[PDF] INRA Orléans 21 oct. 2011 M. BOURDAIN

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Université Paris-Est

École Doctorale Ville et Environnement

THÈSE

pour obtenir le grade de

Docteur de l"Université Paris-Est

Spécialité : Génie urbain

présentée et soutenue publiquement par

Morgane Colombert

le 8 décembre 2008 Contribution à l"analyse de la prise en compte du climat urbain dans les différents moyens d"intervention sur la ville Contribution to the analysis of various means to take into account urban climate in urban planning

Directeur de thèse

Youssef Diab

Jury

ACHARD Gilbert Rapporteur

ADOLPHE Luc Rapporteur

DIAB Youssef Directeur de thèse

MASSON Valéry Examinateur

MORAND Denis Examinateur

SALAGNAC Jean-Luc Examinateur

TASSIN Bruno Président du jury

© UMLV

1

Avant propos

Ce travail de recherche s"inscrit dans le cadre d"une thèse financée par une Convention

Industrielle de Formation par la Recherche (CIFRE). Le Centre Scientifique et Technique du Bâtiment (CSTB), l"Ecole des Ingénieurs de la Ville de Paris (EIVP) et le laboratoire de recherche Génie Urbain, Environnement et Habitat (LGUEH) de l"Université Paris Est ont constitué avec l"Agence Nationale de la Recherche Technique (ANRT) les partenaires de ce projet de recherche.

La thèse a été réalisée en majorité au sein du laboratoire Services, Process, Innovation (LSPI)

du département Economie et Sciences Humaines du CSTB. 2 3

Remerciements

Je souhaite exprimer ici toute ma reconnaissance et mon estime à Youssef Diab pour avoir accepté de diriger ce travail de thèse.

Que Jean-Luc Salagnac, qui a co-encadré mon travail de thèse au CSTB, soit également

remercié pour sa disponibilité et ses relectures attentives durant ces trois années.

Que Denis Morand, qui a co-encadré pour l"université mon travail de thèse, soit également

convaincu de toute ma gratitude, et qu"il soit remercié pour ses nombreux conseils tout au long de ma réflexion et de la rédaction. Mes remerciements s"adressent également aux membres du jury qui ont accepté de participer à mon jury de thèse : Gilbert Achard, Luc Adolphe, Valéry Masson et Bruno Tassin.

Je tiens également à remercier Patrick Lemoigne, Aude Lemonsu, et Grégoire Pigeon du

CNRM qui m"ont accueilli avec Valéry Masson à Toulouse pour m"initier à TEB et m"ont

apporté durant ces trois ans une aide précieuse pour mettre en oeuvre mes modélisations

numériques.

Je remercie également les personnes ayant participé à mon comité de thèse et contribué ainsi à

m"ouvrir aux problématiques qui se posent dans leur métier : André-Marie Bourlon, Marc

Gillet, Jacques Rilling et Christian Thibault.

Durant cette thèse, j"ai eu l"occasion d"interagir avec de nombreuses personnes que je tiens également à remercier : Vincent Becue, Benoit Bernard, Serge Bethelot, Nathalie Bintner, Thomas Bonierbale, Daniel Cadé, Julien Desplat, Yann Françoise, Marc Gayda, Pierre Kermen, Raphaëlle Kounkou-Arnaud, Frédéric Jacques, Sophie Labbouz, Sophie Morel, Didier Olivry, Bertrand Riffiod, Claire Saint-Pierre, Serge Salat, Taoufik Souami, Nicolas Texier, Nathalie Touze-Foltz, Damien Serre, François Wouts, et tous les autres que je ne cite pas mais n"oublie pas. Merci à l"ensemble de mes (ex)collègues du CSTB et du 4 avenue Recteur Poincaré, et tout

particulièrement Frédéric, Anne-Lyse et Nathalie, pour leur soutien de chaque instant et les

bons moments passés ensemble : Barbara Allen, Marguerite Bonnin, Michel Bonetti, Joël

Boutigny, Jean Bouvier, Jean Carassus, Orlando Catarina, José Carvalho, Marc Colombard-

