Ilot de chaleur urbain : conséquences sur les bâtiments

Par Coraline ZOCA et Olivier PAPIN – Bureau d’études ECIC Bordeaux

Le phénomène d’ilots de chaleur urbains provoque de véritables bulles de chaleur dues à l’activité humaine et à son urbanisation dense. Impact négatif sur le confort thermique des espaces à la fois publics et privés, risques de pollutions pour la santé publique, surmortalité en cas de caniculaire, … Les effets ne sont pas neutres et leur prise en compte doit s’effectuer au niveau des bâtiments. Un exercice nouveau pour les maîtres d’œuvre et les maîtres d’ouvrage !

Le terme d’Îlots de Chaleur Urbains (ICU) désigne une zone urbaine où la température de l’air et des surfaces est supérieure à celle des milieux ruraux. Lors de la canicule de 2003 par exemple, des différences de température de 8 à 10°C entre le centre de Paris et la périphérie ont été observées¹.
Les ICU sont principalement observés la nuit où le refroidissement nocturne est moindre en ville que dans les zones rurales plus végétalisées. C’est un phénomène local qui peut varier d’une rue à l’autre avec une durée limitée dans le temps.
Avec une conservation de la chaleur la nuit, la zone soumise à ICU reste donc également plus chaude la journée qui suit et nuit à son confort.

Une des principales causes de l’ICU est l’urbanisation (conception urbaine et matériaux des bâtiments). En effet, la chaleur urbaine provient du bâti et du sol qui restituent la chaleur emmagasinée dans la journée. L’énergie solaire absorbée ou restituée varie selon l’albédo et l’inertie thermique du bâti.

L’albédo désigne l’indice de réfléchissement d’une surface en fonction de sa couleur mais aussi de sa texture et porosité. C’est une valeur comprise entre 0 et 1 : un corps noir a un albédo nul car il absorbe toute la lumière incidente et un miroir, un albédo de 1 car il réfléchit toute la lumière incidente.

Exemple d’albedo par type de matériaux

La minéralité des villes est donc un facteur influençant fortement la formation des ICU car les matériaux absorbent beaucoup d’énergie solaire et donc en restituent d’autant plus, tandis que l’eau ou la végétation emmagasinent peu et en plus participent au rafraîchissement de l’air par évapotranspiration.

L’évapotranspiration du végétal est un phénomène qui permet, par la perte d’eau, et par l’échange de chaleur entre l’eau et l’air, de rafraîchir l’air.

Durant la journée, une zone bénéficiant d’une canopée d’arbres matures aurait une température de 2,7 °C à 3,3 °C inférieure aux zones sans arbres².

Évapotranspiration du végétal

D’autres éléments influent sur les ICU, notamment :

• Les vents urbains. En effet la circulation de l’air permet une diminution du réchauffement urbain alors qu’un vent nul ou faible, au contraire, va entraîner une stagnation de l’air et donc une absence de dispersion de la chaleur accumulée dans le bâti.
• Les canyons urbains (resserrement du bâti trop important (rue étroite)) participent à ce réchauffement en empêchant l’air de circuler mais ils permettent toutefois de créer des zones d’ombre en diminuant le facteur de vue du ciel.

« Le facteur de vue du ciel correspond à la portion de ciel observable à partir de la surface considérée. Ce facteur est égal à 1 dans le cas d’une surface plane sans obstacle et varie entre 0 et 1. » (Colombert, 2008).

Ainsi, un tissu urbain dense limite l’ensoleillement des surfaces au sol et ralenti le refroidissement nocturne tandis qu’un tissu urbain peu dense favorise l’ensoleillement et donc l’échauffement de la zone mais permet un refroidissement plus rapide et efficace en fin de journée et la nuit. Ces deux formes de densification présentent des caractéristiques différentes qui peuvent être un avantage ou un inconvénient selon la saison. Dans tous les cas, il conviendra d’adapter les mesures à prendre contre les ICU en fonction du tissu urbain dans lesquels ils se trouvent.

