Réchauffement climatique, canicule : comment prévenir les « bulles » de chaleur urbaines ?

Réchauffement climatique, canicule : comment prévenir les « bulles » de chaleur urbaines ?

Réchauffement climatique, canicule : comment prévenir les « bulles » de chaleur urbaines ?

La forte croissance de la population mondiale favorise le développement des zones urbaines dont les superficies devraient tripler d’ici 2030 [1]. Pour éviter les conséquences néfastes d’un étalement urbain telles que la déforestation, la suppression de milieux naturels et l’augmentation des consommations de carburant liées au transport, la densification urbaine est à privilégier.

Cependant, cette densification n’est pas sans impacts sur le confort d’été. De nombreuses études pointent le manque de prise en compte de l’effet de chaleur des îlots urbains, ayant pour origine la concentration et la forte intensité des activités humaines, la modification de la nature des sols et des revêtements, le manque de ventilation naturelle ou simplement le climat. La question du confort d’été en milieu urbain devient ainsi de plus en plus actuelle dans un contexte de réchauffement climatique et de préoccupations environnementales.

Anticipant d’ici 2050 une population urbaine croissante, Jean Jouzel climatologue et ancien vice-président du groupe scientifique du GIEC, réaffirme l’importance de « bâtir des villes moins émettrices et plus adaptées à leur environnement local pour éviter les îlots urbains de chaleur »[2].

Pour mieux anticiper ce phénomène, de nombreux axes d’innovation sont étudiés aujourd’hui dans le but de garantir plus de fraîcheur.

Constat

Les milieux urbains peuvent connaitre des épisodes de chaleur très localisés durant l’été. Ces « ilots » peuvent même atteindre des différences de température de l’air allant de 5 à 10°C entre le centre-ville et la périphérie[3]. Si cela peut être une source de désagréments ponctuels en été, cela devient fortement problématique lorsqu’une canicule survient. C’est le cas de l’épisode caniculaire de 2003 qui a été particulièrement ressenti en milieu urbain. D’ailleurs, l’augmentation de la mortalité a été estimée à 190% entre le 1er et le 20 août 2003 par rapport aux années antérieures[4]. D’autres canicules qui ont ensuite suivi en région parisienne, ailleurs en France ou dans le monde permettent de constater une hausse de la mortalité pendant les canicules. Ce phénomène doit nécessairement être pris en compte dans l’urbanisation.

Causes et conséquences des Îlots de Chaleur Urbain (ICU)

Les Îlots de Chaleur Urbain (ICU) sont des phénomènes de forte chaleur, locaux et épisodiques. Ces épisodes peuvent trouver une origine dans le réchauffement climatique. Cependant, ils sont en grande partie une « conséquence de l’urbanisation », d’après Julien Bigorgne, ingénieur environnement à l’Atelier Parisien d’Urbanisme (APUR)[3].  Ils sont ressentis lors de la combinaison de plusieurs configurations météorologiques simultanées. Entre autres, un vent faible et un ciel dégagé font ressentir plus fortement l’impact des rayonnements solaires. La période juillet-août est la plus favorable à ce phénomène.

Outre l’intensité des épisodes caniculaires liés au climat, la surchauffe en ville est aussi accentuée par différents facteurs liés aux activités humaines (paramètres anthropologiques), aménagements urbains (paramètres morphologiques) et les propriétés des matériaux constituant la ville (paramètres surfaciques).

Le saviez-vous ?

Les différences de température de l’air entre la périphérie et le centre-ville peuvent aller de 5 à 10°C.

Source : ADEME [5]

L’inertie thermique des matériaux urbains se définit par leur capacité à emmagasiner la chaleur puis à la restituer en déphasage. On considère par exemple que les zones rurales ont une inertie thermique moins importante (terre, végétaux etc…) que les milieux urbains (bitume, béton, revêtements en tout genre etc…)[6].  Par conséquent, le refroidissement nocturne en zone urbaine est fortement limité. En effet, bien que l’air se trouvant au-dessus de la zone en question ne reçoive plus d’énergie solaire, la chaleur emmagasinée dans les matériaux et surfaces imperméables est restituée à l’atmosphère urbaine. De ce fait, l’îlot de chaleur urbain est une source d’inconfort de jour comme de nuit.