4Prout, Sophie Cruz, Claude Da Costa, Anne-Lyse Desnottes, Laurence Dubois, Hervé Duret,

Patrick Elias, José Fontan, Sophie Grillat, Haitham Joumni, Françoise Jovelet, Joëlle Laffitte,

Lydie Laigle, Mireille Lauffenburger, Marie Llorente, Emmanuelle Loyson, Dorothée Marchand, Marinette Orlach, Pascale Pagliarini, Dominique Pompini, Nadine Roudil, Maëva

Sabre, Christian Sacré, José Sebbane, Samer Sliteen, Nicolas Taillefer, Nicole Tolle, Mélanie

Tual, Xavier Desjardin, Céline Varenio, Nathalie Weiss, et tous les autres. Merci également à mes amis pour les moments de décompression. C"est essentiel ! Mes plus grands remerciements vont à ma famille, Colette, Delphine et Thierry, qui m"ont encouragé à me lancer dans cette aventure et ont su m"apporter un soutien sans faille. Je n"oublie pas non plus Jean-François, Marianne et Nicolas, ainsi que mes grands-parents

Aline, Elise, Jean et Yves.

Enfin, un immense remerciement à celui sans qui ces trois années auraient paru bien longues, sans qui le courage m"aurait sans doute parfois manqué, avec qui j"ai pu partager les doutes et les joies du travail de thèse : Antoine. 5

Résumé

Le milieu urbain est à l"origine de processus radiatifs, thermiques, dynamiques et hydriques qui modifient le climat de la ville. La couche superficielle du sol, avec la présence plus ou moins importante de surfaces végétales ou d"eau, les activités humaines qui induisent des rejets de chaleur et de polluants, et la structure urbaine, avec des matériaux de construction et une certaine morphologie du cadre bâti, sont les principaux facteurs de cette modification.

Le bilan d"énergie thermique permet d"appréhender la majorité des perturbations générées par

la ville. A l"aide du schéma Town Energy Balance, développé par Météo-France pour

paramétrer les échanges en énergie et en eau entre les surfaces bâties et l"atmosphère, nous

avons effectué des tests de sensibilité du bilan d"énergie à différents facteurs. Ces facteurs

appartiennent à cinq domaines d"actions : le bâtiment, l"espace public, l"organisation urbaine,

les activités industrielles et les transports.

Nos différentes simulations ont permis de confirmer le rôle prédominant des paramètres

radiatifs dans le bilan d"énergie de la ville en été. Durant l"hiver, ce sont d"autres paramètres

thermiques (isolation) qui ont la plus grande influence.

Les collectivités territoriales françaises ont à leur disposition plusieurs outils et moyens pour

agir en faveur de leur environnement climatique et intégrer des facteurs influant sur le climat urbain : leurs domaines de compétence directe (voirie, bâtiments communaux, espaces verts, etc.), les documents stratégiques d"orientation (SCOT et PLU), les procédures d"aménagement

(ZAC et lotissement), l"incitation et l"information de leurs citoyens et de leurs services

(Agenda 21 local, Plan Climat Territorial, Approche Environnementale de l"Urbanisme). Elles ne peuvent cependant pas agir avec une liberté suffisante, compte tenu des limites contraignantes entre droit de l"urbanisme et droit de la construction et de l"habitat.

Mots-clés

Climatologie urbaine, îlot de chaleur urbain, bilan d"énergie, Town Energy Balance, modélisation numérique, urbanisme réglementaire, urbanisme opérationnel, Agenda 21, plan climat. 6

Abstract

Urbanization, with artificial surfaces replacing natural land, more anthropogenic heat and urban geometry, modifies the micro and meso scale climate. Such modifications do alter the radiative, thermal, moisture and aerodynamics properties of the urban environment. The study of energy balance could help understanding most of these changes. In this thesis, we used the urban surface exchange parameterization of Météo-France: Town Energy Balance, which computes water and energy exchanges between urban surfaces and atmosphere. In order to study the significance of different factors, we made a sensivity study.

Factors are filed in five fields: building, public space, land use, industrial activities and

transports. Our simulations showed that radiative parameters are the most influential during the summer. During winter, other thermal parameters (insulation) are the most influential. French local authorities could use several tools and means to act in favor of their climatic environment: their fields of direct jurisdiction (roads, parks, buildings which are owned by the community, etc.), guidance documents (SCOT and PLU), development procedures (urban development zone and building plotting), and incitement and pieces of information for their citizens and their agencies (local Agenda 21, Plan Climat, Approche Environnementale de l"Urbanisme). They can not work completely freely because of the boundary between urban planning law and building and dwelling law.

Keywords

Urban climatology, urban heat island, energy balance, numerical modelling, regulatory urban planning, operational urban planning, Agenda 21. 7

Table des matières

Introduction 31

Première partie : Contexte et analyse bibliographique 37

I Introduction 38

II Climatologie urbaine : une science en évolution 40 II.1 Naissance et évolution de la climatologie urbaine 40 II.2 Climatologie urbaine : une science pluridisciplinaire ? 44 II.3 Prise en compte du climat urbain dans l"aménagement et l"architecture : quelques exemples 45 II.4 Rafraichissement des villes : quelques exemples 49

II.5 La ville " idéale » 53

II.6 Conclusion 58

III Préambule à l"explication des phénomènes physiques à l"origine de la formation du climat urbain 60 IV Phénomènes engendrés à l"échelle de la rue 64

IV.1 Impacts sur les écoulements de l"air 64

IV.2 Modification de l"évapotranspiration 65

IV.3 Apports anthropiques de chaleur 66

IV.4 Impacts radiatifs et thermiques 68

V Phénomènes engendrés à l"échelle de la ville 75

V.1 Modification du bilan radiatif de la ville 77

V.1.1 Rayonnement solaire incident (K↓) 77

V.1.2 Rayonnement solaire réfléchi (αK↓) 79 V.1.3 Rayonnement thermique atmosphérique descendant de grande longueur d"onde (L↓) 80 V.1.4 Rayonnement thermique ascendant (L↑) 81

V.1.5 Rayonnement net (Q*) 83

V.2 Modification du bilan d"énergie thermique de la ville 84 V.2.1 Flux de chaleur d"origine anthropique (QF) 85 V.2.2 Variation de la quantité de chaleur stockée (ΔQS) 86

V.2.3 Flux de chaleur sensible (QH) 86

V.2.4 Flux de chaleur latente (QE) 86

V.2.5 Flux de chaleur advectif (∆QA) 87

V.2.6 Synthèse 87

V.3 Modification du bilan hydrique de la ville 89

V.4 Mouvements des masses d"air et rugosité du milieu urbain 91

V.5 Précipitations et les averses orageuses 94

V.6 Variations journalières et saisonnières de l"intensité des modifications climatiques 99

VI Rôle de différents facteurs dans la formation du climat urbain 104 8

VI.1 Couche superficielle du sol 106

VI.1.1 Surfaces végétales 106

VI.1.2 Surfaces d"eau 109

VI.2 Activités humaines 109

VI.2.1 Activités polluantes 109

VI.2.2 Sources de chaleur 110

VI.3 Structure urbaine 112

VI.3.1 Morphologie du cadre bâti 112

VI.3.2 Matériaux de surface 114

VII Synthèse 124

Deuxième partie : Méthodes et modèles de simulation numérique 127 I Déroulement de la recherche et méthodes utilisées 128 II Modèles de simulation numérique du climat urbain 130 II.1 Modèles climatiques à échelle locale 130

II.1.1 ENVI-met (Environmental Meteorology) 130

II.1.2 SOLENE 133

II.2 Modèles climatiques de l"échelle locale à la méso-échelle 136

II.2.1 Modèles empiriques 136

II.2.2 Modèles d"espaces végétalisés adaptés pour inclure des surfaces urbanisées 139

II.2.3 Modèles de la canopée urbaine 143

Troisième partie : Quantification des effets de différents facteurs sur le climat urbain 151

I Introduction 152

II Proposition de domaines d"actions et de leviers pour agir sur le climat urbain 153

