Essai en design urbain_Confort solaire thermique de la ville nordique_K.Mark

L’accès solaire comme critère de design de l’espace public

Impacts de la forme et la densité urbaine sur le confort thermique dans les climats nordiques

Essai en design urbain dans le cadre de la M.Sc.DU

Kevin Mark

Sous la supervision de André Potvin et Claude Demers

École d’architecture de l’Université Laval

RESUME La particularité de cet essai axé sur le contexte hivernal reflète l’importance de celui-ci dans un climat nordique comme celui du Québec. La considération minimaliste portée à l’aménagement hivernal des villes et des espaces publics appelle à une plus grande diffusion des connaissances pouvant être appliquées concrètement en design urbain. Le confort et l’ensoleillement, étant en situation critique dans des conditions hivernales, l’analyse de la densité en saison froide présente un point de départ privilégié du processus de conception. Une ville qui garantit un ensoleillement adéquat en hiver le fait nécessairement pour l’ensemble des saisons. L’ajout de fortes densités peut engendrer des conséquences permanentes sur l’espace public pouvant difficilement être compensées ou corrigées par la suite. À travers différents auteurs, l’essai explore, en premier lieu, les liens entre les notions de densité, de confort et d’ensoleillement en hiver. Deuxièmement, diverses explorations numériques fondées sur l’analyse de typologies morphologiques génériques serviront de base de discussion didactique sur la densité à prescrire pour un climat nordique. Finalement, l’essai synthèse les théories et les expérimentations effectuées afin de proposer des règles du pouce et des éléments graphiques pour supporter la compréhension et l’application aisée d’une conception intégrée de la composante solaire auprès des planificateurs urbains.

Mots clés: Design urbain, confort thermique, densité, accès solaire, morphologie urbaine.

I

REMERCIEMENTS Je tiens d’abord à remercier très sincèrement André Potvin et Claude Demers pour leur soutien et pour la confiance dont ils m’ont fait preuve à l’étude de mes maîtrises à l’École d’architecture de l’Université Laval. Vous avez su m’allouer l’autonomie et la liberté d’opter pour un parcours à la rencontre de l’ambiance physique et du design urbain. Votre approche, à la rencontre de l’art et de la science, peut s’avérer déstabilisante au premiers abord, mais me permet en tant que futur architecte de faire rêver de manière raisonné et convaincante. Vous avez enrichi mon parcours académique et m’avez préparé à la rigueur du milieu professionnel, avec toute ma reconnaissance, merci.

Merci à Geneviève Vachon qui a su faire grandir en moi l’intérêt pour le design urbain. Depuis une conférence diffusée sur les ondes du Canal Savoir (avant mon inscription à l’Université Laval) à l’atelier de DU et à la supervision de mon PFE, son approche sensible, participative et dialectique a fait de moi un professionnel engagé et un individu meilleur.

Je tiens à remercier Karine Gagnon, Tristan Gagnon, et mes amis du SPOT pour avoir participé aux échanges et rêves du design urbain à Québec et ailleurs.

Merci à ma mère, Micheline Bouchard, pour ses encouragements lors de la rédaction de cet essai et de la persévérance académique qu’elle m’a inculquées.

II

AVANT-PROPOS Le présent essai est le fruit d’un processus de recherche-création en design urbain réalisé à l’École d’architecture de l’Université Laval à l’hiver 2016 et s’inscrit dans les démarches du groupe de recherche en ambiance physique (GRAP). La recherche fait partie, plus particulièrement, des approches sur les Paysages érodés qui consiste à « l’étude des morphologies présentes dans les paysages naturels, résultats de transformations causées par des phénomènes atmosphériques tels que le soleil, le vent, la neige et la pluie. La résultante de ces forces suggère des morphologies procurant des hypothèses de design qui stimulent une réflexion sur la manière d’habiter, fournissent un vocabulaire adapté au contexte local et apportent de nouvelles opportunités environnementales.»

(Potvin et Demers, 2014).

Dans cette optique, cette essai explore cette recherche morphologique bioclimatique afin d’enrichir la forme urbaine de principes novateurs et stimulants en architecture et en design urbain. Les expérimentations se fondent sur une approche numérique plutôt qu’analogique. De plus, par rapport à d’autres approches inductives dans le cadre des expériences sur les Paysages érodés, cet essai privilégie une méthode déductive dont le point de départ est des formes ou tissus urbains génériques qui s’adaptent aux conditions d’ensoleillement de différents climats afin de générer une forme urbaine adaptée à l’environnement nordique. L’approche globale permet une discussion didactique et quantitative sur la pertinence de développer des principes de conception et de planification des villes en fonction de leur environnement climatique spécifique. Au final, l’essai propose des critères et solutions applicables au contexte québécois par la création d’hypothèses formelles issues d’une application concrète et prompte des résultats de la recherche.

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TABLE DES MATIERES Résumé ������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� I Remerciements ������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������II Avant-propos ��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� III Introduction ����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������1 Chapitre 1. Cadre théorique �����������������������������������������������������������������������������������������������������������2 1.1 Densité et confort thermique : Les concepts clés ���������������������������������������������������������2 1.1.1 Densité .............................................................................................................................2 1.1.2 Confort extérieur ������������������������������������������������������������������������������������������������������������ 3 1.1.3 Confort thermique ���������������������������������������������������������������������������������������������������������� 3 1.1.4 Les rayonnements solaires ��������������������������������������������������������������������������������������������� 3 1.1.5 Les ville nordiques ou winter cities ��������������������������������������������������������������������������������� 4 1.1.6 L’accès solaire ������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ 5

1.2 Densité et ensoleillement : quel équilibre pour la ville durable? ��������������������������������7 1.2.1 Les pertes énergétiques associées à la densification ������������������������������������������������������ 7 1.2.2 Les différents critères solaires de la densité ������������������������������������������������������������������� 8 1.2.3 Les gains énergétiques associés au transport et à la densification ���������������������������������9

1.3 Aspects sociaux et de santé de l’ensoleillement en période hivernale �����������������������10 1.4 Le confort thermique : composant essentiel de l’expérience extérieure �������������������11 1.5 Le concept d’enveloppe solaire �����������������������������������������������������������������������������������13 1.5.1 Espace, temps et programme : les critères à définir de l’enveloppe solaire �����������������14

Chapitre 2 - Simulations ����������������������������������������������������������������������������������������������������������������19 2.1 Méthodologie ��������������������������������������������������������������������������������������������������������������19 2.1.1 Approche par typologies ����������������������������������������������������������������������������������������������� 19 2.1.2 Limites méthodologiques ����������������������������������������������������������������������������������������������� 20

2.2 Analyse quantitative de 3 typologies de forme urbaine ����������������������������������������������21 2.2.1 Relation entre la latitude et l’ensoleillement au sol pour une même densité ���������������21 2.2.2 Espaces extérieurs versus espace publics ......................................................................22 IV

2.2.3 Relation entre la densité et la latitude pour un ensoleillement constant ����������������������23 2.2.4 Relation entre la latitude et l’ensoleillement du rez-de-chaussée ���������������������������������24 2.2.5 Synthèse .........................................................................................................................25

2.3 Analyse qualitative de 3 typologies de forme urbaine �����������������������������������������������26 2.3.1 Forme urbaine pavillonnaire ������������������������������������������������������������������������������������������ 26 2.3.2 Forme urbaine de barres ����������������������������������������������������������������������������������������������� 27 2.3.3 Forme urbaine en cour �������������������������������������������������������������������������������������������������� 28 2.3.4 Synthèse de l’aspect qualitatif ��������������������������������������������������������������������������������������� 29

2.4 L’accès solaire au 46,5° parallèle ���������������������������������������������������������������������������������30 2.4.2 Hypothèse | L’intersection hivernale nordique ensoleillée ������������������������������������������32 2.4.3 Hypothèse | La coupe de rue hivernale ������������������������������������������������������������������������� 34 2.4.4 Hypothèse | La ville dense aux parcours actifs ensoleillés �������������������������������������������� 36

Chapitre 3 - Application des résultats �������������������������������������������������������������������������������������������38 3.1 Méthodes d’opérationnalisation pour les concepteurs décideurs ������������������������������38 3.2 Confort thermique et formes urbaines : Les autres facteurs physiques ����������������������40 3.3 Stratégies de design urbain �����������������������������������������������������������������������������������������43 Conclusion �������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������46 Bibliographie ���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������47 Annexes �����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������49 Annexe 1 - Analyses typologiques �������������������������������������������������������������������������������������������������50 Annexe 2 - Données produites ������������������������������������������������������������������������������������������������������56 Annexe 3 - Graphiques des analyses ���������������������������������������������������������������������������������������������57 Annexe 4 - Ensoleillement moyen au Québec �������������������������������������������������������������������������������58 Annexe 5 - Shadow Ranges ayant servis a faire les coupes �����������������������������������������������������������60 Annexe 6 - Propositions pour design urbain hivernal �������������������������������������������������������������������63

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LISTE DES FIGURES Figure 1: Différentes expressions de la même densité ������������������������������������������������������������������2 Figure 2: Seuil de densité pour Montréal ��������������������������������������������������������������������������������������2 Figure 3: Échanges thermiques entre l’individu et son environnement ���������������������������������������3 Figure 4: Liste d’index de sévérité des hivers de différentes villes nordiques ������������������������������4 Figure 5: Température moyenne mensuelle pour la Ville de Québec �������������������������������������������4 Figure 6: Concept solaire et forme du bâtiment W57 de la firme BIG ������������������������������������������5 Figure 7: Immeuble W57 de BIG construit à New York �����������������������������������������������������������������5 Figure 8: Liste des documents présentés à l’OCPM de 2002 à 2009 ���������������������������������������������6 Figure 9: Étude d’enveloppes solaires pour le centre de Toronto �������������������������������������������������6 Figure 10: Radiation moyenne quotidienne des espaces extérieurs pour différentes densités urbaines à Copenhague ������������������������������������������������������������������������7 Figure 11: Consommation énergétique totale (kWh/m2/année) pour un bâtiment de 5 étages à Copenhague selon différentes densités ����������������������������������������������8 Figure 12: Consommations énergétiques annuelles au m2 associées aux transports et à la consommation des ménages pour 3 densités distinctes �����������������������������9 Figure 13: Synthèse du cadre de recherche sur le confort thermique �����������������������������������������11 Figure 14: Facteurs de l’adaptation psychologique du confort thermique �����������������������������������12 Figure 15: Différence formelle entre un zonage contrôlé par le FAR ��������������������������������������������13 Figure 16: Impact de la latitude sur l’enveloppe solaire ��������������������������������������������������������������14 Figure 17: Protections assurées par l’enveloppe solaire ��������������������������������������������������������������14 Figure 18: Radiations solaires totales disponibles selon l’heure et la saison �������������������������������15 Figure 19: Schémas conceptuels de la forme de l’enveloppe solaire selon les usages ����������������16 Figure 20: Différentes contraintes d’enveloppes solaires �������������������������������������������������������������17 Figure 21: Simulation de températures ambiantes selon différentes formes urbaines ���������������19 Figure 22: Axonométrie de trois typologies pour une densité de 10 FSI ��������������������������������������20 Figure 23: Axonométrie de l’ensoleillement quotidien moyen en hiver ��������������������������������������24

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Figure 24: Hauteur des bâtiments selon la densité garantissant l’accès solaire ��������������������������25 Figure 25: Le shadow range au 21 janvier d’une forme urbaine en barre ������������������������������������27 Figure 26: Le shadow range au 21 janvier d’une forme urbaine en cour ������������������������������������28 Figure 27: Étude de l’accès solaire selon différentes densités résidentielles ��������������������������������29 Figure 28: Échantillons des simulations à 46,5 ° de latitude. �������������������������������������������������������30 Figure 29: Shadow range et ensoleillement au 21 janvier du scénario de base ��������������������������32 Figure 30: Shadow range et accès solaire de l’intersection et ensoleillement quotidien hivernal moyen de la proposition aux entre saisons ����������������������������33 Figure 31: Coupes synthétiques de rues, d’orientations diverses, préservant l’accès solaire selon différentes période de l’année ����������������������������������������������������34 Figure 32: Ensoleillement moyen en hiver de 3 orientations de rue ��������������������������������������������35 Figure 33: Schéma des axes de déplacements actifs ��������������������������������������������������������������������36 Figure 34: Shadow range et ensoleillement quotidien moyen d’une ville de 150 logs./ha ����������37 Figure 35: Ralph Knowles utilisant son outil d’analyse, l’héliodon �����������������������������������������������38 Figure 36: Étapes de l’approche numérique et un algorithme solaire �����������������������������������������39 Figure 37: Schémas de l’effet potentiel de l’enveloppe solaire sur le confort éolien ��������������������40 Figure 38: Températures moyennes en fonction de la densité ����������������������������������������������������41 Figure 39: Amplitude de températures en fonction de la densité �����������������������������������������������41 Figure 40: Classement réel et perçu de l’impact de la forme urbaine sur le phénomène d’îlot de chaleur ��������������������������������������������������������������������������������������������42 Figure 41: Schémas explicatifs des compositions asymétriques en design urbain �����������������������43 Figure 42: Schémas de la distribution de l’ombre d’une trame urbaine orientée à 45°..................44 Figure 43: Schémas d’une ville favorisant le confort thermique à l’échelle humaine �������������������45

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TABLE DES GRAPHIQUES Graphique 1: Relation entre la latitude et l’ensoleillement au sol pour 3 typologies de formes urbaines ������������������������������������������������������������������������������������������21 Graphique 2: Relation entre la latitude et l’ensoleillement de l’espace public pour 3 typologies de formes urbaines ������������������������������������������������������������������22 Graphique 3: Relation entre la latitude et la densité pour un ensoleillement constant au sol de 4,80 h par jour �������������������������������������������������������������������������23 Graphique 4:Relation entre la latitude et l’ensoleillement du rez-de-chaussée pour une même densité pour 3 typologies de formes urbaines �����������������������24 Graphique 5: Relation entre la densité et l’ensoleillement au sol à une latitude de 46,5° �����������31

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INTRODUCTION

Afin de réduire la consommation énergétique des espaces intérieurs, comme le chauffage et l’éclairage, l’accent est mis sur le bâtiment passif prescrivant une forte attention aux gains solaires directs (Brown, 2013). Or, les centres des villes se densifient en hauteur rendant le rayonnement solaire de plus en plus difficile à capter à l’intérieur des bâtiments. Un phénomène qui se veut encore plus problématique au niveau de l’espace public au sol. Parallèlement, cette densification verticale soulève la question de l’accélération du vent et donc de la dégradation du confort thermique dans la pratique de l’espace public. Toutefois, le zonage actuel semble établi uniquement en réaction des forces du marché sans considérer les aspects bioclimatiques. La lettre des professeurs en architecture de l’Université Laval sur les possibles impacts négatifs du projet de densification majeure du projet Le Phare (Demers et Coll., 2015) démontre bien le contexte critique au Québec. Il devient plus que pertinent de doter les décideurs d’une meilleure compréhension des principes pour l’élaboration d’une planification intégrée considérant l’ensemble des facteurs en jeu, dont l’ensoleillement.

