Modélisation de la végétation urbaine et stratégies d’adaptation pour l’amélioration
du confort climatique et de la demande énergétique en ville
Thèse présentée et soutenue par Cécile de Munck en vue de l'obtention du Doctorat de l'Université de Toulouse
Le 8 novembre 2013Nous vous présentons le début, le sommaire et la fin de ce document pour vous inviter à le lire dans son intégtalité : : Thèse
Mots clé : changement climatique, climatisation, modélisation du climat urbain, bâti-végétation, confort thermique, toitures végétalisées, efficacité énergétique
Résumé
Les projections climatiques prévoient une amplification du réchauffement climatique, potentiellement exacerbée en milieu urbain du fait du phénomène d'îlot de chaleur urbain. La recrudescence d'évènements extrêmes comme les canicules peut avoir des conséquences écologiques, sanitaires, et économiques dramatiques à l'échelle des villes qui concentrent la population. Parmi les mesures d'adaptation visant à améliorer le confort climatique et la demande énergétique, la climatisation et la végétalisation urbaine constituent deux leviers d'action aux effets parfois antagonistes. Ce travail de thèse - mené dans le cadre des trois projets de recherche CLIM2, MUSCADE et VegDUD, propose d'évaluer ces effets par des simulations du climat urbain à l'échelle de l'agglomération parisienne. La modélisation repose en particulier sur le modèle de canopée urbaine TEB qui permet de simuler les échanges de chaleur, d'eau et de quantité de mouvement entre les surfaces urbaines et l'atmosphère, et depuis peu l'énergétique des bâtiments et des indices de confort thermique dans les bâtiments et dans les rues.
Afin d'améliorer la prise en compte de la végétation urbaine dans TEB, un modèle de toitures végétalisées extensives a tout d'abord été développé et évalué. Différentes pratiques d'arrosage de la végétation urbaine au sol ou sur les toits ont également été paramétrées.
Les scénarios d'adaptation de la ville de Paris par la climatisation, évalués dans le cadre de CLIM2 pour la canicule 2003 par des simulations couplées de TEB avec un modèle atmosphérique, ont mis en évidence que toutes les formes de climatisation qui rejettent de la chaleur dans l'atmosphère (sèche ou humide) génèrent une augmentation de la température des rues au niveau des piétons.
Ce réchauffement, proportionnel à la puissance des rejets de chaleur sensible dans l'atmosphère, est en moyenne de 0.5 à 2_C, selon le niveau de déploiement de la climatisation.
Différentes stratégies de végétalisation ont ensuite été mises en oeuvre et évaluées toujours sur Paris, en faisant varier soit la végétation au sol (plusieurs taux et types de végétation testés), soit celle en toiture (avec ou sans arrosage), soit les deux. Ces simulations, réalisées dans la configuration générale du projet MUSCADE, i.e. en mode forcé avec une version de TEB disposant d'un générateur dynamique d'îlot de chaleur urbain, ont montré que l'augmentation de la couverture végétale au sol a un pouvoir rafraîchissant plus efficace que les toitures végétalisées, et ce d'autant plus que le taux de végétalisation et que la proportion d'arbres sont importants. Les toitures végétalisées quant à elles constituent le moyen le plus efficace de réduire la consommation d'énergie, non seulement estivale mais aussi à l'échelle annuelle, essentiellement grâce à leur pouvoir isolant.
Projection du climat futur des grandes métropoles européennes, calculée pour le scénario d’émission A2
avec le modèle régional du Hadley Centre HadRM3H d’après Hallegatte et al. (2007)
Sommaire1 Introduction 1
I Contexte et état de l'art . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2 Etat de l'art . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7
2.1 Villes et changement climatique : contexte et enjeux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.1.1 Ilot de chaleur urbain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.1.2 Changement climatique et conséquences en ville . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2 Stratégies d'adaptation pour les villes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.2.1 La climatisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.2.2 Les stratégies de végétalisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.2.2.1 Différentes typologies de végétation mises en oeuvre en ville . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.2.2.2 Rôle de la végétation urbaine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.2.2.3 Etat des lieux des études existantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.2.3 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263 Contexte et outils de recherche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.1 De la modélisation du climat urbain à la modélisation de l'adaptation des villes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.1.1 SURFEX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.1.2 TEB : le schéma urbain d'origine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.1.3 TEB-Veg : une meilleure prise en compte des interactions bâti-végétation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.1.4 TEB-BEM : une meilleure description de l'énergétique du bâtiment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.1.5 TEB-UHI : un générateur d'îlot de chaleur dynamique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.1.6 TEB-UTCI : un modèle pour évaluer le confort thermique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.2 Projets CLIM2, MUSCADE et VegDUD et objectifs de la thèse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45II Adaptation par la climatisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4 Climatisation et confort . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
4.1 Présentation et synthèse de l'étude CLIM2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.2 Article . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56SOMMAIRE
III Adaptation par la végétation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
5 Modélisation des toitures végétalisées dans TEB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
5.1 Etat de l'art des modèles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
5.2 Caractérisation hydraulique des sols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
5.3 Développement d'un modèle de toitures végétalisées pour TEB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
5.3.1 Synthèse de l'article . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
5.3.2 Article . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 866 Méthodologie pour l'évaluation de stratégies de végétalisation pour le confort estival . . . . . . . . . . . .107
6.1 Construction des scénarios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
6.1.1 Leçons tirées de projets de recherche récents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
6.1.2 Choix des stratégies de végétalisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
6.2 Simulation des scénarios de végétalisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
6.2.1 Deux périodes de simulation pour deux types d'analyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
6.2.2 Configuration des simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
6.2.3 Nouvelle paramétrisation pour l'arrosage de la végétation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
6.2.4 Cartes d'occupation du sol spécifiques à chaque scénario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
6.3 Choix des indicateurs pour évaluer les stratégies simulées . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
6.3.1 Indicateurs de confort thermique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
6.3.2 Indicateurs d'efficacité énergétique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
6.3.3 Indicateurs hydrologiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1297 Performances des stratégies de végétalisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
7.1 Impact de la végétalisation sur le confort thermique extérieur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
7.1.1 Comparaison de la température de l'air dans les rues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
7.1.2 Conséquences en termes de confort thermique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
7.2 Impact de la végétalisation sur les consommations d'eau et d'énergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
7.3 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153IV Impacts saisonniers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
8 Impacts saisonniers des mesures de végétalisation . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
8.1 Impacts sur les températures à 2 m dans les rues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
8.2 Impacts sur les consommations d'énergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
8.2.1 Variations annuelles et saisonnières d'EFcum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
8.2.2 Variations annuelles moyennes d'EPcum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
8.3 Impacts sur la gestion de l'eau urbaine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
8.4 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1729 Conclusions et perspectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
A Influence of air conditioning management on Paris street temperatures . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . 181
B Présentation d'ISBA-DF pour la modélisation des toitures végétalisées . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
C Configuration MUSCADE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
C.1 Configuration de modèles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
C.2 Caractéristiques des bâtiments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198
C.3 Données physiographiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
Conclusions
Afin d'améliorer la prise en compte dans le modèle TEB de la végétation urbaine, j'ai développé une paramétrisation pour la modélisation de toitures végétalisées extensives, baptisée GREENROOF.
