Approches simplifiées d’évaluation de la température moyenne radiante en milieu urbain en vue de la qualification du confort thermique

Dans le contexte du changement climatique, les différents rapports du GIEC annoncent une augmentation moyenne de la température de surface du globe (+1°C déjà atteint par rapport à la période préindustrielle et +2°C atteint en 2100 dans le scénario ambitieux RCP2.6) A ce réchauffement moyen s’ajoute un écart de température important entre les zones urbaines denses et les zones rurales. Cette réponse spécifique (micro-climat) des environnements construits est nommée “îlot de chaleur urbain”. Ce phénomène décrit dès le XIXe siècle peut être source d’inconfort, de morbidité voire de mortalité durant des épisodes caniculaires.

Ainsi, la ville, en raison de sa morphologie, des matériaux qui la composent ou encore du nombre de personnes qu’elle abrite, exacerbe les impacts du changement climatique. C'est pourquoi la question du confort thermique en ville - en intérieur comme dans les espaces extérieurs - prend de l'ampleur dans les stratégies d'adaptation climatique des villes.

Cependant, cette notion de confort thermique est difficile à appréhender, et ce, dès la manière de le caractériser. On trouve dans la littérature différentes définitions comme l’absence d’inconfort (Fanger), l’ensemble des conditions pour lesquelles les efforts des mécanismes d’autorégulation sont à leur minimum (Givoni) ou encore par la sensation physique et psychologique de bien être (European Passive Solar Handbook).

A partir de cela, plusieurs méthodes ont été développées pour évaluer les conditions de confort - au départ pour l’intérieur des bâtiments puis pour l’extérieur - en mettant en place des indicateurs que l’on peut classer en deux catégories : les indicateurs “empiriques” (ou “simples”) et les indicateurs “rationnels”. Les premiers sont déterminés à la suite d’expérimentations et sont ainsi représentatifs d’une aire géographique. Les seconds sont calculés grâce à la résolution des équations régissant les échanges énergétiques entre le corps et son environnement et passent par le calcul d’une température équivalente.

La résolution de telles équations nécessite la connaissance de deux types de données d’entrées :

• ceux relatifs à l’environnement : humidité relative, température de l’air, vitesse du vent, température moyenne radiante (Tmrt);

• ceux relatifs à l’individu : métabolisme, habillement.

Désormais, ces paramètres sont bien appréhendés, exceptée la Tmrt qui permet de globaliser l’ensemble des rayonnements que reçoit un individu. Elle représente (bien que sa définition soit elle est aussi discutée) la température d’un environnement fictif (températures de l’air et des surfaces égales et homogènes) qui soumettrait le corps humain aux mêmes échanges radiatifs que l’environnement réel. Et c’est bien dans la complexité de ce milieu que résident les obstacles à la résolution. En effet, les bilans de flux de grandes longueurs d’onde (GLO), au-delà de 2000nm, et de courtes longueurs d’onde (CLO), entre 200 et 2000nm, sont difficiles à évaluer : il faut prendre en compte les inter-réflexions ainsi que les températures de toutes les surfaces. La Tmrt est donc une grandeur dont la mesure et la modélisation sont laborieuses alors qu’elle est essentielle pour permettre la mise en place d’indicateurs de confort thermique.

Les outils et méthodes qui existent à l’heure actuelle reposent sur des modèles dont les simulations sont coûteuses en temps de calcul. Ils ne peuvent convenir pour l’évaluation de solutions d’adaptation climatique dans une démarche de projet conduite en amont par une agence d’architecture, un bureau d’étude ou un Pôle Climat d’une collectivité territoriale.

Cette thèse s’attachera à lever les verrous bloquant une résolution simple et opérationnelle du calcul de la température moyenne radiante. Quatre d’entre eux ont été mis en lumière et vont guider les travaux de recherche de cette thèse.

1/ Le premier est la modélisation des températures de surface. Comme évoqué précédemment, la composante GLO est déterminée par le rayonnement atmosphérique et par les émissions des surfaces urbaines. Il est donc essentiel de connaître ces températures pour accéder à la température moyenne radiante, et particulièrement quand la part due au rayonnement solaire diminue (en fin de journée notamment, quand l’effet d’ICU est à son maximum). Des modèles thermiques complexes à des approches de physique très dégradée qui relient la température de surface à la température de l’air et au flux solaire, on retrouve de nombreuses solutions dans la littérature sans qu’aucune réponde de manière satisfaisante à la fois aux critères de simplicité de calcul et de bonne représentation des dynamiques journalières.

2/ Quelle que soit la réponse apportée à la question précédente, l’accès aux données (matériaux, morphologie) des bâtis de la zone d’étude pose problème. L’espace urbain est complexe, les matériaux sont très nombreux et pas toujours connus. Si la question du modèle physique du paragraphe traité dans le verrou précédent concernait plutôt le temps de calcul (et plus largement le caractère opérationnel d’un tel outil), il faudra également s’attacher à prendre en compte suffisamment d’informations de l’espace pour qu’un modèle soit valide, tout en s’assurant de leur accessibilité.

3/ Nous en venons ainsi à la validation d’une représentation de la Tmrt et des difficultés dues à la mesure de l’impact radiatif de l’environnement. La validation expérimentale s’avère elle aussi laborieuse. De nombreuses techniques existent – pyranomètres, pyrogéomètres, radiomètres, globe noire, globe gris, caméra infrarouge, … – sans qu’une seule s’impose comme référence. La validation expérimentale d’une nouvelle proposition est donc elle-même aussi un enjeu de recherche.

4/ Enfin, il faudra se poser la question de la résolution spatiale. En effet, la Tmrt est une notion intrinsèquement locale. Un simple déplacement de quelques centimètres d’une zone ombragée vers une position ensoleillée modifie le flux radiatif reçu. Cependant la question de la résolution spatiale nécessaire à une bonne représentation du confort thermique dans une approche de conception n’a jamais été abordée et il s’agit aussi d’un point à explorer, pour trouver un compromis entre pertinence de l’évaluation de la Tmrt, et in fine des indices de confort et temps de calcul.

La thèse se déroulera en grande partie au sein de l’équipe de recherche BPE au Cerema à Nantes. Cette équipe est construite autour de 3 axes portant sur la caractérisation des dispositifs de l’enveloppe, des matériaux et parois, l'évaluation de la performance globale du bâtiment et sur les interactions bâtiments - microclimat urbain.

Des séjours seront aussi à consacrer au sein de l'entreprise OTEIS (Groupe francais de Conseil et Ingénierie Bâtiment - Eau - Infrastructures. AMO, Maitrise d'oeuvre TCE, Etudes Techniques et Environnementales), sur Nantes ou Rennes.

Direction et encadrement de thèse: Marjorie Musy, Auline Rodler

Suivi entreprise : Emmanuel Dusfrasnes

Financement : ADEME et OTEIS, projet ANR PERMEPOLIS (participation au projet attendu)

Profil recherché et modalités pour candidater

Etudiant de Master 2 (école d'ingénieur ou équivalent), le candidat devra disposer de compétences dans le domaine de l'énergétique et/ou de la thermique et/ou de l‘aménagement urbain.

Spécificités souhaitées : thermique/physique de la ville, mathématiques appliquées, compétences de programmation et SIG.