En finir avec la surchauffe urbaine grâce au numérique !

Sous le coup du double effet pernicieux du réchauffement climatique et de l’artificialisation à outrance de nos sols, les villes ont aujourd’hui bien du mal à contrer le phénomène de plus en plus problématique des îlots de chaleur urbains (ICU). Spécificité climatique des villes par rapport aux zones rurales, ce phénomène de surchauffe extrême ne manque pas d’être amplifié lors d’épisodes caniculaires particulièrement intenses, comme en cet été 2022.

Si le phénomène des ICU est aujourd’hui de plus en plus étudié, il reste néanmoins difficile à caractériser et à évaluer finement, tant le nombre de paramètres et de facteurs entrant en jeu est important : albédo (pouvoir réfléchissant) des surfaces, types de matériaux employés dans les bâtiments et les revêtements de sol, forme urbaine et organisation de l’espace, présence d’eau et de végétation, impact des activités humaines en ville, etc.

Egis s’est penché sur ce défi majeur des territoires urbanisés et a mis au point le premier outil de référence pour la mesure et l’étude de la surchauffe urbaine. Basé sur le logiciel QGIS et publié en open source, ICEtool est aujourd’hui une méthode simple, rapide et efficace pour appréhender la surchauffe urbaine dans toute sa complexité et tend à devenir aujourd’hui un outil de premier choix pour tous les acteurs de l’aménagement urbain.

Un pari fou : et si les ICU devenaient des IFU ?

Pour appréhender l’îlot de chaleur urbain, des modélisations microclimatiques complexes existent. Ces modélisations sont très précises, mais restent coûteuses en logiciel et en temps de simulation, ce qui peut les rendre inadéquates pour les phases amont des projets, au moment où il faut agir vite et qu’il est possible d’agir avec les concepteurs. En effet, une modélisation microclimatique peut prendre largement sept jours pour une journée de résultats calculés.

L’objectif des études menées par nos équipes a alors été d’examiner les îlots de chaleur pour essayer de les transformer en îlots de fraîcheur urbains (IFU) dès les phases amont des projets et ce, de manière synthétique et lisible.

Initialement baptisé ICE en 2020, ICEtool est destiné à répondre aux besoins de ceux qui « fabriquent » la ville, avec l’intention de diffuser au maximum cet outil, implémentable sur QGIS, et de le mettre en open source.  

De prise en main simplifiée, cet outil conserve néanmoins une approche scientifique quantitative, là où d’autres outils existants sur le marché privilégient plutôt des critères qualitatifs. ICEtool permet de calculer la température de surface du sol sur un quartier afin de quantifier l'effet d'îlot de chaleur urbain. Dans sa dernière version, il est complètement intégré à QGIS et améliore le calcul. Dans sa dernière version, il intègre dans le calcul du bilan thermique des surfaces, l’évapotranspiration, la température à l’intérieur des sols en fonction des données météorologiques et des matériaux de revêtements en place, ainsi qu’une base de données de matériaux plus conséquente.
 

Une panoplie d’outils fiables pour mesurer la surchauffe urbaine

Egis dispose désormais d’une palette grandissante d’outils basés sur des logiciels utilisés par tous, rapides et efficaces comme QGIS. Leur niveau de détail et leur caractère scientifique permettent d’établir un calcul thermique urbain précis, grâce aux données en température de surface, ainsi qu’une cartographie comparative entre différents scenarios de projets et l’existant. Ces outils sont intégrables dans les bases de données existantes des programmes de SIG et open data, et se veulent « sans boîte noire », open source, modifiables et éditables.

Avec ICEtool, il est donc désormais possible de comparer l’existant avec des projets futurs, de quantifier l’impact des aménagements et de cibler les points critiques de la zone d’étude. Cette première approche d’aide à la conception donne des indications essentielles pour rassurer sur la qualité d’un aménagement futur ou pour proposer une étude plus poussée avec modélisations microclimatiques.

