#10 - Évaluer et simuler l’impact des solutions de lutte contre l’inconfort thermique et les îlots de chaleur urbains (ICU)

Rédigé par
Eric LARREY

Directeur de l'innovation

10079 Dernière modification le 03/12/2021 - 15:37
#10 - Évaluer et simuler l’impact des solutions de lutte contre l’inconfort thermique et les îlots de chaleur urbains (ICU)

La lutte contre les ICU, et plus généralement l’inconfort thermique en ville, passe par plusieurs leviers qui n’ont pas tous le même impact et qui ne sont pas forcément adaptés à toutes les morphologies urbaines. Lesquels mobiliser, où et pour quels retours ? Une solution pour identifier les leviers adaptés passe par le triptyque acquisition et traitement de données, modélisation et simulation.

Contexte

Le sujet des îlots de chaleur urbains et plus généralement le problème de l’inconfort thermique pour les usagers concerne une large part de l’espace public. Cet inconfort résulte d’une combinaison de phénomènes qui traduisent un dysfonctionnement urbain immédiatement perceptible par tous, aggravé par le changement climatique :

  • Stockage de la chaleur dans les bâtis denses et les sols imperméabilisés ;
  • Manque de renouvellement d’air dans des espaces extérieurs confinés, comme les cœurs d’îlots par exemple ;
  • Faible présence de systèmes capables d’utiliser l’énergie thermique ambiante pour faire baisser la température localement, comme en sont capables la végétation via l’évapotranspiration, ou les sprays d’eau

 

 

Les moyens d’action

Lutter contre l’inconfort thermique consiste à trouver des parades à ces différentes sources de dysfonctionnement parmi quelques axes :

  • Limiter l’apport du rayonnement solaire par l’ombrage : ombrière, canopée… ;
  • Limiter le stockage de la chaleur dans les matériaux (sols et bâtis) ;
  • Faciliter la circulation de l’air ;
  • Utiliser l’énergie thermique ambiante pour réduire la température : évapotranspiration des végétaux, sprays, fontaines.

Pour un espace donné, suivant sa morphologie, son environnement, son sous-sol, son usage… l’objectif est d’aider à la prise de décision et à la conception en préconisant les solutions les plus adaptées, les plus efficientes, tout en prédisant leur impact, en se reposant sur le triptyque métrologie, modélisation, simulation.

Parmi ces solutions, quelles sont celles qui ont le plus d’impact ?

Pour tenter de répondre à cette question sensible, précisons d’abord à quelle température nous nous intéressons. En premier lieu, il s’agit de température usager, à savoir une température à « hauteur d’homme » et non pas une température de sol. Ensuite, nous raisonnerons sur les températures moyennes diurnes et nocturnes, ainsi que sur l’évolution de la température au cours de la journée qui rend compte de la dynamique.

Intéressons-nous ensuite à deux solutions largement utilisées, le revêtement de sol et la végétation.

L’impact thermique des revêtements de sol

S’il est couramment préconisé d’augmenter l’albédo des revêtements de sol afin de réduire l’effet d’îlot de chaleur, il convient d’être prudent sur cet aspect. Si les températures de surface de deux revêtements d’albédo différents, peuvent présenter quelques dizaines de degrés d’écart, il n’en va pas de même pour la température ressentie par l’usager. Les mesures que nous avons réalisées sur différents sites urbains, ainsi que celles réalisées de manière systématique sur une vingtaine de revêtements de sols d’albédos variables, montrent que la température usager moyenne diurne reste assez peu sensible à l’albédo du sol (de l’ordre de 1°C entre un enrobé sombre et un sol très clair), confirmant l’analyse de Santamouris et al.[1]. Les sols clairs stockeront moins d’énergie au cours de la journée, mais l’usager recevra les rayonnements direct et réfléchi impactant fortement son ressenti, un peu suivant le principe connu des fours solaires. La température moyenne nocturne est, quant à elle, nettement plus impactée, de l’ordre de 3 à 4°C, du fait d’un moindre stockage de chaleur. Les profils de température diurne sont cependant sensiblement différents.

Schématiquement, sur un sol à fort albédo, la température monte plus rapidement en cours de matinée, atteint un pic entre midi et quatorze heures puis décroit. Sur un sol à faible albédo, les pics de température sont plutôt observés en fin de journée, lorsque le soleil baisse et que le matériau restitue la chaleur accumulée durant la journée. Ajoutons le potentiel inconfort visuel lié à la réverbération et nous conviendrons que l’impact du revêtement n’est pas aussi simple à évaluer.

Et la végétation, la nature en ville ?

