École Nationale Supérieure d’Architecture de Montpellier
Année 2015-2016
Domaine Thématique ARCHITECTURE ET MILIEU
Mémoire de Master 2 Présenté par
Mathieu Nouhen
27 janvier 2016
Le rôle de la végétalisation des toitures terrasses dans l’atténuation des Ilots de Chaleur Urbain.
Jury Bijan AZMAYESH Claire BAILLY Clotilde BERROU Robert CÉLAIRE
architecte architecte & architecte-paysagiste architecte ingénieur
Examinateur Examinateur Examinateur Directeur de mémoire
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REMERCIEMENTS
Je tiens à remercier Robert Célaire, mon directeur de mémoire, de son implication et du temps apporté à mon mémoire. Il m’a permis d’acquérir un recul et une méthodologie nécessaire à la rédaction de ce mémoire. Malgré mes moments de doute et de remise en question il a su m’apporter des réponses.
Je tiens à remercier Hassan Ait Haddou pour son optimisme et son aide qu’il a pu m’apporter dans la compréhension de la démarche ainsi que pour les documents fournis.
Je remercie l’association climatologique de l’Hérault (ACH) qui a mis à disposition les relevés des températures du boulevard Assas et sans lesquelles je n’aurais pas pu mener ma démarche.
Je remercie ma famille pour sa patience dans la relecture et son grand soutien tout au long de ce mémoire.
Je remercie les membres du jury pour le temps passé à la lecture de mon mémoire et à l’attention portée à mon travail.
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AVANT-PROPOS
Le choix du sujet fut amené par un questionnement sur la relation entre le paysage naturel et le paysage urbain, appuyé par de nombreuses discussions avec mon directeur de mémoire et par un stage de deux mois à Paris dans l’Atelier Format Paysage. Cette expérience enrichissante a permis d’approcher au mieux le travail de paysagiste, de faire le lien entre l’architecte et la notion de paysage. Au cours des différents projets, j’ai pu compléter et apporter une réponse quant à l’utilisation des toitures terrasses.
L’étude des différents jardins sur dalles ou toitures m’a permis de situer les enjeux de ces espaces souvent délaissés de l’architecture. Les enjeux climatiques actuels ont orienté mes pistes de réflexions personnelles avec l’enjeu mondial de lutte contre le réchauffement climatique.
La mise en situation du métier d’architecte a permis de cibler un des champs d’action de cette profession : la ville et son environnement. Le climat en ville devient alors une matière que l’architecte doit à nouveau apprendre à s’approprier.
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RÉSUMÉ
La Conférence de juin 1992 à Rio de Janeiro marque le début d’un vaste programme de lutte mondiale contre les changements climatiques. Face à ce constat, l’architecte est invité à entreprendre des initiatives visant à réduire l’augmentation des températures dans la cité urbaine. Après l’observation des incidences du climat, un phénomène préoccupe les climatologues, celui de l’augmentation de formation d’ICU. L’étude des paramètres contribuant à leur formation et leurs incidences permettront d’en déterminer les sources principales, et notamment les émissions anthropiques. Les éléments retenus nous aideront à mieux comprendre et agir sur ses sources, la principale étant la diminution des espaces verts au profit de surfaces minéralisées ayant une forte capacité de stockage de l’énergie solaire incidente sur la ville, entraînant d’autres émissions anthropiques pour se protéger. Une réflexion s’est engagée sur les processus d’action pour réduire les ICU et proposer un moyen d’augmenter la surface végétale. Utiliser la toiture terrasse, espace perdu non utilisé, comme un nouvel espace vert est une première solution envisageable. Le cas d’étude porte sur la résidence du Rond-point d’Assas à Montpellier. Il donne un aperçu du potentiel de ce nouvel espace et apporte des éléments de réponses pour l’architecte à la problématique de l’Îlot de Chaleur Urbain. .
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SOMMAIRE REMERCIEMENTS ....................................................................................................................... 3 AVANT-PROPOS ......................................................................................................................... 4 RÉSUMÉ ..................................................................................................................................... 5 INTRODUCTION .......................................................................................................................... 9 LE RÉCHAUFFEMENT CLIMATIQUE : UN MACRO-PHÉNOMÈNE .................................................. 11 1
CONSTAT SUR L'ÉVOLUTION CLIMATOLOGIQUE ................................................................................ 12
2
CONSÉQUENCES DU RÉCHAUFFEMENT CLIMATIQUE ......................................................................... 13
3
LE RECHAUFFEMENT, UNE ORIGINE ANTHROPIQUE .......................................................................... 14
L'ÎLOT DE CHALEUR URBAIN : UN MICRO-PHÉNOMENE ............................................................. 19 1
PRÉSENTATION DU PHÉNOMÈNE ........................................................................................................ 20
2
PARAMÈTRES DE FORMATION ............................................................................................................ 21
3
2.1
Matériaux urbains ....................................................................................................................... 21
2.2
Imperméabilisation des sols ........................................................................................................ 24
2.3
Morphologie urbaine ................................................................................................................... 25
2.4
Les modes de vie .......................................................................................................................... 26
2.5
Pertes du couvert végétal ............................................................................................................ 28
INCIDENCES DE L'ÎLOT DE CHALEUR URBAIN ...................................................................................... 28 3.1
Augmentation de la consommation en eau ................................................................................ 28
3.2
Augmentation de la consommation en énergies ......................................................................... 28
3.3
Détérioration de la qualité de l'air ............................................................................................... 29
3.4
Augmentation des problèmes sanitaires ..................................................................................... 30
LES PROCESSUS D'ACTION SUR L'ÎLOT DE CHALEUR URBAIN ..................................................... 33 1
2
MORPHOLOGIE URBAINE .................................................................................................................... 34 1.1
Optimisation géométrique urbaine ............................................................................................. 34
1.2
Favoriser les matériaux clairs et à faible capacité thermique ..................................................... 35
1.3
Optimiser les déplacements en ville ............................................................................................ 35
GESTION DE L'EAU ............................................................................................................................... 36 2.1
Favoriser les ressources existantes .............................................................................................. 36
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3
4
2.2
Création de points de fraîcheur ................................................................................................... 37
2.3
Retrouver une perméabilité des sols............................................................................................ 37
2.4
Utilisation des eaux de pluie ........................................................................................................ 38
RÉDUCTION DES ÉMISSIONS ANTHROPIQUES .................................................................................... 39 3.1
Optimisation des transports ........................................................................................................ 39
3.2
Optimisation des bâtiments......................................................................................................... 39
VÉGÉTALISATION DES VILLES ............................................................................................................... 40 4.1
La végétation comme principal atout .......................................................................................... 40
4.2
Les enveloppes végétales............................................................................................................. 41
LA VÉGÉTALISATION DES TOITURES TERRASSES : UN ATOUT URBAIN ........................................ 45 1
2
POTENTIEL DES TOITURES TERRASSES ................................................................................................ 46 3.1
La toiture végétale à travers l'Histoire ........................................................................................ 46
3.2
Nouveaux modes constructifs : la toiture-terrasse ...................................................................... 48
3.3
Les toitures terrasses, un potentiel adapté ................................................................................. 49
POSSIBILITÉS ACTUELLES DE VÉGÉTALISATION ................................................................................... 51 2.1
Définition des composants .......................................................................................................... 51
2.2
Les différents types de végétalisation ......................................................................................... 54
2.3
Les conditions structurelles .......................................................................................................... 57
LES EFFETS DE LA VÉGÉTALISATION DES TOITURES TERRASSES SUR L’ICU .................................. 59 1
2
PROPRIÉTÉS D’IMPACT DU VÉGÉTAL ................................................................................................... 60 1.1
Une source de rafraîchissement .................................................................................................. 60
1.2
Un assainissement de l’air ........................................................................................................... 62
INFLUENCES POSITIVES INDIRECTES.................................................................................................... 64 2.1
La réduction des émissions anthropiques du bâtiment ............................................................... 64
2.2
La prise en compte de la forme urbaine ...................................................................................... 65
2.3
La modification des caractéristiques des toitures ....................................................................... 66
2.4
La participation aux îlots de fraîcheur ......................................................................................... 67
2.5
Un moyen de rétention des eaux pluviales .................................................................................. 67
2.6
Un filtre des eaux pluviales .......................................................................................................... 69
2.8
Une isolation acoustique ............................................................................................................. 70
ÉTUDE DU QUARTIER DU BOULEVARD D'ASSAS ........................................................................ 73 1
CHOIX DU CAS D’ÉTUDE ...................................................................................................................... 74
2
SITUATION GÉOGRAPHIQUE................................................................................................................ 74
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3
ANALYSE DE L’ÎLOT DE CHALEUR URBAIN .......................................................................................... 75
4
ANALYSE DU QUARTIER ....................................................................................................................... 78
5
6
4.1
Une situation urbaine .................................................................................................................. 78
4.2
Une présence minérale importante ............................................................................................. 80
4.3
Etat des paramètres d’influence du quartier sur l’ICU................................................................. 81
4.4
Enjeux dégagés par l’analyse du quartier.................................................................................... 82
MESURES DE LUTTE CONTRE L’ICU...................................................................................................... 83 5.1
La végétalisation des toitures terrasses ...................................................................................... 83
5.2
Impact de la végétalisation ......................................................................................................... 85
5.3
Utilisation des toitures non végétalisées ..................................................................................... 89
5.4
Gestion des autres surfaces minérales ........................................................................................ 90
RÉSULTATS ET DISCUSSION ................................................................................................................. 93
CONCLUSION............................................................................................................................ 97 TABLE DES FIGURES .................................................................................................................. 99 BIBLIOGRAPHIE ...................................................................................................................... 101 GLOSSAIRE ............................................................................................................................. 103 ANNEXES................................................................................................................................ 104
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INTRODUCTION
En décembre 2015, les membres de la conférence internationale Paris Climat 2015, alertés sur la gravité du réchauffement global par les scientifiques, se sont engagés à une surveillance accrue du changement climatique. Un accord international sera applicable à tous les pays en 2020 pour lutter contre le réchauffement planétaire. Cette sensibilisation médiatique justifiée, lancée depuis 1992, interroge sur la place et l’engagement de l’architecte pour participer à cette dynamique.
L’architecture a pour objectif premier de protéger l’Homme des intempéries et de son environnement. Le paradoxe actuel est tel que l’architecte est devant un nouvel enjeu, il doit également préserver l’environnement de l’Homme nécessaire à sa survie. Il ne s’agit alors pas de marquer une séparation entre ces deux entités, mais de trouver une harmonie au travers de l’architecture entre les habitants et la nature.
La question de réchauffement climatique est présente de manière croissante et l’évolution de nos villes devient alors inévitable. L’évolution démographique entraine une prospective d’expansion des zones urbaines. La population mondiale urbaine devrait atteindre les 5 milliards d’individus d’ici 2030. Cet état de fait nous porte à nous interroger sur le devenir et l’évolution de nos villes face à cette situation climatique préoccupante. Comment nos espaces urbains peuvent-ils être adaptés, transformés ou créés afin de répondre au futur enjeu de la cohabitation entre l’homme et son environnement ?
De multiples questionnements peuvent être posés mais nous pouvons déjà peut-être porter une réflexion sur les acquis de notre patrimoine afin de transformer nos villes en espaces confortables. La conception et la réalisation urbaine doivent prendre en compte les indicateurs climatiques aussi bien dans les nouvelles constructions que dans le patrimoine existant.
En France, lors de la canicule de 2003, une surmortalité importante a été enregistrée démontrant l’incidence des hausses de températures sur la santé. Elles sont dues au phénomène ENSAM 15-16 – Mathieu Nouhen
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d’ilot de chaleur urbain, d’autant plus remarquable en ville. Il est créé par de nombreux facteurs anthropiques. L’architecture représente alors un des moyens d’action sur ses effets néfastes pour l’Homme.
La recherche proposée porte sur l’utilisation des toitures terrasses non exploitées. En effet, elles sont les parois des bâtiments les plus exposées aux phénomènes climatiques et aux échanges avec l’environnement. La surface plate des toits terrasses est facilement aménageable et représente une superficie non négligeable dans les villes ainsi qu’un potentiel perdu. En France, elles concernent une part importante de l’espace bâti et plus particulièrement dans le logement collectif depuis le siècle dernier. Leurs végétalisations pourraient alors représenter un moyen efficace et prospectif.
En quoi la végétalisation des toitures terrasses représente un moyen de lutte contre les îlots de chaleur urbains?
L’étude du problème sur le réchauffement climatique d’une part, et du développement des îlots de chaleur situés dans la concentration urbaine d’autre part, va nous éclairer sur les éléments essentiels contribuant à ce phénomène. L’étude des différents paramètres d’influence de la végétalisation de ces toitures sur ces ICU nous permettra ainsi de définir et analyser les possibles champs d’action qu’offre ce type de toitures. L’analyse du quartier d’Assas à Montpellier pourrait être une illustration de la mise en valeur du potentiel du site. Les mesures des divers indicateurs sur les possibilités d’impact permettent d’entrevoir les incidences d’un projet de végétalisation pour une amélioration de confort et de santé pour la population concernée.
