Simulation microclimatique de l’ICU dans un quartier de la région de Dora Beyrouth

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Introduction générale

Le changement climatique est l’un des plus grands et sérieux dangers auquel l’humanité est confrontée. L’apparition des îlots de chaleur urbains (ICU) détectés dans les villes et provoquant une augmentation supplémentaire de la température de l’air, va amplifier le phénomène pour les populations urbaines. Le phénomène d’ICU est principalement lié aux actions humaines et ses impacts sont importants sur l’environnement, la santé et la consommation énergétique. Il est possible de limiter ce phénomène, en agissant dès maintenant en proposant des solutions et des stratégies d’adaptation. Depuis quelques dizaines d’années, l’analyse des îlots de chaleur a fait l’objet de nombreux projets et recherches dans plusieurs pays et sous différents climats, traduisant le fait que la conception des bâtiments doit prendre en considération l’interaction du bâtiment avec son environnement. La complexité du problème est due aux nombreuses interactions entre la morphologie urbaine et les phénomènes physiques et thermo-aérauliques. Les mesures observées montrent que la température des centres villes peut atteindre dans certains cas 10°C de plus que dans les régions rurales environnantes. L’élévation de la température va affecter principalement les charges climatiques des bâtiments. En hiver, l’effet est positif provoquant une réduction de la consommation reliée aux systèmes de chauffage, alors qu’en été la consommation énergétique nécessaire pour la climatisation est amplifiée avec une intensité plus importante dans les villes chaudes. Les travaux de (Santamouris, et al., 2001) ont montré que les charges thermiques d’un bâtiment de référence dans le centre d’Athènes, pourraient être doublées par l’effet d’îlot de chaleur et que le coefficient de performance COP des systèmes de climatisation était réduis de 25%. Parallèlement, l’élévation des températures instantanées maximales conduit aussi à une augmentation des puissances de crête de climatisation affectant le dimensionnement des systèmes d’air conditionné. Cette augmentation des charges de climatisation entraine une élévation de la demande d’électricité urbaine et des émissions de CO2. A leur tour, les systèmes de climatisation dégagent une quantité de chaleur dans l’ambiance extérieure créant une sorte d’auto-amplification de l’intensité d’îlot de chaleur.
L’objectif principal de cette thèse est d’analyser et de quantifier à l’aide d’une série de simulations microclimatiques, l’effet du phénomène d’ICU sur la consommation énergétique de climatisation d’une part, et sur le confort du piéton d’autre part, pour un cas d’un climat méditerranéen. Ce travail vise à déterminer le potentiel de rafraichissement de différentes stratégies d’adaptation en saison chaude dans le but d’intégrer ces stratégies dans la conception des projets urbains et dans les réglementations de construction.
Ce travail de thèse s’articule comme suit :
Le chapitre 1 présente une étude bibliographique du phénomène d’ICU, montrant ses causes et ses effets. Nous exposons dans ce chapitre les transferts de chaleur et de masse à l’échelle urbaine, ainsi que la notion du confort extérieur en présentant les indices d’évaluation. Ce
chapitre se termine par une présentation des ICU dans le contexte des climats méditerranéens et dans le cas particulier du Liban.
Le travail de thèse va s’appuyer sur la simulation numérique de ces phénomènes. L’outil numérique de simulation « ENVI-met » et les sous-modèle physiques de cet outil sont présentés dans le chapitre 2, ainsi que le principe de l’approche numérique pour la résolution des équations modélisant les sous-modèles. A la fin de ce chapitre, nous présentons une série de recherches récentes utilisant l’outil ENVI-met.
Dans le chapitre 3, nous abordons le cas d’un quartier dense de la ville Beyrouth. Des simulations à l’aide d’ENVI-met sont réalisées permettant d’analyser les variations spatiales et temporelles des paramètres microclimatiques. De plus, à l’aide d’une approche statistique, nous analysons les résultats obtenus et recherchons des relations entre le facteur de vu de ciel et les températures ambiantes et radiantes.
Dans le chapitre 4, l’analyse du potentiel des différentes techniques de réduction des ICU est réalisée. Dans un premier temps, nous étudions l’impact des surfaces végétalisées en implémentant les modèles d’arbres d’ENVI-met dans le quartier choisi. Dans un deuxième temps, l’effet de la modification de l’albédo des matériaux composants le quartier, est évalué. Cette partie de l’étude s’inscrit dans le contexte de l’utilisation d’un fort albédo au niveau de l’enveloppe des bâtiments et des sols. A la fin de ce chapitre, nous étudions le potentiel rafraichissant des sources d’eau à l’échelle du quartier en testant les effets des fontaines et des brumisateurs d’eau sur le microclimat urbain.
L’impact des scenarios de réduction d’ICU sur les charges de climatisation est présenté dans le chapitre 5. L’étude est réalisée en couplant ENVI-met avec le logiciel « Hourly Analysis Program ». Cette étude consiste à comparer les variations des charges climatiques sensibles et latentes de deux types bâtiments : un bâtiment « sensible » (le plus influencé par les techniques d’adaptation) et un bâtiment de référence situé au milieu du quartier. Pour compléter notre approche, à la fin de ce chapitre, une évaluation du confort extérieur est menée en étudiant un itinéraire piéton dans le quartier. La température physiologique équivalente PET est choisie comme indicateur pour évaluer les modifications engendrées par les stratégies proposées.