L’image appuie ce concept en présentant la répartition spatiale à un instant précis de l’écart de température ressentie entre les zones végétalisées périphériques et une zone urbaine, Paris en l’occurrence.

De même, l’image ci-contre met en évidence la tendance observée entre l’effet de restitution de la chaleur stockée par l’inertie urbaine et le rafraîchissement du milieu rural avec un pic de différence thermique, entre les deux milieux, notable pendant la nuit.

Cycles de température illustrant d’une part l’effet de restitution de chaleur stockée par l’inertie urbaine et d’autre part le rafraîchissement thermique en milieu rural [7]

Prévenir les îlots de chaleur et améliorer le confort été

Différentes techniques et aménagements existent pour mieux prévenir l’apparition d’îlots de chaleur, en phase de conception, de rénovation et atténuer ses effets au niveau du bâtiment, des îlots, des quartiers et de la ville.

Plusieurs paramètres sont à prendre en compte, notamment :

  • L’aménagement urbain permettant d’éviter l’emprisonnement de la chaleur;
  • L’emploi de l’eau comme rafraîchissant urbain;
  • La végétalisation des îlots, des quartiers, des villes;
  • Les matériaux à privilégier et les aménagements au niveau du bâtiment.

« Plus une ville est ordonnée, plus sa température est élevée » [8]

A l’échelle du bâtiment (solutions architecturales)

La conception des bâtiments doit être pensée de manière à garantir un certain confort aux résidents. L’une des premières étapes à atteindre pour allier confort thermique et performance énergétique est l’orientation du bâtiment. Les ouvertures doivent permettre de capter l’énergie solaire l’hiver. En France métropolitaine, ces ouvertures doivent être créées vers le sud[9]. Il faut également prévoir des brise-soleil (stores, balcon…) pour protéger ces ouvertures des rayons solaires durant l’été.

Par ailleurs, le rafraîchissement du logement par le biais de l’air climatisé fournit de la fraîcheur sur commande, c’est-à-dire dès que la température intérieure du logement devient inconfortable. Paradoxalement, la climatisation de l’air intérieur a tendance à accentuer l’impact des îlots de chaleur urbain par les rejets de chaleur extérieure dans l’air. En effet, une corrélation existe entre les journées de canicule et l’augmentation de la consommation électrique. En cause, l’utilisation de la climatisation. C’est ce que relate une étude américaine quantifiant l’impact de la consommation électrique sur les émissions de polluants[10].

Une alternative à l’utilisation de climatiseurs est de créer des îlots de fraîcheur comme des terrasses plantées ou même une cour intérieure. Cependant, l’impact de ces aménagements ne permet pas aux autres logements d’un même immeuble de bénéficier de ces bienfaits.

« A Paris, la chaleur anthropique, due par exemple à l’éclairage ou à la climatisation, est jugée responsable d’une hausse de la température de 1 à 2°C » [14]

En revanche, une façade végétalisée peut permettre de protéger des chaleurs intenses en abaissant la température des surfaces et de l’air grâce à un effet ombrageant et par évapotranspiration.

De même, les toitures végétalisées assurent de bonnes performances thermiques et acoustiques au bâtiment et optimisent la rétention d’eau de pluie tout en lui conférant un aspect esthétique[11]. Il existe à ce sujet des règles professionnelles clairement établies permettant dans un souci de pérenniser les aspects et les fonctionnalités des toitures végétalisées, d’organiser les actions de conception, réalisation, contrôle et d’entretien[12]. D’autre part, certaines technologies connues sous le nom de « Cool Roof » intègrent des caractéristiques de réflectivité et d’émissivité. Elles permettent d’allier performance énergétique, confort été, étanchéité et réduction d’îlots de chaleur en appliquant une des membranes d’étanchéité claires ou même une peinture blanche sur les toitures, dans la mesure où la configuration le leur permet. Ce procédé permettrait de réduire jusqu’à 20°C la température du toit « repeint » en blanc par rapport à un recouvrement noir[13].

