Characterisation of stadia from spectators' aerothermal comfort point of view contribution to a multicriteria analysis approach of aerothermal, visual and acoustic comfort
Caractérisations des ambiances des stades modernes du point de vue du confort aérothermique des spectateurs contribution à l'approche multicritères du confort aérothermique, visuel et acoustique
Résumé
This study presents a methodological approach to evaluate the aerothermal comfort of spectators in stadia. As an extension of the aerothermal approach, the spectators' visual comfort has also been analysed and some aspects of the acoustic comfort has been raised.
First, the conception of a comfort zone with flexible limits that integrates the effect of the temperature and the air movement has been developed using the applicable thermal comfort indices and charts to semi-outdoor spaces.
Then, the effect of the morphology on the airflow inside the stadium, more precisely on the spectators' terrace has been investigated through a series of wind tunnel tests for three wind directions in one of the boundary layer wind tunnels of the CSTB Nantes - using a stadium model of variable geometry. The following architectural parameters have been modified during the wind tunnel tests: slope and overhang of the roof, façade porosity and the stadium layout. Average wind velocity and its standard deviation have been measured by hot wire anemometer at spectators' height at several points of the spectators' terrace. The air flow patterns in twenty different stadium configurations have been traced and represented by isoplates. The results indicate that there is a relation between the morphological parameters and the airflow on the spectators' terrace. In this manner the spectators' aerothermal comfort is linked to the stadium morphology. Nevertheless, the position, the inclination of the stadium roof influences also the visual comfort of the spectators. The spectators' visual comfort of ten stadium configurations with opaque roof by daylight has been analysed for three geographical locations. The visual comfort requirements have been based on the uniform lighting conditions of the pitch; i. e. no accentuated contrast should appear on the pitch due to the shadow of the roof. The lighting conditions are influenced by the photometric characteristics of the roofing material. A method has been established that facilitates to define photometric morphology of the roof, more precisely the localisation of the opaque and the transparent roof parts in order to prolong the visually comfortable period – in that case when the entirely transparent roof is not preferred from thermal comfort point of view. This analyse is carried out by an experimental tool called horizontoscope for the selected geographical location, stadium configuration and orientation, and completes the aerothermal comfort evaluation.
A methodology that facilitates the spectators' aerothermal comfort evaluation trough the transposition of the wind tunnel test results have been developed and illustrated by some selected stadium configurations for a given location. The wind tunnel test results of each selected stadium configuration have been associated with the meteorological data (temperature and wind speed) of the given site and compared to the aerothermal comfort zone outlines defined previously. In this manner the frequency of the comfort and the discomfort have been defined and related to the total period of use. This methodology is aimed to provide some information on climate-architecture-comfort context of stadia in order to help the architects to integrate the stadia into the local climate. It should be ideally applied in the design phase of the project.
First, the conception of a comfort zone with flexible limits that integrates the effect of the temperature and the air movement has been developed using the applicable thermal comfort indices and charts to semi-outdoor spaces.
Then, the effect of the morphology on the airflow inside the stadium, more precisely on the spectators' terrace has been investigated through a series of wind tunnel tests for three wind directions in one of the boundary layer wind tunnels of the CSTB Nantes - using a stadium model of variable geometry. The following architectural parameters have been modified during the wind tunnel tests: slope and overhang of the roof, façade porosity and the stadium layout. Average wind velocity and its standard deviation have been measured by hot wire anemometer at spectators' height at several points of the spectators' terrace. The air flow patterns in twenty different stadium configurations have been traced and represented by isoplates. The results indicate that there is a relation between the morphological parameters and the airflow on the spectators' terrace. In this manner the spectators' aerothermal comfort is linked to the stadium morphology. Nevertheless, the position, the inclination of the stadium roof influences also the visual comfort of the spectators. The spectators' visual comfort of ten stadium configurations with opaque roof by daylight has been analysed for three geographical locations. The visual comfort requirements have been based on the uniform lighting conditions of the pitch; i. e. no accentuated contrast should appear on the pitch due to the shadow of the roof. The lighting conditions are influenced by the photometric characteristics of the roofing material. A method has been established that facilitates to define photometric morphology of the roof, more precisely the localisation of the opaque and the transparent roof parts in order to prolong the visually comfortable period – in that case when the entirely transparent roof is not preferred from thermal comfort point of view. This analyse is carried out by an experimental tool called horizontoscope for the selected geographical location, stadium configuration and orientation, and completes the aerothermal comfort evaluation.
A methodology that facilitates the spectators' aerothermal comfort evaluation trough the transposition of the wind tunnel test results have been developed and illustrated by some selected stadium configurations for a given location. The wind tunnel test results of each selected stadium configuration have been associated with the meteorological data (temperature and wind speed) of the given site and compared to the aerothermal comfort zone outlines defined previously. In this manner the frequency of the comfort and the discomfort have been defined and related to the total period of use. This methodology is aimed to provide some information on climate-architecture-comfort context of stadia in order to help the architects to integrate the stadia into the local climate. It should be ideally applied in the design phase of the project.
Cette étude s'articule autour d'une méthodologie d'évaluation du confort aérothermique des spectateurs dans les stades modernes. Elle propose une extension de l'approche aérothermique sur le confort visuel et aborde les aspects de confort acoustique.
Dans en premier temps, la démarche consiste à appréhender la notion du confort dans les espaces semi-extérieurs : une zone de confort aérothermique qui intègre uniquement l'effet de la température et du vent sur le confort est définie. La zone est délimitée par des critères thermiques et mécaniques qui sont basés d'une part, sur les indices et les cartes de confort thermique et d'autre part, sur un seuil lié à la gêne mécanique due au vent. Cette zone permet d'évaluer le confort aérothermique des spectateurs pour des valeurs de vitesse et de température associées. Les facteurs climatiques à l'intérieur du stade, en particulier l'écoulement d'air et le rayonnement solaire sont affectés par l'architecture du stade.