Le but de cet essai est d’identifier les formes urbaines qui maximiseraient le confort thermique des espaces publics en fonction de l’apport de rayonnements solaires qu’ils reçoivent. L’étude vise, par la visualisation et la quantification de l’ensoleillement à l’aide de simulations informatiques, à doter les concepteurs et les décideurs de la planification urbaine d’une meilleure compréhension de l’enjeu solaire en matière de design urbain. Les principes de design qui découleront de l’essai pourront s’appliquer à la grande majorité des villes du Québec et d’ailleurs qui ont une latitude avoisinant les 46,5 °.

Plutôt que d’appréhender l’hiver comme une période pénible, atypique et moribonde, cet essai démontre comment la saison froide peut générer des milieux de vie vibrants et bonifier ceux-ci toute l’année.

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CHAPITRE 1. CADRE THEORIQUE Ce chapitre présente le cadre conceptuel de la recherche-création. Il explore et définit les principes qui, selon différents auteurs, devraient guider une forme urbaine façonnée par le soleil. Il présente les concepts clés et les pratiques courantes du confort thermique et de l’exposition solaire en lien avec le design urbain.

1.1 Densité et confort thermique : Les concepts clés 1.1.1 Densité Elle exprime la quantité de superficies construite dans la ville. Il est généralement admis qu’une plus forte densité favorise la rentabilisation des infrastructures et diminue l’étalement urbain favorisant ainsi un développement durable (OCDE, 2008). Les densités résidentielles sont à la fois des indicateurs et des objectifs en planification urbaine, elles sont définies par zone dans les schémas d’aménagement au Québec. Par exemple, celui de la Ville de Montréal prescrit une densité de 150 logements par hectare du centre-ville. On peut l’exprimer en logements par hectare, une mesure fréquemment utilisée en design urbain pour quantifier le nombre de résidents contribuant au maintien de services dans un quartier. Elle peut aussi être exprimée en FSI (Floor Space Index), qui fait référence au rapport entre les superficies construites et les surfaces libres. Cet indice se prête mieux à un cadre réglementaire ou une description physique fidèle. Dans les deux cas, on peut relever qu’une même densité peut s’exprimer sous diverses formes ou types bâtis (figure 1)

Figure 1: Différentes expressions de la même densité Figure 2: Seuil de densité pour Montréal (PMAD)

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1.1.2 Confort extérieur Dans l’étude des microclimats urbains, l’accent est mis surtout sur le confort du piéton puisqu’il s’agit du principal usager de l’espace extérieur. Les deux principaux facteurs analysés sont le confort éolien et thermique (Thorsson, 2003). Comme le premier facteur dépend beaucoup du microclimat dans lequel la ville s’inscrit, il est relativement plus facile de généraliser des constants par rapport au confort thermique qui dépend énormément du rayonnement solaire; identique pour des localisations de même latitude.

1.1.3 Confort thermique Ebrahimabadi (2015) résume le confort thermique par des facteurs objectifs, approche physiologique, et des facteurs subjectifs, mesures adaptatives et processus psychologiques. L’approche physiologique définit la notion de confort par des paramètres environnementaux comme la température, les radiations, la vélocité de l’air et l’humidité relative ainsi que des paramètres personnels, niveau d’activité et l’habillement. Si le designer urbain ne contrôle pas la majorité de ces facteurs, il peut néanmoins s’assurer de l’apport de radiation thermique direct du soleil et par le rayonnement indirect des façades (Matzarakis et al, 2010). D’ailleurs, une étude en microclimat conclut que l’espace de la rue d’une ville de moyenne densité est plus susceptible de conserver sa chaleur en raison des réflexions infrarouges entre les façades comparativement à une ville peu dense qui reçoit davantage de rayonnement.

1.1.4 Les rayonnements solaires Il s’agit de l’ensemble des ondes électromagnétiques émises par le soleil. On décompose généralement cellesci en deux composantes en architecture, soit la lumière et la radiation thermique. Dans l’essai, la radiation solaire directe et indirecte sera le principal facteur considéré, puisqu’il s’agit du seul facteur climatique pouvant augmenter le confort thermique physiologique des usagers.

Figure 3: Schémas des différents thermiques entre l’individu et son environnement (Ebrahimbadi, 2015)

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1.1.5 Les ville nordiques ou winter cities Norman Pressman, professeur émérite de design urbain à l’université de Waterloo, a écrit plusieurs ouvrage sur la nordicité et l’aménagement des villes. Dans Northen Cityscape (1995), il définit trois éléments présents lors de périodes prolongées durant l’année qui caractérisent la ville nordique : températures sous le point de congélation, heures limitées d’ensoleillement et de lumière et des précipitations sous forme de neige. Selon lui, la ville nordique (traduction libre de Winter City) est une ville où la température moyenne minimale quotidienne est équivalente ou moins élevée que zéro degré pour au moins deux mois. C’est une définition à laquelle la ville de Québec se qualifie avec 5 mois où la température moyenne est sous 0 et dont le mois de janvier est le plus froid. Qui plus est, Pressman, en analysant plus précisément chacun des critères comme la quantité de neige, le nombres de jours sous zéro, etc., établit un indice de sévérité hivernale afin de comparer les villes entre elles quant à l’ampleur des contraintes qu’elles doivent gérer lors de la saison froide.

On constate que bien que la ville de Québec ait une latitude plus au sud que bien des villes d’Europe du Nord, la combinaison de la température, de la quantité de neige et du facteur éolien y augmentent la sévérité des hivers. Cette liste (Figure 4) met donc bien en évidence toute la pertinence d’une conception beaucoup plus sensible des centres urbains canadiens aux conditions rigoureuses de l’hiver.

Figure 4: Liste d’index de sévérité des hivers de différentes villes nordiques (Pressman, 1995)

Figure 5: Températures moyennes mensuelles pour la Ville de Québec (gouvernement du Québec)

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1.1.6 L’accès solaire Si les traces de la considération des éléments naturels dans l’architecture peuvent être retrouvées dans l’Antiquité, ce n’est que très récemment qu’une approche théorique de conception architecturale entièrement basé sur la course du Soleil a été fondée. En effet, la montée du prix du pétrole dans les années 70 pose d’importants défis énergétiques et l’autonomie en énergie des bâtiments devient alors un objectif et le soleil, une ressource à mettre en profit. Ralph Knowles, architecte et professeur émérite, a été l’un des pionner en ce qui a trait à l’accès solaire. Ses recherches sur le sujet lui ont d’ailleurs valu une distinction honorifique du American Institute of Architecture en 1974. En proposant une approche de conception soucieuse de minimiser l’impact des bâtiments sur l’ensoleillement des espaces publics ou des immeubles existants, il prône l’idée que le soleil, de par son éclairage naturelle, de sa capacité à réchauffer passivement les bâtiments et de par l’énergie qu’il apporte aux panneaux photovoltaïques, peut garantir une plus grande autonomie de nos villes. Toutefois, bien que les enjeux économiques et environnementaux supportent la pertinence de son approche, l’accès solaire a toujours été un soucis de favoriser la qualité de vie des résidents (Knowles, 1974). L’aboutissement des ses recherches a mené au concept d’enveloppe solaire qui sera présenté plus loin.

«Without access to the sun, our perception of the world and ourselves are altered. Without the asssurance of solar access, we face uncertainty and disorientation. We may lose our sense of who and where we are. » - Knowles, 1981, p.1

Figure 6: Concept solaire et forme du bâtiment W57 de la firme BIG (BIG)

Figure 7: Immeuble W57 de BIG construit à New York (BIG)

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De manière plus contemporaine, la protection de l’accès solaire reste relativement marginale. L’exemple le plus diffusé dernièrement sur la scène architecturale mondiale est le W57 building à New York. Un complexe d’habitations de 35 étages conçu par la firme BIG afin de garantir un accès solaire aux logements des résidents ainsi qu’à la cour intérieur. L’approche est admirable et la forme, innovante, mais le projet en soi présente un paradoxe éloquent: il est lui-même susceptible d’occulter ou de recevoir l’ombre de futures constructions. Un dilemme qui pose la question du rôle des administrations municipales quant à la protection de l’accès solaire.

S’il existe quelques cas d’analyse d’un zonage basé sur la protection des accès solaire sur un des deux trottoirs d’un secteur du centreville de Toronto, il est plus difficile d’identifier une application concrète et effective du principe. Cependant, les études d’impact d’ensoleillement sont de plus en plus fréquentes et participent implicitement à l’acceptation de projets de forts gabarits ou dérogatoires au zonage. C’est ce que démontre le bilan de l’Office de consultation publique de Montréal (OCPM) où 24 des 34 projets analysés devant public ont fait l’objet d’études d’ensoleillement.

Le caractère maintenant systématique de ces analyses démontre l’importance pour les résidents de visualiser et comprendre l’impact réel des projets de constructions sur leurs milieux de vie et leurs acquis. Néanmoins, l’idée de garantir un accès solaire reste marginale dans les documents de planification mais semble apparaître de plus en plus en raison de la popularité des panneaux solaires et de la nécessité de protéger ces importants investissements de l’ombre de nouveaux bâtiments (American Planning Association).

Figure 8: Liste des documents présentés à l’OCPM de 2002 à 2009

Figure 9: Étude d’enveloppes solaire pour le centre de Toronto (Brown, 2012) 6

1.2 Densité et ensoleillement : quel équilibre pour la ville durable?

1.2.1 Les pertes énergétiques associées à la densification Il est généralement acquis que la ville compacte et dense est plus durable puisqu’elle diminue l’étalement urbain et permet d’économiser l’énergie utilisée par le domaine des transports par l’augmentation de la viabilité des transports en commun. Toutefois, cette conclusion ne s’applique pas à tous les contextes, dont les facteurs culturels dans les choix de mobilités, et écarte d’autres aspects, tels que la perte d’espaces verts pour la production alimentaire et de compostage de la densification augmentant l’empreinte écologique des villes (Moughtin, 2009).

Dans le même ordre d’idées, plusieurs études sur l’ensoleillement démontrent qu’un milieu dense, où les rues sont relativement étroites par rapport à la hauteur des gabarits et dont les étages inférieurs n’ont pas accès au soleil, augmente grandement la consommation énergétique des immeubles (Sattrup, 2011). Ce phénomène s’explique par la difficulté qu’ont les rayons solaires à s’infiltrer aux étages inférieurs de bâtiments qui, en milieu dense, projettent encore plus d’ombre entre eux (Kanters et al. 2013). Ainsi, l’absence combinée de la lumière naturelle et de rayonnement solaire augmente respectivement les charges pour l’éclairage et le chauffage (Sattrup, 2011).

Les résultats de l’étude, du cas de Copenhague, par Sattrup (2011) révèlent que l’accroissement des besoins énergétiques pouvait attendre 30 % pour un usage de bureau versus 19 % pour un usage résidentiel. Bien que Copenhague soit située à 55° de latitude, ce qui implique que la ville reçoit globalement moins d’ensoleillement que celle de Québec, latitude de 46,5°. Néanmoins, puisque l’hiver y est moins rigoureux, on pourrait supposer des résultats semblables dans le contexte québécois où l’apport solaire supplémentaire compenserait pour les besoins en chauffage accrus.

En bref, la réduction des dépenses énergétiques des bâtiments passerait par un meilleur contrôle des gabarits pour assurer un certain niveau d’accès solaire. Or, l’idée d’un zonage solaire a été surtout développée par Knowles aux États-Unis (American Planning Association, 2015). Pour appliquer cette pratique dans le contexte québécois, il convient de sensibiliser les décideurs aux impacts d’une planification qui ne prendrait pas en compte le rayonnement solaire. D’autre part, en plus de la pertinence d’identifier ces impacts, il sera tout autant pertinent de proposer un modèle ou des principes facilement applicables au contexte québécois.

Figure 10: Radiation moyenne quotidienne des espaces extérieurs pour différentes densités urbaines à Copenhague (Sattrup, 2010)

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1.2.2 Les différents critères solaires de la densité Évidemment, l’idée d’une meilleure planification de la ville en fonction des aspects bioclimatiques n’est pas nouvelle. Autant Vitruve (80-15 av. J.-C.) que Palladio (1505-1580) parlent de l’adaptation des villes au climat alors que la première étude scientifique sur le climat urbain, faite par Luke Howard sur Londres, date de 1833 (Ebrahimabadi, 2015). Néanmoins, malgré l’abondance de la littérature sur le sujet, il existe peu de synthèse accessible aux décideurs et concepteurs.

Une contribution majeure est celle de Dekay et Brown (2013) qui identifient et synthétisent des principes de design dans leur ouvrage intitulé Sun, Wind and Light : Architectural Design Strategies. Le rayonnement solaire, la planification des villes et des bâtiments étant au cœur de son travail, il identifie des recommandations par rapport à l’accès solaire. Selon leur synthèse de la littérature sur le sujet, un quartier résidentiel situé à 46,5° de latitude devrait posséder une densité nette entre 40 et 50 logements par hectare. Au-delà de cette valeur, les bâtiments s’obstruent mutuellement et de façon significative, ce qui réduit les opportunités d’avoir un système de chauffage passif, un élément essentiel de l’architecture durable, durant l’hiver (Brown, 2013). Si ces valeurs de densité visent l’optimisation du chauffage passif en hiver, d’autres études s’attardent à la densité requise pour différentes stratégies passives.

Figure 11: Consommation énergétique totale (kWh/m2/année) pour un bâtiment de 5 étages à Copenhague selon différentes densités (Sattrup, 2010)

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1.2.3 Les gains énergétiques associés au transport de la densification Ainsi on apprend, en comparant plusieurs tissus urbains en Suède et à l’aide de simulations numériques, que la ville dont les bâtiments seraient autonomes en énergie grâce aux panneaux solaires, disposés en toiture et sur les façades, aurait une densité de 12 logs./ha (Kanters et al. 2013). Selon Kanters (2013), au-delà de cette valeur, les bâtiments projettent trop d’ombres entre eux, et plus la densité augmente, plus la forme urbaine et l’orientation de la trame urbaine deviennent peu significatives dans l’optimisation de la ressource solaire. On réalise qu’il peut exister au sein d’un même enjeu, celui de l’accès solaire, bien des conclusions possibles selon les stratégies que l’on souhaite mettre en œuvre. Il est primordial que le concepteur ait facilement accès à ces conclusions pour les confronter au sein du contexte dans lequel il souhaite les appliquer.