A l’échelle  de l’îlot / du quartier (végétalisation et aménagements urbains)

La végétalisation des sols en substitution des enrobés de bitume peut faciliter le contrôle de la chaleur en zone urbaine grâce à leur perméabilité et leur évapotranspiration (en utilisant par exemple, des pavés alvéolés entre lesquels l’herbe peut pousser). La démarche est donc de désimperméabiliser les sols pour garder une humidité au sol favorisant le maintien de fraîcheur.

Le "facteur de vue du ciel" (SVF) est un indicateur qui permet d'évaluer la facilité avec laquelle se produit le refroidissement nocturne par échange radiatif avec le ciel. En zone rurale ce refroidissement est maximum (SVF = 1), en ville il est contraint par la présence des bâtiments (SVF <1). [12]

Compte tenu des différents paramètres impactant les ICU, l’aménagement d’un quartier et à plus grande échelle d’une ville doit pouvoir rafraîchir en période de chaleur l’ensemble de la zone urbaine et pas uniquement l’intérieur du logement.

Une première préconisation lors de la phase de conception d’un nouveau quartier est d’éviter les « canyons » ou dans la conception d’un nouvel espace urbain, il est important de considérer l’effet d’emmagasinement de chaleur et de prévoir une disposition permettant un refroidissement nocturne efficace en ayant une vue dégagée sur le ciel. On désigne pour cela un facteur de vue sur le ciel (SVF)[15]. Lorsque ce facteur est élevé, le niveau d’ensoleillement est certes important mais le niveau de refroidissement nocturne est plus efficace. A l’inverse, lorsque ce facteur est faible, le refroidissement nocturne est peu efficace en période de canicule.

Une seconde préconisation est d’intégrer au contexte urbain des espaces verts. Si ceux-ci présentent l’avantage de rafraîchir, leur impact reste cependant très limité. C’est ce que montre la simulation thermique réalisée par l’Agence Parisienne d’Urbanisme (APUR) : le parc Monceau, bien que frais, n’a pas ou peu d’effets sur la zone résidentielle voisine. Pour que l’impact soit réel, la création de parcs et espaces verts doit être pensée autrement.

C’est ce que propose l’architecte et urbaniste François Leclerq dans le cadre du grand projet Euroméditerranée 2. Il s’agirait d’articuler un nouveau quartier de Marseille traversé par un parc en longueur comme le présente la photo. Les constructions du quartier seraient ainsi disposées de manière à être rafraîchies par les brises marines et les nombreux îlots de fraîcheur. D’ailleurs, Météo France estime que « la création du parc abaisserait la température de 2,5°C à 4°C par rapport à une version dépourvue de cet espace »[16]. Le projet devrait voir le jour à partir de 2019.

Par contre, il faut penser à d’autres alternatives lorsqu’une ville est déjà bâtie ! Dans ce cas, d’autres leviers peuvent être explorés comme l’emploi de l’eau comme rafraîchissant au même titre que les matériaux employés.

Simulations thermiques mettant en avant l'impact de la densité urbaine sur les îlots de chaleur (ici un quartier haussmannien aux abords du parc Monceau, Paris.
Le projet Euromed 2 doit permettre de diffuser de la fraîcheur dans les quartiers traversés grâce à sa configuration en longueur

La nature en rescousse à l’urbanisation via les solutions fondées sur la nature ou Nature Based Solutions (NBS) :

Le projet européen Nature4Cities constitué d’un consortium international et inter-disciplinaire et coordonné par l’institut pour la transition énergétique NOBATEK/ INEF4 souhaite justement remettre la nature au cœur des processus d’innovation, de planification et de réalisation des projets urbains.

