Îlots de chaleur urbains

Échelles d’études

L’îlot thermodynamique urbain peut être examiné à différents niveaux au sein d’une ville (Pigeon, 2007). Trois degrés d’observation à l’échelle verticale sont à noter (Figure 1.1). Le premier est celui de l’« îlot de chaleur à la surface du sol », dénommé en anglais Surface Heat Island (SHI), qui permet d’observer dans certains endroits d’une ville que des surfaces sont plus chaudes. La deuxième échelle d’observation est celle de la canopée appelée « Îlot de Chaleur Urbain à l’échelle de la Canopée » (ICUC) ou en anglais Canopy Layer Heat Island (CLHI). Cette échelle fait référence à la couche d’air comprise entre le sol et la cime des arbres ou des toitures des bâtiments, où se déroule l’essentiel de l’activité humaine. La troisième échelle est celle de la frontière atmosphérique ou couche limite urbaine, Boundary Layer Heat Island (BLHI) en anglais. Cette échelle correspond à la couche située au dessus de la couche de la canopée. Elle correspond à la couche formant un dôme plus chaud en suivant le sens du vent.

À noter que les îlots de chaleur de la canopée et de la couche limite urbaine font référence à la température de l’air (Oke, 1982; Voogt, 2002). Il existe différentes façons de mettre en évidence les îlots de chaleur ainsi que leur intensité, en fonction de l’échelle d’étude. Les deux dernières échelles se réfèrent à la chaleur de l’atmosphère urbaine et l’îlot qui leur est associé est mis en évidence par mesure directe de la température de l’air urbain à différentes hauteurs. Cependant, l’utilisation d’images satellites permet de les observer à plus grande échelle, c’est-à-dire à l’échelle de la ville dans son ensemble et de sa banlieue, contrairement aux relevés de températures réalisés au sein des différents quartiers qui fournissent des données à plus petite échelle. La première échelle d’observation des îlots de chaleur peut être mise en évidence par thermographie infrarouge par satellite (Ringenbach, 2004).

Toutes ces échelles d’observations sont pourtant liées

Des échanges énergétiques entre chacune d’elles ont lieu (Lemonsu, 2004). Toutefois, il semble pertinent de s’attarder sur les îlots de chaleur à l’échelle de la canopée (ICUC), dans la mesure où les infrastructures urbaines et les activités humaines influençant l’intensité du phénomène appartiennent à cette échelle. L’observation des ICUC demande l’étude de paramètres qui n’ont pas le même « rôle » dans la définition du phénomène. En effet, à l’échelle micro, définie comme étant l’échelle du bâtiment, il est pertinent de s’attarder sur les matériaux de construction, leurs propriétés et les échanges de chaleur qui y ont lieu au cours d’une journée. En revanche, pour les échelles macro et méso (à l’échelle de la ville ou du quartier respectivement), il faut prendre en compte de manière plus globale tout ce qui concerne la végétation ainsi que la chaleur anthropique (chaleur générée par les activités humaines), en plus des matériaux de construction qui constituent les infrastructures, bâtiments, chaussées, etc. (Giguère, 2009).

Description du phénomène

Si le phénomène des îlots de chaleur urbains (ICU) a été mis en évidence il y a plus d’un siècle, en revanche il prend actuellement toute sa signification. En effet, l’accroissement non seulement du nombre mais également de l’intensité des épisodes annuels de chaleur accablante engendrent des conséquences sur les populations en termes de santé et bien-être (Lachance, Baudoin et Guay, 2006). De manière générale, l’ICU est défini lorsque la température au sol est plus élevée de 5 à 10oC en ville que dans la zone rurale environnante (Camilloni et Barro, 1997; Charabi, 2001). Cette différence de température, notée _Tu-r (définissant l’intensité de l’ICU), présente à tout moment de la journée et de l’année, est généralement beaucoup plus perceptible le soir et la nuit sous un ciel clair. En effet, sous ce type de ciel, c’est en majorité du rayonnement direct (rayonnement solaire principalement) qui « frappe » les surfaces.

Ce type de rayonnement se caractérise par une plus grande intensité que le rayonnement diffus (Bessemoulin et Oliviéri, 2000). La Figure 1.2 montre l’évolution de l’intensité de l’îlot de chaleur tout au long d’une journée, ainsi que son maximum en fin de journée. Les îlots de chaleur sur le graphique sont mis en évidence par la différence des taux de rafraîchissement entre les milieux rural et urbain. Plusieurs études en font la constatation (Renou, 1862; Hammon et Duenchel, 1902). Pendant la journée, l’ICUC a souvent un caractère résiduel. Un îlot urbain « froid » le matin ou pendant la journée peut être observé (Pearlmutter, Bitan et Berliner, 1999). Le soir et la nuit a lieu une période de refroidissement nocturne. L’ICUC est amplifié durant cet intervalle (Oke et East, 1971, Oke et Maxwell, 1974; Hage, 1975). Le maximum de l’ICUC a lieu souvent à un moment fixe par rapport au coucher du soleil, plutôt qu’à une heure précise (Runnalls et Oke, 2000) mais varie selon la région et la ville observée.