Globalement, l’accès solaire pour l’optimisation du chauffage passif ou des panneaux solaires n’est qu’une partie de l’enjeu de l’optimisation des dépenses énergétiques des villes. La densification des villes engendre des économies d’énergie en matière de transport puisque les distances entre les lieux de destination diminuent (Moughtin, 2009). Cependant, la densification augmente également les coûts énergétiques dus à la limitation des stratégies passives. Or, il semblerait, qu’en dressant le bilan des économies en transport versus les pertes de gains énergétiques via les stratégies passives, les économies en transport prévalent sur les pertes en radiation solaire (O’Brien, 2010). Si cette conclusion tirée du contexte torontois, métropole multipolaire, pourrait s’appliquer au contexte climatique des villes du Québec, il faudra faire preuve de prudence. En effet, puisque des villes dont les dynamiques de déplacements sont plus efficaces et dont les résidents possèdent une moins grande dépendance à l’automobile pourraient suggérer la conclusion inverse (Moughtin, 2009). Il appartient donc au jugement du décideur-concepteur d’établir une hiérarchie des stratégies à mettre en œuvre, et en ce sens, il doit en connaître les implications. La densité optimale des villes est un enjeu extrêmement complexe qui touche à de multiples phénomènes dont l’essai ne peut répondre. Cet essai apportera néanmoins des éclaircissements bénéfiques quant au facteur solaire et la planification des villes.

Figure 12: Consommation énergétique annuelle au m2, incluant les gains solaires et les pertes énergétiques associés au transport et aux ménages pour 3 densités distinctes (O’Brien, 2010) 9

1.3 Aspects sociaux et de santé de l’ensoleillement en période hivernale Outre l’aspect énergétique qui accapare une bonne partie du discours du développement durable, il existe des enjeux de santé publique et de sociabilité propres aux villes nordiques dont la densité urbaine et l’ensoleillement peuvent avoir un impact important. D’une part, la perte d’ensoleillement en hiver affecte sensiblement le corps humain. C’est, du moins, ce que rapporte Pressman (1995) de l’étude de Wurtmann (1989). La réduction de la lumière du jour engendrerait une diminution de la production de la mélatonine et de sérotonine dans le corps.

L’absence du premier peut induire un comportement dépressif, alors que la réduction du deuxième encourage à la consommation de glucose pour pallier à ce manque. La quantité insuffisante d’ensoleillement a été clairement identifiée comme la cause du Seasonal Affective Disorder (SAD) et s’accentue selon la latitude. La photothérapie, qui consiste à l’exposition du sujet à une lumière vive est souvent prescrite pour remédier à la situation. Bien que le diagnostic du SAD reste marginal, on peut présumer qu’une partie importante de la population soit sensible dans une moindre mesure. Les concepteurs de milieux de vie doivent donc être à l’affût de ce facteur pour maximiser l’apport de lumière en saison froide.

D’autre part, le sociologue Jeffrey Nash (1986), également cité par Pressman (1995) lors d’observations exhaustives sur le comportement des citadins, rapportent si un individu moyen reste en moyenne 70 % à l’intérieur, ce taux augmente à 90% lors de la période hivernale. Pressman amène même un chiffre de 95% pour les résidents des zones subarctiques. Ces statistiques démontrent l’importance du design urbain soucieux de l’hiver avant d’inverser la tendance. Que ce soit en raison des conditions peu propices à la mobilité (trottoirs glacés et enneigés) ou au froid, le flânage dans la rue disparaît presque et l’utilisation des espaces publics devient conditionnel aux déplacement essentiels. Ce confinement nuit évidemment à la vitalité des rues et commerces relativement à la diminution marquée des activités de sociabilité. Une condition d’autant problématique pour les individus déjà pris avec l’exclusion sociale. Néanmoins, Nash met en évidence que les conditions climatiques souvent extraordinaires qu’apporte l’hiver engendrent une plus grande liberté dans l’appropriation des espaces.

Bref, il incombe aux aménagistes de prendre acte des spécificités de l’hiver pour accroître l’attraction des espaces intérieurs et extérieurs publics afin de contrer la perte de sociabilité dû à une tendance naturelle des gens à demeurer chez soi l’hiver. L’ensoleillement peut donc jouer un rôle important en garantissant le confort thermique d’une place publique hivernale. Si la densité joue un rôle important dans le niveau d’attraction d’une espace public en augmentant le nombre de passants étant susceptibles de s’y attarder et donc d’attirer d’autres personnes (Gehl, 2010), elle peut aussi nuire au bien-être des résidents en leur occultant la lumière du Soleil déjà raréfiée en raison de l’hiver. Il est donc du devoir du planificateur de ne pas aggraver ce manque de lumière, surtout en milieu urbain.

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1.4 Le confort thermique : composant essentiel de l’expérience extérieur La sévérité du climat en hiver encourage les résidents à rester à l’intérieur et à dépendre sur les transports motorisés, ce qui nuit directement à la vitalité urbaine tout en contribuant à l’obésité (Ebrahimabadi, 2015).

Malheureusement, peu d’études ont été réalisées sur l’importance du confort thermique dans la pratique des espaces extérieurs en hiver en raison de la complexité des phénomènes en jeu qui motivent un individu à profiter d’un espace public (Thorson, 2003). Même s’il a été démontré que les usagers profitent moins des espaces extérieurs en raison de baisses de la température ambiante (Thorson, 2003), les usagers font appel, consciemment ou non, à des stratégies d’adaptation pour s’acclimater, comme l’ajout de vêtements, du choix de lieux protégés du vent, etc., à leur environnement. Une conclusion que partage Nikolopoulou (2013) dans une approche multidisciplinaire afin de faire le lien entre la climatologie urbaine et le design urbain. Bien qu’elle soulève l’importance de l’environnement physique pour décrire le confort thermique, donc présence de rayonnement solaire, une grande partie de l’impression de confort est davantage psychologique.

Figure 13: Synthèse du cadre de recherche sur le confort thermique (Cheng, 2012)

Une étude exhaustive de l’état des connaissances sur l’enjeu du confort thermique extérieur réalisé par Cheng et Ng (2012) affirme qu’il existe bien un consensus sur l’interrelation des facteurs physiques, physiologiques, psychologiques et comportementales afin de mesurer le confort. Cependant, si les moyens d’évaluer chacun de ces aspects sont connus, un outil de prédiction complet demeure nécessaire.

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D’ores et déjà, on constate la complexité des différentes composantes du confort thermique, dont plusieurs sont subjectives. Il serait donc bien difficile d’établir le rôle précis du rayonnement solaire. Si les recherches confirment son importance quant à l’utilisation des espaces publics, on pourrait émettre l’hypothèse que sa participation au confort thermique ne l’est pas tant pour son apport de chaleur mais bien pour la perception de bien-être qu’il engendre chez les individus. Sur ce point, il n’est pas établi si le rayonnement solaire en hiver procure un réel gain thermique en comparaison de l’importance des vêtements, du niveau d’activité ou de la température ambiante. En revanche, son contact sur le visage par exemple, une partie du corps souvent exposé au froid et aux intempéries, pourrait, à lui seul, convaincre l’impression de confort chez le piéton. Dans le même ordre d’idées, il n’est pas rare de changer de trottoir pour se prémunir ou de bénéficier du soleil. Ce simple choix offert aux marcheurs, ou contrôle perçu, pourrait même s’avérer plus signifiant en termes de confort et devrait être planifié par les designers urbains (Nikolopoulou, 2013).

Figure 14: L’interrelation des facteurs de l’adaptation psychologique du confort thermique (Nikolopoulou, 2013)

Cette recherche-création ne pourra donc pas répondre précisément à la question de l’importance absolue de l’accès solaire quant au confort thermique. Il serait d’ailleurs encore plus périlleux de proposer un seuil acceptable de rayonnements solaires devant être garanti. Dans cette perspective, l’essai mise sur les nombreuses observations empiriques voulant qu’un espace public en situation hivernale soit davantage vécu et qu’en ce sens, il faut privilégier l’accès solaire (Cheng et coll., 2015). Dès 1971, les observations de Jan Gehl validaient qu’un espace public ensoleillé semblait favoriser la fréquentation du lieu. Plus récemment, une étude réalisé à San Francisco révèle que la présence de bancs sur une place publique peut s’avérer insignifiant sur l’achalandage si leur emplacement ne garantit un confort thermique ou la présence de soleil (Zacharias et coll., 2004). L’accès solaire étant reconnu comme critère de fréquentation de l’espace public, il reste alors à définir si oui ou non l’ensoleillement doit être garanti en tout lieu et en tout temps. Quelles en seraient les conséquences sur la forme urbaine et comment concilier cet enjeu avec les objectifs de densification des milieux urbains?

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1.5 Le concept d’enveloppe solaire Il a été démontré précédemment qu’il est difficile de conclure à une forme ou densité appropriée d’une ville en fonction de sa latitude et des multiples critères à considérer, présentés en 1.2. De même, il semble illusoire d’imposer une densité de 50 log./ha au centre-ville de Montréal alors que l’administration municipale s’est dotée d’un objectif de 150 log./ha dans son dernier schéma d’aménagement et de développement (Ville de Montréal, 2014). Or, si un bâtiment produit significativement de l’ombre sur son voisin à partir de 50 logements par hectare en hiver (Brown, 2013), l’enjeu est d’autant plus problématique pour l’espace public qui se retrouve, plus souvent qu’autrement, à la pénombre à partir de ce niveau de densité. Cet essai identifiera donc les gabarits qui maximisent le rayonnement solaire de l’espace public, et ce, indépendamment des densités globales dans la ville. Le concept d’enveloppe solaire, largement diffusé par Ralp Knowles (1974) répond à cet objectif et sera présenté dans la présente section.

Le concept d’enveloppe solaire provient de la nécessité pour les administrations municipales d’inclure des dispositions dans leurs réglementations, et ce afin de garantir un accès solaire. Le zonage actuel permet de restreindre les hauteurs des bâtiments,en mètres, ou par le FAR, floor to area ratio, laissant plus de place aux concepteurs dans la mise en forme du volume construit. Toutefois, comme Knowles (1981) le souligne, deux projets avec un même FAR peuvent avoir des impacts significativement différents sur l’ombre projetée. Il appelle donc à un découpage plus précis de la forme urbaine. Un tel découpe serait davantage influencé par l’orientation et le gabarit des rues que le sont actuellement les zones actuelles des règlements urbanistiques.

Figure 15: Différence formelle entre un zonage contrôlé par le FAR ou l’enveloppe solaire (Knowles, 1981)

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1.5.1 Espace, temps et programme : les critères à définir de l’enveloppe solaire Les formes précédentes de blocs urbains, dont l’enveloppe solaire a été appliqué, résulte en des prismes tronquées . Ces formes pyramidales représentent le volume constructible maximal. La méthode pour obtenir ces formes est la suivante: 1. Identifier la journée critique dans l’année et les heures où l’on souhaite assurer un accès solaire 2. Identifier les zones que l’on souhaite protéger de l’ombre portée du bâtiment.

3. En fonction de la latitude et de l’orientation, tracer l’azimut solaire respectant l’ensemble des contraintes.

4. Répéter l’opération sur les quatre côtés du volume constructible, si besoin est.

En augmentant la latitude et le nombre d’heures d’exposition à préserver, les volumes constructibles auront tendance à diminuer. Il en va de même pour une enveloppe solaire conçue pour des heures en début ou fin de journée, ou encore, en préservant l’accès solaire au 21 décembre, la journée de l’année où les inclinaisons solaires sont les plus basses. Étant donne la nature dynamique du soleil le gabarit de l’enveloppe solaire est Figure 16: Impact de la latitde sur l’enveloppe solaire (Knowles, 1981) grandement influence par le moment et l’endroit où l’on souhaite avoir un ensoleillement constant. Si le concepteur ne possède pas le contrôle sur la latitude, il lui incombe toutefois de choisir à quels moments et lieux l’enveloppe du bâtiment conservera un accès solaire; un choix qui est largement influencé par la programmation des espaces intérieurs et extérieurs.

Plus la latitude d’une ville augmente davantage restreint seront les gabarits des immeubles pouvant être construits. Néanmoins, les architectes et les urbanistes ont la liberté de choisir la surface sur laquelle l’accès solaire doit être conservé. Knowles (1981) propose trois approches : la protection du toit, des façades ou des terrains.

La protection de l’ensoleillement des toits présente la contrainte de conception la plus propice aux bâtiments de grande hauteur dans la mesure où les toitures des immeubles adjacents sont également élevées par rapport au sol. Sur le plan économique, cette disposition permettrait de garantir un ensoleillement à d’éventuels panneaux photovoltaïques et ainsi d’en assurer la rentabilité. Au niveau de la qualité de vie des résidents, un aménagement de toit-terrasse resterait ensoleillé et Figure 17: Protections assurées par l’enveloppe solaire (Knowles, 1981) invitant. Une approche qui semble appropriée dans un contexte de centre-ville dense, mais peu intéressant pour l’accès solaire des espaces publics au sol et des espaces de vie intérieurs.

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Bien plus restrictif, la protection des façades imposerait des gabarits d’immeubles ne projetant pas d’ombre sur les bâtiments voisins. Cette approche garantirait aux résidents un accès aux radiations directes du soleil (Knowles, 1981). Une caractéristique que l’on pourrait juger essentiel dans notre climat froid, parallèlement au chauffage solaire passif, et l’ensoleillement réduit et, par conséquent, la santé des occupants.

Finalement, quant à la protection des parcelles voisines, il s’agit de l’approche la plus contrainte pour la densité puisqu’il oblige les nouveaux développements à ne pas projeter d’ombre au-delà de son propre terrain. La démarche vise à garantir l’apport d’ensoleillement au sol mais surtout à anticiper les futurs développements. Si les deux précédentes approches nécessite un cadre bâti existant afin d’établir une enveloppe solaire, la contrainte solaire par le terrain est autonome (Knowles, 1981). Par contre, poussée à son extrême, cette démarche est peu viable pour des milieux denses en hiver ou les ombres projetées sont importantes. En termes d’espace public, il faut donc convenir du moment approprié et du lieu où l’on souhaite se prémunir de l’ombre. C’est l’approche privilégiée dans les démarches subséquentes de cet essai.

Outre l’espace, le temps joue un rôle primordial comme critère de définition de l’enveloppe solaire. En plus de la variation saisonnière de l’inclinaison du soleil, celle-ci évolue également durant la journée, ce qui rend la visualisation et la compréhension de l’ensoleillement relativement complexe. S’il est admis qu’un gratte-ciel aura une ombre portée plus grande, celle-ci ne peut s’avérer que très ponctuelle et peu nuisible au confort de l’espace publique. Toutefois, la disposition de la même tour peut également occulter sporadiquement une place publique aux moments de son utilisation la plus probable. Ce qui peut s’avérer bien plus néfaste qu’une faible moyenne d’ensoleillement.

En fonction du temps, il faut donc distinguer la quantité, mais surtout d’identifier les moments clés dont un espace aura un accès solaire garantit.