Etude bibliographique

Le changement climatique est devenu aujourd’hui une réalité et ses impacts sont présents dans les domaines de l’environnement (écosystèmes, qualité d’air), de la santé humaine et de l’évolution des modes de vie. Le réchauffement climatique va s’accentuer dans les prochaines décennies du fait des émissions des gaz à effet serre et de l’action de l’homme. Comme ces activités humaines se concentrent dans les zones urbaines, les villes contribuent d’une façon directe aux dérèglements climatiques. En 1995, la vague de chaleur qui a frappé Chicago a tué entre 550 et 800 personnes (Klinenberg, 2003). De même, la vague de chaleur survenue en Europe durant l’été 2003 appelée « canicule européenne de 2003 », a contribué à la mort d’environ 30 000 personnes dont 15 000 en France (Fouillet, et al., 2006). Une autre étude sur l’impact de la température ambiante sur la mortalité aux Pays-Bas (Huynen, et al., 2001), montre que chaque degré au-dessus de la valeur optimale de température entraine une augmentation de la mortalité de 2.72 %. Parallèlement au changement climatique, les villes connaissent un phénomène particulier, appelé îlot de chaleur urbain, qui va aggraver la situation.

Îlot de chaleur urbain

On définit l’îlot de chaleur urbaine « ICU » comme une zone urbaine dont la température est significativement plus élevée que celle des zones environnantes (Anquez & Herlem, 2011). L’ICU peut aussi être expliqué comme étant une élévation localisée de la température dans un milieu urbain par rapport à la température moyenne de cette zone. La Figure 1.1 illustre ce phénomène montrant une différence de température entre les zones rurales et le centre-ville. Ce phénomène qui est principalement nocturne, est dû à la présence des surfaces imperméables (routes, etc.) et de nombreux bâtiments dans les zones urbaines qui stockent de la chaleur durant la journée et la relâchent durant la nuit.