II.1 Bâtiment 153

II.2 Espace public 154

II.3 Organisation spatiale 155

II.4 Synthèse des leviers d"actions et des critères d"évaluation en relation avec la climatologie urbaine 158 III Choix d"un modèle de simulation numérique et analyse de sa portée et de ses limites 162
III.1 Choix d"un modèle de simulation numérique selon sa portée 162 III.2 Hypothèses et limites du modèle choisi 164 IV Choix d"une ville-témoin : Paris ou 'urbain dense" 168

IV.1 Paris, une ville très minérale 168

IV.2 Morphologie et géométrie de Paris 171

IV.2.1 Hauteur moyenne des bâtiments et longueur de rugosité dynamique du couvert urbain 173 IV.2.2 Fraction occupée par les bâtiments 174

IV.2.3 Facteur de forme 175

IV.3 Flux de chaleur liés aux différentes activités de Paris 176

IV.4 Matériaux de constructions parisiens 179

IV.4.1 Hypothèses de calcul 179

IV.4.2 Caractéristiques thermiques et radiatives des murs 180 IV.4.3 Caractéristiques thermiques et radiatives de la voirie 183 IV.4.4 Caractéristiques thermiques et radiatives des toits 185 9 IV.5 Description de Paris et comparaison avec les valeurs de l"urbain dense 189 IV.6 Comparaison des résultats des simulations pour les modèles Paris et urbain dense et choix d"une 'ville-témoin" 192 V Présentation des différentes simulations 197 V.1 Etude de sensibilité du bilan d"énergie : variation simple des paramètres de SURFEX 197

V.1.1 Couverture du sol 197

V.1.2 Structure urbaine et tissu constructif 198

V.1.3 Paramètres radiatifs et thermiques des matériaux urbains 200 V.1.4 Activités humaines : les flux de chaleur anthropique 203 V.2 Etude de sensibilité du bilan d"énergie à la variation de multiples paramètres en relation avec les domaines d"action identifiés 204

V.2.1 Bâtiment 204

V.2.2 Espaces publics 207

V.2.3 Organisation urbaine 207

VI Résultats des simulations 209

VI.1 Cadre des simulations 209

VI.1.1 Situations climatiques choisies 209

VI.1.2 Conditions initiales 210

VI.1.3 Forme des résultats 211

VI.2 Variation simple des paramètres de SURFEX 215

VI.2.1 Couverture du sol 215

VI.2.2 Structure urbaine et tissu constructif 218

VI.2.3 Paramètres radiatifs et thermiques des matériaux urbains 222 VI.2.4 Activités humaines : les flux d"origine anthropique 231 VI.3 Variation de multiples paramètres de SURFEX 232

VI.3.1 Bâtiment 232

VI.3.2 Organisation urbaine 234

VI.4 Conclusion 234

VII Synthèse 238

Quatrième partie : Réflexion sur les moyens à disposition des collectivités territoriales

françaises pour intégrer dans la conception urbaine des critères permettant d"influer sur l"environnement climatique 241

I Introduction 242

II Possibilités offertes par l"urbanisme réglementaire et opérationnel pour intégrer des critères permettant d"améliorer l"environnement climatique 246

II.1 Généralités 248

II.2 Schéma de Cohérence Territoriale 253

II.3 Plan Local d"Urbanisme 255

II.4 Perspectives et limites du SCOT et du PLU 264 II.5 Urbanisme opérationnel : cas de la Zone d"Aménagement Concerté et du lotissement 267

II.6 Conclusion 269

III Démarches incitatives et informatives à disposition des collectivités pour intégrer des critères permettant d"améliorer l"environnement climatique 272 10 III.1 Une ville exemplaire dans son domaine de compétence 272

III.1.1 Infrastructures et parc immobilier 273

III.1.2 Les démarches d"accompagnement pour un urbanisme plus conscient de l"environnement : cas de l"approche environnementale de l"urbanisme (AEU) 275 III.2 Démarches et documents incitatifs et informatifs 280

III.2.1 Agenda 21 local 281

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