Toujours en lien avec le critère temps, Knowles (1981) propose davantage une démarche quantitative basée sur la quantité de chaleur pouvant être transmise par le Soleil. Ainsi, la nécessité de garantir un ensoleillement au levée et au coucher du soleil est relativisé dû à la faible quantité de chaleur pouvant être récupérée en raison de l’inclinaison prononcée des rayons solaires traversant l’atmosphère.

Il en déduit par exemple, que la période entre 9h et 15h serait la plus pertinente à considérer en terme d’efficacité énergétique (Knwoles, 1981) . La figure montre bien le plus faible apport de chaleur pouvant Figure 18: Pourcentage des radiations solaires totales disponibles selon l’heure et la saison (Knowles, 1981) être récupéré en hiver, à l’aube et crépuscule.

15

Il devient donc clair que de concevoir une enveloppe solaire pour garantir un chauffage passif aux immeubles au lever ou au coucher du soleil se justifie peu. L’adoption d’une période de temps, moins restrictive des enveloppes solaires, où les rayons solaires sont moins inclinés, pourrait donc favoriser une plus forte densité. Toutefois, lorsque l’on s’attarde aux individus, il est difficile d’établir un critère quantitatif puisque le confort thermique ne dépend pas uniquement de la quantité de radiation reçue mais également de la perception des individus.

Combien d’heures d’ensoleillement seraient suffisantes pour le bien-être des occupants? Serait-il important de garantir un ensoleillement durant le matin lorsque les occupants se lèvent ou se déplacent pour aller au travail? En termes de perception, la présence du soleil dans l’espace public aux moments clés des déplacements semblerait bien plus judicieuse que la seule quantité de chaleur. On pourrait émettre l’hypothèse que de garantir un ensoleillement direct le matin au commencement de la journée est qualitativement plus important pour les individus qu’il pourrait l’être le soir ou pendant la journée au travail. Une proposition en phase avec les objectifs du design urbain pourrait de concevoir une enveloppe solaire afin que les bâtiments ne produisent pas d’ombre entre 7 h et 15 h sur une place publique ou une rue achalandée.

Si le temps et l’espace sont deux composantes essentielles déterminant une enveloppe solaire, ces deux critères découlent directement de la programmation. Ainsi, les bâtiments à hauts gains thermiques internes (centre d’entraînement, cuisine, etc.) ne nécessitent pas de chauffage passif. Dans le même ordre d’idées, certains usages industriels ou commerciaux font en sorte que très peu d’occupants reste sur place de façon prolongée. La qualité des ambiances physiques présentes peut donc y être réduite.

Knowles (1981) rapporte des propos similaires en mentionnant, par exemple, que les exigences des citoyens en matière d’espace sont plus élevées lorsqu’il s’agit de leur résidence que de leur lieu de travail ou de commerce puisqu’ils y restent moins longtemps ou que leur perception de contrôle est moins forte. Il en conclut donc que dépendamment des besoins des commerces, l’enveloppe solaire pourrait s’avérer moins restrictive. Évidemment, l’aspect qualitatif reste en suspens et qui dit une enveloppe solaire moins contraignante dit indirectement une diminution globale de l’ensoleillement de l’espace public.

Figure 19: Schémas conceptuels de la forme de l’enveloppe solaire selon les usages (Knowles, 1981)

16

Quant au design urbain, il est possible d’établir certains parallèles concernant la programmation urbaine.

Notamment, l’accès solaire pourrait être garanti aux intersections piétons achalandées, aux parcs, aux places publiques et sur des rues commerçantes. À l’opposé, certaines rues peu passantes ou d’autres dédiées à la circulation automobile pourraient bénéficier d’une densité plus importante. De plus, si un apport important de soleil direct aux usages résidentiels est garanti dans un milieu urbain dense (bâtiments aux usages mixtes et commerces aux étages inférieurs) alors, peut-être, il sera plus aisé de convaincre des citoyens à délaisser la banlieue qui par sa faible densité offre des conditions solaires optimales. Un milieu plus dense rapproche les destinations et encourage donc les déplacements actifs dans l’espace public. La perte d’ensoleillement dans l’espace public pourrait ainsi être compensé par une plus grande animation des rues. La question est alors de relativiser l’importance du confort et d’identifier les moments où il faudrait miser sur celui-ci.

En définitive, le concept d’enveloppe solaire représente une approche pertinente de concevoir la forme urbaine selon la force des éléments naturels, mais qui nécessite toutefois une connaissance plus fine du territoire et d’une planification en amont du développement. Les nombreuses opportunités qu’il permet dont son impact sur la qualité de vie des résidents, le confort thermique et l’attraction des espaces publiques auraient avantage à être plus largement diffusé. Un concept qui permet de nuancer l’accroissement des hauteurs construites en fonction de considérations purement foncières. En fonction de la période d’ensoleillement désirée, des lieux à protéger notamment en raison d’usages spécifiques, il est possible de dégager une marge de manoeuvre importante au planificateur afin de prescrire une forme urbaine appropriée, sensible et optimale. La figure 20 exprime clairement la malléabilité du concept d’enveloppe solaire où, pour un même site, la mise en commun des critères précédents peut appeler à différents volumes constructibles. Ainsi, si une enveloppe solaire ne portant pas ombrage sur les terrains voisins en hiver s’avère peu habitable, la même enveloppe, définie en fonction des équinoxes et n’occultant pas les étages supérieurs du bâtiment en vis-en-vis, présente un potentiel de densité plus qu’appréciable.

Figure 20: Différentes contraintes d’enveloppes solaires (Knowles, 1981)

17

18

CHAPITRE 2 - SIMULATIONS 2.1 Méthodologie Produire à l’aide du logiciel Ecotect Analysis des simulations du rayonnement solaire sur différents tissus urbains génériques. Dans un premier temps, la quantité de rayonnement dont bénéficient les espaces extérieurs sera mesurée en fonction de la latitude. Dans un second temps, pour une même latitude de 46,5°, sera analysée la quantité d’ensoleillement reçue en fonction de la densité. Ces deux tests se feront également en fonction de 3 typologies architecturales, soit celle de la cour, de la barre et de la tour, afin d’appréhender les performances relatives dus au facteur forme. Une synthèse de ces résultats sera rassemblée afin de produire des fiches visuelles et didactiques permettant rapidement de saisir l’impact de la densité sur l’ensoleillement (annexes 1 et 4).

2.1.1 Typologies et indicateurs du confort thermique Pour des raisons de temps et de généralisation des résultats, cet essai se concentre sur l’analyse du confort thermique de formes urbaines génériques inspirées de plusieurs études ayant le même objet d’études.

Le choix des typologies de la cour intérieur, de la barre et du pavillon s’inspire des cinq formes analysés dans l’étude de Kleerekoper (2015).

Afin de simplifier le nombres de simulations, une seule orientation par forme a été choisie. Si la typologie de la cour et du pavillon ne possède pas réellement de composante directionnelle, ce choix aurait peut s’avérer préjudiciable pour les conclusions obtenues pour l’implantation en barre.

Les simulations se distingue également d’autres analyses combinant l’ensemble des facteurs physique du confort. Usuellement, l’effet combiné du vent, de l’humidité, de la température ambiante et des radiations directes et indirectes peuvent être simulés par l’entremise du logiciel ENVI-met. Les données produites peuvent ensuite être intégré au programme RayMan afin d’estimer le PET, le psychiological equivalent temperature (Kleerekoper, 2015). Néanmoins, étant donné les moyens limités de cet essai, seul l’ensoleillement direct fera l’objet de simulations puisqu’il s’agit d’un facteur crucial qui dépend moins d’un microclimat local. Qui plus est, si l’indicateur PET est un outil éprouvé pour estimer le confort thermique des individus en contexte chaud, il s’avère moins probant lorsque la température baisse sous zéro (Nikolopoulou, 2013).

Figure 21: Simulation de températures ambiantes selon différentes formes urbaines (Kleerekoper, 2015) 19

2.1.2 Limites méthodologiques L’objectif initial de l’expérimentation était de présenter l’impact de la latitude sur différentes formes urbaines.

L’ensoleillement devait rester constant, mais devant les contraintes architecturales soit la conservation des dimensions viables pour un logement et le temps nécessaire à la réalisation des simulations, en vue de faciliter les comparaisons, il a été décidé de conserver les mêmes densités entre typologies. Ce qui résulte en plusieurs variations marginales de la cible voulue d’ensoleillement constant. Toutefois, le choix définitif de la méthode utilisée n’est qu’après avoir observé que l’ensoleillement restait relativement constant selon les latitudes et densité choisit entre les typologies de formes urbaines.

Les moyennes d’ensoleillements au sol résultent d’une moyenne de chaque pixel sur la grille d’analyse produite par Ecotect. Or, il arrive parfois que certains pixels chevauchent à la fois la zone bâtie de l’espace extérieur. Il devient donc difficile d’établir clairement si un pixel avec une valeur nulle d’ensoleillement se trouve constamment à l’ombre ou s’il se trouve à l’intérieur. Des écarts d’environ ± 10% peuvent être observés selon le calcul ou non de pixels mitoyens. Cette imprécision aurait pu être réduite en augmentant le nombre de pixels de la grille d’analyse, mais les temps de calcul auraient été significativement plus longs.

Bien qu’un lien de réciprocité puisse être établie entre le FSI (Floor Space Index) et la densité en logement par hectare (en fixant dans ce cas-ci une dimension de 100 m2 pour un logement), la correspondance entre ces indices n’est pas absolue. De plus, ces indicateurs ont été calculés en fonction de la superficie d’un tissu urbain théorique excluant les parcs ou les vastes artères automobiles. Les résultats des expérimentations ne se transposent pas systématiquement à l’échelle d’une ville, mais plutôt à un secteur local. Cela étant dit, les analyses complètes des annexes 1 et 2 proposent une quantité exhaustive d’images afin de bien visualiser et d’appréhender d’éventuel comparable réel pour le concepteur.

Figure 22: Axonométries des trois typologie pour une densité de 10 FSI 20

2.2 Analyse quantitative de 3 typologies de forme urbaine 2.2.1 Relation entre la latitude et l’ensoleillement au sol pour une même densité Globalement, la typologie de la barre offre les meilleures performances en matière d’ensoleillement au sol pour une densité équivalente aux autres formes et ce pour l’ensemble des latitudes. Cela s’explique par la minimisation de l’ombre projeté au sol pour la majeure partie de la journée. Au crépuscule et au coucher du Soleil, l’ombre devient omniprésente sur l’espace au sol, mais reste en place pour une durée plus limitée. La typologie pavillonnaire ou de tour compacte affiche les performances les moins intéressantes sauf pour la latitude de 55° où la typologie de la cour, qui correspond davantage à une barre Est-Ouest, affiche un écart important.

Dans l’ensemble, l’exercice permet de relativiser l’importance quantitative que l’on doit accorder à la forme urbaine dans la mesure où l’écart entre la forme la plus performante et la moindre soit tout au plus de 30 minutes. Si cette demi-heure peut avoir un impact important sur la consommation énergétique des bâtiments tout au long de l’hiver, cette probabilité est moins concluante quant à l’espace public. En effet, ces 30 minutes peuvent avoir un impact marginal si l’ensoleillement supplémentaire survient à un emplacement peu intéressant ou peu fréquenté par les citoyens.

Cour 4.8 hiver (h)

Ensoleillement journalier moyen en

Relation entre la latitude et l’ensoleillement pour une même densité pour 3 typologies deet formes urbaines différentes Graphique 1: Relation entre la latitude l’ensoleillement au sol pour 3 typologies de formes urbaines

Barre Pavillon

4.6 4.4 4.2 4.0

0

10

20

30

40

50

60

Lattiude

21

Relation entre la latitude et l’ensoleillement du rez-de-chaussée pour une

2.2.2 Espaces extérieurs versus espace publics : L’importance de la disposition de la trame urbaine La précédente analyse sur l’exposition des espaces au sol n’apporte qu’une référence très partielle au choix optimale d’une typologie urbaine en termes de design urbain. Bien que l’implantation pavillonnaire semble offrir légèrement moins d’exposition solaire en moyenne aux espaces au sol, elle garantit davantage de superficie non construite. Un facteur intéressant pour l’agriculture urbaine ou la perméabilité des sols dans la mesure où un stationnement asphalté n’occupe pas la majorité de l’espace. Toutefois, il s’agit d’une forme qui encadre difficilement le parcours du marcheur sur la voie publique, ce qui rend les opportunités de déplacements actifs moins conviviales (Gehl, 2010) et moins confortablement dû en l’absence de protection au vent (Brown, 2012) et des radiations infrarouges des façades. Toutefois, puisque l’analyse simultanée de l’ensemble de ces facteurs dépassent le cadre de cet essai, il est proposé, toujours en lien avec l’exposition solaire, d’analyser non pas le seul ensoleillement au sol, mais également celui des espaces publics. Si une trame urbaine conventionnelle de dimension équivalente est appliquée à chaque typologie urbaine, quelle sera celle dont les rues et trottoirs seront les plus ensoleillés.

Comparativement au précédent graphique, la typologie de cour démontre un avantage marqué par rapport au autres formes urbaines.

Relation entre la latitude et l’ensoleillement pour une même densiBien que son d’exposition des ruesurbaines semble différentes diminuer avec la té avantage pour 3 typologies de formes latitude, il n’en demeure pas moins qu’à la latitude de Montréal, cette disposition offre environ 45 minutes d’ensoleillement supplémentaires en moyenne durant les jours d’hiver.

Ensoleillement journalier moyen (h)

Graphique 2: Relation entre la latitude et l’ensoleillement de l’espace public pour 3 typologies de formes urbaines 6.0

Cour

5.6

Barre Pavillon

5.2 4.8 4.4 4.0

0

10

20

30 Latitudes

40

50

22

60

Pavillon

4.6 4.4

Les simulations précédentes reposent sur l’analyse d’une trame de rues orthogonales simples. Or, les images de synthèse montrent bien que chaque typologie engendre ses propres parcours lumineux 4.0 0 10 20 30 40 50 60 au sol. L’implantation pavillonnaire semble suggérer l’orientation d’une trame urbaine à 45°. En utilisant les données de l’implantation pavillonnaire aux latitudes précédemment analysées, l’ensoleillement des espaces publics s’est accru d’en moyenne de 13,67 %. En fonction des latitudes, les écarts pouvaient varier entre un peu plus de 10 % à un Relation entre la latitude et l’ensoleillement du rez-de-chaussée pour une peu plus de 16%.

Cette exercice de mieux quantifier l’impact même densité pour 3 typologies de formes urbainespermet différentes du choix de l’orientation des rues sur leurs expositions solaires. On peut avancer qu’une trame de rue à 45° favorise un ensoleillement global moyen plus important.

