Contribution de différentes typologies de toiture au climat urbain en période caniculaire

Contribution of different roof typologies to the urban climate during heatwaves

• Auteur / Autrice : Maxime Chaumont
• Direction : Laurent Royon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 11/12/2023
• 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 : Laurence Fournaison
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurent Royon, Laurence Fournaison, Emmanuel Bozonnet, Jean-Félix Durastanti, Marion Bonhomme
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Emmanuel Bozonnet, Jean-Félix Durastanti

Mots clés

Mots clés contrôlés

Vagues de chaleur

Îlot thermique urbain

Changements climatiques -- Adaptation

Refroidissement par pulvérisation

Toits

Isolation thermique

Microclimat urbain

Mots clés libres

Climat urbain

Isolation thermique

Toiture fraîche

Arrosage urbain

Îlot de chaleur urbain

Canicule

Urban climate

Thermal insulation

Cool roof

Urban watering

Urban heat island

Heatwave

Résumé

Le climat des villes se caractérise entre autre par des températures d'air plus importantes comparées au milieu rural environnant, notamment la nuit. Ce phénomène, appelé îlot de chaleur urbain (ICU), est dû à plusieurs facteurs inhérent aux villes tel que la concentration des activités humaines, le manque de végétation, leur morphologie ou encore les matériaux qui y sont utilisés. Pendant la saison estivale et en particulier en période de forte chaleur, il entraîne une augmentation importante de la consommation énergétique notamment pour les besoins de froid et pose des enjeux sanitaires. Effectivement, lorsque ce phénomène est important la nuit, l'organisme humain ne récupère pas convenablement, ce qui entraîne des problèmes de santé notamment chez les personnes les plus fragiles. Diverses solutions sont donc étudiées pour modérer l'échauffement des villes lors des canicules. Elles peuvent porter sur la végétalisation et/ou l'arrosage des différentes facettes urbaines, sur la création d'espaces ombragés ou encore sur l'utilisation de matériaux perméables, hautement réfléchissants ou hautement émissifs. Parmi les surfaces qui peuvent être ciblées pour la mise en oeuvre de ces techniques, les toits présentent un potentiel intéressant de par leur surface importante et parce qu'ils sont majoritairement inoccupés, ne présentant ainsi pas de conflit d'usage comme cela peut-être le cas avec la mise en place de certaines techniques de rafraîchissement dans l'espace public. Aussi, les toitures présentent un double intérêt puisqu'elles constituent une interface entre l'atmosphère et le bâtiment. Elles participent donc à l'échauffement urbain et influent sur la consommation énergétique des bâtiments. Ce travail a pour objectif de quantifier la contribution à l'échauffement urbain des toitures en période caniculaire dépendamment de leurs propriétés radiatives et thermiques, de la nature et de l'agencement des couches qui les composent ou encore des techniques de rafraîchissement qu'il est possible d'y déployer. Cette étude est réalisée en laboratoire à l'aide d'un dispositif expérimental permettant de soumettre des échantillons de toiture à des conditions caniculaires. Le dispositif expérimental est composé d'une enceinte climatique programmable en température et en humidité, d'un simulateur solaire et d'un mécanisme d'aspersion. Deux configurations de toiture sont étudiées : les toitures isolées thermiquement par l'extérieur (ITE) et les toitures isolées thermiquement par l'intérieur (ITI). Chacune des configurations est étudiée pour deux types de toiture : standard (faible albédo), et réfléchissante (albédo élevé). La modification du comportement thermique des différentes structures, lorsque leur surface est arrosée, est aussi observée. Il apparaît que les structures ITE échauffent l'air extérieur en journée mais pas la nuit. Si les structures ITI échauffent moins l'air ambiant en journée, elles restituent une partie de la chaleur emmagasinée la nuit. Peu importe la structure, l'augmentation de la réflectivité solaire permet de diminuer sensiblement la contribution des toitures à l'échauffement urbain bien que l'impact soit plus marqué pour les toitures ITI puisqu'elle permet de diminuer la quantité de chaleur restituée. L'arrosage de la couche superficielle permet pour l'ensemble des structures étudiées de réduire considérablement les échanges convectifs pendant la phase diurne. Si le débit est suffisamment important, aucune des quatre toitures n'échauffent l'air ambiant en journée. Au-delà d'un certain débit les échanges convectifs deviennent même négatifs, c'est-à-dire que la toiture rafraîchit l'air ambiant proche de la surface. L'arrosage permet de réduire la contribution nocturne à l'ICU des toitures ITI. Pour chacune des structures, un débit optimal est déterminé minimisant la consommation d'eau tout en maximisant les effets rafraîchissants.

Urban climate is characterized by higher air temperatures compared to rural climates, especially at night. This phenomenon, known as the urban heat island effect (UHI), is due to several factors inherent to cities, such as the concentration of human activity, the lack of vegetation, their morphology and the materials used. During the summer season, and particularly during extreme heat, it leads to a significant increase in energy consumption, particularly for space cooling, and poses health risks. Indeed, during hot nights, the human body cannot recover properly from heat exposure, leading to health problems, particularly for the most vulnerable populations. Various solutions are therefore being studied to moderate urban heat during heatwaves. They can involve the greening and/or watering of various urban facets, the creation of shaded areas or the use of permeable, highly reflective or highly emissive materials. Among the surfaces that can be targeted for the implementation of these techniques, roofs present an interesting potential due to their large surface area and because they are mostly unoccupied, thus presenting no conflict of use as may be the case in public spaces. Roofs also have a dual role to play as they act as an interface between the atmosphere and the inside of buildings. They therefore contribute to urban heating and influence building energy consumption. The aim of this study is to quantify the contribution of roofs to urban heating during heatwaves, depending on their radiative and thermal properties, the nature and arrangement of their constitutive layers, and the cooling techniques that can be deployed. This study is carried out in the laboratory, using an experimental set-up to subject roof samples to heatwave conditions. The experimental set-up comprises a temperature- and humidity-controlled climate chamber with a solar simulator and sprinkler mechanism. Two roofing configurations are studied: roofs insulated from the outside and roofs insulated from the inside. Each configuration is studied for two types of roof: standard (low albedo), and reflective (high albedo). Changes in the thermal behavior of the various structures when their surfaces are sprayed are also observed. It appears that externally-insulated structures heat the outside air during the day, but not at night. While internally-insulated structures heat the ambient air less during the day, they release some of the stored daytime heat during the night. Whatever the structure, increasing solar reflectivity significantly reduces the contribution of roofs to urban heating, although the impact is more marked for internally-insulated roofs, since it reduces the amount of heat released. For all the structures studied, watering the surface layer considerably reduces convective exchanges during the daytime. If the water flow rate is high enough, none of the four roofs heats up the ambient air during the day. Above a certain flow rate, convective exchanges even become negative, i.e. the roof cools the ambient air close to the surface. Watering reduces the night-time contribution to the UHI of internally-insulated roofs. For each structure, an optimum flow rate is determined to minimize water consumption while maximizing cooling effects.