Modern societies are increasingly organized in cities. In the present times, more than half of the world’s population lives in urban settlements. In this context, architectural and building scale works have the need of extending their scope to the urban environment. One of the main challenges of these times is understanting all the thermal exchanges that happen in the city. The radiative part appears as the less developed one; its characterization and interaction with built structures has gained attention for building physics, architecture and environmental engineering. Providing a linkage between these areas, the emerging field of urban physics has become important for tackling studies of such nature. Urban thermal studies are intrinsically linked to multidisciplinary work approaches. Performing full-scale measurements is hard, and prototype models are difficult to develop. Therefore, computational simulations are essential in order to understand how the city behaves and to evaluate projected modifications. The methodological and algorithmic improvement of simulation is one of the mainlines of work for computational physics and many areas of computer science. The field of computer graphics has addressed the adaptation of rendering algorithms to daylighting using physically-based radiation models on architectural scenes. The Finite Element Method (FEM) has been widely used for thermal analysis. The maturity achieved by FEM software allows for treating very large models with a high geometrical detail and complexity. However, computing radiation exchanges in this context implies a hard computational challenge, and forces to push the limits of existing physical models. Computer graphics techniques can be adapted to FEM to estimate solar loads. In the thermal radiation range, the memory requirements for storing the interaction between the elements grows because all the urban surfaces become radiation sources. In this thesis, a FEM-based methodology for urban thermal analysis is presented. A set of radiation techniques (both for solar and thermal radiation) are developed and integrated into the FEM software Cast3m. Radiosity and ray tracing are used as the main algorithms for radiation computations. Several studies are performed for different city scenes. The FEM simulation results are com-pared with measured temperature results obtained by means of urban thermography. Post-processing techniques are used to obtain rendered thermograms, showing that the proposed methodology pro-duces accurate results for the cases analyzed. Moreover, its good computational performance allows for performing this kind of study using regular desktop PCs.

Las sociedades modernas están cada vez más organizadas en ciudades. Más de la mitad de la población mundial vive en asentamientos urbanos en la actualidad. En este contexto, los trabajos a escala arquitectónica y de edificio deben extender su alcance al ambiente urbano. Uno de los mayores desafíos de estos tiempos consiste en entender todos los intercambios térmicos que suceden en la ciudad. La parte radiativa es la menos desarrollada; su caracterización y su interacción con edificaciones ha ganado la atención de la física de edificios, la arquitectura y la ingeniería ambiental. Como herramienta de conexión entre estas áreas, la física urbana es un área que resulta importante para atacar estudios de tal naturaleza. Los estudios térmicos urbanos están intrinsecamente asociados a trabajos multidisciplinarios. Llevar a cabo mediciones a escala real resulta difícil, y el desarrollo de prototipos de menor escala es complejo. Por lo tanto, la simulación computacional es esencial para entender el comportamiento de la ciudad y para evaluar modificaciones proyectadas. La mejora metodológica y algorítmica de las simulaciones es una de las mayores líneas de trabajo para la física computacional y muchas áreas de las ciencias de la computación. El área de la computación gráfica ha abordado la adaptación de algoritmos de rendering para cómputo de iluminación natural, utilizando modelos de radiación basados en la física y aplicándolos sobre escenas arquitectónicas. El Método de Elementos Finitos (MEF) ha sido ampliamente utilizado para análisis térmico. La madurez alcanzada por soluciones de software MEF permite tratar grandes modelos con un alto nivel de detalle y complejidad geométrica. Sin embargo, el cómputo del intercambio radiativo en este contexto implica un desafío computacional, y obliga a empujar los límites de las descripciones físicas conocidas. Algunas técnicas de computación gráfica pueden ser adaptadas a MEF para estimar las cargas solares. En el espectro de radiación térmica, los requisitos de memoria necesarios para almacenar la interacción entre los elementos crecen debido a que todas las superficies urbanas se transforman en fuentes emisoras de radiación. En esta tesis se presenta una metodología basada en MEF para el análisis térmico de escenas urbanas. Un conjunto de técnicas de radiación (para radiación solar y térmica) son desarrolladas e integradas en el software MEF Cast3m. Los algoritmos de radiosidad y ray tracing son utilizados para el cómputo radiativo. Se presentan varios estudios que utilizan diferentes modelos de ciudades. Los resultados obtenidos mediante MEF son comparados con temperaturas medidas por medio de termografías urbanas. Se utilizan técnicas de post-procesamiento para renderizar imágenes térmicas, que permiten concluir que la metodología propuesta produce resultados precisos para los casos analizados. Asimismo, su buen desempeño computacional posibilita realizar este tipo de estudios en computadoras personales.