4.2

6

Cour

2.2.3 Relation entre la densité et la latitude pour un ensoleillement des espaces extérieurs constant 5

Barre

Pavillon S’il était logique de s’attendre à ce que la densité décroisse afin de garantir le même ensoleillement à des latitudes 4 plus au Nord, on peut mieux visualiser l’ampleur de cette relation. Ainsi pour un ensoleillement moyen espéré 3 par jour d’hiver, il faudrait une densité d’un peu moins de 30 log./ha. S’il était logique de d’environ 4,80 heures s’attendre à ce que la densité décroisse afin de garantir le même ensoleillement à des latitudes plus au Nord, 2 on peut mieux visualiser l’ampleur de cette relation. Ainsi, pour que les espaces au sol de Montréal (latitude de 45°) ait autant de soleil 1 qu’une ville comme Le Caire (latitude de 30°), la densité montréalaise doit être de moitié 0 10 20 30 40 50 60 moins dense. L’exercice de l’exposition constante reste arbitraire puisque si 4,80 h (valeur cible des simulations) peut garantir un climat hivernale confortable en Afrique du Nord, cette valeur devrait augmenter à mesure que les conditions hivernales sont rigoureuses. Un raisonnement qui appelle à une diminution encore plus importante de la densité des villes nordiques.

Relation entre la latitude et la densité pour un ensoleillement au sol constant Graphique 3: Relation entre la latitude et la densité pour un ensoleillement constant au sol de 4,80 h

Densités (log/h)

100

Pavillon

80 60 40 20 0

0

10

20

30

40 Latitudes 23

50

60

2.2.4 Relation entre la latitude et l’ensoleillement du rez-de-chaussée pour une même densité À l’instar de l’ensoleillement au sol, celui des rez-de-chaussée tend à s’accroître au fur et à mesure que la densité décroît et que la latitude augmente. Ce qui s’explique par l’inclinaison plus faible du soleil lui permettant de pénétrer plus profondément à l’intérieur du bâtiment. Une situation enviable puisque le climat nordique appelle à un ensoleillement plus important pour compenser le froid hivernal alors que les villes plus près de l’équateur où le besoin en chauffage est remplacé par le besoin de climatisation devraient opter pour une densité plus significative afin de générer davantage d’ombre.

Relation entre la latitude et l’ensoleillement pour une même densité pour 3 typologies de formes différentes Au niveau de la forme urbaine, la typologie de toururbaines est clairement la plus optimale en matière d’ensoleillement

des espaces intérieurs alors que les bâtiments en barre sont les moins performants. Un constant qui s’explique par la disposition des logements au sein des barres orientées Nord-Sud. Il est à noter que dans le cas présent, Cour l’orientation de la forme est plus importante que la forme elle-même. En observation l’exposition intérieure des 4.8cour et pavillonnaire, on peut facilement conclure qu’une orientation est-ouest Barre de la typologie implantation en en barre serait plus pertinente pour l’ensoleillement. En regard des graphiques 1 et 4, on Pavillon constate l’existence 4.6 d’une relation inversement proportionnel entre l’ensoleillement extérieur et intérieur où la forme (barres) qui est la plus efficace 4.4 au niveau extérieur devient la moins performante au niveau de l’ensoleillement intérieure.

4.2 4.0

0

10

20

30

40

50

60

Figure 23: Axonométrie de l’ensoleillement quotidien moyen en hiver du rez-de-chaussée de l’ensemble des typologies pour une densité Relation entre la 30 latitude et l’ensoleillement du rez-de-chaussée pour une logs./ha à une latitude de 45°.Voir Annexe 1

même densité pour 3 typologies de formes urbaines différentes

6

Cour

5

hiver (h)

Ensoleillement journalier moyen en

Graphique 4:Relation entre la latitude et l’ensoleillement du rez-de-chaussée pour une même densité pour 3 typologies de formes urbaines

Barre Pavillon

4 3 2 1

0

10

20

30

40 Latitudes 24

50

60

2.2.5 Synthèse Les précédentes simulations permettent de mieux visualiser comment le soleil engendre une importante modification du paysage urbain en fonction de la localisation. Ces nouvelles données mettent en garde les concepteurs quant à la transposition de formes urbaines provenant de contextes climatiques différents. Si la juxtaposition de gratte-ciels devient pertinente dans un climat chaud afin de porter davantage d’ombre, cela peut s’avérer particulièrement néfaste pour une ville nordique où le froid hivernale représente un facteur critique du confort.

En termes de typologies, les analyses quantitatives démontrent un faible écart de performance entre cellesci. Une conclusion pouvant s’expliquée par le fait, qu’à densités égales, l’ensoleillement moyen au sol d’une forme urbaine composées de bâtiments de faible hauteur mais rapprochés entre eux est similaire à une typologie de tours où l’accroissement de la densité verticale est compensé la diminution de l’espace entres les immeubles. Une conclusion que partage Brown (2012). Cela étant dit, les images de synthèse produites explicitent la différence de distribution de l’exposition solaire en fonction de la forme. Si la forme en barres offrent une distribution homogènes, la typologie en cour présente un contraste important entre les espaces publics et privés. L’augmentation significative des performances de l’implantation pavillonnaire sur l’exposition des espaces publics suite à une rotation des rues à 45° confirme l’importance de la conception intégrée de la forme urbaine et de la disposition des voies et espaces publics.

Finalement quant aux espaces intérieurs, la typologie pavillonaire semble offrir un bien meilleur ensoleillement à ses occupant. Outre les aspects culturelles et autres considérations multiples, l’attrait des banlieues pavillonaires pourrait également s’expliquer par son avantage solaire sur les autres typologies, la qualité de la lumière étant un critère souvent mentionné dans les annonces immobililières.

Figure 24: Hauteur des bâtiments selon la densité à divers latitudes pour garantir l’accès solaire (Brown, 2012) 25

2.3 Analyse qualitative de 3 typologies de forme urbaine L’analyse quantitative de l’ensoleillement apporte qu’une réponse partielle à la question de l’accès solaire puisqu’un ensoleillement moyen plus élevé peut s’avérer moins intéressant; cette même exposition n’est pas privilégiée aux espaces signifiants. La présente section vise à décrire les potentialités de l’accès solaire généré par la forme urbaine des trois typologies étudiées précédemment.

2.3.1 Force urbaine pavillonnaire Pour une densité de 60 log./ha à 46,5°, les tours engendrent une ombre portée significative occupant de nombreux espaces différents pendant la journée. La zone située au nord des bâtiments situés immédiatement en arrière sont peu exposés alors que les espaces à l’est ou à l’ouest sont ceux où l’implantation d’un parc ou d’une place sera la plus pertinente en raison de l’ensoleillement moyen.

L’emplacement sera néanmoins vulnérable au lever et au coucher.

Ce qui rend l’implantation pavillonnaire plus intéressante pour des espaces publics dont les heures d’utilisation sont plus ciblées.

Si l’exercice de l’ajout d’une trame viaire est répétée, on constate que l’ensoleillement maximal au sol serait concentrée dans l’espace dédié aux automobiles alors que les intersections sont à l’ombre sauf le midi. Une situation pouvant être inversée si l’orientation des rues subit une rotation de 45°. Quant au parcours du piéton, cette typologie lui offre peu de choix de déplacements optimisant son exposition au soleil, le midi étant une exception.

26

2.3.2 Force urbaine de barres Tant par l’étude du shadow range ou de l’ensoleillement moyen, l’implantation en barre nord-sud occulte le sol également où l’espace étroit entre les bâtiments reçoit moins de soleil. Ce phénomène s’explique par la symétrie de part et d’autre des bâtiments de l’ombre projetée le matin et le soir alors que l’ombre au sol demeure presque inexistante au zénith.

Peu de lieux restent ensoleillés de façon constante sauf la partie sud de l’espace entre les barres. À l’instar des tours, cet emplacement de place publique profiterait d’une exposition optimale au midi, mais serait occulté en début ou en fin de journée. Toutefois, l’ombre couvrirait partiellement l’espace. Une situation plus enviable que la précédente pouvant tirer profit de mobiliers urbains mobiles ou d’une programmation adaptable.

Quant au parcours du piéton, il s’agit d’une implantation fort intéressante. D’une part, l’accès solaire en milieu de journée est optimal, le segment à l’ombre y est très court. Cette ouverture restreinte entre les barres pourrait facilement être couverte afin d’y garantir un plus grand confort. Quant au matin ou au soir, les résidents peuvent choisir d’emprunter un chemin entièrement ensoleillé. Cette typologie offre donc un choix aux individus dans leur parcours; une composante psychologique fondamentale du confort thermique.

Figure 25: Le shadow range au 21 janvier d’une forme urbaine en barre de 60 logs./ha et l’ombre portée le matin, le midi et le soir. Ci-bas, l’ensoleillement au sol quotidien moyen en hiver pour un scénario de 30 et de 60 logs./ha

27

2.3.3 Force urbaine en cour L’analyse du shadow range relève un contraste sensiblement plus marqué entre les différents espaces extérieurs. Ainsi, les cours intérieurs de la typologie sont très peu exposés en hiver, alors que les intersections bénéficient d’un accès solaire constant. Un constat explicite dans le cas d’un tissu urbain de 30 log./ha. En quelque sorte, l’implantation en cours intérieurs garantit l’accès solaire aux espaces publics au détriment des espaces privés. Un avantage certain en matière de design urbain puisque les terrains privés pendant la saison froide semblent beaucoup moins susceptible d’être utilisé.

En superposant une trame de rues, cette forme urbaine permet un parcours en permanence ensoleillé dans l’espace public. Les trottoirs nord des axes est-ouest sont en permanence au soleil alors qu’un des trottoirs des axes nord-sud est ensoleillé dépendamment du moment dans la journée. De plus, les intersections, souvent le lieu privilégié pour les arrêts d’autobus et la présence des commerces, sont en permanence exposées au soleil. Le piéton attendant l’autobus en hiver est donc assuré de bénéficier de la chaleur du soleil augmentant ainsi son confort et donc de son expérience globale des transports en commun. Les abords des intersections deviennent aussi les lieux privilégiés pour profiter de l’affluence des passants et du soleil afin d’implanter des terrasses ou jardins d’hiver.

Figure 26: Le shadow range au 21 janvier d’une forme urbaine en cour de 60 logs./ha et l’ombre portée le matin, le midi et le soir. Ci-bas, l’ensoleillement au sol quotidien moyen en hiver pour un scénario de 30 et de 60 logs./ha

28

2.3.4 Synthèse de l’aspect qualitatif Bien que les niveaux d’exposition moyens des typologies soient relativement similaires, la course de l’ombre projetée au sol induit des potentialités d’utilisation des espaces publics bien distincts. Si l’implantation pavillonnaire suggère permet l’ensoleillement de places publiques à certains moments précis, les deux autres formes urbaines permettent la création de lieux publics entièrement ou partiellement exposé tout au long d’une journée hivernale. Quant au confort des parcours possibles du piéton, les bâtiments en cour intérieur et en barre permettent le choix d’un trajet entièrement ensoleillé du matin au soir, ce qui induit chez le marcheur une perception bénéfique de contrôle à son confort. En somme, en termes d’ensoleillement, les implantations de la barre, mais surtout celle de la cour intérieure, offrent de meilleures opportunités de confort en matière de design urbain.

Si le niveau de densité peut donner une bonne idée de l’ensoleillement global d’un quartier, il importe davantage de considérer la manière dont il est planifiée. Comme certains projets l’on démontré (figure xx), un quartier presque deux fois plus dense arrive à garantir un accès solaire à l’ensemble des logements alors que son itération à 20 log./ha n’y arrive pas. Afin de densifier de façon optimale la ville sur des principes solaires, une approche intégrée et une lecture qualitative s’imposent pour identifier les différentes ambiances que l’on recherche pour divers lieux, fonctions et moments. Dans le but d’identifier une forme urbaine et une densité plus adaptée au climat nordique, il faut identifier les critères en jeu et l’importance relative que l’on souhaite leur accorder. Existe-t-il un ensoleillement minimum que l’on souhaiterait garantir dans l’espace public et si oui, à quels endroits ?

Figure 27: Étude de l’accès solaire selon différentes densités pour un projet résidentiel en Californie (Brown, 2012) 29

2.4 L’accès solaire au 46,5° parallèle Si les précédentes analyses ne sont pas contextualisés, la section suivante précise la relation entre la densité et l’ensoleillement pour une latitude propre aux villes majeures du Québec. Notamment, il s’agit d’identifier quel serait la forme urbaine optimale en regard du critère de l’ensoleillement et de proposer quelques hypothèses concrètes ou règles du pouce permettant aux concepteurs-décideurs de visualiser rapidement une base de référence pour un éventuel projet.

2.4.1 L’impact de la densité sur l’ensoleillement Tout d’abord, une simulations de différentes densités à la même latitude a été effectuée afin de comprendre précisément la relation entre l’accroissement de la densité sur le niveau d’ensoleillement des espaces au sol et du rez-de-chaussée des bâtiments. L’expérimentation utilise une latitude de 46,5°, une valeur similaire à celle de Montréal (45,5°) et celle de Québec (46,8°). La typologie de la tour a été choisie puisqu’il a été démontré précédemment qu’il s’agissait de la forme au comportement le plus constant selon différents latitudes (voir annexe II pour visualiser l’ensemble des résultats).

Densité 10 FSI

Ensol. moyen au sol 1.91 h

Ensol. moyen au rez 3.20 h

Densité 1,5 FSI

Ensol. moyen au sol 5.70 h

Ensol. moyen au rez 5.90 h

Figure 28: Échantillons des simulations à 46,5 ° de latitude.

