COMMUNAUTE D AGGLOMERATION ORLEANS VAL DE LOIRE THERMOGRAPHIE AERIENNE - RAPPORT -

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1 COMMUNAUTE D AGGLOMERATION ORLEANS VAL DE LOIRE THERMOGRAPHIE AERIENNE - RAPPORT -

2 Table des Matières 1 METHODOLOGIE Acquisition des données Les choix technologiques du LNE pour l acquisition des données infrarouges REALISATION DE L OPERATION Emprise de la thermographie aérienne Conditions météorologiques DONNEES PRODUITES Thermographie 256 couleurs Cartographie 6 niveaux de déperditions moyennées Système de projection INTERPRETATION DES IMAGES FOURNIES Exploitation des données Exemples d interprétations particulières CONCLUSIONS LNE Novembre 2010

3 Table des figures Figure 1 : Plan de vol... 7 Figure 2 : Conditions météorologiques LNE Novembre 2010

4 Dans le cadre de l application du protocole de Kyoto, la France au sein de la communauté européenne s est engagée à réduire sa consommation énergétique au cours des prochaines années dans le but de réduire ses émissions de gaz à effet de serre. Loin devant les transports (32%) et l industrie (23%), le bâtiment est le secteur le plus consommateur d énergie en France avec 43% de la consommation nationale. Il constitue donc un vaste réservoir d économie d énergie que les collectivités se doivent d explorer pour diagnostiquer leur propre patrimoine mais aussi pour informer et sensibiliser leurs administrés afin de les orienter et de les accompagner dans une démarche citoyenne s inscrivant dans une logique de développement durable. La thermographie aérienne, outil de sensibilisation et de diagnostic aux déperditions de chaleur des bâtiments, s inscrit dans cette démarche. Cette technique est d ailleurs citée dans l «agenda 21» qui est le programme d actions pour le 21 ème siècle orienté vers le développement durable, programme adopté par les pays signataires de la Déclaration de Rio de Janeiro en juin Au plan national, la thermographie infrarouge aérienne a été qualifiée par le sénat comme un «formidable outil de communication qui interpelle directement les citoyens, mais aussi les professionnels, sur l'état d'isolation de leur immeuble, et qui permet de nouer un dialogue.» 1 Méthodologie Cette section rappelle la méthodologie du LNE et les choix technologiques qui en découle. 1.1 Acquisition des données Les paramètres du vol Le vol d acquisition des données a été réalisé : au moyen d un avion bimoteur et d un scanner infrarouge ; à une hauteur d environ 500 m ; soit une résolution au sol de 50 cm x 50 cm ; en plusieurs nuits, à raison d environ 100 km² enregistrés par nuit ; avec des axes de vol parallèles espacés de 250 à 300 m : taux de recouvrement important entre les différentes bandes de vol (50 à 60 %) limitation du dévers des bâtiments en utilisant un outil de suivi des axes de vol par GPS adapté aux besoins du LNE : suivi des axes en temps réel ; intégration des fonds cartographiques existants Les conditions atmosphériques à respecter La thermographie infrarouge aérienne consistant en la mesure du flux thermique (dégagement de chaleur) de matériaux (toitures dans notre cas), certaines conditions doivent être remplies afin d obtenir des résultats fiables. Ces conditions ont été déterminées par le LNE Novembre 2010