"Sur les toits, l'homme doit rendre à la nature ce qu'il lui a pris en bas en construisant sa maison" F.Hundertwasser
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CHAPITRE IV LE RÉCHAUFFEMENT CLIMATIQUE : UN MACROPHÉNOMÈNE
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CONSTAT SUR L'ÉVOLUTION CLIMATOLOGIQUE
La Conférence de juin 1992 à Rio de Janeiro a marqué le début d’un vaste programme de lutte mondiale contre les changements climatiques, la dernière en date étant celle de décembre 2015 à Paris, 21e Conférence des Parties de la Convention-cadre des Nations-unies sur le changement climatique, également appelée COP21. En décembre 2015, la conférence de Paris sur le climat s’est terminée par un accord international sur le climat validé par tous les pays participants. L’objectif est la limitation du réchauffement mondial entre 1.5°C et 2°C d’ici 2100. Sur le rapport du GIEC1 de 2007, onze des douze dernières années (1995–2006) font partie des années les plus chaudes depuis 1850. La diminution des surfaces glacières et neigeuses sur les deux hémisphères soutient l’hypothèse d'un réchauffement planétaire. De même, l'indicateur hauteur des océans, au niveau mondial moyen des mers s'est élevé à une vitesse moyenne de 1,8 mm par an entre 1961 et 2003. Cette montée des eaux concorde avec la fonte des masses glacières et donc avec un incontestable réchauffement climatique.
« Le réchauffement du système climatique est sans équivoque, car il ressort désormais des observations de l’augmentation des températures moyennes mondiales de l’atmosphère et de l’océan, de la fonte généralisée des neiges et des glaces, et de l’élévation du niveau moyen mondial de la mer »2
Ces changements sont certes observés, mais quelles sont les conséquences d'un tel réchauffement pour l'homme et pour la planète ?
1Groupe 2IPCC
d'experts Intergouvernemental sur l'Evolution du Climat :https://www.ipcc.ch/pdf/assessment-report/ar4/wg1/ar4-wg1-spm-fr.pdf
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CONSÉQUENCES DU RÉCHAUFFEMENT CLIMATIQUE
Dans le rapport du GIEC, on observe une évolution des précipitations sur différentes zones du globe. Entre 1900 et 2005, on constate l'apparition croissante de précipitations plus violentes à l'Est de l'Amérique du Nord et de l'Amérique du Sud, de l'Europe du Nord et en Asie du Nord et en Asie centrale. Nous assistons à des événements climatiques extrêmes de plus en plus fréquents et intenses sur ces continents. Parallèlement, un assèchement de certaines régions est en cours comme dans le pourtour méditerranéen, au Sud de l’Afrique, au Sahel et dans certaines parties du Sud de l'Asie. La hausse de la montée des mers pourrait également être très importante, tous scénarios confondus, elle pourrait se situer entre 26 cm et 82 cm d’ici 2100. Les conséquences de l'augmentation du niveau des océans toucheraient directement 600 à 700 millions de personnes dans le monde, soit une personne sur dix sur la même période.
Cette amplification des phénomènes et cette modification climatique dans certaines zones nous questionnent sur l'origine de ce réchauffement naturel et anthropique.
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LE RECHAUFFEMENT, UNE ORIGINE ANTHROPIQUE
Bien qu’on ne maîtrise pas complètement tous les éléments du réchauffement, de nombreux indices mettent en avant l’hypothèse d’une origine anthropique. En effet, nous pouvons constater la corrélation des éléments du réchauffement climatique avec la consommation des énergies fossiles.
Figure 1Consommation des énergies fossiles de 1820 à 2 000 Source: notre-planete.info
Figure 2 Ecarts des températures globales de surface Source: MetOffice
On constate une corrélation entre les deux graphiques appuyant l'hypothèse d'un lien entre la consommation des énergies fossiles et le réchauffement global terrestre. ENSAM 15-16 – Mathieu Nouhen
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L'utilisation de ces ressources planétaires fossiles induit une augmentation des émissions de gaz à effet de serre. La concentration du gaz carbonique dans l'atmosphère terrestre n'a jamais été aussi forte depuis au moins 800.000 ans. Ces gaz sont à l'origine un processus permettant de réguler la température sur terre et leur accumulation dans l’atmosphère participe au réchauffement global. Ce phénomène naturel de piégeage par l’atmosphère de la fraction du rayonnement solaire réémis par la terre est amplifié par les rejets excessifs anthropiques comme le gaz carbonique, le méthane ou encore le protoxyde d’azote, parmi les principaux.
Figure 3 Processus des GES sur le réchauffement global Source: Consoglob.fr
. La consommation anthropique est donc mise en cause et nous devons alors comprendre et agir sur ce phénomène.
La concentration urbaine est de plus en plus importante. C'est une des préoccupations de ce siècle étant donné l'expansion de ces zones. En 2011, la population mondiale a franchi la barre des 7 milliards d'individus. La moitié de cette population habite en ville. Les Nations Unies estiment qu'en 2030, nous atteindrons les 5 milliards à habiter en zone urbaine. [PNAS, 2012] Cette croissance démographique et la gestion des zones urbaines doivent être au centre des réflexions pour limiter les émissions de gaz à effet de serre. Les divers secteurs contributeurs sont les transports, l'industrie, l'agriculture et le bâtiment.
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Figure 4 Consommation des énergies et émissions des gaz à effet de serre par secteur en France Source : Ministère de l'écologie et du développement durable 2006
Ces deux figures indiquent clairement que les bâtiments sont responsables de 23% des émissions de gaz à effet de serre mais représentent aussi 45% de la consommation d'énergie primaire en France. Les impacts de l'architecture et de la ville sont importants dans le développement d’une situation climatique durable et le secteur du bâtiment en est une des causes majeures. En tant que futurs architectes, nous devons nous interroger sur les devenirs de la ville ainsi que sur l'influence de ces zones urbaines sur le climat. Cependant, le réchauffement climatique accroît un phénomène particulier à l’urbanisation, qui préoccupe les climatologues : les Îlots de Chaleur Urbains.
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Figure 5 Synthèse du chapitre I Source : Mathieu Nouhen
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CHAPITRE II L'ÎLOT DE CHALEUR URBAIN : UN MICRO-PHÉNOMENE
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PRÉSENTATION DU PHÉNOMÈNE
Ce phénomène d'Îlot de Chaleur Urbain a été observé pour la première fois à Londres en 1820. Il a été décrit par un pharmacien passionné de météorologie du nom de Luke Howard. Ces données, relatant ce climat spécifique, sont mises en évidence dans un ouvrage: « Le climat de Londres ». Il démontre une différence de températures entre le centre de Londres et sa campagne environnante. Ces études ont marqué le début de la recherche en climatologie urbaine dans les années 1980.
L’Îlot de Chaleur Urbain se manifeste par une différence de températures d’une zone en milieu urbain, à une zone proche en milieu rural. Il s'observe également par une diminution de l’amplitude thermique entre le jour et la nuit. Les températures sont plus élevées aux centres des villes que dans leurs périphéries. Les ICU sont représentés à trois niveaux : au niveau du sol, de la canopée urbaine et de la couche limite urbaine. Les deux dernières se mesurent par la température de l'air ambiant.
.
Figure 6 Représentation de l'Îlot de Chaleur Urbain Source: bet-ecic.fr
Ce phénomène s'observe par la formation d'un îlot de chaleur situé au-dessus des zones ENSAM 15-16 – Mathieu Nouhen
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urbaines. On peut remarquer ce « dôme thermique » sur la figure au-dessus.
« Les ICU sont des microclimats artificiels qui sont la résultante de l’activité humaine et de l’urbanisation. Ce phénomène fait diminuer l’humidité dans l’air et perturbe la circulation convective de l’air, diminuant ainsi les précipitations à certaines périodes plus stables et les augmentant à d’autres périodes, créant donc des orages et averses d’intensité de 20 % à 30 % plus fortes » [Duchêne-Marullaz, 1980]
Les phénomènes d’ICU s'observent plus facilement de nuit, liés au refroidissement nocturne plus important en milieu rural qu'en milieu urbain. La chaleur absorbée par les matériaux et l’activité urbaine le jour est redistribuée dans l’air la nuit, ce qui explique la différence de températures par rapport à la campagne, moins dense en bâtiments et en population.
Ces écarts de température ont pu être observés en hiver, dans les années 1960, dans différentes villes américaines. Les températures urbaines étaient alors plus élevées de 1°C à 4°C par rapport aux zones rurales proches [Akbari et al, 1992]. Cette différence se calcule en comparant un point de relevé situé dans la ville et un point en périphérie rurale [Oke, 1973]. L’intensité des ICU varie selon les villes. Elle dépend du climat, de la topographie, de la population, de la morphologie et de l’activité des villes. En moyenne, sur une année, pour des villes ayant un climat tempéré, l’intensité des ICU est de l’ordre de 2°C [Taha, 1997]. Elle peut s’élever en été jusqu’à 10°C à Montréal [Lachance et al, 2006]. La densification, l’étalement des villes et le changement de la matérialité de celles-ci jouent un grand rôle dans la formation de l’ICU.
2
PARAMÈTRES DE FORMATION 2.1
Matériaux urbains
L'une des origines de la création de l'ICU est le changement du type de sol. La transformation d'espaces et leur minéralisation font évoluer la capacité de stockage de l’énergie solaire incidente. Les villes absorbent alors plus la chaleur qu’à la campagne. Les matériaux urbains sont en grande partie responsables. L’inertie thermique est très importante car elle exprime la capacité d’un ENSAM 15-16 – Mathieu Nouhen
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matériau à accumuler puis à restituer un flux thermique. Les terrains naturels et surfaces végétalisées ont une inertie thermique plus faible que les matériaux urbains et stockent alors moins la chaleur. La capacité thermique volumique se mesure en Kilo joule par mètre cube par degré Kelvin. A titre de comparaison la terre a une capacité de 1 350 kJ⋅m-3⋅K-1, et le béton de 2400 à 2600 kJ⋅m3⋅K-1.
Le béton emmagasine plus la chaleur que la terre. Les surfaces végétales et les terrains naturels sont par ailleurs soumis au phénomène
d’évapotranspiration qui participe au rafraîchissement des surfaces. La notion d’albédo est également à prendre en compte. L’albédo d’un matériau est le pourcentage du rayonnement solaire qui est réfléchi par sa surface. Il permet d’apprécier la part du rayonnement solaire renvoyée dans l’atmosphère. La modification des sols, comme l'urbanisation ou la déforestation, entraîne une évolution de l'albédo. Les échanges d'énergie sont modifiés et participent au réchauffement climatique. On peut également noter que la composition des masses nuageuses peut influer sur l'albédo.
L’albédo est exprimé par un chiffre situé entre 0 et 1. Plus la surface est claire, plus l'indice est élevé. Une surface blanche aura un albédo donc plus élevé qu'une grise. L’albédo dépend également du coefficient d’absorption des matériaux.
Figure 7 Définition albédo Source: NC State University
Les surfaces plus foncées absorbent davantage le rayonnement solaire et la chaleur captée sera d’autant plus conservée que le matériau aura une grande inertie thermique. On peut en déduire que la surface de nos routes, très sombre, absorbera beaucoup plus la chaleur induite par le rayonnement solaire. Le bitume stockera alors l’énergie du à sa grande capacité thermique.
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Figure 8 : Différentes valeurs d'albédo Source Bet-ecic.fr
Ci-dessus, les revêtements comme l'asphalte peuvent comporter un albédo jusqu'à 0,05 nous indiquant une forte absorption de la chaleur.
L'agence A.P.U.R a pu mettre en évidence les écarts de températures entre différents revêtements de sol. On peut voir de très fortes disparités quant au stockage d’énergie et sa redistribution.
Figure 9 Thermographie de différentes matérialités à Paris Source: APUR
Ce premier cas a été relevé par l'agence A .P.U.R au bassin de l'arsenal à Paris, le 1er août
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2011 à 20h.
Dans ce premier cas de figure, nous observons nettement la différence de température entre les deux revêtements, végétal et minéral. Les températures peuvent varier jusqu'à 10 °C. Le revêtement minéral conserve davantage la chaleur que la surface végétale.
Figure 10 Thermographie de différentes couleurs à Paris Source: APUR
Le type de matériaux est essentiel dans la compréhension du stockage d’énergie solaire, mais il y a corrélativement d'autres facteurs à prendre en compte. Sur la figure ci-dessus, les matériaux foncés stockent davantage la chaleur que les zones plus claires, avec des écarts de température de 3 à 4 °C. Il faut tenir compte également de la capacité de la surface du matériau à renvoyer l’énergie solaire appelée la rugosité du sol, définie par sa capacité à permettre la circulation de l’air. Les revêtements urbains interviennent sur la capacité thermique des surfaces, et donc sur la redistribution de la chaleur participant à l’îlot de chaleur urbain. Le choix des matériaux urbains est crucial pour un confort thermique dans les espaces publiques et les bâtiments, il influe aussi sur d'autres phénomènes
2.2
Imperméabilisation des sols
Le développement urbain induit une imperméabilisation des sols favorisant le ruissellement des eaux. Cette problématique entraîne des risques d’inondation et de perturbations générales du
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fonctionnement hydraulique des milieux naturels. Quand une grande partie de l’eau est retenue dans le sol, elle est utilisable par les plantes, et réduit les épisodes de sécheresse. Cette eau, normalement absorbée par le sol, est dirigée vers les réseaux d’évacuation. Les conséquences sont la perte d'un potentiel de rafraîchissement des villes par évaporation. De plus, dans une optique de gestion des polluants, notamment contenue dans les eaux de ruissèlement, l’imperméabilisation massive des sols représente un non-sens. Ce constat implique la mise en place de différents dispositifs ainsi qu’une considération dans les projets d’aménagement urbain.