30

1

Relation entre la latitude et la densité pour un ensoleillement au 10sol constant 20 30 40 50 60

0

Tant au niveau de l’ensoleillement au sol que celui du rez-de-chaussée, on constate la courbe exponentielle décroissante qui décrit la relation entre la densité et la quantité d’exposition moyenne journalière au sol durant 100 hivernale. Plus la densité augmente, moins celle-ci a d’impact sur l’ensoleillement. Au-delà de 60 la saison Relation entre la latitude et la densité pour un ensoleillement au logements à l’hectare nette et plus (FSI 6), le nombre d’heures d’exposition solaire reste constant autour de 3,20 sol constant heures80 au niveau du rez-de-chaussée. L’existence d’un tel seuil semble apparaître à une densité plus élevée, soit à partir ou au-delà de 100 log./ha (FSI 10) pour les espaces publics au sol. Le graphique démontre qu’afin doit être inférieure à 60 100 de garantir 60 un ensoleillement moyen de 3 h au sol durant l’hiver, la densité nette Pavillon log./ha. Un seuil intéressant puisqu’il s’agit des heures en mi-journée dont l’angle solaire transmet le plus de 80 gain thermique. Un autre seuil intéressant est celui du cinq d’ensoleillement pouvant correspondre aux heures 40 entre 10 h et 14 h. Cette contrainte permet de garantir un apport thermique lorsque l’inclinaison du comprises 60 soleil permet de transmettre au moins 30% de la capacité optimale de rayonnement lorsque les rayons sont inclinés 20à 90° (Knowles, 1981). De plus, cette période représente un nombre d’heures importants d’une journée 40 de travail du confort psychologique des usagers. Toutefois, ce niveau moyen d’exposition suggère une densité inférieure à 20 log./ha, ce qui n’est guère réaliste pour un milieu urbain. Néanmoins, il convient de mentionner 0 20 que le critère de l’espace au30 sol est un seuil40 critique, puisque 0 d’accès solaire 10 au niveau20 50 si celui-ci est 60préservé, ce sont l’ensemble des bâtiments qui en bénéficient. Les espaces aux rez-de-chaussée et aux étages étant plus loin 0 0de l’ombre10projetée par 20 les bâtiments 30 40 leur exposition 50 60 toujours supérieure à celui des espaces adjacents, sera extérieures. Cela explique que la courbe de l’ensoleillement du rez-de-chaussée ait des valeurs d’ensoleillement plus élevés. Dans l’éventualité où un faible seuil d’accès solaire serait proposé pour les espaces extérieurs d’un secteur, les espaces de vie aux étages ou certains espaces clé du rez-de-chaussée pourraient toujours présenter un ensoleillement moyen plus que nécessaire.

Graphique 5: Relation entre la densité et l’ensoleillement au sol à une latitude de 46,5°

6

5 4 3 2 1

0

Ensoleillement journalier moyen en hiver (h)

6

Rez-de-Chaussée Espace public

5 4 3 2 1

20

0

40

20

60

80

40

100

60

Densité (logs/H) 31

80

100

Pa

2.4.2 Hypothèse | L’intersection hivernale nordique ensoleillée Suite aux multiples constats présentés antérieurement, l’impact de la forme urbaine et de la densité a été évalué pour différentes typologies sans toutefois appliquer à ces tests des exigences précises d’ensoleillement en lien avec le design urbain. Les prochaines simulations visent l’élaboration de formes urbaines induites par des critères précis en matière d’accès solaire.

Il a été démontré précédemment que de garantir un accès solaire aux bâtiments à l’ensemble d’un quartier peut s’avérer un exercice périlleux dans un contexte bâti d’une densité supérieure à 40 log./ha. En matière d’espace public l’enjeu est encore plus contraignant, étant donné que le gabarit des immeubles doit être encore plus restreint, afin de préserver un ensoleillement au sol plutôt qu’à l’intérieur des bâtiments. L’hypothèse est d’affirmer que bien qu’il soit irréaliste de limiter la densité à 40 log./ha dans un contexte urbain dense, il serait toujours possible de fournir un accès solaire à une intersection importante en termes de transport en commun ou afin d’y aménager une place publique. Si l’entièreté des espaces publics ne bénéficie pas d’un ensoleillement significatif durant l’hiver, certains lieux plus importants, achalandés et propices au flânage, pourra l’être.

Les prochaines images explorent l’idée d’une forme urbaine cherchant à conserver l’accès solaire sur les quatre coins d’une intersection entre 8 h et 16 h en hiver. Le scénario de base, la rencontre de quatre îlots totalisant une densité nette de 150 log./ha, forme une intersection dont l’on souhaiterait y garantir une exposition solaire durant l’hiver. Il s’agit de la même densité projetée qu’au centre-ville de Montréal si l’on exclut les fonctions de commerces et de bureaux. Finalement, plutôt que de simplement retirer certains volumes pour garantir un accès solaire, ceux-ci sont déplacés dans le modèle, afin d’adapter l’exercice aux contraintes réelles de la planification.

Figure 29: Shadow range et ensoleillement quotidien moyen hivernal au 21 janvier du scénario de base

32

La transformation de la forme urbaine fournit un accès solaire au 21 décembre entre 8 h et 16 h, un horaire typique des déplacements quotidiens. Un exercice s’avérant contraignante. Au niveau de la morphologie, le résultat ne semble plus être une intersection. Il s’agirait plutôt d’un bon exemple d’une place publique dont une portion bénéficie d’une exposition solaire permanente. Une partie qui méritait une plus grande attention dans son aménagement en raison de son attrait accru et de confort thermique. Le même exercice au 21 janvier présente un constat similaire avec une répartition plus uniforme de la densité. Le nombre d’immeubles dépassant 5 étages étant limité, l’échelle humaine de l’ensemble est passablement conservée. Finalement, l’enveloppe solaire proposée à l’équinoxe semble présenter un compromis intéressant.

En effet, l’ensoleillement moyen en hiver y est de 4,16 h comparativement à 2,54 h pour le scénario de base, une amélioration significative tout en garantissant un confort optimal aux entre saisons.

Figure 30: Shadow range et accès solaire de l’intersection assuré au 21 décembre, 21 janvier et aux équinoxes et ensoleillement quotidien hivernal moyen de la proposition aux entre saisons 33

2.4.3 Hypothèse | La coupe de rue hivernale Les prochaines coupes de rues, issues des simulations de l’annexe 5, explorent l’idée d’une forme urbaine cherchant à conserver l’accès solaire sur au moins un trottoir de chaque rue entre 9 h et 15 h. Contrairement à l’expérimentation précédente des intersections ayant souligné l’aspect contraignant de garantir un accès solaire entre 8 h et 16 h, en raison de l’inclinaison des rayons du soleil le matin ou le soir, une plage horaire moins étendue a été choisie pour présenter cette prochaine hypothèse. Les simulations explorent ce critère pour les mois de décembre, janvier et mars.

Les coupes comportent des bâtiments de 12 m de profondeur, 4 voies de circulation de 3 m, des marges avant de 2 m, en cour arrière de 30 m et des trottoirs de 2m.

Bien que les variations possibles soient

Équinoxes 21 janvier 21 décembre

illimitées, il est possible de transposer les résultats de cette analyse à différents contextes en conservant les proportions entre l’espace de la rue et la hauteur des façades.

Ainsi, les résultats permettent de mieux comprendre l’impact de l’orientation des rues sur la densité afin de conserver le même niveau d’ensoleillement aux piétons. L’orientation est-ouest semble la plus avantageuse en matière de densités maximales suivie par l’implantation à 45°. Une autre conclusion concerne la composition asymétrique des coupes, sauf dans le cas de l’implantation nord-sud en raison de la course symétrique du soleil le matin et le soir. Les immeubles au sud de sont systématiquement moins hauts que leurs homologues nord. Ce constat requestionne les pratiques usuelles du zonage actuel prescrivant des hauteurs maximales symétriques pour chaque rue. Une esthétique qui mériterait d’être Figure 31: Coupes synthétiques de rues, d’orientations diverses, préservant l’accès revisitée. solaire selon différentes période de l’année

34

Outre la nature asymétrique du gabarit des immeubles, ce qui pose un défi en matière d’harmonie visuelle et de composition, le fait de garantir un accès solaire aux trottoirs, génèrent de nouveaux potentiels formelles aux toitures des bâtiments. Il s’agit de formes précédemment décrites par le concept d’enveloppe solaire et qui représente un volume maximal constructible. À défaut d’exécuter une toiture en angle, permettant la création d’espaces intérieurs d’exceptions, un promoteur aurait toujours la possibilité de ne pas construire le volume en totalité. Une partie de cet espace pourrait être optimisée par l’ajout d’une mezzanine permettant d’accéder au toit. L’enveloppe solaire pourrait bien indirectement inciter l’ajout de toits-terrasses dans les nouveaux projets.

Finalement, si la densité prescrite pour le 21 mars dans une orientation est-ouest semble enviable pour un centre-ville dense, il est difficile d’en arriver à la même conclusion à mesure que l’enveloppe solaire garantit une exposition durant le cœur de l’hiver; une observation encore plus flagrante dans le cas de l’implantation nord-sud. Il semble, en effet, peu probable qu’une administration municipale accepte de limiter les hauteurs de ces bâtiments à un étage. Une telle composition pourrait s’avérer extrêmement problématique en matière de confort éolien dans la mesure où le faible gabarit n’offrirait pas une rugosité significative face aux vents. Si la largeur des rues est augmentée, les hauteurs deviendraient plus permissives, mais il s’agirait d’une approche peu intéressante en matière urbaine qui plaide généralement pour un meilleur encadrement du piéton. Les proportions des façades sur la rue,quant à elles, restent les mêmes, l’impact sur le vent serait identique.

Néanmoins, les coupes est-ouest et celles à 45° semblent présenter un compromis acceptable pour un secteur de moyenne densité. Selon les densités élaborées, ces deux types implantations seraient à privilégier. Toutefois, est-ce toujours le cas lorsque les gabarits augmentent?

Pour répondre à cette interrogation, une analyse de l’ensoleillement moyen quotidien en hiver à un mètre du sol a été effectuée. Les résultats indiquemt une exposition moyenne de 2,94 h pour une orientation nord-sud, d’aucune exposition en orientation est-ouest et 3,24 h à 45°. Ainsi, si l’orientation est-ouest possédait le meilleur potentiel de densité pour conserver l’accès solaire, c’est par contre celle-ci qui s’avère la plus néfaste pour une enveloppe solaire conçue à l’équinoxe. L’orientation à 45° serait donc à privilégier dans un contexte de fortes densités afin de garantir un minimum de radiations solaires aux piétons. Grâce à ces simulations, la présence, mentionnée en 2.4.1 d’un seuil minimal d’exposition de l’espace public et ce, peu importe la densité, est élucidée.

L’ensoleillement provient de l’exposition reçue par les rues parallèles aux rayons solaires.

Figure 32: Ensoleillement moyen en hiver de 3 orientations d’une rue, conçue pour garantir un accès solaire aux

35

2.4.4 Hypothèse | La ville dense aux parcours actifs ensoleillés Les multiples gains de la densité pour prémunir les villes de l’étalement urbain et favoriser les déplacements actifs par les rapprochements des distances sont multiples et appellent à relativiser l’application de l’enveloppe solaire. Il convient donc d’identifier les lieux et les moments où il serait jugé primordial de garantir une bonne exposition solaire. Par exemple, un zonage devrait être plus sensible à l’exposition solaire lorsqu’il s’adresse à un contexte résidentiel. Notamment, un zonage devrait être plus sensible à l’exposition solaire lorsqu’il s’adresse à un contexte résidentiel tant au niveau de la demande énergétique qu’aux exigences des occupants liés à leur milieu de vie quotidien. Un zonage devrait y garantir une quantité plus significative d’ensoleillement.

En matière de design urbain et du soucis de confort des piétonniers, les enjeux sont d’autant plus contraignants, étant donné que le gabarit des immeubles oblige à être plus restrictif à la préservation d’un ensoleillement au sol. Cependant, on peut remettre en question la pertinence de garantir un accès solaire à l’ensemble des rues puisque certaines sont moins utilisées que d’autres. Qui plus est avec la montée de la pratique du vélo hivernal et de l’ajout de pistes cyclables permanentes, de plus en plus de villes, comme Québec, intègre à leur plan d’urbanisme des axes de déplacements actifs. La présente hypothèse mise sur cette approche afin de proposer un milieu urbain dense, mais dont les axes de déplacements actifs feraient l’objet d’un accès solaire plus généreux, de ce fait. le confort thermique des piétons y seraient privilégié.

Figure 33: Schéma des axes de déplacements actifs, en pointillé, prévus dans le cadre du PPU de Saint-Roch Sud, à Québec (Ville de Québec)

36

De manière similaire aux essais avec les intersections, l’objectif est de conserver l’aspect morphologique d’une rue tout en optimisant l’exposition solaire le long d’un parcours. La densité est également de 15 FSI pour le scénario de base et celui proposé. L’expérimentation emprunte les constats des tests antérieurs quant aux gabarits des immeubles et de l’orientation à 45°. Globalement, on constate le caractère plus équitable de l’implantation en biais permettant des écarts réduits d’exposition entre les deux orientations de rues. Au niveau de l’ensoleillement moyen, le scénario de base affiche une performance de 1,25 h d’exposition sur l’espace public contre 2,20 h pour la forme urbaine proposée. S’il est logique de s’attendre à une augmentation de l’ensoleillement au détriment de l’exposition de la zone périphérique à celle étudiée, il n’en demeure pas moins que l’axe de déplacements proposée affiche 5 h et plus de soleil. Cette proposition, dont plusieurs immeubles possèdent un étage, remet en question la conception formelle que l’on se projette d’un centre-ville. Plutôt que de concentrer les grattesciel, ceux-ci devraient être espacés à certains emplacements jugés stratégiques; ceux-ci peuvent préserver l’ensoleillement de certains espaces publics tout en conservant certains seuils de densité. Il convient toutefois de ne pas accentuer l’effet de vents dominants. Bien que contraignant, ce type de compositions urbaines offre néanmoins la possibilité de garantir un confort thermique, une échelle humaine bénéfique aux piétons et un ensoleillement généreux aux logements et bureaux adjacents.

Figure 34: Shadow range et ensoleillement quotidien moyen d’une ville de 150 logs./ha en comparaison avec une forme de même densité priorisant l’accès solaire sur un parcours 37

CHAPITRE 3 - APPLICATION DES RESULTATS Suite à la description des enjeux et concepts du cadre théorique, suivi d’expérimentations apportant certaines validations concrètes, ce dernier chapitre fait office de discussion sur la prospective de l’enjeu du confort thermique et de l’ensoleillement en lien avec la forme urbaine. Si certains obstacles subsistent à l’intégration de l’aspect solaire en aménagement, bien de nouvelles opportunités s’ouvrent aux concepteurs. L’accès solaire n’étant qu’un aspect spécifique du confort, plusieurs facteurs connexes pourraient faire l’objet d’analyses pour enrichir et confronter les résultats observés. Les différents constats découlant de cet essai seront finalement synthétisés afin d’en faciliter la transmission et d’encourager une remise en question de la planification urbaine.

3.1 Méthodes d’opérationnalisation pour les concepteurs décideurs Il semblerait qu’il y ait peu de transmission de connaissances entre les climatologues urbains et les planificateurs dont font parti les designers urbains. Cette observation viendrait du manque d’échanges entre les domaines de la recherche et la pratique, mais également du type de langage utilisé par chacun. Le langage spécialisé et technique du scientifique devrait être transposé en concept de design simple ou règles du pouce (Johanson, 2011).

La transposition des résultats en images, mode de communication privilégié des concepteurs serait également fondamentale afin d’opérationnaliser les connaissances des climatologues urbains.