• Enfin, la chaleur anthropique (climatisation, circulation de véhicules, industries…) augmente la température de l’air et a un impact sur la formation des ICU. La climatisation produit de la chaleur car elle rejette les calories extraites de l’intérieur du bâtiment vers l’extérieur dans le domaine public.

Par ailleurs, avec le changement climatique annoncé pour les prochaines décennies, le phénomène d’ICU sera renforcé. Le GIEC prévoit en effet, une élévation globale des températures à la surface de la terre et une hausse de la fréquence des évènements extrêmes type canicules ou tempêtes. En France, on observe déjà depuis la moitié du 20^ème siècle, des étés de plus en plus chauds avec une augmentation des vagues de chaleur estivales (Météo France).

Profil de température d’ilot de chaleur pour une ville

Les ICU ont un effet négatif sur le confort thermique urbain (effets d’inconfort des espaces publics et privés) et sont donc un risque pour la santé publique, pour les habitants des villes avec une augmentation des problèmes respiratoires et une surmortalité accrue notamment lorsqu’ils sont combinés à un épisode caniculaire.
Épisodes qui devraient se multiplier avec la hausse des températures liée au changement climatique. Une étude de Météo France estime en effet qu’aux alentours de 2050, une canicule comme 2003 se reproduira tous les 2 à 3 ans. Or, il est important de rappeler que la canicule de 2003 a été la cause d’environ 15 000 décès en France (INED).
Ils ont également un effet sur la consommation électrique : en été, les bâtiments climatisés ont une consommation énergétique importante et la climatisation intérieure des bâtiments rejette des calories à l’extérieur. Au contraire, en hiver, l’ICU permettrait de réduire les consommations d’énergie : le centre d’Athènes a une diminution de charge de chauffage de 30 à 50% par rapport à celle de la banlieue due à l’effet d’ICU³.

Les ICU sont aussi à l’origine de phénomènes météorologiques : diminution des pluies en hiver par temps stable, augmentation des orages par temps instable, création de brises de campagne des zones froides aux zones plus chaudes favorisant la concentration de polluants dans les zones urbanisées déjà polluées.

Il existe plusieurs variables sur lesquelles nous pouvons agir :

- La morphologie urbaine, matériaux, végétation, ombre, couleur de la ville
- La création d’espaces verts et le développement des zones de fraîcheur en ville
- La place de l’eau en ville
- Des équipements techniques ou des lieux dédiés à la création d’îlots de fraîcheur (ombrières, brumisateurs, ventilateurs, etc.)
- Le dégagement de chaleur anthropique
- Le bâtiment en lui-même : forme, enveloppe, couleur et fonctionnement

A l’échelle du bâtiment

La forme du bâtiment, son orientation, la prise en compte des aspects bioclimatiques, la couleur des murs, la taille et la localisation des fenêtres, l’isolation, la ventilation, la présence ou non de protection solaire sont autant de facteurs qui, directement ou indirectement, influencent le phénomène d’ICU et son impact sur le bâtiment. En jouant sur tous ces facteurs et en ayant une réflexion globale sur le bâtiment, on peut favoriser et assurer le confort thermique de l’habitant  et si cela ne règle pas complétement le problème des ICU, cela permet néanmoins de limiter les impacts dus aux fortes chaleurs.
L’architecture bioclimatique, en tenant compte des contraintes climatiques, permet d’assurer ce confort thermique et de protéger les occupants des surchauffes en période estivale et elle peut être complétée par d’autres mesures architecturales, paysagères ou techniques pour améliorer l’adaptation au phénomène d’ICU.

• Isolation, inertie, climatisation et ventilation

Les dissipations thermiques des bâtiments participent de façon importante à l’amplification du réchauffement urbain. En hiver, elles sont une des premières causes des ICU. Il est donc important de bien isoler le bâtiment (isolation des façades par l’extérieur, isolation des toitures…). Une bonne isolation permet également de faire des économies d’énergie ; il est important aujourd’hui de réduire nos consommations énergétiques car d’une part le coût de l’énergie augmente et d’autre part elles participent au changement climatique. Pour exemple, en Ile-de-France, le chauffage, l’eau chaude et l’électricité représentent 26 millions de TeqCO2 soit 18,3% des émissions de GES⁴.