Il vise à créer une plateforme web de  références autour des solutions fondées sur la Nature. Sur cette plateforme, seront proposées des solutions techniques, des méthodes et des outils d’aide à la décision pour la planification urbaine. L’enjeu est d’aider à répondre aux défis environnementaux, sociaux et économiques contemporains rencontrés par les villes européennes. Nature4Cities souhaite démocratiser le concept de NBS et encourager l’essor de nouveaux modèles coopératifs, pour permettre le déploiement des NBS, en développant une plateforme de savoirs, d’évaluation et d’aide à la décision mais aussi de collaboration et de participation multi-partite.

A l’échelle de la ville (système d’atténuation)

L’emploi de l’eau en zone urbaine permet de rafraîchir les températures au sol. Par exemple, l’utilisation de pavés poreux à rétention d’eau, principalement alimentés par les eaux de pluie, humidifie le revêtement. L’eau de pluie est collectée et épurée pour alimenter les pavés au moyen de tuyaux goutte-à-goutte. Ce système permet d’abaisser la température de « 15 à 20°C au niveau du sol et de 2 à 3°C pour la température ressentie (indice climato-thermique universel, ou UTCI) au-dessus de la zone rafraîchie »[17].

Cependant, la porosité des pavés évaporatifs les rend plus fragiles qu’une chaussée classique. En alternative, les chaussées sont humidifiées par arrosage automatique. Moins efficace que les pavés évaporatifs, ce procédé permet néanmoins de réduire la température au sol de 3 à 5°C et d’environ 0,5°C de température ressentie pour les passants[18].

Par ailleurs, l’atténuation des îlots urbains passe par le choix des matériaux mais aussi par leur couleur. Les couleurs sombres ont une plus grande capacité de stockage de chaleur due aux rayons solaires que les couleurs claires. C’est l’expérimentation tentée par la ville de Los Angeles à l’été 2017. Celle-ci a repeint une partie de ses chaussées goudronnées en blanc pour mieux réfléchir la chaleur solaire. La température au sol de la chaussée a été réduite de 6 à 7°C[19]. Ce projet démontre l’importance des couleurs claires dans l’atténuation de la chaleur à l’échelle de quartiers et villes.

Enfin, les climatiseurs dans les logements profitent à l’intérieur de l’habitat en période de chaleur. Cependant, ce procédé servant exclusivement l’habitat équipé d’un climatiseur, rejette de la chaleur à l’extérieur et a une consommation énergétique non négligeable. En alternative, les réseaux de froid urbains permettent de centraliser la production de froid, réduire l’espace à l’intérieur des logements et surtout de réduire l’impact environnemental par une diminution des émissions des gaz à effet de serre, en plus de remplir leur fonction première de rafraîchissement des habitats raccordés[20]. Aujourd’hui, certains systèmes alimentent leur réseau de froid en bénéficiant de leur proximité avec un fleuve[21].

Revêtement de la chaussée en blanc dans les rues de Los Angeles (Crédit photo : BSS Los Angeles)

En bref

La Ville de Paris expérimente actuellement le projet « Cool&Low Noise Asphalt » pour lutter contre les îlots de chaleur en diminuant la température de 2°C en période estivale. L’expérimentation doit aussi permettre de lutter contre la pollution sonore.

Pour conclure

Ainsi, le phénomène des îlots de chaleur urbains (ICU) peut être particulièrement ressenti en période caniculaire. Les activités anthropiques, la morphologie urbaine et ses surfaces peuvent présenter des risques sanitaires conséquents s’ils sont négligés. De nombreuses solutions innovantes permettent d’atténuer les impacts des îlots de chaleur urbains. A l’échelle de l’habitat, l’orientation des ouvertures joue un rôle clé dans le confort thermique autant en été qu’en hiver. La végétalisation des façades permet de maintenir une certaine fraîcheur dans l’habitat. Cependant, ces solutions ne profitent qu’à échelle réduite. L’aménagement urbain favorisant la présence d’espaces verts et une disposition urbaine laissant l’air circuler joue donc un second rôle clé dans l’atténuation de la chaleur urbaine. Des techniques innovantes de réseaux de froid urbain doivent permettre de répondre aux critères de confort thermique tout en réduisant l’impact environnemental.