2.3
Morphologie urbaine
La morphologie urbaine est définie par son orientation, le volume des bâtiments (hauteur, longueur, largeur) et leurs espacements. Tous ces facteurs ont un impact sur la captation de la chaleur émise par le rayonnement solaire. Ces différents paramètres influent sur la capacité des villes à évacuer ou à conserver la chaleur. Le rapport
entre la
hauteur des bâtiments et leurs espacements font fluctuer le
refroidissement des villes. Plus les bâtiments sont hauts et proches entre eux, plus on constate l'emprisonnement de la chaleur. Ce rapport marque aussi une barrière aux écoulements aérauliques et une difficulté d'évacuation due au manque de ventilation urbaine. La hauteur du bâti a également un impact la nuit. On peut voir sur le schéma ci-dessous, l'impact de la morphologie sur la chaleur dégagée par les surfaces urbaines.
Figure 11 Redistribution de la chaleur la nuit d'une surface libre et d'une surface urbaine Source: APUR
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Plus l'espace environnant autour de la surface est dégagé, plus il se refroidira rapidement et inversement. Ceci provient de l’effet de la voûte céleste. Lorsque la température est élevée en journée (ciel serein), le ciel est également dégagé la nuit, la terre, et donc l'atmosphère, se refroidit plus à cause des radiations terrestres nocturnes (infrarouge) vers la voûte céleste. La température nocturne diminue et permet un refroidissement naturel du bâtiment. Les sites dégagés sont fortement balayés par les vents et largement ouverts vers la voûte céleste. Il y fait donc plus froid qu'ailleurs. La morphologie de la ville reflète un mode de vie. Ces conditions urbaines influent alors sur le comportement des personnes vivant dans ces aires.
2.4
Les modes de vie
Les modes de vie participent à la concentration de chaleur en ville. Les principaux sont dus à :
L'explosion du parc automobile.
En 2013, la production mondiale a atteint un record de 84,7 millions de véhicules légers. Cette croissance impacte sur la consommation des énergies fossiles ainsi que sur l'augmentation des gaz à effet de serre. En France, en 2006, 36% des émissions de GES étaient générées par les transports. L’utilisation accrue de l'automobile participe à l'augmentation des températures et par conséquent aux ICU.
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Figure 12 Cercle vicieux de la dépendance à l'automobile Source: Collectivité viable
La morphologie urbaine incitant, pour chaque besoin ou service, l'utilisation de véhicules privés contribue à l'augmentation des émissions et implique la création d'infrastructures routières, de zones dédiées aux transports : aires de stationnement, routes, autoroutes. Tous ces espaces possèdent une grande inertie thermique et un faible albédo qui participent au phénomène d’ICU.
La régulation thermique
La chaleur urbaine entraîne un inconfort chez les habitants. En recherche constante de bienêtre au sein des bâtiments (logements, bureaux,…), l'utilisation de climatisation est devenue courante. Pourtant, les effets néfastes sont considérables. Les fluides frigorigènes, à base d’hydrofluorocarbures (les HFC - R134a) utilisés pour la climatisation sont des substances bien plus polluantes que le gaz carbonique, avec un pouvoir de réchauffement global de 1 300 fois plus élevé que le CO2. De plus, la durée de vie de ce composé dans l’atmosphère est d’environ 50 000 ans, contre une centaine d’années pour le CO2. La température ambiante de la ville augmente alors et nécessiterait un rafraîchissement plus important des bâtiments. Ce paradoxe nourrit le phénomène d'ICU. ENSAM 15-16 – Mathieu Nouhen
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2.5
Pertes du couvert végétal
L’extension des villes entraîne inexorablement une perte du couvert forestier. Ce remplacement végétal par les matériaux urbains change considérablement l'impact thermique des surfaces. Cette diminution des zones végétales altère les processus naturels de rafraîchissement par évapotranspiration ou encore l'ombrage au sol. On peut voir notamment à travers l'étude de [Baudouin et al 2007] la corrélation entre l'élévation des températures dans les zones fortement minéralisées et à faible indice de couvert végétal. La présence du végétal au sein des villes est un paramètre important dans l'évolution de la thermique urbaine.
3
INCIDENCES DE L'ÎLOT DE CHALEUR URBAIN
3.1
Augmentation de la consommation en eau
Les ICU augmentent considérablement les besoins en eau potable, surtout en périodes de canicules, pour assurer l’hydratation de la population, pour l'arrosage des zones végétalisées, et l'utilisation d'aires de rafraîchissement comme les piscines, les jeux aquatiques, ainsi qu’un besoin corporel plus important. Dans un contexte de réchauffement global et local, l'eau devient alors un atout crucial et parallèlement se raréfie par des consommations intenses. Cet état de fait montre l'enjeu d’une gestion de l’eau bien réfléchie.
3.2
Augmentation de la consommation en énergies
L'augmentation des températures peut être bénéfique en situation hivernale. Elle permet dans ce cas, de limiter les consommations énergétiques en chauffage et donc réduit l’émission de gaz à effet de serre.
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En été par contre, il implique une forte augmentation de la demande énergétique, résultant de l'utilisation des climatisations et des équipements de rafraîchissement. En 2009, cela représentait 5,4 millions tonnes équivalent CO2 3 . La canicule de 2003 a accéléré le développement de la climatisation dans le secteur résidentiel. En 2007, 961 000 logements en ont été équipés, soit trois fois plus qu’en 2001. L’effet est pervers car si les utilisations de ces systèmes sont croissants, les émissions le sont également, ce qui participe au réchauffement climatique et donc à l’usage de ces systèmes de rafraîchissement. Par conséquence, et notamment dans les climats méditerranéens, ce phénomène peut amener à climatiser des bâtiments, ce qui aurait pu être évité. Une autre conséquence de la climatisation concerne la voiture. Les services cantonaux de l’énergie et de l’environnement indiquent que lors des petits trajets en ville, utiliser la climatisation peut accroître de 30% la consommation d’essence, et hors agglomération, l’augmentation peut atteindre les 15%. La dissipation thermique des bâtiments est aussi une des conséquences due à une mauvaise isolation ou à des ponts thermiques. La bonne conception des bâtiments permet de limiter les pertes et donc de réduire les consommations énergétiques. Cette réflexion amène à la responsabilité de l’architecte de répondre au mieux au confort thermique de l’habitant tout en réfléchissant à la consommation moindre des énergies. Cela passe par une considération totale des conditions climatiques, des méthodes constructives, des matériaux ainsi que des méthodes de régulations thermiques passives des bâtiments.
3.3
Détérioration de la qualité de l'air
Dans un contexte d’ICU important où l'air a du mal à circuler, l’augmentation de la densité des polluants, caractérisée par une stagnation des masses d'air en ville, associée à une chaleur intense, contribue à la formation du « smog ». Ces deux facteurs facilitent également la multiplication des acariens, moisissures et bactéries dans l'air. Toujours dans une logique cumulative, lorsque l'air est chargé en polluants, il se réchauffe plus facilement et implique l'émission d'autres polluants pour permettre le refroidissement des villes. On le remarque actuellement en Chine, où 1,6 million de personnes meurent chaque année, lié à la
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http://www.developpement-durable.gouv.fr/IMG/pdf/Rapport_clim_Art5_LG1_280811.pdf
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détérioration de la qualité de l'air.
3.4
Augmentation des problèmes sanitaires
Les ICU impliquent de graves conséquences sur la santé publique dans les villes. Ces hausses de chaleur altèrent la santé de nombreuses personnes surtout pendant les périodes caniculaires. Le « stress thermique » induit par les fortes chaleurs sur la population se traduit par de nombreux symptômes : insolations, crampes, syncopes… Il perturbe le repos nocturne et la récupération. Ajoutée à la pollution atmosphérique, elle favorise les pathologies respiratoires. On a constaté lors des canicules de 2003 en France, près de 15 000 décès supplémentaires par rapport aux estimations de mortalité. La surmortalité pendant cette vague de chaleur a été de 40% pour les petites et les moyennes villes et pouvant atteindre 80% et 141% pour des villes comme Lyon et Paris. Les personnes les plus fragiles sont celles atteintes de maladies chroniques, ayant un faible niveau économique, les sportifs en plein air, les jeunes enfants, les personnes souffrant de troubles mentaux ainsi que les personnes âgées. Les coûts sanitaires en France liés à la pollution atmosphérique représentent donc un budget colossal. En 1996, entre 20 et 24 Md€ pour les PM 10 (dont 16 à 18 Md€ concernant les soins des personnes décédées), et entre 28 et 30 Md€ pour les PM 2.5 en 2000(dont 20 à 22 Md€ pour décès). Selon les données issues du Projet APHEKOM, nous aurions un gain de 6 à 22 mois d’espérance de vie dans 25 villes européennes si nous respections les valeurs guide des PM 2.5 (10µg/m3), soit un bénéfice de 31.5Md€. L’enjeu sanitaire est conséquent. Agir sur le phénomène d’ICU est un objectif prioritaire pour la santé et le bien-être.
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Figure 13 Synthèse du chapitre II Source : Mathieu Nouhen
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CHAPITRE III LES PROCESSUS D'ACTION SUR L'ÎLOT DE CHALEUR URBAIN
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1
MORPHOLOGIE URBAINE 1.1
Optimisation géométrique urbaine
La géométrie de la ville a une influence sur la particularité climatique de la ville. Les rues et les hautes parois verticales forment ce que l’on appelle des canyons urbains. Ces couloirs stockent la chaleur et les polluants, cela constitue de véritables pièges radiatifs comme l’indiquent les schémas suivants :
Figure 14 Comparaison ville-campagne du piégeage radiatif Source: Morgane Colombert
Figure 15 Réflexion sur la morphologie urbaine Source: Helmut Mayer
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L'optimisation des zones urbaines permet de contrôler les facteurs qui provoquent les ICU. Il y a une relation entre les microclimats et les morphologies urbaines [Fouad 2007 ; Pinhoet al 2003]. Une réflexion sur la morphologie urbaine est un élément à retenir dans la lutte contre la chaleur urbaine. La configuration et l’orientation des zones urbaines peuvent faciliter la circulation des vents permettant d’évacuer la chaleur et les polluants. Elles permettent un contrôle sur l’ensoleillement. Les moyens envisagés peuvent être couplés avec l'implantation de zones humides afin d'optimiser le rafraîchissement des villes.
1.2
Favoriser les matériaux clairs et à faible capacité thermique
La couleur des matériaux est importante dans une gestion consciencieuse de la thermique urbaine. Les matières possédant un albédo faible, comme le goudron, de couleur sombre, absorbent la chaleur. Il faut aussi prendre en compte la capacité thermique des matériaux pour limiter l’absorption et la conservation des énergies. Nous devons donc prescrire des matériaux clairs permettant une réflectivité plus importante avec une faible inertie thermique.
1.3
Optimiser les déplacements en ville
Une réflexion sur les transports urbains est aussi un facteur très important dans la lutte contre les épisodes caniculaires. La conception et l'aménagement des villes induisent une utilisation plus ou moins importante des transports. Une bonne gestion et une planification rigoureuse des transports publics permettent un contrôle des déplacements en ville. La réflexion sur une mixité des usages urbains permettrait aussi de limiter les déplacements. Cela induit que les personnes habitant en ville doivent disposer d'infrastructures de besoins et services de proximité. Les zones commerciales périurbaines actuelles incitent à l'utilisation de l'automobile. La morphologie urbaine implique alors un mode de vie et donc une manière de consommer. La réduction des temps de déplacement a un rôle important dans la lutte contre le ENSAM 15-16 – Mathieu Nouhen
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réchauffement climatique. L'accessibilité des zones commerciales et de services est un des paramètres sur lesquels la morphologie urbaine a un rôle.
2
GESTION DE L'EAU
2.1
Favoriser les ressources existantes
L'eau à un impact très fort sur la température des villes. Les cours d'eau, les lacs, les fleuves, la récupération des eaux pluviales ou les réserves artificielles servent de thermorégulateurs dans les zones urbaines. Les fleuves sont plus chauds l'hiver et plus frais l'été par rapport à la température de l’air ambiant. L'inertie thermique de cette eau régule la température sur les zones environnantes.
Figure 16 Effet des pics de chaleur sur la Seine Source: Climespace, Météo France 2012
A Paris, la Seine est capable de stocker de la chaleur prélevée à l’air ambiant et de l’évacuer. La surchauffe est transférée dans les basses couches de la Seine avec un fort amortissement et un décalage dans le temps [APUR, 2013]. ENSAM 15-16 – Mathieu Nouhen
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2.2
Création de points de fraîcheur
Pendant les périodes caniculaires, les points d'eau sont un atout pour le confort thermique. Le couplage de points d'eau comme les fontaines ou les bassins et des courants aérauliques représentent une potentialité de rafraîchissement. Toutes ces zones permettent la régulation de la température par évaporation. Le comportement thermique d’une masse d’eau est différent de celui des surfaces minérales urbaines, qui absorbent le rayonnement solaire puis le transforme en chaleur sensible. Une masse d’eau atténue les variations de température car, en retirant de la chaleur à l’air pour passer à l’état de vapeur, elle réduit la température ambiante. L’évaporation d’un gramme d’eau absorbe 580 calories. Ce procédé nous permet d’affirmer que l’eau est un moyen de climatisation efficace. Dans la tradition méditerranéenne, on note la place importante de l’eau (« Aix en Provence, la ville aux cent fontaines »), comme en Andalousie où les centres de patios et les jardins sont investis par des fontaines, des jets d’eau, des brumisateurs. [Fedele,2009].