5 LNE lors de l étude menée conjointement avec l ADEME ( ). Elles visent à garantir le contraste des images et la bonne identification des éléments. Les conditions atmosphériques réputées idéales sont les suivantes : un temps froid (idéalement inférieure à 5 C) ; un vent faible à nul (idéalement inférieur à 3 m/s) ; une hygrométrie limitée (idéalement 75 % ou moins ) ; pas de précipitations dans les 24 à 36 h précédant le vol ; un ciel clair (exigence aéronautique et radiométrique pour un vol de nuit) ; pas de neige sur les toitures. 1.2 Les choix technologiques du LNE pour l acquisition des données infrarouges Le principe d acquisition des données infrarouges choisi par le LNE repose sur l utilisation d un scanner couplé à un avion, le scanner réalisant l acquisition de lignes d image, tandis que l avancement de l avion permet de recréer la seconde dimension de l image. Ce choix exclusif au LNE permet de respecter des exigences fondamentales quant à la qualité des mesures réalisées, à savoir : une rapidité de l acquisition pour s affranchir des variations des paramètres environnementaux (température, couverture nuageuse, vitesse du vent, ) ; une uniformité spatiale de la réponse des détecteurs ; une stabilité temporelle de la réponse des détecteurs. Le choix par le LNE d un scanner couplé à un avion en lieu et place d une caméra du commerce montée dans un hélicoptère a été dicté en priorité par les objectifs visés par les opérations de thermographie aérienne. En effet, celles-ci consistent en une mesure comparative de la déperdition de chaleur des toitures. Afin que cette mesure comparative soit pertinente, il est nécessaire de maintenir les conditions de prise de données les plus stables possibles. A cette fin, la vitesse importante de l avion et le large champ d analyse couvert par le scanner permettent de couvrir un territoire 3 à 4 fois plus rapidement que dans le cas d un couplage d une caméra avec un hélicoptère. Dans ces conditions, les variations des paramètres extérieurs influencent dans une moindre mesure les résultats. Par ailleurs, l utilisation d un scanner est préférable à celle d une caméra en raison des distorsions introduites par l optique des caméras qui ne permettent pas un référencement rigoureux de la position des pixels par rapport à l image. A l inverse, le scanner présente, par définition, une linéarité intrinsèque qui autorise une grande précision de positionnement. Cette précision permet ainsi de superposer les images des thermographies aux orthophotos (photos aériennes visibles), plans de la ville ou plans cadastraux. En outre, les possibilités d étalonnage en temps réel offertes par la présence d un corps noir dans le champ d analyse du scanner confortent les choix du LNE qui visent à privilégier la pertinence métrologique des résultats LNE Novembre 2010

6 Les caractéristiques du système d acquisition du LNE Le capteur infrarouge utilisé par le LNE est un analyseur (ou scanner) mono ligne (Super Cyclope) initialement développé par SAGEM (ex-sat) pour équiper les chasseurs de type Mirage F1-CR de l armée de l air française. Le scanner présente une résolution typique de 50 cm pour une altitude de vol de 500 m environ. Nos études et nos modélisations thermiques ont montré que le choix d une résolution standard de 50 cm se révèle être le niveau d information le plus pertinent pour ce type d application. En effet, en deçà de 50 cm (30 cm, par exemple), les signatures thermiques représentent des effets très locaux quasi-impossibles à identifier et à interpréter. Par ailleurs, la précision géographique de positionnement de l'information thermique est notablement moins bonne que celle issue des capteurs visibles, ce qui diminue l'intérêt de travailler à une meilleure résolution. Par ailleurs, ce scanner embarque un corps noir étalon qui permet de réaliser un étalonnage in situ du détecteur, donc en temps réel, pour une plus grande fiabilité des mesures. Le scanner code l'information mesurée sur 12 bits bruts et travaille sur la bande spectrale 8-12 µm permettant une meilleure sensibilité aux basses températures (proches de 0 C). Sa sensibilité (ou résolution thermique) de 0,1 C est parfaitement adaptée à la dynamique de températures durant les acquisitions (environ 10 C) et aux exigences de rendu des cartes thermographiques (notamment au regard de 6 classes de déperdition). Par ailleurs, le LNE garantit cette sensibilité de 0,1 C pendant toute l a durée de l'acquisition grâce à l'étalonnage réalisé in situ durant le vol. Aujourd hui, le LNE dispose d un ensemble complet constitué du scanner couplé à un système (16 bits) permettant la visualisation en temps réel des acquisitions infrarouges. Éprouvé et validé par de nombreuses heures de vol, simulations et retours d expérience, le scanner et ses principales caractéristiques ont été validés dans nos laboratoires par les ingénieurs et techniciens du LNE LNE Novembre 2010

7 2 Réalisation de l opération Cette section reprend l ensemble des éléments caractérisant l acquisition des données de thermographie infrarouge sur le territoire de la communauté d agglomération Orléans Val de Loire. 2.1 Emprise de la thermographie aérienne Le périmètre d'étude de l'opération de thermographie aérienne concerne le territoire des 22 communes de l agglomération, soit 300 km². Figure 1 : Plan de vol par nuit LNE Novembre 2010

