Îlot de chaleur urbain

1. Phénomène

La ville est sujette au phénomène d’îlot de chaleur urbain (ICU), qui est caractérisé par des températures plus élevées dans la conurbation par rapport à la campagne. Cette différence provient à la fois des caractéristiques géométriques et du type des surfaces, différents dans chaque environnement :

  • Le piégeage radiatif qui survient en journée, lorsque les réflexions des rayons solaires augmentent la quantité d’énergie absorbéeainsi que la nuit, du fait de la relative étroitesse des rues par rapport aux façades, inhibant le refroidissement avec le ciel. 
  • The tortuosité des rues limite la vitesse du vent par rapport à un milieu dégagé et réduit ainsi le rafraîchissement des surfaces par convection. 
  • The forte minéralisation de l’environnement urbain implique qu’il stocke plus de chaleur qu’un sol végétal, rendant le refroidissement nocturne moins perceptible.
  • L’évapotranspiration de la végétation basse ou haute (le fait qu’elle dégage de l’eau sous forme de vapeur – d’où la nécessité de l’arrosage) permet de maintenir une température de feuillage relativement basse. L’ombrage apporté par la couronne des arbres engendre également une diminution des températures par rapport à un sol sans couvert.

Le phénomène d’ICU est illustré sur la figure qui suit, tirée des Cahiers de l’APUR et représentant l’écart de température entre le centre-ville de Paris et le milieu rural environnant.

Illustration de l’effet d’îlot de chaleur urbain, réalisée par l’APUR.

Dans le contexte du réchauffement climatique, qui engendre une hausse de la fréquence et de l’intensité des épisodes caniculaires, il apparaît comme impératif de pouvoir anticiper les niveaux de température et de confort dans la ville de demain.

Différents types de modèles numériques existent pour prévoir le climat urbain, de l’échelle régionale à celle de la rue :

  • Le modèle TEB développé au CNRM permet de simuler à une large échelle les évolutions de température d’air en couplant une modèle de canopée urbaine avec des rues « canyon » simplifiées comportant un modèle unidirectionnel de transfert thermique, du sol vers la canopée.
  • Les outils de simulation couplés, comme SOLENE-micro climat or ENVI-MET offrent un niveau de détail plus élevé pour la modélisation de l’environnement urbain et proposent une résolution couplée des transferts de chaleur par convection et rayonnement avec une simulation aéraulique anisotherme. Cette approche, qui inclut le comportement thermique dynamique des bâtiments et de leurs équipements ainsi que des bilans hydriques sur la végétation, a l’avantage certain de la précision. Le coût calculatoire est néanmoins élevé, avec des temps de calculs de l’ordre de plusieurs dizaines d’heures pour un temps simulé de l’ordre de la semaine.

L’expérience du processus de conception montre qu’il est par nature itératif : ainsi de nombreuses variantes de projets doivent être évaluées. Il importe donc de disposer d’un modèle suffisamment détaillé pour évaluer l’impact de l’aménagement sur le comportement thermique d’un espace et assez rapide pour permettre le test de variantes et l’analyse de sensibilité aux paramètres requise durant la conception.

 

2. Une approche : le couplage faible

Afin de répondre à ce besoin d’itérer, un modèle alternatif a été développé au sein d’AREP, basé sur un découplage des calculs thermique et aéraulique. L’idée est de valoriser les calculs de mécanique des fluides réalisés pour déterminer le champ des vitesses d’air et d’améliorer la précision du calcul à moindre coût. Les logiciels libres EnergyPlus et openFOAM sont utilisés à cette fin. En termes de placement, la méthode développée vise à permettre une simulation annuelle du phénomène, notamment pour évaluer la fréquence des épisodes caniculaires sur une saison estivale complète. En termes d’échelle spatiale, la simulation du bâtiment jusqu’au quartier est réalisée. La figure suivante illustre cette situation ainsi que les échelles de temps et d’espaces abordés par les outils existants.