De plus, si Ebrahimabadi (2015) définit le processus habituel de planification urbaine solaire comme étant une itération entre des esquisses se fondant sur des principes de design simples et des simulations analytiques de ces essais, certains auteurs proposent une approche plus paramétrique. Avec la montée de la conception par ordinateur et de logiciels comme Rhino et Grasshopper, il serait plus rapide et efficace de modéliser une forme urbaine en fonction de paramètres définis et interactifs. (Amado, 2014, Kanters et coll, 2013). Si certains aspects du confort, notamment la composante psychologique, restent difficiles à modéliser par ordinateur, les facteurs physiques, comme le vent, l’humidité, le soleil et l’air ambiant, peuvent être quantifiés fidèlement. Les logiciels utilisés par les concepteurs pouvant adressés ces aspects sont d’ailleurs de plus en plus accessibles. D’autre part, il est dorénavant possible d’analyser simultanément l’ensemble des composantes physiques du confort et d’en appréhender le niveau à l’étape de conception. L’approche paramétrique et la conception numérique semblent prometteuses afin de faciliter le travail des concepteurs, leur laissant ainsi l’opportunité de traiter les enjeux humains, constructifs et esthétiques.

38

Figure 35: Ralph Knowles utilisant son outil d’analyse, l’héliodon (Wikipedia)

La réalisation même des expérimentations numériques représente bien le potentiel de la conception numérique comme facilitateur de la prise en compte du facteur solaire en architecture et en design urbain. Dans le cadre de cet essai, c’est l’approche par essais-erreurs qui a servi à l’élaboration des modèles 3D où une forme initiale est intégrée dans le programme Ecotect et transformée par la suite en fonction des résultats des simulations.

Un processus qui se poursuit jusqu’à l’obtention de la valeur d’ensoleillement au sol recherchée. Une démarche qui requiert un important investissement en temps alors qu’un logiciel de conception numérique aurait luimême intégré cette contrainte. Cela étant dit, si l’étude de l’ensoleillement par Knowles avec des maquettes et un héliodon dans les années 80 se voulait révolutionnaire, les designers ont plus que jamais la possibilité de facilement intégrer le soleil à leur conception. En effet, la conception en aménagement passant immanquablement par la modélisation par ordinateur, tous ont minimalement accès à l’ombre projeté de leur bâtiments. Il suffit simplement d’être sensibilisé aux enjeux climatiques pour pouvoir appréhender l’impact de la course du soleil sur un projet afin de le bonifier. Un lien de causalité peut sans doute être fait entre l’apport de l’outil informatique et la présentation presque systématique d’études d’ensoleillement lors de consultations publiques.

Figure 36: Les différentes étapes de l’approche numérique et un algorithme solaire de génération de la forme (Amado, 2013)

39

3.2 Confort thermique et formes urbaines : Les autres facteurs physiques L’analyse exclusive de la forme urbaine en fonction de l’ensoleillement n’offre qu’une vue partielle de l’enjeu de la planification des villes. Il a d’ailleurs été démontré que plusieurs aspects du design urbain pouvaient rentrer en contradiction avec les conclusions des différentes expérimentations. Outre les aspects sociaux et économiques importants devant être pris en compte lors de la conception des villes, il semblerait que certains composants même du confort, comme le vent, puissent être en conflit avec les enseignements prodigués par l’étude solaire.

Ainsi, les faibles gabarits, qu’induit l’accès solaire aux bâtiments adjacents aux espaces publics, posent plusieurs questions sur le confort éolien. Est-ce que les coupes de rues proposées dans cet essai diminuent significativement la rugosité du tissu urbain? Si oui, dans quelle mesure et est-ce que les gains thermiques dû aux rayonnements solaires surpassent les pertes causés par une hausse du facteur éolien au sol? Quels sont les récurrences des vents dominants et dans quelles orientations se déplacent-t-ils ? Plusieurs questions auxquels il n’est pas aisé d’apporter une solution unique tant le facteur éolien dépend énormément du microclimat de la zone étudiée.

Ce qui souligne l’importance de mieux outiller les concepteurs afin d’analyser chaque projet ou espace public ad hoc. Cela étant dit l’étude sur le confort des piétons de Hanqing Wu (2012) présente explicitement le même type de composition urbaine comme bénéfique tant en termes de soleil que de vent. Les gabarits plus élevés du côté nord protégeraient les rues des vents hivernaux provenant du nord-ouest du contexte canadien (Wu, 2012)

Figure 37: Schéma de l’effet potentiel de l’enveloppe solaire sur le confort éolien (Wu, 2012)

40

Un second aspect crucial du confort thermique en lien direct avec la densité et la forme urbaine est la question des rayonnements thermiques indirects. Bien qu’en lien direct avec l’ensoleillement, les rayons infrarouges, captés et diffusés par les immeubles, n’ont pas été abordés lors de cet essai. Or, ce phénomène, bien plus souvent relié à la problématique des îlots de chaleur, s’avère être un atout dans les climats nordiques. Bien que néfaste dans les climats chauds, certains auteurs mentionnent qu’une forme urbaine favorisant les îlots de chaleur peut sensiblement augmenter la température ambiante de milieu urbain en hiver (Targhi, 2015). Toutefois, en observant l’analyse de Targhi en contexte estival, on constate le rôle prépondérant de l’ensoleillement direct sur la température moyenne. Ainsi, les températures ambiantes diminuent drastiquement à partir du moment où les espaces ne bénéficient plus d’une exposition directe. Une conclusion également partagé par les simulations de Yang (2015) démontrant que se sont les tissus urbains avec le plus grand indice de sky-view, indicateur inversement proportionnel à la densité, qui affiche les températures ambiantes les plus élevées. Le gain thermique en hiver serait estimé, dans un contexte hongkongais, à un peu plus de 2° (Yang, 2015).

Si ce résultat semble marginal en termes de confort supplémentaire, l’impact sur le confort perçu par le piéton reste à quantifier. Est-ce que l’apport de rayonnements indirects sur l’individu augmente plus significativement sa perception de chaleur que de 2°? À partir de quelle distance, le piéton peut-il sentir un gain de confort dû aux rayonnements infrarouges provenant des façades? Les pratiques de design urbain encouragent un bon encadrement des espaces piétons, notamment en favorisant la proximité des façades offrant sécurité et attraits visuels aux marcheurs. Or, se pourrait-il que cet encadrement favorise un meilleur confort thermique?

Intuitivement, serions-nous porté à longer les façades le long des rues pour bénéficier d’un plus grand confort?

Figure 38: Températures moyennes en fonction de la densité (Yang, 2015)

Figure 39: Amplitude de températures en fonction de la densité (Yang, 2015)

41

Si une réponse spécifique et exhaustive à cette question n’a pu être identifiée, il existe un certain consensus voulant que les formes urbaines de moyenne densité et de faibles hauteurs soient les plus adaptées afin de capter et retenir les gains thermiques associés à l’exposition solaire (Yang, 2015, Dubois, 2014). Si le rayonnement indirect des bâtiments devait jouer un rôle significatif dans le confort des espaces publics, ce serait donc la typologie de la cour, qui demeurerait la plus bénéfique en contexte hivernale, et même en été. C’est ce que démontre l’analyse détaillée de l’ensemble des facteurs physiques du confort réalisé par l’équipe de Kleerekoper (2015) aux Pays-Bas sur les mêmes typologies présentées dans cet essai. Le confort thermique ressenti par les piétons est globalement plus intéressant en été pour l’implantation en cour intérieur. Il aurait été plus que pertinent d’effectuer le même exercice en hiver. Il semblerait toutefois que les difficultés de modéliser théoriquement le confort en situation hivernale, en raison de l’importance prépondérante des processus d’adaptation des individus sur les conditions climatiques, rendent les exercices de quantification du confort réel perçu périlleux et peu concluants (Nikolopoulou, 2013).

Figure 40: Classement réel et perçu de l’impact de la forme urbaine sur le phénomène d’îlot de chaleur (Dubois, 2014)

42

3.3 Stratégies de design urbain Suite à l’élaboration du cadre théorique et des quelques expérimentations et différentes analyses et synthèses, il apparaît difficile d’arriver à une conclusion unique dans la mesure où, selon un aspect particulier du design urbain, la densité serait à privilégier au détriment de l’ensoleillement de l’espace public et vice-versa. Il incombe donc aux concepteurs de relativiser l’importance de chacun des aspects en fonction du contexte approprié. Voici quelques recommandations extrapolées des divers constants de cet essai et des différentes synthèses d’auteurs présentées à l’annexe 6.

Chauffage passif, luminothérapie et accès solaire Dans le but de favoriser la qualité de vie des occupants malgré la perte de lumière en hiver, et de réduire la consommation énergétique des bâtiments, il conviendrait assurer un accès solaire permettant l’ensoleillement généreux et le chauffage passif des habitations. Puisqu’il s’agit du lieu où les occupants restent le plus longtemps en hiver et dont les gains thermiques internes sont plus faibles, l’accès solaire y joue un rôle primordial. En ce sens, les concepteurs devraient valoriser une densité nette de 40 logs./ ha pour un quartier principalement résidentiel. Au-delà de cette valeur, une conception plus sensible de l’aspect solaire devient de plus en plus cruciale. Dans le cas d’un quartier d’usages mixtes et de forte densité, les gabarits urbains devraient minimalement assurer l’exposition solaire des logements aux étages supérieurs.

Composition asymétrique Valoriser une composition asymétrique des coupes de rues particulièrement sur les axes est-ouest. Les bâtiments sud de ces devraient être moins élevés que ceux au nord afin d’assurer un meilleur ensoleillement de la rue et des immeubles. Le design urbain des rues est-ouest pourrait miser sur des espaces publics, comme les trottoirs, les pistes cyclables et les terrasses, plus généreux du côté nord que sud. Les rues nord-sud serait toujours de composition symétrique. Bien qu’il s’agisse d’une esthétique peu usuelle, cette composition asymétrique permettrait de générer une lisibilité accrue de la ville puisque chaque rue, dans l’expression de ses gabarits, indiquerait l’orientation face aux points cardinaux.

43

Figure 41: Schémas explicatifs des compositions asymétriques en design urbain

Dans des milieux résidentiels moins denses, les habitations devraient être décalées les unes des autres, assurant ainsi un meilleur ensoleillement lors de faibles inclinaisons des rayons solaires. La disposition des pièces, des cloisons et des ouvertures devrait être conçue afin d’optimiser l’exposition au sud. En termes de design urbain, les marges avant des terrains du côté nord pourraient être plus larges afin de mitiger la possible perte d’intimité due aux ouvertures plus généreuses donnant sur l’espace public. Cette marge plus généreuse pourrait également être compensé par un ensoleillement plus faible de la cour arrière.

La composition asymétrique touche également les intersections. Il s’agit usuellement de lieux privilégiés de la densité bénéficiant de l’achalandage du croisement de deux rues, et donc de l’implantation d’arrêt de bus ou de commerces; l’intersection devrait également présenter un gabarit plus faible du côté sud. Ce qui présente l’opportunité d’assurer un confort aux piétons attendant l’autobus, ou la lumière en hiver et d’accroître l’hédonisme associé à l’utilisation de terrasses aux entre saisons.

Orientation des rues L’orientation est-ouest des rues permet d’atteindre la plus forte densité dans la mesure où l’on souhaite assurer l’ensoleillement d’au moins un trottoir durant l’hiver. Néanmoins, les expérimentations de cet essai ont clairement explicité, qu’à partir d’un certain seuil de densité, cette orientation devient très néfaste en termes d’ensoleillement et de confort. L’adoption d’une trame urbaine à 45° est donc à privilégier dans un contexte dense. Elle permet également une répartition plus équitable de l’ensoleillement.

Figure 42: Schémas de la distribution plus équitable de l’ombre d’une trame urbaine orientée à 45°, vers midi

Le choix : la prérogative du concepteur Si les gains directs de l’ensoleillement sur le confort thermique des piétons en hiver ne peuvent encore être quantifiés fidèlement, l’impact de celui-ci ne fait aucun doute sur l’utilisation des espaces publics. La présence de soleil dans la rue pourrait bien jouait un rôle important dans la perception du confort thermique en permettant à l’individu un certain contrôle sur sa capacité de s’adapter au froid. Plutôt que d’assurer un accès solaire à l’ensemble des espaces publics, l’utilisation de d’enveloppe solaire devrait être priorisée pour garantir l’ensoleillement des lieux extérieurs importants. En offrant la possibilité aux piétons d’avoir accès au soleil sur un des trottoirs de rues passantes, son confort thermique est non seulement amélioré en raison du contact avec les rayonnements solaires, mais également par sa perception de contrôle sur son environnement.

44

Afin de favoriser la mobilité durable et la vitalité des commerces et espaces publics l’hiver, les pistes cyclables, les arrêts de bus achalandés pourraient bénéficier d’un accès solaire alors qu’une partie des places publiques verrait leur exposition solaire assuré afin de proposer des aménagements bonifiés en hiver. Pour ce faire, la réglementation municipale devra opter pour une approche intégrée entre les gabarits permis et les types d’espaces publics qu’ils encadrent. Un cadre bâti moins dense est à privilégier le long d’axes de déplacements actifs plutôt que sur l’ensemble du territoire afin de concilier densité et confort. Cette nouvelle contrainte devient également l’opportunité d’assurer une certaine échelle humaine, principe phare en design urbain, assurant le succès d’une espace public.

Typologies urbaines Bien que l’implantation en cour s’est révélé être la plus intéressante tant en termes d’ensoleillement moyen, d’opportunité de choix de parcours et de confort global, il s’avère que chaque forme urbaine distincte induise ses propres spécificités. Il convient donc aux concepteurs d’identifier la forme convenant davantage aux programmes et contextes dans lesquels ils s’inscrivent. Notamment, il a été démontré que la typologie de la tour projetait une quantité modérément plus importantes d’ombres que la typologie de la cour ou de la barre. Néanmoins, il s’agit de la typologie dont l’ensoleillement des espaces intérieurs est le plus intéressant.

Il a également été démontré que les bâtiments en hauteur permettaient de préserver certains seuils de densité tout en conservant l’ensoleillement des espaces publics importants. Ce constat appelle donc à une meilleure hybridation des formes urbaines afin que chacun de leurs avantages soient mis à contribution. À l’opposé, la forte concentration d’une seule typologie peut exacerber ses inconvénients par effet cumulé. La concentration de gratte-ciels dans les centre-villes, au sein d’un même secteur, mériterait ainsi d’approcher avec méfiance. La relative correspondance des résultats entre les typologies s’applique uniquement lorsque l’implantation de tours se fait uniformément sur le territoire, ce qui pose défi en matière de paysages urbains et d’échelle humaine.

Finalement, le phénomène d’ilots de chaleur pourrait assurer, dans un contexte hivernal, une plus grande rétention de la chaleur dans l’espace public. Les formes urbaines basses et denses, comme celle de la cour, semblent être les plus performantes à cet égard. Les rayonnements infrarouges provenant des façades seraient une raison supplémentaire de favoriser l’encadrement des circulations piétonnes par le gabarit urbain afin d’améliorer le confort des marcheurs. Il va sans dire que des mesures de mitigation des effets des îlots de chaleur, comme les canopées végétales, s’avéreraient néanmoins nécessaire en été.