2.3
Retrouver une perméabilité des sols
Dans les villes, le taux d’infiltration des sols est de seulement 15 % et la quantité ruisselée de 55 %, tandis qu’en milieu naturel environ 50 % des eaux de pluie sont infiltrées dans le sol et 10 % ruissellent vers les cours d’eau [USEPA, 2007; Cyr et al, 1998]. Le coefficient de ruissellement varie selon les surfaces : entre 2% (terre végétale), 10% (sable et bois), 20% (les prés et les champs cultivés), 30 à 50% (les zones résidentielles), 40 % à 90% (le bitume), 95 % (le verre). En réduisant la disponibilité de l’eau en milieu urbain, les processus naturels rafraîchissants, comme l’évaporation de l’eau contenue dans les sols et l’évapotranspiration de la végétation, sont restreints et ne peuvent pallier le réchauffement urbain [Brattebo et Booth, 2003]. Il s'agit alors de retrouver une perméabilité des sols en zone urbaine afin de permettre de recueillir les eaux de pluie et d'alimenter les besoins végétaux Les stationnements, construits avec du bitume, un matériau à faible albédo, contribuent à la formation des ICU (Rosenzweig et al., 2005). Pour diminuer la chaleur emmagasinée par ces surfaces asphaltées et les voitures qui s’y garent, implanter de la végétation sur le pourtour (bandes végétalisées) et à l’intérieur (îlots végétalisés) des espaces de stationnements aurait pour effet de ENSAM 15-16 – Mathieu Nouhen
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créer de l’ombre sur les surfaces asphaltées. (McPherson et Muchnick, 2005). Un autre moyen pour réduire la température de la surface des stationnements, végétaliser entièrement les surfaces au moyen de divers revêtements modulaires composés de béton, de PVC ou d’autres matériaux permettraient la croissance de végétaux (Communauté urbaine de Lyon, 2008).
2.4
Utilisation des eaux de pluie
Les eaux pluviales sont des volumes disponibles exploitables mais rarement utilisés, donc perdus ou gaspillés. Elles représentent un potentiel pour les espaces urbains. Leur utilisation permettrait de rafraîchir la ville et ainsi contribuer à atténuer l’ICU. Les moyens actuels de récupération des eaux pluviales peuvent s’apparenter sous différentes formes comme des bassins paysagers, des noues plantées, des tranchées drainantes ou des toitures végétales. Cet ensemble de systèmes est en place dans la ZAC de Bonne, près de Grenoble. Il permet le stockage de ces eaux, minimise les risques d’inondation, permet la rétention et l’infiltration des eaux et valorise l’eau dans la ville. Ces créations de points d’eau offrent un potentiel de rafraîchissement. La multiplication de mesures de récupération des eaux permettrait d’augmenter de nombreux îlots de fraîcheur et servir à l’arrosage des rues durant les périodes caniculaires. Cette méthode est connue depuis l’empire Romain et a été utilisée plus récemment dans les principales rues et les boulevards de Paris deux fois par jour à raison de 2l/m² [Guillerme, 1994]. On a pu voir récemment à Lyon, rue de la buire, la mise en place de système d’arrosage des chaussées. Il permet de maintenir le bitume à température ambiante au lieu de 5 à 8°C plus chaud durant le mois d’août 2012.
Figure 17 Refroidissement de la chaussée 31 juillet 2011 21h30 Source: APUR
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Sur la visualisation thermographique de la figure ci-dessus, l’arrosage de la chaussée montre une réelle différence de température, 24.2 °C pour la partie non arrosée et 15.9 °C pour la partie arrosée, soit un écart de température de 8.3 °C. D’après le programme EPICEA, l’arrosage des rues permet de diminuer la température jusqu’à 2m du sol de 0.5 °C.
3
RÉDUCTION DES ÉMISSIONS ANTHROPIQUES 3.1
Optimisation des transports
Afin de réduire les émissions anthropiques, diminuer l’impact des voitures est un point important. La bonne gestion et la réflexion sur les moyens de déplacement peuvent participer à une réduction conséquente des émissions de GES. L'utilisation du transport en commun est inévitable pour une concentration des déplacements. Il faut aussi favoriser les déplacements doux et actifs, comme le vélo et la marche à pied. Les évolutions technologiques permettent d'envisager de nouvelles formes de déplacements tels que les véhicules écologiques, les voitures hybrides ou électriques. Ces moyens de transports dégagent également de la chaleur mais permettent de limiter les émissions de GES.
3.2
Optimisation des bâtiments
Le domaine du bâtiment produit 23% des GES. La réflexion doit intervenir dans le processus de conception, de choix des matériaux et de conception d'habiter. En effet, les acteurs du secteur, du concepteur à l'habitant, doivent participer à la réduction de ces émissions de GES. Le rôle de l’architecte est de concevoir et de prévenir les différentes émissions de chaleur. Il doit porter une attention parallèle au confort de l'habitant qui sera l'acteur futur du bâtiment, en utilisant au maximum des systèmes de régulation énergétique naturelle. La conscience de la relation entre l'architecture et son environnement permet d’entrevoir une gestion pérenne des demandes énergétiques du bâtiment.
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4
VÉGÉTALISATION DES VILLES
4.1
La végétation comme principal atout
La végétation en zone urbaine est un moyen efficace de lutter contre les épisodes de fortes chaleurs. Ses propriétés permettent la régulation thermique, radiative et aérodynamique des villes. D'un point de vue thermique, la captation des eaux pluviales dans le sol et par son feuillage permet leur évaporation de jour comme de nuit [De Munck, .2013]. La transpiration des plantes permet aussi ce système de rafraîchissement ambiant et concerne tout type de végétation. Le cumul de ces deux procédés est qualifié d'effet d'oasis [Oke, 1987]. Les arbres libèrent 90% de l’eau absorbée, et l’eau évaporée modifie alors la température. Le nombre d’arbres influe sur la température ambiante. De nettes différences peuvent être remarquées entre les parcs et les zones minérales. Sur la thermographie de la ville de Strasbourg, on voit très clairement l’impact du végétal sur les températures, les différences pouvant aller jusqu’à 10°C.
Figure 18 Thermographie de la ville de Strasbourg, quartier de l’orangerie, 14 juillet 2013 Source : ADEUS
La végétation, et en particulier les arbres, jouent un rôle supplémentaire en interceptant une partie du rayonnement solaire incident en journée. Dans l'étude de [Rogan et al. 2013], ils ont pu comparer la différence de température entre une surface bétonnée à l'ombre des arbres et une autre au soleil. La différence à la surface pouvait varier jusqu'à 12°C montrant l'importance de la végétation en milieu urbain. Le coefficient de canopée est aussi important. Il représente en pourcentage l’étendue du ENSAM 15-16 – Mathieu Nouhen
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couvert arborescent. Il est un indice important dans la lutte contre les ICU. Certaines villes, comme Montréal, en ont fait, de l’augmentation de l’indice (de 20% à 25%), une de leurs principales mesures. On peut nettement voir dans l’étude [Zoubeir, 2014], dans différents quartiers de Montréal, l’augmentation des températures en fonction de la minéralisation des zones étudiées. Plus les secteurs sont végétalisés, moins les ICU se forment et plus la température est tempérée. La végétation, comme on peut le voir sur le schéma ci-dessous, représente un cumul de deux effets positifs sur la chaleur. L'une est d'absorption de l'énergie, l'autre la redistribution de l'eau dans l'air. La nécessité de retrouver une perméabilité est amenée par le besoin en eau des arbres. Ils représentent un moyen conséquent de lutte contre les épisodes caniculaires.
Figure 19 Rafraîchissement par les arbres Source: APUR
4.2
Les enveloppes végétales
Les enveloppes végétales, toitures et façades végétalisées, constituent un moyen efficace de lutte contre les ICU par leur couverture sur les toitures, offrant ainsi une réduction des consommations énergétiques internes au bâtiment. ENSAM 15-16 – Mathieu Nouhen
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Les enveloppes végétales permettent l’absorption par la masse végétale du rayonnement solaire qui est dissipé en chaleur latente. Elles représentent souvent un écran au rayonnement solaire et au vent protégeant ainsi les espaces intérieurs du bâtiment. A travers l’étude [Ip et coll, 2004], la baisse de température dans les bâtiments peut atteindre 4 à 6 °C durant les épisodes caniculaires. Cependant, l’amplitude des températures relevées dans la littérature sont relativement variables puisqu’ils dépendent du niveau d’isolation des bâtiments, du type d’enveloppe étudiée et des conditions microclimatiques environnantes (notamment l’ensoleillement).[De Munck, 2013] Ces systèmes sont prescrits dans beaucoup de pays comme le Japon, l’Allemagne ou encore dans de nombreuses villes en France, comme Paris ou Nice [APUR 2013] [Ernst et al 2009].
Figure 20 Façade du musée du Quai Branly Source: Patrick Blanc
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Figure 21 Synthèse du chapitre III Source : Mathieu Nouhen
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CHAPITRE IV LA VÉGÉTALISATION DES TOITURES TERRASSES : UN ATOUT URBAIN
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POTENTIEL DES TOITURES TERRASSES
1 3.1
La toiture végétale à travers l'Histoire
La végétalisation des toitures plates et des toits en général n'est pas un fait nouveau. L'utilisation de ces toitures à des fins végétales est bien connue depuis des centaines, voire des milliers d'années. Les premières preuves de jardins sur les toits remontent au Mausolées d'Auguste et d’Hadrien à Rome.
Figure 22 Représentation du Mausolée d'Auguste Source: Luigi Canina
On peut très nettement voir à travers la représentation du mausolée de Luigi Canina, «Gli edifizi di Roma antica» de 1851, que la végétalisation du toit «fait partie intégrante du bâtiment ». Nous pouvons aussi remarquer dans cette représentation sa place considérable à l'échelle du bâtiment.
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Figure 23 Représentation des Jardins de Babylone Source: Histoire-fr
Les jardins de Babylone sont également un des mythes qui participent à l'histoire de la végétalisation urbaine. On peut apercevoir sur la figure ci-dessus le terrassement de la végétation sur le bâtiment. La question de récupération de l'espace perdu au sol est montrée dans ces images. L'utilisation de la végétation en toiture participe à la création de l'architecture. La végétalisation de ces édifices maintient le lien entre l'architecture et son environnement naturel. Ces deux représentations montrent que l'alliance végétale et construction n'est pas un fait nouveau et nourrit les mythes depuis très longtemps. Ces images montrent une retranscription ornementale du végétal sur l’architecture. Cette mise en valeur permet à la fois de rendre une partie de l'espace pris au sol mais laisse imaginer de nombreuses qualités autres qu'ornementales sur l’architecture.
La végétalisation des toitures est un concept déjà réalisé et utilisé de différentes façons. Les vikings utilisaient ces toitures afin de se protéger des intempéries. Il s'avère effectivement que les toitures végétales permettent de conserver la température. Dans les climats froids, les toits verts augmentent la rétention de chaleur interne, et inversement dans les climats chauds, ils aident à garder la chaleur à l'extérieur (Peck et al, 1999, p. 11-12). Les capacités thermiques de la toiture verte ont été utilisées également dans de nombreux pays. On peut relever son utilisation dans les pays du Nord de l’Europe comme la Suède, la Finlande, l'Islande, le Danemark, la Norvège, le
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Groenland et les Iles Féroé. L'ensemble de ces régions a utilisé ce principe avec les matériaux locaux comme isolation thermique. C'est dans un contexte climatique rude, où la gestion de la chaleur est importante, que la toiture végétale a été le plus utilisée.
Figure 24 Toiture végétale dans un village Norvégien Source: média SUD-OUEST
3.2
Nouveaux modes constructifs : la toiture-terrasse
L'utilisation moderne du toit vert est apparue en Allemagne. A la suite d'une industrialisation rapide et aux nouvelles méthodes de construction comme le goudron sur les toits, H.Kosh, un couvreur, utilisa un substrat de sable et de gravier afin de prévenir des risques d'incendie. L'évolution des méthodes de construction a permis de nouvelles perspectives aux toitures végétales. L'apparition du béton armé offre de nouvelles possibilités et de nouvelles formes : le toit plat. En France, c'est par le béton armé que le toit terrasse connait son essor (1853 Coignet). Au début, il reste contraint et bloqué dans une convention esthétique qui lie le toit terrasse à un certain langage classique. Mais sa vision des choses en est tout autre et lui fait entrevoir un destin à ce système. Dans le mémoire qu'il publie en 1861 sur les « bétons agglomérés », il affirme que « la toiture-terrasse permet de transformer le dessus de chaque maison en jardin, en lieu de promenade où l'enfance pourrait trouver l'air et l'exercice qui lui manquent dans les grandes villes ». En 1931, le Rockefeller Center à New York fut le premier toit vert des États-Unis. ENSAM 15-16 – Mathieu Nouhen
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On peut relever le fait que la végétalisation des toitures terrasses a été essentiellement mise en lumière par deux architectes contemporains : Le Corbusier et Frank Lloyd Wright.
Pour Le Corbusier, «le jardin passe sous la maison, le jardin est sur la maison, sur le toit» (Le Corbusier, Vers une architecture, Paris, 1923)
Au début des années 1960, la technologie des toitures vertes a notamment été développée en Suisse et en Allemagne. Plus particulièrement en Allemagne, le développement du marché des toitures végétales s’étend très rapidement avec une croissance annuelle moyenne de 15 à 20%. En 1996, la superficie totale de toits verts représentait près de 10 millions de m². Le soutien politique et législatif y est pour beaucoup et actuellement de nombreux pays suivent le pas, notamment en France où de nombreux projets sont maintenant subventionnés. A Paris et en Ile-de-France par exemple, la Région subventionne les toitures végétalisées à hauteur de 45 euros par m² de végétation mais seules les végétalisations extensives sont concernées.