Cette paramétrisation permet de décrire des toitures réalistes composées de végétation (sédum ou gazon), du compartiment de sol associant une couche de substrat et une couche de drainage, ainsi que de matériaux isolants ou d'étanchéité qui sont souvent ajoutés à l'installation de ce type de dispositif sur le toit structural. Cette paramétrisation est basée sur le couplage des modèles TEB et ISBA de SURFEX. Elle permet de décrire de façon détaillée, pour l'échelle de la ville, les échanges d'énergie, d'eau et de quantité de mouvement avec l'atmosphère, ainsi que les échanges thermiques avec les bâtiments porteurs et le ruissellement d'eau en sortie de toiture. Ce ruissellement pourra à terme être connecté au réseau d'eau urbain dans une future version de TEB. GREENROOF a été calibré grâce à une parcelle d'étude située au CETE de l'Est de Nancy avec lequel une collaboration fructueuse a été établie. Cet exercice de calibration a permis d'identifier des valeurs de caractéristiques hydrauliques typiques pour les sols complexes des toitures végétalisées que le modèle ISBA ne peut pas calculer. Une attention particulière a été portée sur le fonctionnement de la couche de drainage, montrant qu'il se rapprochait de celui d'un sol organique. Il s'agit d'un résultat intéressant et nouveau car peu d'études ont tenté de caractériser le fonctionnement hydrologique de cette couche de sol. L'évaluation de GREENROOF sur cette même parcelle pour la simulation des températures et teneurs en eau du sol, ainsi que des débits d'eau en sortie de toiture, a été réalisée sur une période de trois mois, de septembre à novembre 2011. Les résultats obtenus démontrent une bonne capacité de GREENROOF à modéliser la dynamique de toutes les variables évaluées. Ils mettent aussi en évidence une tendance du modèle à sous-estimer les teneurs en eau du sol des toitures et à surestimer le ruissellement en sortie de toiture d'environ 33 %. Le modèle présente de bons résultats pour la simulation des températures avec un biais moyen de 2.3_C pour celle du substrat et 0.7_C pour celle de la couche de drainage, avec toutefois une amplitude de variations supérieure à celle observée sur la parcelle d'étude. Compte-tenu des difficultés à simuler les transferts hydriques au sein des couches de sol, mi-naturelles, mi-synthétiques, de ce type de dispositif végétal, ces résultats sont encourageants. Il sont d'ailleurs comparables à des résultats obtenus sur le même site à partir d'HYDRUS, modèle hydrologique à haute résolution.Afin de permettre un fonctionnement optimal de la végétation, une description des pratiques d'arrosage en ville, que j'ai cherchée à rendre la plus réaliste possible, a été intégrée au modèle TEB, afin de permettre l'arrosage systématique des espaces verts en été et de tester des scénarios d'arrosage pour les toitures végétalisées. Il est désormais possible dans TEB de spécifier un protocole d'arrosage pour la végétation au sol (par asperseurs) et pour les toitures végétalisées (sous forme de goutte à goutte) en précisant les plages horaires et les taux d'irrigation.
Dans le cadre du projet CLIM2, j'ai évalué par des simulations couplées de TEB avec le modèle atmosphérique MESO-NH l'impact de différents systèmes et demandes de climatisation sur le micro-climat extérieur de la ville de Paris et sous les conditions météorologiques de la canicule 2003. Cette étude, dans laquelle la climatisation est mise en place pour assurer le confort thermique intérieur (avec dans le cas de nos simulations, une température de consigne de 26_C) a mis en évidence que toutes les formes de climatisation qui rejettent de la chaleur (sèche ou humide) dans l'atmosphère génèrent une augmentation de la température des rues au niveau des piétons. L'augmentation de la température est d'ailleurs proportionnelle à la puissance des rejets de chaleur sensible dans l'atmosphère. Pour un scénario de climatisation présent, l'augmentation de température est de l'ordre de 0.5_C. Pour un scénario futur (2020-2030) avec un développement massif de la climatisation, elle s'élèverait à 2_C environ. Ce travail démontre non seulement que cette mesure d'adaptation n'est efficace que pour le confort intérieur mais permet aussi de quantifier l'impact de cette mesure sur le micro-climat urbain, et ce pour différents systèmes de climatisation.
