Approches physiques de création d'îlots de fraicheur urbains : application à des cours d'écoles Parisiennes

Urban cooling islands as a heat mitigation strategy : a case study in Parisian schoolyards

• Auteur / Autrice : Ghid Karam
• Direction : Laurent Royon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 01/06/2023
• 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, Marjorie Musy, Martin Hendel
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Valéry Masson, Marjorie Musy

Mots clés

Mots clés contrôlés

Troubles dus à la chaleur

Végétalisation

Îlot thermique urbain

Paris (France)

Changements climatiques -- Adaptation

Mots clés libres

Adaptation au changement climatique

Rafraichissement urbain

Évaluation microclimatiques

Ilot de chaleur urbain

Stress thermique

Materiaux

Sig

Climate change adaptation

Heat mitigation strategies

Microclimatic assessment

Urban Heating island

Thermal comfort

Gis

Material

Résumé

Le dérèglement climatique sera à l'origine de vagues de chaleur plus fréquentes, plus intenses et de plus longues durée à l'horizon 2050. Ces épisodes caniculaires sont amplifiés par les phénomènes d'îlots de chaleur urbains ( ICU) qui sont liés à différents paramètres de la ville: végétation, albédo et imperméabilité des matériaux, densité et morphologie. Dans le cadre de sa Stratégie de Résilience et du Plan Climat adoptés en 2017, la Ville de Paris met en place de stratégies de rafraichissent qui visent a diminuer les conséquences sanitaires des évènements extrêmes, renforcer le lien social, et atteindre les objectifs de sobriété énergétique. Le programme Oasis vise a créer un maillage d'îlots de fraîcheur à partir de la transformation des cours d'écoles parisiennes en espaces débitumés et végétalisés. Le programme prévoit d'avoir transformé l'ensemble du parc scolaire parisien à l'horizon 2050. Dans le cadre du projet FEDER UIA OASIS porté par la Ville de paris, 10 cours pilotes font l'objet d'un suivi scientifique interdisciplinaire visant à informer la suite du programme. Cette thèse porte sur l'évaluation thermique et microclimatique des 10 cours pilotes, en particulier en termes d'amélioration du stress thermique des enfants et de lutte contre l'îlot de chaleur urbain. Pour cela, différentes approches et échelles d'analyse sont mobilisées croisant notamment outils d'aide à la décision ou à la conception à l'échelle d'une cour, mesures microclimatiques fixes et mobiles in situ ainsi qu'expérimentations en laboratoire de caractérisation de revêtements. A l'échelle du laboratoire, le comportement thermique des structures de revêtement des cours d'écoles est caractérisé dans des conditions similaires à celles d'une vague de chaleur parisienne. les résultats obtenus permettent d'éclairer et de discuter les choix de revêtements effectués au sein des cours OASIS au regard de l'objectif de réduction du stress thermique et d'atténuation d'ICU. A l'échelle du terrain, un réseau de mesure de 19 stations météorologiques est déployé dans Paris intra-muros pour l'évaluation de l'impact microclimatique des transformations des cours observées en 2019 ( avant travaux ) et 2022 (après travaux) . Une méthode d'analyse statistique est utilisée pour déterminer les effets microclimatiques de la transformation de chaque cour pilote. Un prétraitement est proposé pour améliorer la qualité des analyses microclimatiques lorsqu'il y a des variations d'ensoleillement significatives au cours de la période de mesure. En complément, un protocole de mesures mobiles couplé aux mesures fixes est appliqué aux dix cours pilotes visant à mettre en évidence les variations spatiales du stress thermique des usagers pouvant exister au sein d'une même cour. La méthodologie tient compte des variations météorologiques à différents horizons temporels. Outre les mesures expérimentales, un diagnostic préliminaire est réalisé en amont de la sélection des cours pilotes visant à identifier les cours parisiennes les plus minérales et exposées aux apports solaires directs. Par la suite, cette analyse est affinée comme indicateur de l'accumulation de chaleur par les cours par temps anticyclonique, appelé indicateur de potentiel de rafraîchissement. Il est utilisé pour l'aide à la conception , afin d'optimiser les projets de transformation des cours. Cet indicateur peut etre croisé avec des données socio-économiques dans le cadre d'analyses de vulnérabilité à la chaleur. Ces différentes approches d'évaluation sont comparées et discutées. Les données obtenues par le réseau de stations OASIS a permis de créer une base de données météorologiques couvrant plus de 3 années qui pourront nourrir de futures études microclimatiques tout aussi bien expérimentales que numériques.

Climate change will cause more frequent, intense and longer lasting heat waves by 2050. These heat waves are amplified by the urban heat island (UHI) phenomenon, which is linked to the city's properties: vegetation, albedo and material imperviousness, street morphology and building density. As part of its Climate Plan, Resilience Strategy adopted in 2017, the City of Paris is implementing sustainable cooling strategies that aim to reduce the health consequences of extreme events, strengthen social ties, and decrease energy demands. The OASIS project aims to create a network of urban cool islands by transforming schoolyards into spaces offering increased vegetation fractions, unsealed soils and nature-based designs. The program plans to have transformed the entire Parisian schoolyards by 2050. Within the framework of the ERDF UIA OASIS project led by the CIty of Paris, 10 pilot schoolyards are subjevt to an interdisciplinary scientific monitoring campaign that will contribute to building knowledge prior to pscaling the project. this thesis focuses on the thermal and microclimatic evaluation of the 10 pilot courtyards, notably in terms of improving the thermal stress of children and urban heat island mitigation. For this purpose, different approaches and scales of analysis are combined, including decision and design support tools at the courtyard scale, fixed and mobile microclimatic measurements in situ aas well as laboratory experiments for pavement characterization. Starting at laboratory-scale, an experiment is used to assess teh thermal performance of schoolyard paving structures under heatwave-like conditions. The results obtained allow us to discuss the relevance of OASIS schoolyards' paving solutions with regard to thermal stress improvement and UHI mitigation.Moving on a larger scale, a fixed measurements network of 19 meteorological stations is deployed in Paris intra-muros to evaluate the microclimatic impact of the schoolyards transformations monitored between 2019 ( before works) and 2022 ( after works) . A statistical analysis method is used to determine the microclimatic effects of the transformation of each pilot schoolyard. A pre-processing method is proposed to improve the quality of the microclimatic analysis when there are significant variations in sun exposure during the measurment period. To complement these fixed measurements, a protocol of mobile measurements coupled with fixed measurments is applied to the ten pilot schoolyards in order to highlight the spatial variations of the thermal stress of the users within the same yard. The methodology takes into account the meteorological variations at different time horizons. In addition to field testings, a preliminary diagnossis was carried out in order to identify the Parisian courtyards with the most mineral fractions of pavement an dbiggest exposure to direct solar input prior to the selection of the pilot courtyards. Subsequently, this analysis is refined as an indicator, called the cooling potential indicator that estimates heat accumulation by the courtyards during anticyclonic weather. It is used as a design support tool to optimize courtyard transformation projects. this indicator can be cross-referenced with socio-economic data for heat vulnerability analyses. These different evaluation approaches are compared and discussed. The data yielded by the OASIS network of weather stations has allowed to create a meteorological database that spans over 3 years of data recording, and can provide input for future microclimatic studies either experimental or numerical.