3.3
Les toitures terrasses, un potentiel adapté
A l'heure actuelle, la végétalisation des toitures terrasses fait partie d'une conscience générale et par le développement de nombreuses structures et entreprises spécialisées dans ce domaine. Dans cette recherche, nous nous inscrivons ainsi dans une tendance actuelle de végétalisation des villes à travers un élément simple : la végétalisation des toitures terrasses. Elle fait partie d'un ensemble de mesures de réinvestissement de la ville par le végétal. C’est un composant sur lequel il nous a semblé le plus « facile » d’intervenir dans des délais relativement courts lorsque les toitures ne nécessitent pas un renforcement structurel. En plus de ces caractéristiques environnementales, elles peuvent représenter une plus-value pour le bâtiment protégeant ses membranes d’étanchéité des variations thermiques et doublant leurs durées de vie, passant de 20 à25 ans à 40-50 ans. Les règles d’urbanismes actuelles sont favorables car elles incitent à l’utilisation de ces procédés environnementaux et certaines dérogations impliquent que le plan local d’urbanisme ne peut s’opposer à leurs installations. Cette facilité d’aménagement intéressante constitue une solution actuelle et applicable aujourd’hui. Le patrimoine des toitures terrasses est large, cette méthode de végétalisation permet d’envisager une
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projection d’envergure et un moyen d’action rapide. Les bienfaits n’étant pas seulement thermique mais aussi participent à la conservation de la biodiversité en ville, le confort du citadin (sonore, visuel, bien être) et dans certains cas peuvent contribuer à la production de denrées alimentaires.
Nous disposons à l’heure actuelle, dans toutes les villes françaises, des immeubles de logements collectifs à toitures plates représentant de grandes surfaces urbaines. Le logement collectif est une grande part de la construction en toiture terrasse et représente 43.6% du parc immobilier français. L’ensemble des constructions d’immeubles collectifs a été construit durant 1948 à 1974, de l’ordre de 17.4% de l’habitat en France à cette époque. 4 Ces bâtiments sont donc antérieurs à la réglementation thermique de 1975 et nécessitent alors un fort enjeu en matière de consommation d’énergie et d’émission de GES.
Figure 25 Sarcelle 1961 Source: Agence Nationale pour la Rénovation Urbaine
En 2013, l’agence d’urbanisme APUR a analysé la potentialité de végétalisation des toitures à Paris. Les conclusions sont telles que les toitures terrasses non végétalisées représentent actuellement 460 hectares brut de toitures non végétalisées contre 44 hectares déjà végétalisées, soit seulement 8 % de taux de végétalisation. Nous pouvons alors nous demander comment se servir à bon escient de ces toitures et
4
INSEE, Enquête Logement, Ministère de l’écologie, du développement durable et de l’énergie, 2006
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surtout comment optimiser leur utilité au vue de leurs capacités thermiques et d'un apport qualitatif à la ville acquises depuis des centaines d'années. Nous devons alors nous questionner sur le potentiel de ces toitures et sur ses limites.
2
POSSIBILITÉS ACTUELLES DE VÉGÉTALISATION 2.1
Définition des composants
2.1.1 Le complexe végétalisé
Pour comprendre et définir le rôle de la végétalisation des toitures terrasses sur les ICU urbain, nous devons étudier sa composition et sa définition pour mieux évaluer les paramètres pouvant agir sur les ICU. La toiture végétale est un complexe de différents matériaux aménagés sous forme de couches successives superposées : - La structure portante : elle comprend la structure du toit d’origine, elle doit soutenir le poids d'une végétalisation qui représente une surcharge supplémentaire. Le poids du complexe peut augmenter en fonction de sa capacité d'absorption de l'eau. La structure peut être en acier, béton ou en bois. Cet élément propre au bâtiment peut être accompagné d'une isolation de différentes dimensions suivant les cas ainsi que d'un pare vapeur. - La protection d'étanchéité : elle protège et permet de prévenir des infiltrations et maintenir le bâtiment hors d'eau. Elle peut être en PVC, bitume modifié ou asphalte caoutchouté. - La barrière anti racines : elle permet de protéger l’étanchéité de la possible dégradation provoquée par le système racinaire des plantes. - Le système drainant : il permet l’évacuation de l'eau. Il est composé soit d’agrégats minéraux ou de nappes drainantes. Il est une valeur ajoutée à la rétention des eaux et au bon développement des plantes. - Le filtre ou géotextile: son rôle est d’éviter le colmatage du drainage tout en laissant passer l’eau. ENSAM 15-16 – Mathieu Nouhen
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- Le substrat : il peut être composé de différentes façons suivant le climat et le type de végétation. Il est tout de même souvent composé de terre, de pierres et de compost végétal de feuilles ou d'écorces. - La végétation : les essences végétales dépendent du climat, de l’exposition de la toiture et du substrat suivant son épaisseur et sa composition.
Figure 26 Composition du complexe de la toiture végétale Source : Strikto magazine
Les deux composants principaux des toitures végétales sont le substrat et la végétation. Ils représentent les paramètres les plus importants. Actuellement, nous pouvons définir trois types de toitures terrasses : intensives, semiintensives et extensives. Ces trois typologies se différencient par l'épaisseur du complexe végétal. Suivant le type de végétation et l'épaisseur du substrat, nous pouvons différencier et comparer l'impact des toitures végétales sur les ICU urbain.
2.1.2 Le composant substrat
Le substrat permet l'ancrage de l'appareil racinaire, alimentation hydrique et minérale. Sur une toiture extensive, l'utilité du substrat n'est pas de maximiser la croissance de la végétation mais ENSAM 15-16 – Mathieu Nouhen
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de recouvrir la surface. Le maintien des essences est le premier rôle du substrat pour obtenir une couverture végétale pérenne. Il doit pallier le besoin des plantes afin d'optimiser au maximum le couvert végétal de la toiture. Cela évite alors de voir se développer des plantes adventices indésirables, car elles peuvent endommager les étanchéités et participer au dysfonctionnement de ce principe de toiture. Le substrat doit être suffisamment sélectif afin d'éviter la croissance des espèces ligneuses sur ces surfaces. Le faible taux de matières organiques va permettre de contrôler son caractère sélectif. Cette matière est souvent composée de support de culture comme des fibres de bois ou de coco. Afin de répondre aux enjeux de ces toitures, le substrat doit être composé à 70% de minéraux. Les pierres volcaniques sont très légères, dues à une structure micro poreuse. Elles offrent une grande capacité hydrique due à leur texture. Ces matériaux présentent donc des qualités non négligeables sur les questions d’absorption hydrique ainsi que la réflexion sur l'impact structurel des toitures végétalisées.
Pour un fonctionnement autonome, le substrat a besoin d'un ajout de fertilisants. Il assure la pérennité de l'enracinement initial et permet un recouvrement plus rapide du sol de la toiture. La fertilisation annuelle est cependant souvent nécessaire dans des climats secs et donc peu propices à la minéralisation de la matière, l'activité biologique du sol n'étant alors pas assez importante. Afin d'optimiser ces toitures, la caractérisation des propriétés physico chimiques est alors essentielle. Elles sont alors récapitulées dans les règles professionnelles pour la conception et la réalisation des terrasses et des toitures végétalisées.
2.1.3 La composante végétation
La composante végétale est à définir suivant l’épaisseur du substrat et du climat. Pour un bon développement de la toiture et de son entretien, les critères physiologiques de la plante doivent être pris en compte, notamment ses besoins en eau, élément primordial, pour éviter tout dépérissement de la masse végétale. Nous pouvons cependant établir une typologie à utiliser suivant la végétalisation, comme présentée dans le tableau ci-dessous.
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Type de végétalisation
Végétalisation extensives Végétalisation semi intensives Végétalisation intensives
2.2
Surcharge en kg/m²
ép du substrat en cm
Type de végétation
60 à 180 kg/m²
15 à 30cm
Sedums, mousses graminées Sedums vivaces alpines
150 à 350 kg/m²
15 à 30cm
plantes aromatiques arbustives
30 à 100 cm
grands arbustes ou petits arbres
à 600 kg/m²
Les différents types de végétalisation
Figure 27 Les différents types de végétalisation Source: Toits verts LUCKETT K
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2.2.1 La toiture végétale extensive
La toiture extensive est le complexe le plus fin. Cette solution date des années 1980 et ne correspond pas à un concept de jardin, d’où sa très faible épaisseur, de 4 à 15 cms. Ce couvert végétal optimise l'entretien des toitures car elle représente une protection des étanchéités. Il a de ce fait un poids très faible pouvant dans la plupart des cas remplacer un système de gravillons drainants sans incidence sur la structure du bâtiment. La densité des gravillons drainants a en effet pour densité de 1,7 à 2 tonnes par mètre cube contre 1,5 pour de la terre végétale. La toiture extensive est donc un système léger allant de 60 à 180 kg/m². Nous pouvons considérer ses limites dans le choix des végétaux qui reste plus faible, dû à la fine épaisseur de substrat. Les plantes généralement présentes sont des sedums, des mousses graminées et des sedums vivaces alpins. L'avantage de cette toiture est dans le fait qu’elle nécessite un entretien faible et généralement aucun arrosage automatique. L’arrosage doit cependant être pris en compte dans l’étude préalable suivant les conditions climatiques et le type de substrat.
Figure 28 Exemple de toiture extensive Source: Firestone
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2.2.2 La toiture végétale semi-intensive
Appelées aussi jardin léger, les toitures semi- intensives permettent de reproduire l'aspect d’un véritable jardin. Cette typologie est déjà plus épaisse, de 12 à 30 cm. Son poids est par conséquent plus élevé et varie entre 150 et 350kg/m². La couche de substrat étant plus épaisse, le choix des végétaux est plus important, composé en général de 50% d'agrégats poreux. En plus des essences précédemment citées, nous pouvons ajouter des plantes aromatiques et des arbustes.
Figure 29 Exemple de végétalisation semi-intensive Source: Cdurable
2.2.3 La toiture végétale intensive
Le complexe intensif est la constitution d'un véritable jardin en toiture. Il nécessite le plus souvent une structure importante, d’une surcharge supérieure à 600 kg/m². Dans le cadre de plantations d'arbres, les couches de substrat ou terre végétale peuvent atteindre jusqu'à 1m de hauteur. Ces véritables jardins sont rarement possibles en réhabilitation ou nécessitent un renforcement de la structure importante, et donc un surcoût conséquent.
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Figure 30 Exemple de végétalisation intensive Source: Magazine Strikto
2.3
Les conditions structurelles
La résistance structurelle du toit d’accueil est à étudier afin de concevoir le toit végétalisé en fonction des limites applicables. La solution la plus simple consiste à évaluer les contraintes de charge et adapter la structure en conséquence. Il y a deux types de charge : - les charges mortes de la structure composées des différentes couches de la toiture végétale et de l’eau nécessaire à son bon fonctionnement. - les charges vives de la structure sont composées du surplus d’eau lors des épisodes saisonniers comme la neige et la pluie, ainsi que le poids des personnes accédant au toit. Pour bien définir les charges, le calcule du poids des systèmes végétaux saturés en eaux permet de savoir si des renforcements seront nécessaires. En effet, de nombreux projets de végétalisation de toitures des constructions existantes avortent à cause d’une résistance structurelle insuffisante et un coût excessif des renforcements nécessaires. L’abandon de l’accessibilité de ces toitures peut dans certains cas solutionner cette problématique.
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Figure 31 Synthèse du chapitre IV Source : Mathieu Nouhen
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CHAPITRE V LES EFFETS DE LA VÉGÉTALISATION DES TOITURES TERRASSES SUR L’ICU
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1
PROPRIÉTÉS D’IMPACT DU VÉGÉTAL 1.1
Une source de rafraîchissement
1.1.1 L’évapotranspiration
La végétalisation des toitures permet un rafraîchissement actif de l’air ambiant par un processus d’évapotranspiration. Il est un phénomène végétal pouvant se distinguer dans la couche végétale et dans les plantes de la toiture. L’évapotranspiration se distingue en deux étapes : l’une est l’évaporation qui est le passage de l’eau de l’état liquide à l’état gazeux, l’autre est la transpiration végétale. Elle est le processus continu causé par l’évaporation de l’eau par les feuilles et le transfert de l’eau des racines aux feuilles. Ce phénomène entraîne une quantité d’eau rejetée qui peut être très importante. A titre d’exemple, un hectare de hêtres rejette environ 25 tonnes d’eau durant la saison de végétation. Elle représente, à elle seule, 15% de la vapeur contenue dans l’atmosphère. On note qu’un arbre mature peut perdre jusqu’à 450 litres d’eau par jour et engendrer un rafraîchissement important représentant cinq climatiseurs fonctionnant pendant 20h. [Johnston et J.Newton, 2004] Ce changement d’état absorbe de l’énergie thermique présente dans l’environnement et permet donc le rafraîchissement de l’air ambiant. D’après l’étude [Feller, 2011], menée près de Philadelphie, une toiture extensive recouverte de sédum « évapotranspire » en moyenne 7 à 8 cm d’eau par mois. L’évapotranspiration dépend néanmoins de certains facteurs propres au végétal : le type de plante, son stade de croissance, sa masse foliaire, la profondeur des racines, le stress hydrique. Elle dépend également de facteurs d’influences extérieurs : -
le taux de couverture végétale, l’eau de pluie retenue par le feuillage, l’hygrométrie et l’humidité.