Dans un second temps, l'impact de la morphologie architecturale du stade sur les caractéristiques de l'écoulement d'air à l'intérieur du stade, notamment au niveau des tribunes est étudié. Pour cela une série d'essais paramétriques a été effectuée sur vingt configurations architecturales du stade pour trois incidences du vent dans une des souffleries à couche limite du CSTB Nantes. La vitesse du vent et son écart-type ont été mesurés par la technique de l'anémométrie à fil chaud en de nombreux points situés au niveau des tribunes. Au cours des essais les paramètres suivants ont été modifiés : l'inclinaison de la toiture, la porosité de la façade, le débord de la toiture et le plan du stade. Les résultats des essais paramétriques ont mis en évidence qu'il existe des relations entre la morphologie architecturale du stade et les caractéristiques de l'écoulement. Ainsi, le confort aérothermique des spectateurs est lié à la morphologie du stade; par ailleurs la géométrie de la toiture influe sur le confort visuel. Le confort visuel des spectateurs en lumière du jour est analysé pour trois localisations géographiques et pour dix configurations du stade comportant des toitures opaques de différentes positions ou dimensions, à partir de l'uniformité d'éclairement de l'aire de jeu : il faut notamment éviter qu'un contraste accentué dû à l'ombre de la toiture apparaisse sur l'aire de jeu. Les conditions lumineuses sont également affectées par des caractéristiques photométriques de la toiture. Une conception de méthode a été mise en œuvre qui permet de définir la morphologie photométrique de la toiture dans le cas où il n'est pas favorable du point de vue du confort thermique que l'intégralité de la toiture soit couverte par un matériau transparent qui permet d'augmenter la longueur de la période de l'éclairement uniforme de l'aire de jeu. La localisation de la partie opaque et transparente d'une toiture est déterminée par un outil expérimental appelé horizontoscope, en fonction de la localisation géographique. Cette analyse complète l'évaluation du confort aérothermique.
Une évaluation réelle du confort aérothermique basée sur la transposition des résultats des essais menés en soufflerie a été développée. Cette transposition intègre les données climatiques du site de construction du stade et permet d'évaluer le confort aérothermique des spectateurs pour une période choisie à partir de la zone de confort définie auparavant. Elle permet de hiérarchiser les configurations présélectionnées pour un site choisi et est ainsi destinée à être un outil d'intégration du stade dans son climat. Elle doit idéalement être employée dans la démarche de conception.
Dans en premier temps, la démarche consiste à appréhender la notion du confort dans les espaces semi-extérieurs : une zone de confort aérothermique qui intègre uniquement l'effet de la température et du vent sur le confort est définie. La zone est délimitée par des critères thermiques et mécaniques qui sont basés d'une part, sur les indices et les cartes de confort thermique et d'autre part, sur un seuil lié à la gêne mécanique due au vent. Cette zone permet d'évaluer le confort aérothermique des spectateurs pour des valeurs de vitesse et de température associées. Les facteurs climatiques à l'intérieur du stade, en particulier l'écoulement d'air et le rayonnement solaire sont affectés par l'architecture du stade.
Dans un second temps, l'impact de la morphologie architecturale du stade sur les caractéristiques de l'écoulement d'air à l'intérieur du stade, notamment au niveau des tribunes est étudié. Pour cela une série d'essais paramétriques a été effectuée sur vingt configurations architecturales du stade pour trois incidences du vent dans une des souffleries à couche limite du CSTB Nantes. La vitesse du vent et son écart-type ont été mesurés par la technique de l'anémométrie à fil chaud en de nombreux points situés au niveau des tribunes. Au cours des essais les paramètres suivants ont été modifiés : l'inclinaison de la toiture, la porosité de la façade, le débord de la toiture et le plan du stade. Les résultats des essais paramétriques ont mis en évidence qu'il existe des relations entre la morphologie architecturale du stade et les caractéristiques de l'écoulement. Ainsi, le confort aérothermique des spectateurs est lié à la morphologie du stade; par ailleurs la géométrie de la toiture influe sur le confort visuel. Le confort visuel des spectateurs en lumière du jour est analysé pour trois localisations géographiques et pour dix configurations du stade comportant des toitures opaques de différentes positions ou dimensions, à partir de l'uniformité d'éclairement de l'aire de jeu : il faut notamment éviter qu'un contraste accentué dû à l'ombre de la toiture apparaisse sur l'aire de jeu. Les conditions lumineuses sont également affectées par des caractéristiques photométriques de la toiture. Une conception de méthode a été mise en œuvre qui permet de définir la morphologie photométrique de la toiture dans le cas où il n'est pas favorable du point de vue du confort thermique que l'intégralité de la toiture soit couverte par un matériau transparent qui permet d'augmenter la longueur de la période de l'éclairement uniforme de l'aire de jeu. La localisation de la partie opaque et transparente d'une toiture est déterminée par un outil expérimental appelé horizontoscope, en fonction de la localisation géographique. Cette analyse complète l'évaluation du confort aérothermique.
Une évaluation réelle du confort aérothermique basée sur la transposition des résultats des essais menés en soufflerie a été développée. Cette transposition intègre les données climatiques du site de construction du stade et permet d'évaluer le confort aérothermique des spectateurs pour une période choisie à partir de la zone de confort définie auparavant. Elle permet de hiérarchiser les configurations présélectionnées pour un site choisi et est ainsi destinée à être un outil d'intégration du stade dans son climat. Elle doit idéalement être employée dans la démarche de conception.
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