quand M 1D,parois les surestime de 11 % et M1D,sol de 22 %. Les améliorations apportées par notre modèle ont été confirmées pour d’autres types de cellules. D’ailleurs des écarts plus importants entre M1D,sol et le modèle 3D ont été observés pour une cellule dont parois et sol ont des compositions très différentes, alors que l’orientation a aussi un impact. Ce travail confirme la nécessité de représenter plus finement les phénomènes physiques pour des locaux fortement isolés. Des améliorations sont à intégrer, comme la description de l’anisothermie de l’air.

International audience; A numerical model has been developed in order to accurately simulate the transient thermal behavior of a building (a single room). This model has already been described in (Rodler et al., 2013): the energy balance equations consider irradiation, convection, air enthalpy and three‐dimensional heat conduction. The particularity of the program is that it projects the sun patch on the inner walls.The operative and mean radiant temperature are important parameters for the evaluation of comfort indices. Their calculations require the air temperature values and the surfaces temperatures field which vary in the sunspace as a function of position and disposition of the person. We show the importance of the knowledge of the operative temperature distribution and its consequences on the thermal comfort. The refined 3D model is compared to the one obtained by the classical distribution of the solar radiation with a 1D conduction approach and by assuming all incoming radiation touches the floor. The sun patch impact and its three dimension effect are finally discussed for the comfort evaluation of a low inertia cell.

International audience; In the context of low energy buildings we study the impact of the incoming radiation through a window (sun patch) on the heating and cooling demand. Existing studies have shown that not considering the sun patch and fast climatic variations (Figure 4, Global radiation) can lead to important differences in energy power evaluation [1, 2, 3]. In this paper we present a 3D envelope model taking into account the minute-wise sun patch evolution. Simulation results are analysed for a low energy cell. A numerical model has been developed in order to simulate the transient thermal behaviour, with a refined spatial (3D) and temporal (down to one minute time step) discretization of the single room. For each node of the grid, the energy conservation equations are developed. They traduce balance between short-wave and long-wave irradiations, convection, air enthalpy and three-dimensional heat conduction. The particularities of the program are that it projects the sun patch on the inner walls, the conduction is treated in three dimensions and climatic minute-wise variations are taken into account. As main results, the surface temperature evolution, the air temperature evolution and the heating or cooling power necessary to maintain an inner air set-point temperature are calculated at each time-step. Heating or cooling power is compared to the power calculated with no sun patch incorporation (solar loads only on the floor). Conclusions are made on the importance of the integration of the sun patch and its impact on the observed results.

International audience; A numerical model is developed to accurately simulate the transient thermal behaviour of rooms with sun-facing windows, with the use of a refined spatial and temporal discretization. For each node, the energy balance equations are developed based on a consideration of radiation, convection, air enthalpy and three-dimensional heat conduction. As buildings are exposed to rapid climatic variations (particularly incident solar radiation), we have added the different environmental conditions at short time-steps. The simulation considers the projection of solar radiation through a window onto interior walls, referred to as a sun patch. Therefore conduction transfer is treated in three dimensions. The indoor air temperature, the temperature of the cells in the walls and the surface temperatures are calculated at each time step using a variable-step Ordinary Differential Equation (ODE) solver. Results from this model are compared to well-known simulation tools using one-dimensional heat conduction without a sun patch.

International audience; Un modèle est développé pour simuler le comportement thermique dynamique de l'enveloppe d'un bâtiment. Il est basé sur les échanges radiatifs (radiations courtes et grandes longueurs d'ondes), la conduction tridimensionnelle, le bilan sensible de l'air et la convection sur un noeud d'air. Les données météorologiques d'entrées sont intégrées au pas de temps de la minute. Une spécificité du programme est qu'il projette la tache solaire évoluant au cours de la journée à l'intérieur du bâtiment, en accord avec une conduction tridimensionnelle. La simulation fournit la température d'air intérieure du local et les températures des mailles des parois. Ce modèle a été développé pour tester différents paramètres : la discrétisation des volumes de contrôles, la discrétisation temporelle des données d'entrée du modèle et l'impact de la tache solaire. Enfin, ce papier présente une première application du modèle à une cellule isolée.