Différentes stratégies de végétalisation ont ensuite été évaluées dans le cadre du projet MUSCADE : des stratégies de pleine terre avec végétalisation de 25 %, 50 % et 75 % des surfaces de trottoirs, parkings et places partout où cela était possible dans la ville (soit avec de la végétation basse, soit avec une végétation mixte composée à 40 % d'arbres), des stratégies de végétation en toiture (avec ou sans arrosage), ainsi qu'une combinaison maximale de végétation. Ces mesures ont été évaluées conjointement à une utilisation vertueuse de la climatisation (température de consigne de 26_C, conforme à la RT 2012, et similaire à celle prescrite dans l'étude CLIM2), considérée comme une mesure sans laquelle le confort thermique à l'intérieur ne peut être assuré. Cette étude se place une nouvelle fois dans le contexte de la ville de Paris et la canicule 2003, afin d'évaluer les performances de la végétation dans des conditions estivales extrêmes. J'ai simulé ces scénarios en utilisant une configuration de simulation qui avait été mise en place dans le projet MUSCADE et qui m'a permis d'utiliser une version très complète de TEB en mode forcé.
Les résultats de simulation montrent que les toitures végétalisées n'ont, soit aucun effet sur la température dans les rues au niveau des piétons, soit un effet minime (au mieux de 0.5_C) quand elles sont arrosées. L'augmentation de la couverture végétale au sol est plus efficace à rafraîchir les rues, avec un rafraîchissement d'autant plus élevé que le taux de végétalisation est important et que la proportion d'arbres est élevée. Ces différences d'impacts entre végétation basse et arborée proviennent principalement des différences de densité foliaire et donc des variations des taux d'évapotranspiration entre les deux types de végétation car les effets d'ombrage des arbres sur les surfaces urbaines ne sont pas actuellement pris en compte dans le modèle. Les rafraîchissements obtenus varient entre - 0.5 et - 2_C selon les stratégies, et le scénario de végétalisation maximale (augmentation de 33 % de la surface globale de végétation et installation massive de toitures végétalisées irriguées sur les bâtiments collectifs et individuels) permet d'atteindre jusqu'à - 3_C localement. L'effet de rafraîchissement est aussi plus marqué la nuit que le jour pour les stratégies arborées, ces différences provenant du choix que j'ai fait en termes de plage horaire et mode d'arrosage (la nuit, par asperseurs). Le rafraîchissement des températures se traduit systématiquement par l'amélioration du confort thermique avec une réduction sensible du temps passé dans les différents niveaux de stress thermique, jusqu'à 1 heure de moins passée en stress thermique extrême pour un individu au soleil ou en stress thermique très élevé à l'ombre pour le scénario de végétalisation maximale. La prise en compte des effets d'ombrage des arbres devraient logiquement améliorer les bénéfices des stratégies arborées en termes de confort thermique. Enfin, l'analyse des impacts des différents tissus urbains montre un effet net de la forme urbaine sur les conditions de confort, avec un confort extérieur meilleur dans le tissu Haussmannien dont la forme permet de limiter les apports solaires et ainsi le réchauffement des rues en journée.
Contrairement à leur faible impact sur le confort thermique extérieur, les toitures végétalisées, du fait de leur pouvoir à la fois isolant pour le bâtiment et évapotranspirant, apparaissent comme une des solutions les plus efficaces pour réduire la consommation énergétique liée à l'usage de la climatisation au cours de la canicule : elles permettent de diminuer d'environ 12 % la consommation totale d'énergie sur la durée de la canicule et de 13 % la demande maximale au plus chaud de la canicule. Une réduction équivalente de consommation énergétique totale n'est atteinte que pour la stratégie maximale arborée, qui du fait de l'arrosage nocturne, est beaucoup moins performante que les toitures végétalisées sur le pic de consommation. Ces résultats étaient prévisibles du fait que la végétation au sol n'a qu'un effet indirect sur la consommation énergétique via le rafraîchissement des températures extérieures. Ces simulations ont aussi démontré qu'une augmentation faible de végétation arborée avait autant d'impact sur la consommation énergétique qu'une augmentation élevée de végétation basse, en lien avec les rafraîchissements respectifs que ces deux solutions génèrent.