 En été, pour assurer le confort thermique, une des solutions de facilité consiste encore aujourd’hui à utiliser une climatisation ou des ventilateurs, qui participent fortement aux dépenses énergétiques et favorisent le phénomène d’ICU. D’autant plus que l’ICU n’est à ce jour que rarement pris en compte par les concepteurs. Le calcul des charges climatiques se fait à partir de données météorologiques de référence relevées dans la ville la plupart du temps en dehors des centres urbains.  Elles sont donc souvent inférieures à la réalité.

La climatisation des bâtiments construits avant 1914 insérés dans des îlots⁵ :
La différence de température entre la rue et la cour, moins exposée au soleil, entraîne
une ventilation naturelle des logements la nuit et donc un rafraîchissement de ceux-ci.
L’ajout de climatiseurs au rez-de-chaussée côté cour (notamment pour des commerces)
annule cette différence de température entre la rue et la cour par le dégagement de chaleur
provoqué par les unités extérieures des climatiseurs. Le phénomène de rafraîchissement des
logements s’en trouve donc amoindri (on parle alors d’un phénomène de contagion thermique),
ce qui incite les occupants des étages supérieurs à adopter eux aussi une climatisation.

Il est indispensable de recourir à des alternatives à la climatisation pour rafraîchir un bâtiment. La ventilation est un des moyens qui permet de rafraîchir, elle peut être naturelle (ouverture des fenêtres afin de créer un courant d’air) ou mécanique (VMC simple ou double flux). Ce système peut rafraîchir l’air intérieur si l’air extérieur est plus frais que celui-ci.

La sur-ventilation nocturne qui permet de profiter de free-cooling est un bon moyen de maintenir des températures fraîches en été dans le bâtiment si elle est associée à une bonne inertie du bâtiment et à des protections solaires notamment sur les façades exposées au sud et sud-ouest. L’inertie d’un bâtiment ou d’une paroi représente son aptitude à stocker la chaleur et à la restituer avec un déphasage dans le temps.

Les matériaux à forte inertie permettent d’améliorer le confort thermique en été, car ils emmagasinent et stockent la chaleur qu’ils restituent six à dix heures après, au moment de la journée où il sera possible de faire entrer de l’air plus frais dans le bâtiment. De même en hiver, où le bâtiment emmagasine l’énergie la journée (apports solaires) pour la restituer sous forme de chaleur le soir ou la nuit lorsqu’il fait le plus froid. A noter qu’il est important de trouver un juste milieu entre le confort thermique d’été et d’hiver. En fonction de sa conductivité et de sa capacité thermique, des études en Allemagne ont montré qu’un matériau n’aura pas la même efficacité en termes d’isolation en hiver et en été selon son épaisseur. Pour la ouate de cellulose, par exemple, l’épaisseur minimale requise en hiver est de 17,3 cm tandis qu’elle est de 28,6 cm en été⁶. De même, si un matériau avec une conductivité faible et une bonne épaisseur suffit en hiver, on préférera en été, un matériau ayant également une forte capacité thermique, c’est à dire qu’il stocke la chaleur sans s’échauffer notablement, et un déphasage qui permet de restituer la chaleur le soir quand on peut ventiler.

D’autres solutions existent aussi pour rafraîchir telles que le puits provençal ou puits canadien (rafraîchissement de l’air ventilé dans le bâtiment par captage de l’énergie du sol) ou la géothermie basse profondeur (circulation d’eau à environ 10 m de profondeur). La fraîcheur du sous-sol peut également être mise à profit : l’air froid des caves peut être utilisé pour le rafraîchissement (conduites shunt dans les bâtiments). Toutes ces solutions ne sont pertinentes qu’associées à une bonne inertie et des protections solaires comme énoncé précédemment.