Table des matières

Introduction générale
Chapitre 1 Etude bibliographique
1.1 Îlot de chaleur urbain
1.1.1 L’îlot de chaleur surfacique
1.1.2 Îlot de chaleur atmosphérique
1.2 Echelle spatiale et temporelle dans laquelle se produisent les ICU
1.3 Les différentes causes du phénomène d’ICU
1.3.1 La forme urbaine
1.3.2 Les matériaux
1.3.3 Couvert naturel
1.3.4 Chaleur anthropique
1.4 Evaluation statique du phénomène d’ICU
1.4.1 ICU et taille de la ville
1.4.2 ICU et le rapport d’aspect H/W
1.5 Conséquences des ICU
1.6 Îlots de fraîcheur urbain et mesures d’adaptation aux ICU :
1.7 Bilan énergétique à l’échelle urbaine
1.7.1 Le bilan radiatif
1.7.2 Le flux anthropogénique
1.7.3 Le flux convectif
1.7.4 Le flux latent
1.7.5 Le flux conductif
1.7.6 Le flux stocké
1.7.7 Le flux advectif
1.8 Les effets aérauliques en milieu urbain
1.8.1 Modèles du champ de vitesse du vent
1.8.2 Modèles du champ de vitesse autour du bâtiment
1.9 Confort extérieur en milieu urbain
1.9.1 Etat de l’art
1.9.2 Indice PMV.
1.9.3 Indice PPD
1.9.4 Modèle MEMI et indice PET
1.9.5 L’indice « UTCI » (Universal thermal climate index)
1.10 ICU dans le contexte climats méditerranéens
1.11 Contexte libanais
1.11.1 Situation actuelle de la typologie des bâtiments libanais :
1.11.2 Etude bibliographique sur les îlots de chaleur à Beyrouth
Chapitre 2 Modélisation numérique du microclimat urbain.
2.1 Outils numériques
2.1.1 Outils Solène-microclimat :
2.1.2 Modèle TEB-SURFEX
2.1.3 ENVI-MET
2.2 Modèle physique décrit par ENVI-met
2.2.1 Flux de vent
2.2.2 Température et humidité
2.2.3 La turbulence atmosphérique
2.2.4 Flux radiatifs
2.2.5 Le modèle du sol
2.2.6 Le modèle de la végétation
2.2.7 Le modèle des surfaces du sol
2.2.8 La température des toits et des façades des bâtiments :
2.2.9 Modèle des gaz et des particules
2.2.10 Modèles des fontaines et des sprays d’eau
2.2.11 Calcul de la température moyenne radiante Tmrt
2.3 Méthodes numériques
2.4 Avantages identifiés de la version 4.0 d’ENVI-met
2.5 Recherches sur le microclimat urbain utilisant ENVI-met
Chapitre 3 Simulation microclimatique de l’ICU dans un quartier de la région de Dora
Beyrouth
3.1 Description du site
3.2 Simulation du microclimat du quartier Dora avec ENVI-met
3.3 Données d’entrée, conditions initiales et aux limites du modèle
3.4 Modélisation de la végétation du quartier
3.5 Premiers résultats issus du modèle
3.5.1 Température de l’air
3.5.2 Influence du facteur de vue de ciel
3.6 Comparaison des résultats obtenus par ENVI-met avec des données météo de Beyrouth
3.7 Cartes microclimatiques du modèle :
3.7.1 Cartes de la température ambiante :
3.7.2 Cartes de l’humidité spécifique
3.7.3 Carte de la température moyenne radiante
3.8 Effet du FVC sur la température ambiante et la Tmrt
3.9 Carte de la température physiologique équivalente (PET)
Chapitre 4 Etude numérique du potentiel des différentes techniques de réduction d’ICU
4.1 Etude du potentiel de la végétalisation
4.1.1 Modèle « Vert »
4.1.2 Etude de l’impact du modèle vert sur les paramètres microclimatiques
4.2 Etude de la modification de l’albédo
4.2.1 Modèle du quartier semi-blanc
4.2.2 Modèle «Bâtiment Blanc »
4.2.3 Modèle du quartier « Blanc »
4.2.4 Modèle « Blanc modifié »
4.3 Etude du potentiel de rafraichissement des fontaines et des brumisateurs d’eau
4.3.1 Modèle « Eau-fontaine »
4.3.2 Modèle «Brumisateur»
4.3.3 Modèle « Bleu »
Chapitre 5 Impact des potentiels de réduction d’ICU sur les charges climatiques et sur
confort extérieur.
5.1 Principe du calcul des charges thermiques dans HAP
5.1.1 Apports par transmission des murs extérieurs et des toits
5.1.2 Apports par transmission des vitrages
5.1.3 Apports par rayonnement solaire traversant les vitrages
5.1.4 Apports par les portes
5.1.5 Calcul de charges de partition.
5.1.6 Apports par éclairage
5.1.7 Apports des équipements électriques
5.1.8 Apports des occupants
5.1.9 Apports par infiltration
5.2 Choix d’un bâtiment sensible aux techniques de réduction d’ICU
5.2.1 Description du bâtiment étudié
5.2.2 Température des façades
5.2.3 Température des toits
5.3 Couplage entre ENVI-met et HAP – Données météorologiques d’entrée
5.4 Calcul des charges de climatisation
5.5 Bâtiment de référence
5.5.1 Description du bâtiment de référence et conditions d’entrée..
5.5.2 Calcul des charges de climatisation du bâtiment de référence
5.6 Confort du piéton
5.6.1 Cartes de la distribution spatiale du PET
5.6.2 Itinéraire du piéton
5.6.3 Itinéraire A-G : Cas initial
5.6.4 Itinéraire A-G : modèle vert
5.6.5 Itinéraire A-G : modèle bleu
5.6.6 Itinéraire A-G : modèle blanc
5.6.7 Itinéraire A-G : modèle bâtiment blanc
5.6.8 Itinéraire A-G : modèle « blanc modifié »
Conclusion et Perspectives
Annexes
Références