Ces performances tant sur l'amélioration du confort thermique extérieur que sur la consommation énergétique ont toutefois un coût en eau considérable qu'il convient de comparer aux apports d'eau que la ville peut recevoir au cours des autres saisons sous forme de précipitations. En supposant que le ruissellement de surface engendré au cours de l'année sur l'ensemble des surfaces urbaines puisse être stocké afin d'assurer l'arrosage estival de la végétation urbaine, le ruissellement annuel moyen, estimé à partir de dix ans de simulation, permettrait d'assurer l'arrosage complet de la végétation urbaine uniquement pour le scénario de toitures végétalisées et pour les scénarios d'augmentation minimum de végétation de pleine terre. Quand on augmente trop la couverture de végétation en ville, la diminution de ruissellement annuel engendrée ne permet plus de couvrir les besoins en eau pour l'arrosage en été, suggérant que la ressource en eau devrait être trouvée ailleurs. Il serait intéressant dans le futur de vérifier ces résultats avec une version de TEB qui permettrait une description explicite des processus hydrologiques dans le sous-sol urbain.
Finalement, l'impact estival moyen des stratégies de végétalisation estimé sur dix ans montre des tendances similaires à celles observées pendant la canicule, mais de moindre ampleur. L'augmentation de végétation engendre en général une diminution des températures extérieures tout au long de l'année, plus marquée pour la végétation arborée, ce qui donne lieu à une légère surconsommation d'énergie sur l'année (de 1 % environ). Le pouvoir isolant des toitures végétalisées permet quant à lui une économie d'énergie annuelle d'environ 7% qui démontre encore les performances supérieures des toitures végétalisées sur la végétation de pleine terre en termes de réduction de consommation énergétique.
L'analyse comparée des impacts des scénarios d'adaptation par la climatisation et par la combinaison de climatisation et végétalisation dans les deux études présentées montre qu'en période de canicule, avec des conditions de confort intérieur équivalentes (température de consigne à 26_C), les mesures de végétalisation évaluées sont capables de contrebalancer l'augmentation de température engendrée par les rejets de chaleur de la climatisation et même de rafraîchir l'environnement extérieur, permettant d'améliorer le confort thermique dans la rue. En climat présent, les consommations énergétiques étant principalement liées à l'usage du chauffage, l'impact annuel des stratégies de pleine terre n'est pas forcément intéressant, mais pourrait le devenir en climat futur, sachant que le réchauffement global entraîne une diminution significative de la consommation d'énergie pour le chauffage en hiver et inversement, une augmentation en été pour la climatisation.
Une véritable oasis de calme et de verdure au coeur de Paris
Perspectives
Afin d'être en mesure d'évaluer des mesures d'adaptation plus variées en termes de dispositifs végétaux, il serait utile de disposer de paramétrisations pour les façades végétalisées, ainsi que d'une paramétrisation des effets radiatifs et dynamiques induits par la présence d'arbres dans les rues. Plus complexes à mettre en place que les toitures végétalisées, les façades végétalisées n'ont pas connu le même succès que les premières. Elles sont encore peu mises en oeuvre dans les villes, et finalement peu étudiées et documentées. Cependant, des travaux découverts à la dernière conférence sur le climat urbain (Dublin, 2012) m'ont suggéré des pistes pour le développement de ce dispositif dans TEB. En première approche, Futcher et al. (2012) ont choisi de simuler l'impact des façages végétalisées dans EnergyPlus en appliquant un coefficient de transmittance pour modifier le rayonnement solaire reçu par les façades. Honjo et al. (2012) ont étudié une façade végétalisée expérimentale et en a déduit un bilan radiatif très simple dans lequel il a fixé le flux de chaleur latente à 10 % du rayonnement net. Pour TEB, il serait selon moi judicieux d'implémenter ce dispositif végétal de manière itérative, en simulant les processus physiques en jeu, principalement l'interception du rayonnement, l'évapotranspiration et la modification de l'écoulement d'air en façade, les uns après les autres, en se basant sur la littérature qui décrit chaque processus spécifiquement. Une paramétrisation plus détaillée de ce dispositif végétal pourrait s'inspirer des conclusions des travaux de Malys (2013) réalisés pour la modélisation des interactions thermiques à très fine échelle entre les murs et la végétation en façade dans le cadre du projet VegDUD.