Émanation de froid depuis les caves d’un immeuble à Paris

Il est possible également de récupérer l’énergie produite comme la récupération de la chaleur des climatiseurs (ou machines frigorifiques avec récupérateur de chaleur) pour l’ECS d’un bâtiment par exemple.

• Protection du rayonnement solaire : la végétation

Les arbres et la végétation permettent de lutter contre les ICU tant le jour que la nuit par le phénomène d’ombrage (limiter l’ensoleillement des surfaces qui pourraient absorber la chaleur) et d’évapotranspiration (refroidissement de l’air par rejet de vapeur d’eau).
L’idéal est de placer une végétation caduque devant les façades sud ou sud-ouest pour laisser passer les rayons du soleil en hiver, une végétation persistante au nord pour protéger du froid et du vent et une végétation basse à l’est pour capter les rayons rasants du soleil.

Les murs végétaux et les toitures végétalisées sont aussi un moyen pour protéger le bâtiment des rayonnements solaires. Ce sont des écosystèmes qui créent un microclimat abaissant la température de l’enveloppe du bâtiment, qui protègent des UV et captent les particules en suspension. La température maximale d’un mur végétal est de 30°C alors que les murs classiques peuvent atteindre jusqu’à 60°C selon le type de revêtement. Pendant une journée ensoleillée de 26°C, un toit foncé peut atteindre jusqu’à 80°C, un toit blanc, 45°C tandis qu’un toit végétal seulement 29°C⁷.

Protection solaire par le végétal, l’écart des températures de surface est de près de 25°C

• Matériaux

Le type de matériaux et son inertie mais également sa couleur influencent la formation d’ICU. A Paris, les bâtiments construits avant 1914 ont des façades claires donc réfléchissantes qui permettent de réduire la température de surface des murs (et de là de réduire la consommation d’énergie des bâtiments l’été). Au contraire, les toits terrasses avec des revêtements de type bitumineux atteignent des températures supérieures à 50°C en plein soleil et participent à la formation de l’ICU⁴.
L’idéal est donc d’employer des matériaux de couleurs claires pour les façades et des matériaux réfléchissants pour les toitures non végétalisées. L’emploi de matériaux fortement réfléchissants pour les façades est à éviter car il crée un inconfort visuel.

A l’échelle du quartier

• Morphologie urbaine

L’objectif aujourd’hui est de penser la conception bioclimatique non plus seulement à l’échelle du bâtiment mais aussi à l’échelle du quartier « par un travail sur les implantations, les morphologies et les enveloppes, pour proposer des formes urbaines et bâties intrinsèquement performantes, en fonction des caractéristiques du site, du climat, des programmes » (Ville de Chevilly-Larue, 2009).

Ainsi, on peut favoriser le confort thermique des citadins, en intégrant des préoccupations telles que :
- l’agencement des bâtiments : éviter la formation de canyons urbains qui participent à la mauvaise circulation de l’air,
- atteindre un coefficient de régulation thermique qui prend en compte l’ensemble des surfaces horizontales et verticales du projet et non plus se limiter à l’étude du bâtiment seul³ : ce coefficient exprime la capacité d’un revêtement à limiter l’effet d’ICU (ZAC Boissière-Acacia, Cahier des Prescriptions Environnementales et de Développement Durable, Montreuil),
- les matériaux utilisés : de couleurs claires et réfléchissants,
- limiter si possible l’hétérogénéité des hauteurs des bâtiments,
- jouer sur la forme des toits et leurs orientations qui influencent la quantité de rayonnement absorbée par le bâtiment,
- augmenter la compacité qui permet moins de réflexions des rayons solaires tout en essayant d’éviter la formation de canyons urbains,
- jouer sur l’architecture pour prendre en compte et mettre la végétation à profit, tant pour son albédo, son pouvoir d’ombrage et le mécanisme d’évapotranspiration.

Variation des températures de surface suivant les matériaux et leurs couleurs,
on constate près de 12°C d’écart entre les deux couleurs d’enrobés

• Végétation en ville et aires de rafraîchissement

Pour favoriser la lutte contre les îlots de chaleurs urbains, il semble intéressant de multiplier les petits espaces verts et de les répartir équitablement dans la ville afin d’offrir des zones de fraîcheur à moins de 200 m de chaque habitation. Ces espaces combinés à des aménagements d’eau (jets d’eau, chutes, bassins et fontaines) peuvent améliorer le confort des habitants car l’eau possède un fort pouvoir rafraîchissant.

Le phénomène d’ICU participe pleinement au réchauffement des espaces urbains et des bâtiments, et a donc un réel impact sur le confort thermique des citadins.

La formation d’ICU va se développer notamment à cause de l’augmentation des températures et des périodes de fortes chaleurs prévues pour les prochaines décennies. L’ICU, notamment associé à ces épisodes caniculaires, peut être un réel danger pour la santé des populations des villes (problèmes respiratoires et augmentation du risque de mortalité). Il convient donc de prendre des mesures pour traiter localement ces ICU. Ces mesures s’appuient sur une réflexion à l’échelle du bâtiment mais aussi du quartier. Repenser le bâtiment par une conception bioclimatique incluant un travail sur l’isolation, l’inertie, la ventilation, les matériaux, la végétation et des alternatives à la climatisation permettra d’assurer un confort thermique pour les habitants et de limiter l’impact sur la formation d’ICU. De même à plus grande échelle, où jouer sur la forme urbaine et l’agencement des bâtiments les uns par rapport aux autres, la compacité du tissu urbain, les matériaux des bâtiments et revêtements de sol, et utiliser la végétation et l’eau pour créer des espaces de fraîcheur dans la ville, sera un moyen efficace pour lutter contre les ICU.

Aujourd’hui, plusieurs agglomérations urbaines commencent à étudier le phénomène d’ICU à l’échelle de sites, quartiers, ou territoire.

Plusieurs approches permettent d’étudier et de traiter ces enjeux : cartographies aériennes ou au sol, campagnes de mesures, modélisations, études spécifiques, etc. De ces diagnostics des plans d’actions sont élaborés afin de traduire concrètement l’ensemble des éléments de vulnérabilité liés aux ICU et ainsi proposer des solutions concrètes de lutte contre les ilots de chaleur urbains pour maintenir un confort d’été estival appréciable et nécessaire d’un point de vue sanitaire et social, le but étant que la ville soit « respirable » l’été. Les études en cours ont donc pour but de valider les stratégies d’adaptation proposées.

Il est important également de noter que la problématique ICU constitue un des pendants « urbains » des stratégies d’adaptation au changement climatique qu’il est nécessaire d’engager à la fois en ville, mais également à la campagne et il devient urgent de s’y pencher.

Par Coraline ZOCA et Olivier PAPIN – Bureau d’études ECIC à Bordeaux
BET spécialisé dans l’audit énergétique, le bilan carbone, le suivi d’exploitation et la maîtrise d’œuvre

SOURCES ET LIENS

• www.bet-ecic.fr
  
  

Notes

¹ L’îlot de chaleur urbain à Paris – Un microclimat au cœur de la ville, Agence parisienne du climat et Météo France, Septembre 2013

² Le verdissement montréalais pour lutter contre les îlots de chaleur urbains, le réchauffement climatique et la pollution atmosphérique, Conseil régional de l’environnement de Montréal, 2007

³ Programme de travail mutualisé 3 Agences d’Urbanisme de Rhône, Identification des îlots de chaleur de l’agglomération lyonnaise, vulnérabilité des populations et mesures envisageables de résorption, Octobre 2010

⁴ Les îlots de chaleur urbains, L’adaptation de la ville aux chaleurs urbaines, Institut d’Aménagement et d’Urbanisme Ile de France - IAU Idf, Novembre 2010

⁵ Les îlots de chaleur urbains à Paris, Phase 1, APUR, Décembre 2012

⁶ La conception bioclimatique, Jean-Pierre Oliva, Samuel Courgey, Terre Vivante, 2010

⁷ Mesures de lutte aux îlots de chaleur urbains, Institut national de santé publique du Québec, Juillet 2009

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