Adapter les établissements humains au changement climatique : méthodes d'évaluation et d'amélioration des stratégies d'urbanisation selon des critères microclimatiques et biométéorologiques

Adapting human habitats to a warming climate : Methods to Assess and Improve Urbanisation Strategies according to Microclimatic and Biometeorological Criteria

• Auteur / Autrice : Matteo Migliari
• Direction : Olivier Baverel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et Techniques de l'Environnement
• Date : Soutenance le 23/01/2025
• Etablissement(s) : Marne-la-vallée, ENPC
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2010-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Navier (Marne-La-Vallée)
• Jury : Président / Présidente : Julien Waeytens
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Olivier Baverel, Stevan Savic, Denis Bruneau, Dragan Milošević, Sophie Herpin, Auline Rodler
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Stevan Savic, Denis Bruneau

Mots clés

Mots clés contrôlés

Îlot thermique urbain

Microclimatologie

Changements climatiques

Mots clés libres

Microclimat

Confort thermique

Îlot de chaleur urbain

Morphologie urbaine

Solutions fondées sur la nature

Adaptation au changement climatique

Microclimate

Outdoor thermal comfort

Urban heat island

Urban morphology

Nature based solutions

Climate change adaptation

Résumé

S'adapter au changement climatique et en atténuer les effets est crucial pour maintenir l'habitabilité à long terme des zones urbaines, où vit la majorité de la population mondiale. Ainsi, les villes, à la fois les environnements les plus vulnérables et les plus peuplés, deviennent des lieux stratégiques pour mettre en œuvre des mesures préservant le bien-être humain. Dans le but de proposer des méthodologies permettant de considérer les questions environnementales dès les premières étapes d’un projet, cette thèse explore comment les stratégies actuelles d’adaptation urbaine peuvent, de manière involontaire, compromettre la résilience urbaine. Elle propose une reconsidération critique des approches d’urbanisme et des solutions plus efficaces et adaptées au contexte. Dans un premier temps, les différences entre l’effet d’îlot de chaleur urbain (ICU) et le confort thermique extérieur (CTE) ont été analysées, avec un accent particulier sur ce dernier. Une méthodologie novatrice de classification, appelée « Métamatrice du confort thermique », a été élaborée pour guider la sélection des indices de confort thermique extérieur les plus adaptés à des besoins opérationnels spécifiques. Ce cadre a permis de choisir l’indice UTCI (Universal Thermal Climate Index) pour étudier le CTE dans cette thèse. Un diagramme bioclimatique basé sur l’UTCI a ensuite été développé, mettant en évidence l’efficacité de l’ombrage et explorant les effets contrastés du vent sur le confort thermique extérieur. Ce travail examine également de manière critique l’approche de distribution de l’albédo des rues. Bien que la réflexion des surfaces soit largement promue pour réduire les ICU, cette thèse montre que des augmentations systématiques de l’albédo peuvent être contre-productives, en augmentant l’inconfort thermique des piétons. En optimisant la répartition de l’albédo, par exemple en privilégiant des chaussées plus claires et des trottoirs plus sombres, il est possible de mieux lutter contre la surchauffe urbaine et l’inconfort thermique. Un progrès supplémentaire réside dans le concept de façades dynamiques. Dans le contexte de l’adaptation au changement climatique, les morphologies urbaines doivent évoluer. Cette thèse présente des prototypes de façades dynamiques capables de s’ajuster aux variations saisonnières et climatiques, offrant une solution réactive aux besoins fluctuants en matière de confort thermique. Cette approche dynamique du design a le potentiel d'améliorer significativement la résilience urbaine en été comme en hiver, dépassant les solutions statiques qui dominent actuellement l'urbanisme. De plus, la méthodologie LCZ (Local Climate Zone) introduite dans cette recherche compare la performance thermique de différentes morphologies urbaines à travers divers climats. Cet outil d’analyse croisée remet en question les idées reçues sur la performance des zones à forte densité de tours et souligne le rôle de la végétation dans la mitigation de la chaleur urbaine, démontrant que les formes urbaines végétalisées sont souvent les plus efficaces pour assurer le confort thermique. Enfin, la thèse présente un algorithme de morphogenèse des arbres, qui intègre les caractéristiques des espèces d’arbres et les facteurs environnementaux pour optimiser les schémas de plantation en milieu urbain. Cet outil soutient la création d’espaces urbains durables et adaptés au climat, en veillant à ce que les arbres soient non seulement plantés aux endroits adéquats, mais aussi qu’ils survivent et prospèrent, afin de maximiser les bénéfices microclimatiques

Adapting to and mitigating climate change are crucial for maintaining the long-term habitability of urban areas, which house most of the global population. Thus, cities are both the most vulnerable and the most populated environments, making them strategic locations to implement measures that preserve human well-being. By the aim of proposing methodologies that allows to consider environmental matters from the early stages of a project, this thesis explores how current urban adaptation strategies can unintentionally undermine urban resilience. It offers a critical rethinking of urban planning approaches and proposes more effective, context-driven solutions.At first, differences between urban heat island (UHI) and outdoor thermal comfort (OTC) have been outlined, focusing on the second. A novel classification methodology called Metamatrix of Thermal Comfort was designed to guide the selection of the most suitable outdoor thermal comfort indices for specific operational needs. This framework allowed the selection of the Universal Thermal Climate Index (UTCI) to study OTC in this PhD. A UTCI bioclimatic chart was subsequently developer, highlighting the effectiveness of shade and exploring of the contrasting effects of wind in OTC. This work also critically examines the approach to street albedo distribution. While the reflective nature of surfaces is widely promoted to reduce UHI, this thesis shows that systematic increases in albedo can be counterproductive, since they might lead to higher thermal discomfort for pedestrians. By optimising albedo distribution, such as using lighter roads and darker sidewalks, urban overheating and thermal discomfort can be tackled more effectively.A further advancement is the concept of dynamic façades. In the context of adapting to climate change, urban morphologies must evolve. This thesis presents prototypes of dynamic façades that can adjust to seasonal and climatic changes, offering a responsive solution to fluctuating thermal comfort needs. This dynamic approach to design holds the potential to significantly enhance urban resilience in both summer and winter, moving beyond static solutions that currently dominate urban planning.Additionally, the LCZ matrix methodology introduced in this research compares the thermal performance of different urban morphologies across climates. This cross-analysis tool challenges common assumptions about the performance of high-rise areas and emphasizes the role of vegetation in urban heat mitigation, demonstrating that green urban forms are often the most effective in providing thermal comfort.Finally, the thesis presents a tree morphogenesis algorithm, which integrates tree species characteristics and environmental factors to optimise tree planting patterns in urban areas. This tool supports the creation of sustainable, climate-responsive urban spaces by ensuring that trees are not only planted in the right locations but also survive and thrive to provide maximum microclimatic benefits