Beaucoup plus impactantes, mais tout aussi complexes, voire plus, les solutions de végétalisation sont très largement plébiscitées. Elles agissent à tous les niveaux et apportent des services écosystémiques variés : bien-être, biodiversité, qualité de l’air, stockage de carbone…

Un espace sous canopée et sur sol engazonné (avec deux strates de végétation donc) pourra présenter une température moyenne diurne de 7 à 8°C inférieure à celle d’un espace minéral de même morphologie, avec des écarts aux heures chaudes pouvant atteindre les 14°C.

 

De même, une surface simplement engazonnée pourra mener à un écart de 2,5°C de température moyenne diurne.

Nous avons pu observer différents cas :

  • Des arbres en pleine terre qui souffrent de stress hydrique
  • Des arbres sur dalle, mais bien arrosés, qui apportent un bon service écosystémique

L’accès à la ressource en eau semble être bien plus déterminant que la notion de pleine terre ou non. Reste qu’un arbre en pleine terre trouvera plus facilement un fonctionnement autonome pour accéder à la ressource en eau.

 

Cette baisse de température dépend fortement de la capacité d’évapotranspiration et de paramètres de densité de cette végétation :

  • Densité surfacique : à surface de canopée identique, un îlot concentré apportera une baisse de température locale nettement supérieure à celle induite par une canopée dispersée ;
  • Densité verticale avec la stratification de la végétation ;
  • Densité foliaire des essences.

(2) Impact de la végétation stratifiée

Le cumul des impacts des différentes strates de la végétation (voir graphe (3)) permet d’envisager de faire appel à essences, chacune plus résistante à la chaleur, tout en maintenant un rafraîchissement de bon niveau. À cela s’ajoutent d’autres avantages comme une plus grande biodiversité et un meilleur maintien de l’humidité au sol.

Traduire ces mécanismes dans un outil de simulation prédictif

L’intégration de l’ensemble de ces stratégies de lutte dans l’outil de simulation permet de rendre compte très rapidement de l’impact des solutions envisagées pour un espace donné. L’exemple ci-contre présente une carte thermique d’un projet d’aménagement à Avignon avec changement de revêtement de sol, végétalisation à plusieurs strates, ombrage…

En combinant thermique et aéraulique, il est également possible de déterminer, par exemple, l’impact d’une mini-forêt sur son environnement proche sous l’effet d’un vent modéré.

Intéressant, mais à ce stade, nous partons de l’hypothèse que la végétation est à son maximum d’apport écosystémique, ce qui n’est pas toujours le cas.

L’importance fondamentale de la ressource en eau : une limite à la simulation.

 

Sur la figure (5) , les courbes du haut représentent la température et celles du bas, le taux d’humidité relative, de trois espaces de morphologie similaire : un espace totalement minéral et deux espaces sous canopée, par un jour chaud d’août 2021. Elle met en mise en évidence l’arrêt momentané du rafraîchissement apporté par une strate arborée en stress hydrique (hausse brutale de température, baisse de l’humidité relative), par rapport à une autre strate arborée identique mais correctement hydratée. Elle illustre bien le rôle essentiel de l’évapotranspiration et, par voie de conséquence, de l’accès à la ressource en eau.

Un accès qui peut être monitoré par des sondes hygrométriques dans le sol, mais dont la prédiction par les outils de simulation microclimatique reste inaccessible aujourd’hui.

Pourtant, l’impact de la ressource en eau se traduit par des écarts de plusieurs degrés sous canopée ! Dans le même ordre d’idée, un sol engazonné n’ayant plus accès à la ressource en eau se comportera peu ou prou comme un sol minéral, du point de vue de l’ambiance thermique.

Le triptyque acquisition de données locales, modélisation et simulation

L’acquisition de données locales est un passage important pour rendre compte de l’occurrence du phénomène ICU durant les périodes estivales. Elle reste tout aussi performante pour comprendre et quantifier la montée en température des espaces. L’analyse des données ainsi acquises nourrit et recale les modèles intégrés aux outils de simulation. Ces trois approches complémentaires (acquisition de données locales, modélisation et simulation) permettent non seulement de prédire les impacts des solutions de lutte contre l’inconfort thermique avec un bon niveau de précision, mais aussi d’accompagner les services des espaces verts dans la compréhension des comportements des végétaux et la prévention du stress hydrique.

Un article signé Eric Larrey, directeur de l’innovation du Groupe VERDI. www.verdi-ingenierie.fr / https://www.linkedin.com/company/verdi-ingenierie

Crédit photo : ©VERDI Ingénierie.

 

[1] «On the impact of modified urban albedo on ambient temperature and heat related mortality » , M.Santamouris, F.Fiorito, Solar Energy, Volume 216, 1 March 2021, Pages 493-507


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