Quant aux arbres de rue, maintenant que TEB permet de fixer l'orientation des rues canyon et de dissocier le traitement des deux murs, la prise en compte d'arbres dans le bilan radiatif du canyon urbain pourrait s'inspirer de celle que Lee et Park (2008) ont mis en place dans leur modèle VUCM (Vegetated Urban Canopy Model) qui fait des hypothèses similaires à TEB. Parallèlement aux travaux présentés dans ce manuscrit, j'ai aussi mis en place un volet expérimental, qui a été intégré à la campagne de plus grande envergure de VegDUD (FLUXSAP2012), et qui a permis de collecter un jeu de données relativement complet d'observations dans un jardin arboré en zone résidentielle : variables micro-climatiques classiques, composantes visible et infra rouge du bilan radiatif global, au-dessus du jardin et en-dessous du houppier de l'arbre, mesures des flux turbulents dans le jardin, ainsi que des températures, teneurs en eau et potentiels hydriques du sol. L'analyse de ces données est en cours et permettra non seulement d'étudier les processus radiatif à micro-échelle entre l'arbre et le bâti, mais aussi de disposer d'un jeu de données complet pour évaluer les aspects radiatifs de cette future paramétrisation arborée du modèle de canopée urbaine. Une autre approche pour évaluer cette future paramétrisation serait de la comparer à des simulations réalisées avec un modèle de transfert radiatif 3D comme le modèle DART (Gastellu- Etchegorry et al., 2008).
Enfin, il serait intéressant de tester si un modèle à double porosité pour les sols complexes des toitures végétalisées donnerait de meilleures estimations des ruissellements que la version actuelle de GREENROOF. Les futurs développements de GREENROOF devraient à mon sens incorporer la simulation de couche de rétention pour simuler ce type de toiture de façon plus réaliste pour les climats secs. Des collaborations sont en cours (Université de Western Ontario et CETE d'Ile-de- France) qui devraient permettre d'évaluer de nouveaux développements sous des climats différents.
Une description détaillée du sous-sol urbain et de son hydrologie sont en cours de développement. Cette paramétrisation permettra une évaluation plus réaliste des transferts hydrologiques urbains ainsi qu'une meilleure prédiction des performances respectives de différentes mesures d'adaptation aux évènements extrêmes. De fait, pour l'évaluation des stratégies de végétalisation en climat futur, il me semble qu'il sera plus approprié de travailler à l'échelle de l'évènement extrême, comme l'ont fait Gill et al. (2007) pour la ville de Manchester (UK).
Sur la thématique de la gestion de l'eau urbaine, il me semblerait intéressant d'étudier des stratégies alliant végétation et gestion durable de l'eau (Water Sensitive Urban Design ou WSUD) comme celles proposées par Coutts et al. (2013).
Finalement, il sera possible à l'avenir de s'intéresser à d'autres fonctions de la végétation comme son potentiel à séquestrer le carbone pour établir le bilan carbone des villes, grâce aux options déjà disponibles dans TEB-Veg.
Source : https://labrecheurbaine.com/ cabinet d’architecte italien Boeri Studio (Stefano Boeri, Gianandrea Barreca et Giovanni La Varra) photosBoeri Studio, Brand Consultancy et Paolo Sacchi
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