8 2.2 Conditions météorologiques Les températures et les paramètres météorologiques relevés par la station météo synoptique d Orléans (LFOJ) au cours des trois missions de survol : Date Heure T ( C) Td ( c) Φ (%) P (hpa) V (m/s) 04/02/10 21h SE 05/02/10 00h SSE 02/03/10 21h NE 03/03/10 02h ENE 04/03/10 21h NNE 05/03/10 02h N Figure 2 : Conditions météorologiques Aucune précipitation observée pendant les heures précédant le vol et pas de neige au sol. La première mission a été interrompue à cause d une dégradation des conditions météorologiques qui aurait nui à la qualité des images. Les deux missions suivantes se sont déroulées dans des conditions météo quasi idéales. 3 Données produites Le disque dur fourni regroupe l ensemble des données d imagerie thermographique produites suite à l opération de survol du territoire de la CA d Orléans Val de Loire. Il comprend : Les fichiers numériques de l ortho thermographie par nuit de vol et globale (mosaïque 16 bits), Les fichiers numériques de la thermographie par bâtiment en fausses couleurs, par nuit de vol et globale, limitée à 256 niveaux, L application de consultation par commune et pour l ensemble de l agglomération, développée pour les besoins de présentation des résultats au public, notamment pendant le salon, L intérêt de la thermographie infrarouge est de fournir une appréciation des déperditions instantanées. Ainsi, avec le codage en fausses couleurs (256 ou 6), les déperditions sont d autant plus importantes qu elles sont représentées par des tons rouges alors que les tons bleus symbolisent des déperditions plus faibles. Cette approche synthétique permet : - de s intéresser en priorité aux bâtiments les plus déperditifs en rayonnement - de visualiser des problèmes locaux (ponts thermiques, carence d isolation ) sous réserve d une bonne connaissance de la conception du bâtiment analysé. 3.1 Thermographie 256 couleurs La source étant les données brutes, le traitement subi consiste à traduire l image brute (4000 niveaux de gris) en 256 niveaux de couleurs. Le passage en fausses couleurs permet d augmenter la quantité d informations perçues par l œil. En effet, on considère LNE Novembre 2010

9 classiquement que seuls 64 niveaux de gris sont discernables par un œil, beaucoup plus avec des nuances de couleurs. 3.2 Cartographie 6 niveaux de déperditions moyennées Par rapport aux images thermiques 256 niveaux, il est réalisé une moyenne sur toutes les valeurs comprises à l intérieur du polygone bâtiment afin de donner une estimation rapide simplifiée. Les données sont ensuite échelonnées en 6 classes de déperditions croissantes : - Bleu (les plus faibles) - Bleu clair - Cyan - Vert - Jaune - Rouge Les données sont stockées au format vecteur, avec des attributs supplémentaires pour chaque grandeur statistique descriptive dans la couche bâti fournie par la ville. 3.3 Système de projection Les données sont fournies dans le système de projection français CC48 (RGF93) et Lambert II Etendu (NTF), en fichiers entiers et en fichiers tuilés. 4 Interprétation des images fournies 4.1 Exploitation des données Le scanner infrarouge (tout comme la caméra de thermographie) est un radiomètre qui mesure le flux de rayonnement incident. Ce flux incident est dépendant de la température de surface du corps observé mais pas uniquement (émissivité directionnelle, humidité, pollution de l atmosphère ) Le flux radiatif émis par une toiture dépend de : - la température intérieure du bâtiment (et précisément de l air sous toiture) - le coefficient U (ou coefficient de transmission thermique des parois) - les émissivités internes et externes des parois - la température de l air extérieur - la température radiative «vue par la toiture» Toutes ces grandeurs sont extrêmement difficiles à estimer avec exactitude. Or, sans une connaissance de ces valeurs, il est impossible de mesurer/calculer le flux thermique par rayonnement (en W/m² par exemple). Pour ces raisons, il est exclu de proposer une mesure absolue des déperditions. 4.2 Exemples d interprétations particulières Difficultés liées à l émissivité globale des corps Rappel : Une surface moins émissive apparaîtra comme moins déperditive. Elle est en effet moins sujet à déperditions par rayonnement mais peut être autant par convection. Exemple : une fenêtre de toit en double vitrage. L émissivité du verre est classiquement autour de 0.89 alors que la tuile se situe au moins à Elle apparaîtra comme LNE Novembre 2010