L’outil est aujourd’hui parfaitement opérationnel. Nos équipes ont plus d’une fois eu l’occasion d’en démontrer les performances sur des projets urbains, à l’instar de la requalification de la friche Cartorhin à Guebwiller, en Alsace. Ce projet, en hypercentre d’une petite ville de 11 000 habitants dans la région des vins d’Alsace, se trouve sur une ancienne friche industrielle démolie avant le démarrage de notre mission de maîtrise d’œuvre. L’objectif principal était la déminéralisation, la végétalisation ainsi que la création d’un axe transversal majeur pour rejoindre le parvis de la place de la République (centrale). L’utilisation de ICEtool comme outil d’aide à la décision a permis de proposer un projet écoconçu présentant plus d’un tiers d’espaces verts arbustifs et beaucoup d’arbres. La prise en compte de l’effet d’îlots de chaleur urbains dans ce projet test s’est faite au fur et à mesure du développement afin de démontrer le gain en confort thermique pour les usagers. Soit environ 6 °C de température moyenne de surface comme l’illustrent les rendus ci-dessous, présentant également les anciennes cartes datant de novembre 2021.

Un diagnostic thermique au plus juste

Pour caractériser la surchauffe urbaine, nous calculons la température de surface des sols de notre projet à partir d’un maillage et d’un bilan énergétique. C’est un premier indicateur efficace qui permet simplement de comparer deux endroits et de mesurer, par extrapolation, le confort des citadins.

Il est possible de choisir une durée de calcul, la moyenne de cette durée (souvent la journée) ou des horaires spécifiques. Comme indicateur final, nous pouvons donner la moyenne temporelle et spatiale de la température de surface, ainsi que la maximale ou la minimale. L’outil étant 100 % numérique, il est possible de moduler les indicateurs autant qu’on le souhaite en fonction des spécificités des projets.

Pour faciliter l’usage et permettre au plus grand nombre de réaliser ce type d’étude, nous avons associé l’outil au système d'information géographique (SIG) QGIS, qui a la particularité d’être open source. L’autre avantage est qu’avec QGIS, nos solutions sont formellement mathématiques et nos cartes personnalisables, au gré des besoins.
  

Une méthode intégralement réalisée dans QGIS en 3 étapes :

1. Calculer les ombres des arbres et bâtiments (sur une journée pour un calcul rapide)
2. Appliquer les matériaux du sol depuis une base de données également fournie en open source
3. Réaliser un bilan énergétique des surfaces du sol pour obtenir les températures de surface (le maillage est créé automatiquement) avec une interpolation.

Une bonne partie des informations de base est accessible en open data (plans, hauteurs des bâtiments…).

Faciliter les choix d'aménagement

L’outil nous permet de faire une comparaison fiable et scientifique des aménagements. Il n’est pas là pour se substituer à une modélisation poussée, mais pour orienter vers le meilleur choix d’aménagement. C’est avant tout une aide à la décision.

L’illustration ci-dessous donne à voir quelques changements simples à opérer sur une place urbaine : remplacer le type d’enrobé, irriguer davantage et changer le gazon, planter plus d’arbres, etc. Avec ce genre d’actions, il est possible d’atteindre une amélioration de 2 °C dans la moyenne des températures de surface des journées.

 
 
Pour modéliser les matériaux de façon assez complète, nous avons pris en compte les paramètres thermiques comme l’albédo, l’émissivité, la conductivité thermique, la capacité thermique et le coefficient de l’évapotranspiration.  

Le développement de l’outil a nécessité de sourcer et de qualifier les données pour avoir une base la plus fiable possible. Les données viennent des articles scientifiques provenant de travaux de référence comme Spectral Library of Impervious Urban Materials et du Lawrence Berkeley National Laboratory, ainsi que d’autres comme MatWeb pour compléter certaines données. La base étant aussi libre, il est bien sûr possible de la faire évoluer en ajoutant des matériaux particuliers dont les informations thermiques sont connues. 

Open source

Avec cet outil, nos équipes ont exprimé la volonté de proposer une ingénierie environnementale open source pour permettre à l’ensemble des acteurs du monde du bâtiment et de la ville de s’impliquer dans la conception d’espaces urbains et de bâtiments qui allient confort d’utilisation et réduction de l’empreinte écologique. Cet outil est évolutif et intègre de nouveaux retours d’expériences sur des cas appliqués. Bien que des développements logiciels ultérieurs soient encore à l’étude, l’outil est d’ores et déjà parfaitement utilisable en l’état pour étudier les enjeux climatiques à l’échelle urbaine.

Un article signé Olivier Ledru, Arthur Evrard, Marguerite Fournier, Guillaume Meunier et William Weltzer d'Egis.

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