Figure 43: Schémas d’une ville favorisant le confort thermique à l’échelle humaine 45

CONCLUSION Dans cet essai, des enjeux élargis et complexes tels que la densité, le confort et l’ensoleillement ont été abordés. Bien que chacun des aspects de ces thématiques puisse faire l’objet d’études plus approfondies, on constate rapidement que plusieurs peuvent être en contradiction lorsque analysé dans le contexte global du design urbain. Si une forte densité occasionne un ensoleillement réduit dans l’espace public et à l’intérieur des immeubles (coûts plus élevés en éclairage et chauffage), les gains en transport, dû au rapprochement des distances semblent plus bénéfiques. Toutefois, il ne s’agit que d’un exemple parmi tant d’autres d’une lecture quantitative de la problématique de la densité et de l'ensoleillement qui peut se heurter à des constants davantage qualitatifs se comparant difficilement entre eux. À quel point les piétons ou les travailleurs bénéficient-ils d’un ensoleillement direct et quelle importance devrait-on y accorder? Face au caractère complexe des multiples enjeux et de la difficulté d’évaluer leur importance relative, il incombe aux concepteurs-décideurs d’user de jugement et d'instinct afin d’identifier l’équilibre souhaité pour chaque situation. Le confort thermique, le besoin accru d’encourager l’utilisation de l’espace public l’hiver pour favoriser la sociabilité et les déplacements actifs des résidents, le chauffage solaire passif et la densification des milieux urbains sont tous des aspects traités dans le cadre de cet essai devant être pris en considération.

Toutefois, en pratique, l’analyse de ces aspects complexes est limité par le temps et l’expertise relative des concepteurs face à ces enjeux. Dans cette optique, l’essai présente certaines conclusions concrètes et stratégies de mise en oeuvre pouvant guider le concepteur. Premièrement, on constate qu’un quartier avec une densité uniforme inférieure à 40 logs/h (brutes) aux latitudes de Montréal ou Québec demande peu d’attention en ce qui a trait à l’ensoleillement. Néanmoins, en excédent progressivement ce seuil, la gestion de l’accès solaire sera cruciale. Certaines zones des bâtiments et des espaces publics seront à l’ombre durant l’hiver. Les milieux où de forts seuils de densité sont planifiés appellent donc à gérer l’emplacement de l’ombre. Quelles restrictions de gabarit devrait-on imposer aux abords d’une place publique ou d’une intersection majeure? Dans le but d’offrir un choix aux piétons, quels parcours devrait garantir un maximum de confort tout en permettant une haute densité dans le même quartier? Outre des choix urbanistiques ponctuels, certaines stratégies peuvent être appliquées de manière systématique. Par exemple, une trame de rue à 45° favorise une répartition plus équitable de l’ensoleillement dans les rues. D’autre part, une composition asymétrique des rues permettrait une meilleure adéquation entre la course du soleil et la manière dont nos aménagements profitent de celle-ci. Quant aux typologies construites, l’analyse quantitative ne permet pas de désigner une forme plus performante, alors que l’approche qualitative montre que les types construits apportent des avantages et des inconvénients forts différents dépendamment du contexte dans lesquels ils s’inscrivent.

Outre la connaissance des enjeux et des stratégies relatifs à la densité, le confort et l'ensoleillement, l’utilisation quasi systématique de la modélisation par ordinateur permet, à de plus en plus d’acteurs du milieu, de visualiser rapidement le mouvement du soleil et d’appréhender l’impact de la densification. Cette meilleure compréhension tant des professionnels que du public tend assurément vers une plus grande sensibilité face aux enjeux de cet essai et appelle pour une meilleure planification en amont de la densification urbaine.

46

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47

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Consulté le21/09/15

48

ANNEXES

49

ANNEXE 1 - Analyses typologiques Latitude 5

Densite 100 logs/Ha (FSI = 10)

Ensoleillement Moyen au sol 4.73h

Latitude 15

Ensoleillement Moyen au Rez 2.25h

Densite 80 logs/Ha (FSI = 8)

Ensoleillement Moyen au sol 4.54h

Latitude 30

Ensoleillement Moyen au Rez 2.63h

Densite 60 logs/Ha (FSI = 6)

Ensoleillement Moyen au sol 4.67h

Ensoleillement Moyen au Rez 3.79h 50

Typologie Tour Latitude 45

Densite 30 logs/Ha (FSI = 3)

Ensoleillement Moyen au sol 4.65h

Latitude 55

Ensoleillement Moyen au Rez 5.02 h

Densite 15 logs/Ha (FSI = 1.5)

Ensoleillement Moyen au sol 4.74 h

Ensoleillement Moyen au Rez 5.98 h

Ensoleillement quotidien de l'espace publique

+ -

100 m2

Ombres pouvant être évitées Espaces au soleil en tout temps Intersections à l’ombre sauf au zénith Lieu au soleil constant inappropriable

51

Aspects qualitatifs

Typologie Barre Latitude 5

Densite 10 logs/Ha (FSI = 10)

Ensoleillement Moyen au sol 4.79h

Latitude 15

Ensoleillement Moyen au Rez 2.00h

Densite 80 logs/Ha (FSI = 8)

Ensoleillement Moyen au sol 4.87h

Latitude 30

100 m2

Ensoleillement Moyen au Rez 2.32h

Densite 60 logs/Ha (FSI = 6)

Ensoleillement Moyen au sol 4.79h

Ensoleillement Moyen au Rez 2.95h 52

Latitude 45

Densite 30 logs/Ha (FSI = 3)

Ensoleillement Moyen au sol 5.05h

Latitude 55

Ensoleillement Moyen au Rez 3.92 h

Densite 15 logs/Ha (FSI = 1.5)

Ensoleillement Moyen au sol 4.74 h

Ensoleillement Moyen au Rez 4.36 h

Ensoleillement quotidien de l'espace publique

+ -

Absence d’ombre au zénith Un côté ensoleillé en AM ou PM Aucun lieu au soleil en permanence Passage obligé à l’ombre entre barres

53

Typologie cour Latitude 5

Ensoleillement Moyen au sol 4.73h

Latitude 15

Ensoleillement Moyen au Rez 1.79h

Densite 80 logs/Ha (FSI = 8)

Ensoleillement Moyen au sol 4.79h

Latitude 30

100 m2

Densite 10 logs/Ha (FSI = 10)

Ensoleillement Moyen au Rez 2,39h

Densite 60 logs/Ha (FSI = 6)

Ensoleillement Moyen au sol 4.83h

Ensoleillement Moyen au Rez 3.10 h 54

Latitude 45

Densite 30 logs/Ha (FSI = 3)

Ensoleillement Moyen au sol 4.78 h

Latitude 55

Ensoleillement Moyen au Rez 4.68 h

Densite 15 logs/Ha (FSI = 1.5)

Ensoleillement Moyen au sol 4.18 h

Ensoleillement Moyen au Rez 5.80 h

Ensoleillement quotidien de l'espace publique + Intersections et trottoirs au soleil en tout temps -

Possibles trajets sans ombre Cours intérieurs à l’ombre

55

Aspects qualitatifs

ANNEXE 2 - Donnees produites Ici sont présenté l’ensemble des valeurs quantitatives découlant des simulations d’ensoleillements moyens et qui ont servi à la création des graphiques. Le traitement des données brutes, exportées depuis Ecotect, a été effectué dans Excell. Ci-après, un exemple de données brutes, importées dans Excell.

Typologie Pavillon Latitude (°) Densité (logs./ha) Ensol. Sol (h) Ensol. Rez (h) Ensol. Public (h) 5 100 4.42 2.25 4.29 15 80 4.62 2.63 4.4 30 60 4.67 3.79 4.58 45 30 4.65 5.02 4.57 55 15 4.74 5.98 4.66

Ensol. Public à 45 (h) Pourcentage d'écart 4.84 12.82% 5.12 16.36% 5.31 15.94% 5.15 12.69% 5.15 10.52% moyenne

Latitude

Latitude

5 15 30 45 55

5 15 30 45 55

Densité

Densité

100 80 60 30 15

Typologie Barre Ensol. Sol Ensol. Rez 4.79 4.89 4.79 5.08 4.74

100 80 60 30 15

Typologie Cour Ensol. Sol Ensol. Rez Ensol. Public 4.73 1.79 4.79 2.39 4.83 3.1 4.78 4.68 4.18 5.8

2 2.32 2.95 3.92 4.36

Ensol. Public

Typologie Pavillon (latitude de 46,5 °) Densité (logs./ha) Ensol. Sol (h) Ensol. Rez (h) 100 1.91 3.2 80 2.27 3.2 60 2.87 3.31 30 4.39 4.97 15 5.7 5.9

56

4.74 4.79 4.65 4.36 4.91

5.79 5.39 5.8 5.26 4.89

13.67%

ANNEXE 3 - Graphiques des analyses Relation entre la latitude et l’ensoleillement pour une même densi-

Cour 4.8

Barre Pavillon

4.6

en hiver (h)

Ensoleillement journalier moyen

Graphique 8: Relationde entre la latitude l’ensoleillement au sol pour 3 té pour 3 typologies formes urbaineset différentes typologies de formes urbaines

4.4 4.2 4.0

Relation Relationentre entrelalalatitude latitudeetetl’ensoleillement l’ensoleillement pour pour une une même densitétépour pour33typologies typologiesde deformes formesurbaines urbainesdifférentes différentes 0

10

20

30

40

50

60

Latitudes

Cour

Pavillon

6.04.6

Relation entre la latitude et l’ensoleillement du rez-de-chaussée pour uneCour même densité pour 3 typologies de formes urbaines différentes

5.64.4 5.24.2 6 4.84.0

en hiver (h)

Ensoleillement journalier moyen

Graphique 6: Relation entre la latitude et l’ensoleillement de l’espace public pour 4.8 Barre 3 typologies de formes urbaines

5

Barre Pavillon

0

10

20

30

40

50

60

4.4 4

Cour Barre Pavillon

4.0 3 0 2

10

20

30

40

50

60

Latitudes Relation entre la latitude et l’ensoleillement du rez-de-chaussée pour une même densité pour 3 typologies de formes urbaines différentes

Graphique 7:Graphique: Relation entre la latitude et l’ensoleillement du rez-de3 typologies de 0 chaussée 10 pour une 20 même30densité pour 40 50 60 formes urbaines 6

Cour

5

en hiver (h)

Ensoleillement journalier moyen

1

4

Barre

Relation entre la latitude et la densité pour un ensoleillement au sol constant

Pavillon

3 100

2

80

1

Pavillon

0

10

20

30

40

60

Latitudes

40

57

50

60

ANNEXE 4 - Ensoleillement moyen au Quebec Typologie Tour Densite 100

logs/

FSI = 10

Ensol. moyen au sol 1.91 h

Densite 80

logs/

logs/

Ensol. moyen au rez 3.20 h

FSI = 8

Ensol. moyen au sol 2.27 h

Densite 60

Latitude : 46,5

Ensol. moyen au rez 3.20 h

FSI = 6

Ensol. moyen au sol 2.87 h 58

Ensol. moyen au rez 3.31 h

Pavillon

4 3 2

Densite 30 1 0 10

logs/ 20

FSI = 10 30

40

50

60

Relation entre la latitude et la densitĂŠ pour un ensoleillement au sol constant

100

Ensol. moyen au sol 4.39 h

80

Densite 15

60

logs/Ha

Pavillon Ensol. moyen au rez 4.97 h

FSI = 1,5

40 20 0

0

10

20

30

40

50

60

Ensol. moyen au sol 5.70 h

Ensol. moyen au rez 5.90 h

Ensol. moyen journalier Hiver(h)

Synthese 6

Rez-de-ChaussĂŠe

5

Espace public

4 3 2 1

0

20

40

60

80

DENSITE (logs/H) 59

100

ANNEXE 5 - Shadow Ranges ayant servis a faire les coupes

AM

PM

Acces solaire d'un trottoir au 21 decembre

Acces solaire d'un trottoir au 21 janvier

Acces solaire d'un trottoir aux equinoxes

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Acces solaire d'un trottoir au 21 decembre

Acces solaire d'un trottoir au 21 janvier

Acces solaire d'un trottoir aux equinoxes

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Équinoxes 21 janvier 21 décembre

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ANNEXE 6 - Propositions pour design urbain hivernal Ici sont énumérés plusieurs recommandations traduites du livre Reshaping Winter Cities de Norman Pressman et qui trouvent résonance avec le sujet de cette essai traitant spécifiquement de design urbain: 1. Plan d’implantation et orientation des bâtiments pour prémunir les piétons des vents dominants 2. Orientation et configuration des nouvelles rues pour maximiser l’exposition solaire 3. Considération du chauffage solaire lors de la conception de projets 4. Adopter un design sensible et des stratégies pour optimiser la relation avec le soleil, ombre, vent, etc. et leurs effets sur l’évolution de la forme urbain.

5. Utilisation de l’architecture de paysage afin de créer un micro-climat. Par exemple, planter des arbres pour minimiser l’inconfort du vent.

6. Revoir la réglementation pour protéger les piétons comme d’ajouter une canopée continue au-dessus de trottoirs.

7. Organiser les développements d’une manière à ce qu’à la fois les espaces publics ouverts et fermés comme les cours intérieures et atriums soient interconnectés afin d’offrir un plus grand degré de choix aux utilisateurs lorsqu’ils souhaitent se déplacer à travers la ville. Il faut pouvoir trouver un équilibre entre les espaces ouverts et fermés afin qu’ils puissent être utilisés de façon différentes selon les variations saisonnières.

8.Improve the overall quality of urban environment even if this means, at times, usings solutions which will not always reduce energy costs. The environment must at all times remain humane and many of the hightechnology olutions such as’’domed cities’’ or ‘’subterranean building’’ are not always the most desirable form a psycho-biological point of view.

9. Adapter certains systèmes connexes au design urbain selon les saisons afin de minimiser l’exposition au climat rigoureux. (Ex. Attente du bus en hiver) 11. Favoriser la mixité des fonctions dans la ville afin de réduire les distances de parcours, ce qui permet de réduire le temps d’exposition des marcheurs aux rigueurs du climat.

12. Créer des jardins d’hiver et des parcs intérieurs.

13. Réfléchir aux terrains de jeu en fonction de leur possible utilisation l’hiver. Mettre en place des installations temporaires pour accommoder les activités d’hiver 15. Rendre obligatoire les études d’impacts sur l’ensoleillement et le vent pour les nouveaux développements majeurs.

16. Encourager les développement de fortes densités aux abords des centres commerciaux afin de maintenir un important îlot de chaleur tout en gardent les rues et l’air ambiant aussi chaud que possible.

17. Favoriser des éléments de couleur afin de compenser pour la monotonie engendrée par la neige

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