Étude du rôle de la végétation dans l'atténuation de la surchauffe urbaine

How vegetation mitigates urban overheating

• Auteur / Autrice : Julien Cravero
• Direction : Jean-François Caron, Ioulia Tchiguirinskaia
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Structures et Matériaux
• Date : Soutenance le 21/02/2023
• Etablissement(s) : Marne-la-vallée, ENPC
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Navier (Paris-Est) - Laboratoire Hydrologie Météorologie et Complexité (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne)
• Jury : Président / Présidente : Bernard Maurin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-François Caron, Ioulia Tchiguirinskaia, Georges Najjar, Benoît Gabrielle, Auline Rodler, Pierre-Antoine Versini, Adélaïde Feraille
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Georges Najjar, Benoît Gabrielle

Mots clés

Mots clés contrôlés

Évaporation

Arbres des villes

Végétalisation

Constructions -- Propriétés thermiques

Îlot thermique urbain

Analyse du cycle de vie

Mots clés libres

Végétation urbaine

Ilot de chaleur urbain

Confort thermique

Gridshell

Bilan énergétique

Analyse de cycle de vie

Urban vegetation

Urban heat island

Thermal comfort

Gridshell

Energy balance

Life cycle assessment

Résumé

Ce travail s'intéresse au rôle joué par la végétation en ville d'un point de vue thermique, dans l'optique de comprendre de quelle manière les végétaux peuvent modérer la surchauffe urbaine. Les principales études expérimentales et les modèles utilisés pour décrire les effets de la végétation sur l'atténuation des îlots de chaleur urbains sont d'abord passés en revue. Nous nous concentrons ensuite sur deux phénomènes physiques qui ressortent de la littérature - celui de l'ombre au sol et de l'évapotranspiration - en tentant de formaliser leurs effets sur la réduction de chaleur sensible transférée à l'air et en cherchant à définir plus précisément la notion de rafraîchissement. Pour cela, nous nous appuyons sur les bilans énergétiques de surface couramment employés en météorologie urbaine à l'échelle de la ville ou du quartier pour les adapter à une échelle plus petite, qui est celle de l'arbre. Nous en proposons alors un modèle analytique simple, décomposant l'impact de l'arbre sur la température de l'air en trois contributions : le flux de chaleur sensible de l'arbre non-évaporant intrinsèque à sa géométrie (déductible du rayonnement absorbé par sa géométrie), la réduction du flux de chaleur sensible des feuilles due à leur transpiration, et la réduction du flux de chaleur sensible du sol due à son ombrage par la végétation. Le poids relatif de ces trois termes permet de déterminer si, pour des conditions environnementales données, l'arbre est en train de réchauffer l'air, de le refroidir de manière relative (par comparaison avec une situation urbaine où l'arbre serait absent) ou de le refroidir de manière absolue. Nous cherchons ensuite à estimer ces trois contributions. Pour la première, nous utilisons l'interface Helios afin de simuler les échanges radiatifs au sein d'une végétation dont la géométrie en 3D est représentée explicitement. Pour les deux suivantes, nous les mesurons au moyen d'un dispositif expérimental original, qui est un gridshell élastique en matériaux composites servant de support à des plantes grimpantes. Les enjeux de la conception et de la réalisation de ce type de structures sont exposés. Nous analysons ensuite les données recueillies afin d'apprécier les effets de l'évaporation et de l'ombrage procurées par ce prototype. Enfin, une analyse de cycle de vie de la structure végétalisée, visant à évaluer les impacts environnementaux potentiels causés par la réalisation de cet exemple de mobilier urbain, conclut le manuscrit.

This work focuses on the role of vegetation in the city from a thermal point of view, aiming to understand how plants can moderate urban overheating. First, the main experimental studies and models describing the effects of vegetation on urban heat island mitigation are reviewed. We then focus on two physical phenomena that emerge from the literature - that of ground shading and evapotranspiration - by attempting to formalize their effects on the reduction of sensible heat transferred to the air and by seeking to define more precisely the notion of cooling. To do so, we rely on the surface energy balances commonly used in urban meteorology at the city or district scale to adapt them to a smaller scale, that of a tree. We propose a simple analytical model, decomposing the impact of the tree on the air temperature into three contributions: the sensible heat flux of the non-evaporating tree intrinsic to its geometry (deducible from the radiation absorbed by its geometry), the reduction of the sensible heat flux of the leaves due to their transpiration, and the reduction of the sensible heat flux of the soil due to its shading by the vegetation. The relative weight of these three terms determines whether, for given environmental conditions, the tree is warming the air, cooling it relatively (compared to an urban situation where the tree would be absent) or cooling it absolutely. Then, we seek to estimate these three contributions. For the first one, we use the interface Helios to simulate the radiative exchanges within a vegetation whose 3D geometry is explicitly represented. For the next two, we measure them using an original experimental device, which is an elastic gridshell made of composite materials used to support climbing plants. The challenges of the design and fabrication of this type of structures are then exposed. We then analyze the data collected to evaluate the effects of evaporation and shading provided by this prototype. A life cycle assessment of the vegetated structure, aiming at evaluating the potential environmental impacts caused by the realization of this example of urban furniture, concludes the manuscript.