Enfin, le choix des matériaux de revêtements et les couleurs utilisées permettent de mieux prévenir les impacts des îlots de chaleur urbain.

L’atténuation de la chaleur urbaine est donc un point clé dans la stratégie de lutte contre le réchauffement climatique, l’objectif de l’Accord de Paris sur le climat étant de limiter le réchauffement en 2050 sous les 1,5°C par rapport à la période préindustrielle[22].

Sources :

© Photo : Mattia Ghidelli / Flickr

[1] « En 30 ans, les villes accueilleront trois fois plus de gens », Techniques de l’ingénieur, Audrey Loubens, octobre 2012.

[2] Jean Jouzel réagit au rapport du Giec sur un Réchauffement planétaire de 1,5°C : « ce rapport met les décideurs politiques face à leurs responsabilités », Magazine GoodPlanet Info, 8 0ctobre 2018

[3] Dossier Îlots de chaleur, « La ville veut rester maître du thermomètre », Le Moniteur version imprimée, Juin 2018.

[4] Emmanuelle Cadot et Alfred Spira, « Canicule et surmortalité à Paris en août 2003 », Espace populations sociétés,  2006, Résumé.

[5] Diagnostic de la surchauffe urbaine, Méthodes et applications territoriales« , ADEME, page 8, septembre 2017.

[6] « Les Îlots de chaleur Urbains », Institut D’Aménagement et d’Urbanisme, Novembre 2010, page 11

[7] Quarterly Journal Of The Royal Meteorological Society, Vol. 132, Janvier 2006, page 14.

[8] Roland Pellenq, CNRS et MIT dans Le Moniteur [3]

[9] « Les Îlots de chaleur Urbains », Institut D’Aménagement et d’Urbanisme, Novembre 2010, page 40.

[10] « Response of power plant emissions to ambient temperature in the eastern United States », mai 2017, Environmental Science & Technology, David Abel, Tracey Holloway, Ryan M. Kladar, Paul Meier, Doug Ahl, Monica Harkey, Jonathan Patz

[11] « Toitures végétalisées : une contribution au développement durable », CSTB, Edition 19 février 2008

[12] « Règles professionnelles pour la conception et la réalisation des terrasses et toitures végétalisées« , Adivet, l’Enveloppe Métallique du Bâtiment, CSFE, Mai 2018

[13] « Un toit frais pour économiser l’énergie », Le Moniteur, 22/09/2016

[14] Source : Julien Bigorgne, APUR, dans Le Moniteur [3]

[15] APUR, « Les îlots de chaleur urbains à Paris« , Cahier 1, Décembre 2012, page 21,22.

[16] « Simulation : Euroméditerranée 2 confirme ses hypothèses », Dossier Îlots de chaleur, Le Moniteur, 1er Juin 2018, page 56

[17] « Évaporation : L’eau, nouvelle alliée du rafraîchissement urbain », Dossier Îlot de chaleur, Le Moniteur, 1er juin 2018, page 58

[18] « Caractérisation d’îlots de chaleur urbains et humidification de chaussée à Lyon », Observatoire Régional des Effets du Changement Climatique Rhône-Alpes, novembre 2015, page 3

[19] « Etats-Unis : Los Angeles peint ses routes en blanc pour lutter contre la chaleur », France Info, 14 août 2017

[20] « La climatisation urbaine, comment ça marche ? », Société Urbaine de Climatisation

[21] « La Seine rafraîchit Paris grâce à un réseau de froid urbain », Batiactu, 28 Octobre 2015

[22] Accord de Paris, Points essentiels, Commission Européenne

[Etudes] Rénovation énergétique et décarbonation du secteur du bâtiment
[Dossier thématique] Labelliser pour massifier la rénovation énergétique : une stratégie efficace ?

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