-
La composition du sol est également une donnée primordiale car elle permet de connaître sa capacité de rétention d’eau, sa composition minérale ainsi que sa température.
Dans l’évapotranspiration, plusieurs expressions sont aujourd’hui utilisées afin de caractériser et de mesurer ce phénomène :
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- l’évapotranspiration réelle, ETr, représente l'eau réellement perdue par un couvert végétal sous forme de vapeur , elle s’exprime en mm/jour. - l’évapotranspiration potentielle, ETp, qui ne dépend principalement que des facteurs météorologiques. Il s'agit d'une valeur d'évapotranspiration maximale de référence pouvant représenter la demande climatique. Elle est définie comme l'évapotranspiration d'un couvert végétal bas, continu et homogène dont l'alimentation en eau n'est pas limitante et qui n'est soumis à aucune limitation d'ordre nutritionnel, physiologique ou pathologique. - L’évapotranspiration de référence, ETo, est une valeur pour une végétation choisie, dans des conditions hydriques réelles, permettant ensuite de déduire l'évapotranspiration pour d'autres couverts végétaux. - L’évapotranspiration réelle maximale, Etrm, prend en compte le fait que la plante bénéficie d’un apport constant en eau et/ou la régulation stomatique est minimale.
.
1.1.2 Stress hydrique
Le stress hydrique est un élément à prendre en compte surtout dans le cadre d’un contexte climatique chaud et sec. Il est le stress subi par une plante dans un environnement tel que la quantité d’eau transpirée par la plante est supérieure à la quantité absorbée. Elle se traduit par un mécanisme naturel de défense. Dans un contexte où la présence d’eau est très faible, la notion de stress hydrique est alors plus importante et peut entraîner de lourdes conséquences sur la plante comme l’arrêt du phénomène de photosynthèse et par la suite le dépérissement du végétal. Par ailleurs, la plante peut même devenir un émetteur de CO2 et consommer du dioxygène. Les qualités du végétal sont alors inhibées, voire participe à la détérioration de l’air. Le choix du type de plantes devient alors primordial dans la lutte contre les ICU et doit se faire en fonction de ses besoins en eau : de la pluviométrie, de la capacité de rétention des eaux et des possibilités d’arrosage de la toiture.
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1.2
Un assainissement de l’air
« L’air respirable est amélioré enrichi en oxygène, l’humidité est stabilisée, il n’y a presque pas de poussières, le climat est meilleur, la pollution sonore est fortement diminuée » Hundertwasser 1987 1.2.1 La photosynthèse
La photosynthèse est un atout dans l’assainissement de l’air urbain. C’est un phénomène végétal qui augmente l’intérêt d’une végétalisation des toitures terrasses. Elle est un processus utilisant l’énergie solaire afin d’associer le dioxyde de carbone présent dans l’air et l’eau captée au niveau du sol. Ce principe permet dans un premier temps à la plante de créer des sucres simples et dans un second temps de libérer de l’oxygène dans l’air. Ce qui nous intéresse à travers ce phénomène, c’est la capacité des plantes à transformer le dioxyde de carbone, facteur de réchauffement urbain, en oxygène. Il dépend cependant du type de végétation, de la température ambiante et des disponibilités des ressources nécessaires. A titre d’exemple, dans l’Etat du New Jersey (USA), les 136000 arbres de Jersey City permettent d’absorber 600 tonnes de CO2 par an.5 Cet atout est crucial dans une bonne maîtrise de la qualité de l’air urbain. La toiture végétalisée ne doit cependant par être considérée comme « la solution », elle s’ajoute aux effets positifs de la végétalisation de la ville. Pour assainir au mieux l’atmosphère, la présence d’arbres en complément est d’autant plus recommandée qu’elle contribuera en premier lieu au rafraîchissement des villes.
Figure 32 Photosynthése Source: Botaréla.fr Nowak,D.J. et J.F. Dwyer, 2007, cité par Massé, A., 2010. Stratégies de protections des milieux naturels de Sherbrooke : en route vers une politique de conservation. Essai de maîtrise. Sherbrooke, Centre universitaire de formation en environnement, Université de Sherbrooke, 104 p. 5
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1.2.2 Un filtre naturel
Les toits végétalisés influent sur la qualité de l’air en réduisant les températures autour des zones à fortes densités de populations où les brouillards sont fréquents et l’air de mauvaise qualité. Une étude [Maignant et al 2013] montre le rôle de l’élimination des particules polluantes par la végétation. Il traite plus particulièrement les particules fines PM2,5 et PM10 qui sont considérées comme dangereuses pour la santé car elles se logent dans les poumons et en altèrent les fonctions. La végétation sur les toitures filtre les particules. L’élévation de l’humidité dans l’air par évapotranspiration permet de créer le phénomène de rosée. L’eau permet alors de fixer les particules de métaux lourds, de carbone et les composés organiques, tels que l’azote. Elles sont ensuite transmises au substrat et permettent de nourrir les bactéries, les plantes et les insectes. Selon l’ADIVET, un mètre carré de toit vert extensif capture environ 0.2kg de particules en suspension dans l’air par jour donc 73 kg par an. Selon une autre étude menée à Chicago [Getter et al 2009], les émissions seraient comprises entre 64g/m² à 239g/m² ramenant à une moyenne de 168g/m² confirmant les chiffres de l’ADIVET. Sachant qu’un habitant de Montpellier consomme 200 kg éq CO2 par an [Montpellier agglomération, 2013], c’est-à-dire qu’il faudrait environ 3 m² de toiture végétale par habitant pour compenser ses émissions. Les conséquences sont par ailleurs économiques car une meilleure qualité de l’air implique une réduction des dépenses de santé. Densifier les masses végétales urbaines est donc intéressant afin d’assainir l’air. La gestion de ces polluants permet par ailleurs d’agir indirectement sur les périodes de chaleur, également responsables de troubles sanitaires.
« L’air chaud au-dessus des grandes agglomérations bloque la circulation verticale de l’air et retient les oxydes d’azote «(NOx) et les composés organiques volatiles (COV), qui réagissent aux rayons du soleil et engendrent des nuages de pollution. La généralisation des toits végétalisés pourrait à la fois réduire les émissions de dioxyde de carbone et abaisser les températures, améliorant ainsi la qualité de l’air » [Kelly Luckett, Toits verts, p124]
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INFLUENCES POSITIVES INDIRECTES 2.1
La réduction des émissions anthropiques du bâtiment
La végétalisation des toitures a une influence sur les consommations des bâtiments qu’elles soient de rafraîchissement ou de réchauffement. Les propriétés thermiques de la toiture ont un impact non négligeable dans la lutte contre les ICU comme le montrent de nombreuses études. Les résultats relevés d’expériences de végétalisation de toitures dans la littérature sont relativement variables suivant différents facteurs dont celui des conditions microclimatiques. Dans une étude [Jacquet 2011], il observe sous le climat de Montréal une réduction de la demande en énergie l’été de l’ordre de 90% et une réduction moins importante en hiver de 30%. Notons que la région de Montréal possède un climat continental humide à forte amplitude thermique. Une autre étude montre la différence des impacts des toitures végétalisées à travers trois climats [Jaffal et al 2012]. Elles sont situées à Athènes, Stockholm et La Rochelle et représentent respectivement un climat méditerranéen chaud (Athènes), froid (Stockholm) et tempéré (La Rochelle). Les résultats de cette étude montrent que les besoins en climatisation l’été sont supérieurs en valeur absolue plus le climat est plus chaud. Il est d’autant plus impacté en valeur relative s’il est plus frais puisque dans un climat comme la Rochelle la végétalisation peut permettre d’éviter la climatisation. Ainsi donc à La Rochelle, la végétalisation permet une réduction des besoins de climatisation de -98% et à Athènes de -52%. A Stockholm, les bâtiments ne nécessitent pas de rafraîchissement. En hiver, les chiffres des besoins en chauffage sont différents et ils augmentent même à Athènes, dus au manque d’isolation des bâtiments, alors que les variations de consommation sont inexistantes à La Rochelle et en diminution de 8 % à Stockholm.
Sur une hypothèse de 6 % des toitures de la ville de Toronto végétalisées, soit 6,5 km², une réduction de seulement 1°C de l’effet d’ICU entraînerait une baisse de 5 % de la demande en électricité pour la climatisation et la réfrigération, donc une diminution des GES de l’ordre de 2,14 et l’élimination de 29,5 tonnes de polluants dans l’atmosphère.[ Ernst & Young 2009] Le climat est alors un paramètre important pour chaque type de végétalisation car il a un impact plus ou moins grand sur les consommations et donc sur les émissions anthropiques et donc leur contribution à l’ICU.
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2.2
La prise en compte de la forme urbaine
La végétalisation des toitures peut répondre à des problématiques liées à l’urbanisation et notamment à la typologie de ces surfaces. Les surfaces possédant un faible albédo constituent un facteur thermique entraînant un réchauffement surfacique dans un premier temps et de température ambiante dans un second temps. A Grenoble, une étude a été menée montrant les écarts de température urbaine suivant deux zones : l’une qualifiée d’ambiance grise étant une zone de surfaces plutôt minérales et l’autre d’ambiance verte, composée des surfaces plutôt végétales. L’étude de [Azouz, 2014] nous montre la corrélation des températures moyennes des secteurs en fonction des superficies minérales et naturelles à Montréal en juin 2010. [Annexe 1] La toiture, et plus particulièrement la toiture terrasse, est la plus exposée au rayonnement solaire. Ses matériaux à faible albédo en font une cible privilégiée dans la lutte contre les ICU. D’après l’étude du service environnement de Grenoble de 2007, pour une ville dense, les caractéristiques de réflexion des toits ont le plus d’influence sur l’albédo global de la surface urbaine. L’intérêt d’une végétalisation des toitures terrasses devient plus ou moins important en fonction de la densité urbaine. Le prospect est un moyen pour mesurer l’impact des toitures végétales sur la densité bâti. Il permet en effet de définir l’ensoleillement, la lumière disponible et l’effet d’ombrage au sein d’une zone urbaine. Son rapport (H/W) s’effectue en fonction de la hauteur des bâtiments et la largeur des rues. La végétalisation des toitures est plus intéressante lorsque l’indice est élevé car la proportion de la superficie des toitures sur la superficie totale est plus importante.
Figure 33 Différents rapports de prospect Source : KHALED ATHAMENA
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2.3
La modification des caractéristiques des toitures
Les toitures terrasses sont souvent recouvertes de bitume possédant des caractéristiques d’albédo très faible. La végétalisation permettrait d’augmenter en quelque sort la canopée urbaine et par conséquent, plus la densité des toitures à végétaliser est importante, plus la canopée potentielle l’est aussi. L’albédo de la toiture végétale est un des paramètres qui prend en compte deux points : l’albédo de la surface des plantes et leurs composants, et celui de la surface du substrat ou du couvert végétal placé au-dessus du substrat. L’albédo des masses végétales est souvent compris entre 0.15 et 0.18 [SRCAE 2013]. Cela représente une réflexion plus importante que la plupart des revêtements de toiture et implique alors une absorption de la chaleur moins importante. La masse d’ombre créée par la végétation sert de masque et influe donc sur l’albédo du substrat. Plus la densité végétale est importante sur la toiture, plus la surface en contact du substrat avec le rayonnement solaire est faible. Afin de ne pas augmenter un réchauffement de surface sur les façades environnantes, il faut prendre en compte au maximum les conditions d’implantation. Les écarts de température entre une toiture bitumée et une toiture végétale peuvent atteindre 40°C. [Liu, Baskaran, 2003]. Cette différence est due à deux facteurs, celle du changement de matières mais aussi, et surtout, à l’évapotranspiration des végétaux et à l’évaporation du substrat. D’autres mesures sont efficaces en toiture comme l’utilisation de matériaux réfléchissants, afin d’augmenter l’albédo et donc de diminuer le coefficient d’absorption. Ce sont des mesures différentes mais qui peuvent être couplées à un projet d’aménagement pour les toitures qui ne peuvent pas être végétalisées.
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2.4
La participation aux îlots de fraîcheur
A travers de nombreuses études, la présence du végétal montre qu’il est un atout dans le rafraîchissement urbain. L’étude [Zoubeir, 2014] compare la température de différentes zones de Montréal et montre que plus les zones ont une proportion de végétal importante en ville, plus l’ICU est minime. Augmenter la couverture végétale au sol permet de rafraîchir plus efficacement les rues. Selon les stratégies, on peut obtenir une baisse de 0,5°C à 2°C, et la combinaison de végétation maximale permet d’atteindre jusqu’à -3°C localement [De Munck, 2013] Les cours d’eau créent également des couloirs de fraîcheur. La végétalisation des toitures terrasses montre alors un potentiel et peut participer à l’augmentation du couvert végétal. Les îlots de fraîcheur sont définis par un périmètre urbain dont l’action rafraichissante annihile l’augmentation des chaleurs, créée par les conditions urbaines. On remarque qu’une bande de végétation de 50 à 100 mètres de largeur peut participer à la baisse des températures dans un rayon de 100 mètres de 3.5°C.6 Les îlots de fraîcheur sont une résultante de différents facteurs, dont le végétal. En effet, le cumul de mesures, comme l’utilisation de surfaces claires, de surfaces végétales ainsi que la proportion de surfaces perméables permettent leur création.