Situation du modèle par rapport à certains outils existants.

2.1 Modèle thermique

On utilise les capacités du moteur de simulation thermique dynamique des bâtiments EnergyPlus pour obtenir les flux solaires incidents en façade et les températures des différentes surfaces en fonction de leur composition (albédo, matériau, épaisseur, vitrage…). Ainsi, les bâtiments sont représentés par des « zones thermiques » distinctes, la végétation basse est simulée avec un modèle de toiture végétalisée incorporant le bilan hydrique complet et les arbres sont supposés être des masques proches (sans calcul d’évaporation). La figure suivante illustre le du modèle principe.

Représentation des différentes « zones thermiques » dans le modèle développé.

L’intégration des facteurs de forme de rayonnement est également possible et fait actuellement l’objet d’un développement afin d’améliorer la modélisation.

2.2 Modèle aéraulique

L’approche de « soufflerie numérique » décrite en détail dans la « page d’à côté » est mise en oeuvre afin de calculer les champs des vitesses à l’échelle horaire, dans le respect des critères et bonnes pratiques de modélisation. Un exemple de résultat est fourni ci-après, montrant l’amplitude de la vitesse d’air à un instant donné sur le parvis de la gare de Strasbourg.

Champ des vitesses à un instant donné sur le parvis de la gare de Strasbourg.

 

2.3 Un coproduit : l’intégration des coefficients locaux de convection

Un coproduit de la simulation aéraulique intéressant à valoriser est la vitesse d’air locale proche des parois : en effet, celle-ci influe sur le coefficient d’échange convectif du modèle de simulation thermique dynamique.

L’animation ci-dessous donne les écarts de température de surface. On constate l’effet non négligeable de la convection liée au vent, avec une amplitude de 4°C d’écart positif ou négatif.

Différences de températures de surface avec/sans coefficients d’échange locaux sur un cas de démonstration.

2.4 Un (autre) coproduit : l’influence de l’environnement urbain sur les consommations d’énergie

Le fait de simuler la scène urbaine dans sa globalité avec une séparation des zones thermiques donne les consommations d’énergie par bâtiment (chauffage, climatisation, électricité) en sus du niveau de confort en extérieur, permettant une approche holistique du problème.

Géométrie de différents bâtiments dans une scène urbaine.

2.5 Principe du couplage faible

Afin de s’épargner les calculs de CFD anisotherme, on se propose de négliger l’influence de la « flottabilité » ou poussée d’Archimède sur les mouvements d’air : on suppose que la vitesse d’air l’emporte sur la différence de température entre l’air et les surfaces à son contact. Autrement dit, on néglige la convection naturelle.

Cette hypothèse forte est vraie en présence de vent et simplificatrice en son absence. L’approche de modélisation, à défaut d’être exacte, permet de réduire considérablement l’effort calculatoire et est plus pertinente que de renoncer à procéder au calcul.

Sous cette hypothèse, celui-ci se réduit à un « simple » bilan thermique en régime permanent pour chaque maille (voir figure ci-après pour le cas 2D), conformément au principe de conservation de l’énergie.

Schéma des contributions au bilan sur une maille pour le calcul de la température d’air.

Cette approche simplifiée permet de résoudre à la fois le champ scalaire des températures et celui des humidités. Ainsi l’influence de l’évapotranspiration sur la température et la quantité de vapeur d’eau dans l’air ambient sont également prises en compte.

Un exemple de résultat est présenté sur la figure ci-dessous, montrant les isovolumes supérieures de 2°C à la température d’entrée d’air dans le volume maillé. On peut y observer l’augmentation des températures d’air dans les zones de recirculation en aval de l’écoulement, derrière les bâtiments.

Écart de température avec la température d’entrée dans le domaine fluide : influence des zones de recirculation.

3. Validation expérimentale

[section en construction]