Réduction de la chaleur anthropique

La chaleur anthropique peut être produite par diverses activités, soit au sein du bâtiment ou encore par le parc automobile en milieu urbain. Plusieurs interventions visant à leur réduction sont envisageables. Au sein d’un bâtiment, certains appareils peuvent être une source de production de chaleur. C’est le cas des appareils de bureautique, électroménagers, lampes ou systèmes de climatisation (Salomon et Aubert, 2004). Les lampes halogènes et à incandescence sont donc à éviter en été puisqu’elles produisent beaucoup plus de chaleur que les autres types. Il faut chercher à maximiser l’utilisation de lumière naturelle, soit dès la conception du bâtiment soit par la suite en ajustant le flux de chaleur lumineux en fonction de l’éclairage naturel ou par la présence de détecteurs de présence. En ce qui concerne les appareils électroménagers, une bonne efficacité énergétique est recommandée, ainsi que leur arrêt et leur débranchement lorsqu’ils ne sont pas utilisés. Les sources de chaleur anthropique peuvent être également diminuées en limitant le transport sur la base par exemple d’une politique de transport en commun ou de mode de transports doux (vélos, etc.). Pour cela, une bonne planification du transport est essentielle (Coutts et al., 2008). Plusieurs actions sont à envisager comme la restriction de l’accès des véhicules en ville, la diminution du nombre de stationnements, l’instauration de la circulation alternée en cas d’épisode de forte chaleur ou encore le développement de réseaux de covoiturage.

Gestion de l’eau de pluie

Le taux d’humidité des sols est un facteur jouant sur l’atténuation des îlots de chaleur urbains. En effet, Lakshmi et al. (2000) et Donglian et Pinker (2004) ont montré que les sols humides ont des capacités de rafraîchissement semblables à celles de la végétation, ce qui diminue leur température de surface et donc la température de l’air au voisinage du sol. Ce processus provient de l’évaporation de l’eau présente dans le sol. Afin d’assurer l’alimentation en eau des sols des milieux urbains, plusieurs pratiques qui ont trait à la gestion durable des eaux pluviales existent. Ces solutions passent par l’implantation d’arbres et de toits verts qui influencent la capacité de rétention d’eau de pluies ou l’utilisation de revêtements perméables. Ce type de revêtements permet à l’eau de percoler à travers le pavé et favorise une infiltration profonde. Il peut s’agir de dalles imperméables 39 disposées les unes contre les autres et permettant à l’eau de pluie de percoler dans les joints perméables, des dalles ou revêtements de béton poreux permettant à l’eau de pénétrer ou encore des structures permettant l’engazonnement de type alvéolé (Figure 1.18). Diverses techniques permettant d’emmagasiner l’eau de pluie sont également possibles comme les bassins de rétention, les tranchées de rétention, les puits d’infiltration.

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Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1 REVUE DE LA LITTÉRATURE
1.1_ Îlots de chaleur urbains
1.1.1_ Historique du phénomène
1.1.2_ Échelles d’études
1.1.3_ Description du phénomène
1.2_ Apparition du phénomène
1.2.1_ Variables incontrôlables
1.2.2_ Variables contrôlables
1.3_ Bilans radiatif et d’énergie
1.3.1_ Bilan radiatif
1.3.2_ Bilan d’énergie
1.4_ Mesures atténuant les îlots de chaleur
1.4.1_ Végétalisation
1.4.2_ Infrastructures urbaines
1.4.3_ Réduction de la chaleur anthropique
1.4.4_ Gestion de l’eau de pluie
1.5_ Synthèse
CHAPITRE 2 MÉTHODOLOGIE
2.1_ Bilan des énergies
2.2_ Analyse de la satisfaction
2.3_ Développement de l’outil d’aide à la prise de décision
2.3.1_ Premières analyses
2.3.2_ Fiche d’identification des solutions possibles
2.3.3_ Banques de données des solutions
2.3.4_ Résultats
2.3.5_ Hypothèses de travail
CHAPITRE 3 RÉSULTATS
3.1_ Description du milieu urbain
3.1.1_ Choix du quartier
3.1.2_ Données du quartier
3.2_ Bilans énergétique et radiatif
3.2.1_ État initial
3.2.2_ Bilans énergétique et radiatif selon les solutions sélectionnées
3.2.3_ Bilans pour les cas extrêmes
3.3_ Évaluation des scénarios
3.3.1_ Critères ciblés
3.3.2_ Évaluation des solutions
3.4_ Développement de l’outil d’aide à la prise de décision
3.4.1_ Analyses
3.4.2_ Présentation des résultats
CHAPITRE 4 DISCUSSION
4.1_ Retombées globales de l’outil
4.1.1_ Intérêt d’une approche systémique
4.1.2_ Intérêt pour les acteurs
4.1.3_ Gestion de l’information
4.2_ Limites
CONCLUSION
ANNEXE I Valeur du rayonnement extra-terrestre en fonction de la latitude Nord
ANNEXE II Durée astronomique du jour N fonction de la latitude
ANNEXE III Durée moyenne du jour P en %
ANNEXE IV Valeurs de coefficients culturals kc
LISTE DE RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES