Matériaux urbains et nouveaux usages de l’eau pour le rafraichissement des villes : Stratégies d’arrosage de différents revêtements parisiens

Urban Materials and Evaporative Cooling for Heat Mitigation in Cities : Adapting Pavement-Watering to Different Parisian Pavements

• Auteur / Autrice : Sophie Parison
• Direction : Laurent Royon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 06/10/2020
• Etablissement(s) : Université Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Interdisciplinaire des Energies de Demain (Paris ; 2014-....)
• Jury : Président / Présidente : Stéphane Lassue
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Stéphane Lassue, Valéry Masson, Matheos Santamouris, Marjorie Musy
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Valéry Masson, Matheos Santamouris

Mots clés

Mots clés contrôlés

Rénovation urbaine

Refroidissement par pulvérisation

Changements climatiques -- Adaptation

Revêtements (voirie)

Mots clés libres

Arrosage urbain

Matériaux urbains

Revêtements frais

Rafraîchissement évaporatif

Pavement-watering

Urban materials

Cool pavements

Evaporative cooling

Résumé

Ce manuscrit s’intéresse à l’arrosage urbain comme stratégie d’atténuation de la chaleur et d’adaptation au changement climatique. La méthode est optimisée pour des matériaux de voirie traditionnels et "frais" afin de limiter la consommation d’eau du procédé. La première partie de ce manuscrit utilise des mesures de terrain recueillies lors de campagnes d’arrosage à Paris entre 2013 et 2018. Une méthode d’analyse statistique permet de déterminer les effets microclimatiques de l’arrosage sur la température de l’air et le stress thermique à l’aide de l’Indice Universel de Climat Thermique. Deux protocoles d’arrosage sont comparés afin de déterminer l’influence de la surface arrosée sur l’efficacité de la méthode.Dans un second temps, une expérience de laboratoire est utilisée afin de comparer le comportement thermique de structures de voirie réalistes dans des conditions similaires à celles d’une vague de chaleur parisienne. L’échantillon subit un cycle climatique de 24 heures et son arrosage peut être activé à une fréquence fixe. A l’aide de mesures de température et de flux thermique en surface et en profondeur, le bilan thermique de surface permet de déterminer le flux rafraîchissant évaporatif pour chaque débit d’arrosage testé. Les résultats obtenus sur une structure de chaussée en asphalte sont comparés à ceux du terrain.Enfin, le protocole est appliqué à douze revêtements traditionnels et "frais", avec et sans arrosage. L’arrosage est optimisé pour chaque structure afin de maximiser le rafraîchissement en minimisant la consommation d’eau. Pour ce faire, deux régimes de rafraîchissement sont employés. Les paramètres déterminants dans l’optimisation du flux rafraîchissant selon le débit sont identifiés. Le bilan thermique de la surface et le partitionnement de l’irradiance sont analysés pour chaque échantillon. L’efficacité de la méthode selon les structures ainsi que les limites du protocole de laboratoire sont discutées.Ce travail vise à fournir des informations utiles aux décideurs qui envisagent l’emploi de l’arrosage urbain ou de revêtements "frais" dans leur stratégie d’atténuation de la chaleur. La recherche future devrait s’intéresser aux effets microclimatiques de revêtements "frais" en combinaison avec de l’arrosage afin de confronter les résultats de laboratoire à davantage d’études de terrain. Ces dernières devront proposer un plan expérimental adéquat, tandis que les méthodes d’analyse statistique associées pourront également faire l’objet de futures améliorations.

This manuscript examines the use of pavement-watering as a heat mitigation strategy and climate change adaptation tool for cities. The method is fine-tuned for traditional and cool paving materials in order to limit the water footprint of the technique. The first Part of this research is based on field measurements gathered form watering campaigns in Paris from 2013 to 2018. A suited statistical analysis method is proposed in order to determine the microclimatic effects of watering, including effects on air temperature and pedestrian thermal stress using the Universal Thermal Climate Index. Two watering protocols are compared to determine the influence of the surface area being watered on the efficiency and duration of pavement-watering.Secondly, a laboratory experiment is used to compare the thermal behaviour of realistic paving structures under heat-wave like conditions. The pavement undergoes a 24-h climate cycle and watering can be enabled at a fixed frequency. On the basis of surface and in-depth temperature and heat flux measurements, using the surface heat budget, the evaporative cooling flux is determined for each tested watering rate. Results obtained on an asphalt road structure with the lab protocol are compared to field results. Finally, the lab protocol is applied to twelve traditional and cool pavements under dry and watered conditions. Watering is fine-tuned for each structure to maximize cooling and minimize the water consumption using two linear cooling regimes. Driving parameters influencing the optimization of the evaporative cooling versus the watering rate are determined. The surface heat budget and the partitioning of irradiance into conductive, convective, radiative and cooling fluxes are analysed for each paving structure. In the end, the benefits of each pavement, the efficiency of the method and the limitations of the lab protocol are discussed.This research intends to provide useful information for decision-makers considering the use of pavement-watering or cool pavements as heat mitigation strategy. Future work should principally investigate the microclimatic effects of cool pavements combined with pavement-watering to confront lab results to field studies. Those should come with an adapted experimental design, while associated statistical procedures may also require improvements in the future.