2.5
Un moyen de rétention des eaux pluviales
Les cas d’expansion urbaine intense sont soumis à une question d'imperméabilisation des sols. Or, nous savons que les phénomènes climatiques de pluies diluviennes vont augmenter avec le réchauffement climatique. Suite aux récentes inondations à Montpellier de novembre 2014, où cette imperméabilisation implique de graves désastres économiques et climatiques, ce facteur doit nous interroger sur la possibilité de rétention des eaux. Les toitures représentent de grandes surfaces et permettraient de contrôler une partie des
Liébard,A. et A. DeHerde, 2005. Traité d’architecture et d’urbanisme bioclimatiques : concevoir, édifier et aménager avec le développement durable. Paris, Le Moniteur, 776 p. ; Shashua-Bar, L. et M.E. Hoffman, 2000. “Vegetation as a Climatic Component in the Design of an Urban Street: an Empirical Model for Predicting the Cooling Effect of Urban Green Areas with Trees”. Energy and Buildings, Vol. 31 (3), pp. 221235 6
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eaux pluviales. Elles représentent entre 15 et 35% de la superficie totale des grandes villes. L'ensemble des eaux recueillies par les toitures participe à l'engorgement des réseaux d'assainissement durant les épisodes saisonniers. La végétalisation des toitures ne peut pas contrôler la totalité des pluies mais peut absorber une partie des eaux et « tamponner » c’est à dire écrêter la pointe de débit rejetée au réseau pluvial de la ville. Elle dispose en effet d’une grande capacité d’absorption. Un orage peut déverser entre 50 à 100 litres par m² en quelques heures, provoquant ces désastres climatiques. L'estimation faite à Nice [Ernst et Young 2009] nous montre qu’une toiture végétale avec un substrat de 8 cm avec une porosité de 40% peut retenir jusqu'à 30 litres d'eau par m². Ces toitures permettent de créer une nouvelle perméabilité des sols sur les toits. De plus, l'eau recueillie par ces toits est utilisée, dans un premier temps pour les plantes et, dans un second temps, participera à l'évaporation et donc à l'amélioration du microclimat urbain. La récupération des eaux par les toitures végétales permettrait d’arroser les rues durant les périodes caniculaires et faire partie d’un des paramètres d’action de l’aménagement des quartiers.
Figure 34 Dispositif de gestion des eaux pluviales Source: Plantes et Cité. Fr
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2.6
Un filtre des eaux pluviales
La pollution issue des eaux de ruissellement, et des eaux de pluie, peut être limitée. La décantation de ces eaux permet de filtrer les polluants favorisant ainsi les procédés de rétention telle que les bassins, les noues et les toitures végétales. Pour évaluer l’efficacité du végétal, la firme d’ingénierie Allen Kani a conçu une maison avec une partie de la toiture en métal et l’autre une toiture végétale, et a étudié les eaux de ruissellement respectives: 95% du cadmium, cuivre et plomb, 16% de zinc ont été retirés des eaux de pluie par le toit végétalisé qui se sont liés dans le substrat, tandis que le toit en métal a recueilli des eaux polluées. Les surfaces vertes sont un puissant filtre naturel pour les eaux de ruissellement chargées de métaux lourds et autres nutriments.
2.7
Un support à la biodiversité
Le terme «biodiversité» se réfère à la variété de plantes et d'animaux dans une zone. La participation au maintien de la biodiversité urbaine est un des intérêts de la végétalisation des toitures. Les toitures végétales peuvent contribuer à restaurer les fonctionnalités écologiques dégradées par l’urbanisation.
D’après l’étude [Stephan Brenneisen, 2003], la végétalisation
extensive des toitures permettrait de participer à la protection et la conservation des espèces. La végétalisation des toitures terrasses peut fournir un nouvel habitat pour les plantes et les animaux dans les zones urbaines, participant ainsi à l'augmentation de la biodiversité locale. C’est un facteur à prendre en compte dans le développement de ces toitures et dans la mise en place de ce procédé. Son apport est directement dépendant des végétaux plantés, de l’épaisseur et de la teneur en matière organique du substrat. Elle est également influencée par l’âge de la toiture, sa localisation, sa taille et le type d’entretien effectué dessus. En outre, les composants de conception qui favorisent la biodiversité peuvent également aider à améliorer les performances d'un toit sur d'autres critères, comme la réduction des eaux de ruissellement et des températures de surface en été. Certaines toitures sont alors plus propices au développement comme le montre le schéma de
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l’étude [APUR, 2013]. Les zones végétales en ville sont souvent isolées et dispersées ne favorisant pas les échanges entre les milieux. Les toitures végétales ont alors un rôle majeur à jouer dans la constitution de trames vertes au sein des villes permettant la création de véritables réseaux à la biodiversité.
Figure 35 Les échanges entre les milieux. Source: APUR 2.8
Une isolation acoustique
A travers l’ensemble du complexe végétal (substrat, isolant, plantes), la toiture végétale représente un bon isolant acoustique. Les ondes sonores produites par le trafic et les avions peuvent être absorbées, réfléchies et déviées. Le substrat à tendance à bloquer les fréquences inférieures tandis que les plantes absorbent les fréquences plus élevées. Des études ont montré qu’un substrat de 12 cm peut réduire les bruits aériens de 47dB à 50dB. C’est un avantage dans les secteurs situés sous les couloirs aériens.
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Figure 36 Synthèse du chapitre V Source : Mathieu Nouhen
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CHAPITRE IV ÉTUDE DU QUARTIER DU BOULEVARD D'ASSAS
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CHOIX DU CAS D’ÉTUDE
Afin de mener à bien l'étude de végétalisation des toitures terrasses, deux éléments nous permettront d'évaluer la pertinence du cas d’étude :
- un quartier présentant les critères architecturaux recherchés, c'est-à-dire possédant une proportion importante de toitures terrasses non végétalisées. -La présence d'un ICU. Pour cela il nous faut deux relevés de températures: l'un à l’intérieur de la ville, dans le secteur du boulevard d'Assas et l’autre à l’extérieur situé à Fréjorgues. La comparaison des deux températures nous permettra de distinguer la présence ou non d’ICU.
2
SITUATION GÉOGRAPHIQUE
L’étude se porte sur un quartier de Montpellier, dans le sud de la France, au type de climat méditerranéen. Les hivers sont doux et humides et les étés secs et chauds. Elle fait partie des villes les plus ensoleillées de France (7h 22 min par jour en moyenne). La ville est rythmée par de forts épisodes pluvieux à la fin de l’été mais dispose d’une pluviométrie plutôt faible en été, comparée au reste de la France. La hauteur des précipitations est de 629 mm par an en moyenne d’après Météo France pour 637mm à Paris. Les mesures sont quasisimilaires, cependant le nombre de jours avec des précipitations est de 111 jours pour Paris et de 57,8 jours pour Montpellier. Il pleut la même quantité en deux fois moins de temps à Montpellier. Les vents à Montpellier sont les vents marins Sud/Sud/Est, et les vents du Nord/ Nord/Est originaire du mistral, et Nord/Ouest de la Tramontane.
Cette première approche climatique dégage certains enjeux importants d’une végétalisation à Montpellier. Il faut prendre en compte des phénomènes pluvieux intenses et à l’inverse, la possibilité de périodes de sécheresse. Ces deux éléments sont à mettre en avant dans un projet de végétalisation des toitures.
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ANALYSE DE L’ÎLOT DE CHALEUR URBAIN
. Figure 37 Plan de situation des stations de relevé Source: Géoportail
A travers les comparaisons réalisées dans un mémoire de l'ENSAM [Cabot 2011], des températures relevées par l'association de climatologie de l'Hérault au 85 avenue d'Assas et les températures à Fréjorgues, la présence de l'ICU est évidente. [Annexe 3, Annexe 4] L’écart des températures entre la station Fréjorgues et du boulevard Assas montre que l’amplitude de 1993 à 2011 est plus importante durant les mois estivaux que les mois hivernaux. La différence de température en hiver, de 1995 à 2011, oscille entre 0,1 °C et 0,7°C, et en été, entre 0,6°C et 2,6°C.
L’étude de l’amplitude de l’ICU, dans le quartier du Rondpoint d’Assas à Montpellier s’effectuera durant les trois mois les plus chauds de 2014 : JUIN-JUILLET-AOUT.
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Figure 38 Comparaison des T°C max et min entre les deux stations durant les périodes de Juin Juillet et Août Source: Mathieu Nouhen
Les températures maximales d’Assas sont nettement supérieures à celle de Fréjorgues avec une moyenne de différence de 2,77°C sur les températures maximales. Pour les minimales, il n'y a pas de réelles différences entre les deux lieux de relevés. Le vent est un élément important et influence fortement le phénomène d’ICU. A travers la mise en relation des écarts de températures entres les deux stations et la vitesse du vent, nous avons pu constater que plus la vitesse du vent augmente, plus les écarts diminuent, voire n’existent plus.[Annexe 5,Annexe 6] Ne pouvant pas estimer l’impact de la végétalisation sur le vent, nous ne tiendrons pas compte de ce facteur. Nous savons cependant que la concentration des chaleurs en zone urbaine modifie le déplacement des masses d’air et bloque la circulation verticale de l’air [Kelly Luckett, 2011]. La pluviométrie est également importante car les toitures participent à la gestion de l’eau.
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Figure 39 Pluviométrie sur l'année 2014 Source: Mathieu Nouhen
Durant les mois de juin, juillet, août, la pluviométrie est très faible. L’ensemble des précipitations se situe en septembre et en novembre durant l’année 2014. La gestion de ces pluies est un enjeu durant ces périodes où l’intensité est forte mais aussi quand l’eau devient une ressource rare. Conjointement, cette ville possède un fort taux d’ensoleillement durant ces périodes, avec 911h sur les trois mois. A titre de comparaison, l’ensoleillement était durant la même période de 606h à Paris, 578h à Lyon et 683h à Toulouse.
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ANALYSE DU QUARTIER
4.1
Une situation urbaine
La résidence du Rondpoint d’Assas se situe à 1,2 km de l’écusson à Montpellier. L’analyse des relevés de températures au cœur du quartier par l’association climatologique de l’Hérault indique que le phénomène d'ICU est présent.
Figure 40 Plan de situation de la résidence Assas Source : Mathieu Nouhen
Les deux cartographies étudiées sur le logiciel delta permettent d’évaluer la date de construction. La première carte de 1950 montre le terrain nu. La deuxième carte fait apparaitre que le quartier d’étude a été construit entre les années 1950 et 1975. Une photo aérienne du quartier de 1963 localise plus précisément la date de construction aux alentours de 1960. Cette situation temporelle permet d’évaluer la date de construction du bâtiment avant 1975 et donc avant les réglementations thermiques. A travers le diagnostic énergétique d’un des
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appartements de la résidence, nous pouvons voir que l’ensemble est composé de logements énergivores (Classe F) consommant 30 kg éq CO2 /m²/ an. [Annexe 7]. Ce diagnostic justifie la végétalisation offrant une isolation supplémentaire en toiture.
Figure 41 Cartographie 1925-1950 du site Source: Montpellier Delta
Figure 42 Cartographie 1925-1950 du site Source: Montpellier Delta
Le quartier est entouré principalement de logements pavillonnaires, d’un stade et de quelques bâtiments de services à toitures plates également. La rue principale (Bartholdi) est
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orientée Nord/Est Sud/Ouest La superficie totale est de 25 735m² et comprend des logements collectifs en R+4 (32%) à toitures plates qui correspondent aux critères de l’étude et de 1% de commerces de proximité (salon de coiffure, épicerie, salon de beauté et pharmacie). Le nombre de logements est estimé à 228 dont 210 dans les typologies traitées par l’étude. D’après les estimations de l’INSEE, le nombre d’habitants par foyer à Montpellier est de 2.1, ce qui nous donne un nombre d’habitants sur cette zone de 479 personnes soit 191 hab/hectare.
4.2
Une présence minérale importante
L’ensemble de ces surfaces est composé de 73 % de surface minérale dont 32% de bâtiments, 5% de routes, 36 % d’aménagements bétonnés et de 28 % de végétal. La valeur de l’indice de canopée sur le quartier est de 0,28.
Figure 43 Définition des potentialités des toitures Source: Mathieu Nouhen
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L’ensemble du bâti représente 32% de la surface totale de la zone avec 8319m². Nous avons classé les différents types de toitures en quatre catégories : - les toitures non exploitables (8%), leurs caractéristiques ne correspondent pas à une végétalisation, dues à leur structure. - les toitures en pente (3%), ne répondent pas aux critères d’aménagement de l’étude. - les toitures à faible potentiel (2%), elles ne disposent d’aucun accès et représentent seulement 2 % de la superficie totale du site. Leur végétalisation n’est pas prioritaire. - les toitures exploitables (19%) disposent d’un accès permettant l’entretien et les surfaces importantes : 4 771m², et dégagent un potentiel pour une végétalisation.
Figure 44 Proportion végétale/minérale du site Source : Mathieu Nouhen
4.3
Etat des paramètres d’influence du quartier sur l’ICU
- Aucun moyen de récupération des eaux n’est recensé - Le quartier est composé à 73% de matériaux minéraux impliquant un fort taux ENSAM 15-16 – Mathieu Nouhen
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d’imperméabilisation des sols. - 4 159m², soit 16%, sont dédiés aux aires de stationnement dont 2 172 m² en garage. La surface de la rue Bartholdi, axe principal du quartier, représente 5% avec 1 389m². L’utilisation de la voiture est donc très présente (264 places) soit 1,2 véhicule par logement. -L’indice de canopée est faible : 0,28. -Les toitures exploitables sont composées d’une étanchéité bitumineuse. C’est une zone importante d’absorption de la chaleur, avec un albédo de matériau très faible (0.05). Le traitement de ces surfaces porte donc un intérêt particulier car elles représentent 19 % de la surface totale de la zone étudiée.