10 moins déperditive. En général, c est faux, le coefficient U d un double vitrage se situant entre 1.8 et 2.6 W/m²K, alors que pour une toiture avec 10 cm d isolants au sens du calcul normatif, il vaudra environ W/m²K (donc moins déperditif). Difficultés liées à la nature même de la toiture Selon sa conception, une toiture se prête plus ou moins bien au diagnostic par thermographie. - Les maisons individuelles : o Si les combles sont aménagés, la pièce située au dernier étage est chauffée et non ventilée. Les déperditions sont essentiellement dues à la conduction (pertes au travers des parois). La thermographie identifie alors correctement les déperditions qui sont assimilables dans ce cas à des flux surfaciques en toiture. o Si les combles ne sont pas aménagés, voire ventilés. L espace non chauffé situé au dernier étage échange au travers du plancher avec l étage inférieur. Cependant, ces calories sont évacuées en partie par transmission au travers des parois et en partie par transports dans l air évacué vers l extérieur. Les flux thermiques mesurés en toitures ne sont alors plus du tout représentatifs de ce qui se passe (d autant moins que la zone est fortement ventilée). - Les bâtiments d habitations collectifs : o De la même manière que pour l individuel, on peut retrouver la question du local ventilé. o En plus, il se pose souvent le problème des équipements en toiture (cas des toitures terrasses). Il est fréquent d observer des conduites chaudes, des échangeurs ou au contraire des points très froids (entrées d air frais). Ce que l on observe n est donc plus du domaine des pertes au travers de l enveloppe du bâtiment. En revanche, si l on observe des points chauds, ce sont toujours des pertes de calories qu il faudrait maîtriser. - Les bâtiments de bureau : le problème est de savoir s ils sont chauffés au moment de la thermographie. Difficultés liées à l incertitude de positionnement La méthode utilise la couche bâtiment de la ville. Le «remplissage» des polygones bâtiments est automatiquement fait à partir du moment ou la thermographie est ortho rectifiée à partir de l orthophoto. Deux types d erreurs : - Positionnement de la toiture décalé. Une partie de la thermographie de la toiture est hors polygone alors qu une partie du sol est intégrée au polygone. Il en résulte des effets de bords facilement reconnaissables (niveau très différent). Si le bâtiment est haut (> R + 4 approximativement.), un côté du polygone intègre des informations en provenance de la façade (généralement plus fortement déperditive au niveau radiatif). - Cadastre partiellement faux (polygone plus large ou moins large que la réalité). Même effets que précédemment. Difficultés liées à des masques Pour les maisons individuelles, il est fréquent que le feuillage d un arbre masque partiellement une partie de la toiture. Une tâche plus chaude (activité biologique en cette saison) et diffuse doit mettre en garde LNE Novembre 2010

11 5 Conclusions Le survol a été réalisé dans des conditions météorologiques un peu difficiles lors du premier passage, puis des conditions quasi idéales pour les deux passages suivants. Les images obtenues sont d une excellente qualité radiométrique et se recoupent bien d une nuit de travail à une autre. Elles sont donc parfaitement adaptées à la problématique de cartographie des déperditions par rayonnement du bâti sur le territoire de la communauté d agglomération d Orléans Val de Loire. Les différentes images produites fournissent une bonne vision d ensemble des déperditions par rayonnement sur les bâtiments des zones d intérêt sélectionnées. Ces données et l outil de consultation fourni doivent permettre d identifier des anomalies et des zones demandant une expertise complémentaire. Nous insistons sur l absolue nécessité de ne pas limiter l analyse d un bâtiment à la seule lecture de la thermographie. La thermographie représente un outil de visualisation pour les décideurs et de sensibilisation du grand public, homogène et cohérent sur l ensemble du territoire de l agglomération LNE Novembre 2010