4.4
Enjeux dégagés par l’analyse du quartier
L’étude du quartier nous permet de constater une présence minérale au ¾ de la superficie totale. L’enjeu principal est d’arriver à traiter la quasi-totalité des surfaces après une végétalisation minutieuse des 19% de toits potentiels. Les capacités de rétention permettront d’entrevoir l’utilisation de l’eau récupérée et sûrement son utilisation pour des mesures complémentaires.
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MESURES DE LUTTE CONTRE L’ICU
5.1
La végétalisation des toitures terrasses 5.1.1 Le potentiel des toitures terrasses
Figure 45 Part des toitures végétalisables Source : Mathieu Nouhen
5.1.2 Cadre législatif
L’aménagement de la végétalisation des toitures doit se placer dans un cadre législatif pour valider l’étude. La loi Grenelle 2 du 12 juillet 2010 prévoit une dérogation de principe afin de permettre le développement de techniques durables. Elle stipule que le permis de construire, d’aménager, le plan local d’urbanisme ou une déclaration préalable « ne peut s’opposer à l’utilisation de matériaux renouvelables ou de matériaux ou procédés de construction permettant d’éviter l’émission de gaz à
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effet de serre, à l’installation de dispositifs favorisant la retenue des eaux pluviales ou la production d’énergies renouvelables ». D’après l’article R.111-50 al 1 du Code de L’urbanisme, les toitures végétales représentent un de ces dispositifs. De plus, les toitures végétales constituent un moyen de récupération des eaux de pluie à des fins domestiques. [Annexe]. Le site se situe dans la zone 2U1 du PLU. Il encourage les moyens de rétention d’eau incitant un contrôle des eaux de ruissèlement. [Annexe]
5.1.3 Choix du type de végétalisation
Il est difficile d’évaluer avec précision la capacité structurelle de ces bâtiments à moins de mener des études spécifiques. La végétalisation extensive représentant une charge inférieure (88 daN/m²) à une protection par gravillons drainants (163 daN/m²), nous envisagerons la possibilité de ce type de végétalisation, la plus courante. Ce type de végétalisation est d’autant plus intéressant à traiter qu’il est plus facilement applicable à d’autres cas d’études pour des raisons de surcharges faibles, la rapidité de mise en place, et un besoin d’entretien peu important (1 à 2 fois par an).
Pour l’aménagement de ces toitures, la contrainte essentielle des végétaux est la résistance aux périodes de sécheresse et de chaleur. Dans cette région, on utilise des plantes ayant des propriétés de résistance face au stress hydrique. Toutes espèces exogènes à caractère invasif devront être totalement proscrites de ces plantations [ ERNST & YOUNG, 2009]. Le choix végétal pour les toitures extensives est limité avec seulement des espèces succulentes méditerranéennes. Les sedums supportent peu les situations ombragées et correspondent à l’ensoleillement des toitures étudiées. La hauteur de cette végétation est environ de 15 cms maximum. Elle évapotranspire cependant moins que les autres espèces de plantes pouvant être implantées en toiture, ce qui lui permet de résister aux périodes de sécheresse et aux températures estivales élevées du climat Montpelliérain. Les différentes espèces de sédum pouvant être utilisées sont présentées [Annexe 2].
La composition du substrat sera constituée de couches couramment utilisées dans la végétalisation de toitures extensives pour une prospective et une transposition facile sur d’autres zones. Le substrat sera composé de : ENSAM 15-16 – Mathieu Nouhen
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-70 % de pierre volcanique, pouzzolane7 -20% de tourbe -10% d’un support de culture de fibres bois ou de coco
SUBSTRAT
Poids sec kg/m3
Pouzzolane Tourbe Fibre de bois Totale
Epaisseur en cm
787,5 225 112,5 1125
Poids par m²
5,6 1,6 0,8 8
63 18 9 90
Poids à sa- % du poids de litre par m² turation l'eau kg/m² à saturation 81,9 30% 18,9 21,6 20% 3,6 18 200% 9 121,5 35% 31,5
Pour le choix exact des végétations et du substrat, leurs durabilité et pour un développement sain des toitures, l’architecte doit travailler en permanence avec d’autres corps de métier dont les paysagistes. Le développement du projet de végétalisation doit intervenir le plus tôt possible dans la conception afin de rentabiliser les bienfaits d’une toiture végétalisée et ne pas être une finition à l’ouvrage architectural.
5.1.4 Coût de la végétalisation Le coût de la végétalisation des toitures dépendra de la surface à traiter. Il est alors intéressant de traiter des surfaces telles que l’ensemble de la résidence d’Assas. Les prix sont très différents suivant les entreprises mais varient généralement entre 35 € HT/m² à 55 € HT/m², ce qui nous situe entre 166 985 € à 262 405 € pour l’ensemble. Plus la superficie est importante, plus le coût moyen de la végétalisation est réduit. Par ailleurs, les bénéfices apportés par la végétalisation des villes ou d’un quartier dans le domaine de la santé représente un enjeu majeur et une économie importante qu’il serait intéressant d’étudier sur l’ensemble d’une zone pour connaître l’impact du gain induit.
5.2
Impact de la végétalisation 5.2.1 Gestion de l’eau
Le remplacement de la pouzzolane peut se faire par des matériaux de récupération comme la brique concassé et permet de rentrer dans une logique de recyclage de proximité, réduisant ainsi le transport et donc les émissions de GES 7
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Une bonne gestion hydrique de la toiture est nécessaire pour la pérennité de la toiture et d’éviter tout stress hydrique de l’ensemble du végétal. Les phénomènes comme l’évaporation des sols et l’évapotranspiration des plantes nécessitent une présence de l’eau et sont nécessaires au rafraîchissement. Les toitures végétales extensives ne nécessitent normalement pas d’arrosage, la pluie étant suffisante. Un ajout d’un arrosage automatique est cependant conseillé pour optimiser les propriétés rafraîchissantes de la toiture. Suite à l’analyse des pluies durant les trois mois les plus chauds de 2014, seulement 96,6 mm peuvent être recueillis par la toiture par m², ce qui correspond à 460 m3 d’eau sur l’ensemble des trois mois. L’étude [Feller, 2011] nous montre à travers des températures légèrement plus hautes de 1°C, que la toiture extensive recouverte de sedum « évapotranspire » durant les mois de juin, juillet et août, de 7 à 8 cm d’eau par mois. Nous estimons donc les résultats légèrement à la baisse étant donné une température légèrement plus faible. Néanmoins, la toiture évapotranspire le volume total des précipitations des trois mois ne permettant pas de récupération mais nécessiterait même un apport supplémentaire de 113 mm/ m² sur les trois mois pour une évapotranspiration égale à l’étude citée.
L’eau nécessaire à l’arrosage des toitures peut être alors récupérée. Aujourd'hui, chaque Français utilise en moyenne 148 litres d'eau par jour dans sa vie quotidienne [CIEAU, 2008]. Cela représente une utilisation quotidienne de 33,744 m3 par jour sur l’ensemble des 228 habitants. La part des eaux grises étant de 117 litres par jour, sont celles qui nous intéressent pour différentes réutilisations. Elles représentent 26.67 m3 par jour sur l’ensemble des mois de juin, juillet et août, les eaux grises récupérées représenteraient 2454 m3. 539 m3 de ces eaux pourraient servir à l’arrosage des toitures, et les 1 915 m3 restants pour d’autres mesures de rafraîchissement. La gestion des eaux est une préoccupation surtout durant les périodes caniculaires dues à l’augmentation de sa consommation. La récupération des eaux usées représente alors une économie en eau potable et un moyen de lutte local contre les ICU.
Ces toitures sont également un atout lors des pluies diluviennes. Le tableau de composition du substrat indique la capacité de rétention de la toiture à 31,5 l à saturation. Lors de la journée du 29 septembre 2014 il est tombé l’équivalent de 197,4 mm soit un tiers des précipitations annuelles. Durant ces évènements, la végétalisation aurait permis
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le tamponnage des eaux dans un premier temps, et la captation de 150 m3 captation sur 941 m3 possible dans un second temps.
5.2.2 Rafraîchissement des surfaces
La toiture d’origine est composée d’une étanchéité bitumineuse. L’étude de [Liu, Baskaran, 2003] compare deux toitures distinctes lors d’une température ambiante de 30°C. La température de la toiture avec membrane atteint 60°C. Parallèlement la toiture végétale a une température de surface de 20°C , d’où une différence de 40 °C. Ce rafraichissement de 19% de la superficie totale du site est un atout majeur dans la baisse des températures lors des fortes chaleurs. Elle peut même représenter une température inférieure de 10°C comparée à la température ambiante. Le potentiel qu’offre la végétalisation pendant la période estivale apporterait une modification des comportements thermiques d’un cinquième de la superficie de la zone étudiée.
Le changement des caractéristiques thermiques de la surface en toiture joue également sur la température intérieure. Elle représente une meilleure isolation thermique que les graviers, membranes et tuiles. Il fait ainsi moins froid en hiver et moins chaud en été dans le logement.
5.2.3
Assainissement de l’air
Diminution des émissions anthropiques
La végétalisation de la toiture influence le confort dans le bâtiment et la consommation des énergies pour se rafraîchir. La limitation de l’usage du climatiseur est alors primordiale. L’Agence De l’Environnement et de la Maîtrise de l’Energie estime le rejet de la particule R134a de 116 grammes par an par climatiseur, ce qui correspond à 232 kg équivalent CO2. Sachant ue l’ajout de végétalisation extensive en toiture peut permettre la diminution de 10% des besoins en rafraîchissement et jusqu’à 25% au dernier étage [Saiz et al, 2006], la réduction serait de 58kg équivalent CO2 par climatiseur s’il se situe au dernier étage et en moyenne de 23,2 kg équivalent CO2 pour l’ensemble du bâtiment par an. ENSAM 15-16 – Mathieu Nouhen
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Captation du CO2
Selon l’ADIVET et l’étude [Getter et al, 2009], une toiture végétale extensive capte en moyenne 168g/m² de CO2 par jour, soit 61.32 kg par an. Rapporté à notre zone d’étude, cela représenterait l’équivalent de 24, 379 tonnes au cours des trois mois et 292, 257 tonnes de CO2 par an. Les appartements de la résidence émettent 30 kg-éq/m² CO2 par an. A raison de 210 logements concernés, les émissions annuelles sont de 716,5 t-éq CO2 par an. L’ensemble des toitures végétales compenserait alors 40% des émissions équivalent CO2 des bâtiments. Cependant, se baser sur un diagnostic énergétique est une estimation, car les consommations réelles dépendent directement des conditions d’usages. Cela permet tout de même d’approcher un ordre de grandeur quant à l’impact des TTV.
Filtration des polluants
Les TTV sont aussi un moyen efficace de captation des polluants. A travers l’étude menée durant les mois de juillet et août à Chicago [Yang et al, 2008], on pourrait estimer la récupération à l’hectare de 85,68 kg par hectare durant les mois de juillet et août. Parmi les quatre polluants atmosphériques, l’absorption d’O3 (ozone) est le plus grand, 52% de l’absorption totale suivie de NO2 (27%), les PM10 (14%) et SO2 (7%). L’utilisation de ces résultats permet une approche des capacités des toitures. Sur l’ensemble des toitures de 0.47 hectare, le taux de polluants récupérés serait de 40, 87 kg par mois, soit 21, 25kg de O3, 11,03 kg de NO2, 5,72 kg de PM10 et 2,86 kg de SO2.
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5.3 Utilisation des toitures non végétalisées
5.3.1
Potentiel des toitures
Figure 46 Toitures non végétalisées dans le projet de réaménagement du quartier Source : Mathieu Nouhen
5.3.2
Optimisation de la matérialité des toitures
Les ICU sont dus à un cumul de facteurs. La lutte contre ce phénomène ne doit alors pas s’arrêter à une simple gestion des toitures végétales mais doit inclure ce procédé dans un ensemble de mesures. Les toitures, ne pouvant pas accueillir de végétalisation, sont également des surfaces à utiliser et à optimiser. Dans les 3 548m² de ces toitures, nous distinguons 3 types de revêtements. Sur cet ensemble, deux types pourraient être optimisés : Surface de la toiture Etanchéité- noir Etanchéité- blanc Gravier sombre Gravier clair
albédo élévation de la T°C Surface traité en m² % de la superficie du site 0,06 46 2172 8% 0,69 14 2172 8% 0,12 42 620 2% 0,34 32 620 2%
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Le changement de matériaux pour un albédo plus élevé implique une prise en compte de la réflexion de cette nouvelle surface sur les façades environnantes. Dans le cas présent, les façades des bâtiments sont de couleur blanche d’un albédo de 0,50-0,80. Si les façades avaient eu un albédo plus faible, le changement des matériaux en toiture auraient impliqué une augmentation des températures de surface des façades concernées. On peut s’attendre à une réduction moyenne des températures de 0,5°C au-dessus des toitures, pouvant aller de 1 à 2 °C à certains moments de forte chaleur.
5.3.3
Récupération des eaux pluviales
Des moyens de récupération des eaux peuvent être mis en place sur l’ensemble des toitures soit l’équivalent de 342,73 m3. Cette eau nous permettrait également, tout comme la récupération des eaux usées, d’arroser les rues du quartier, les toitures végétales ou les espaces plantés. 5.4 Gestion des autres surfaces minérales 5.4.1
Surface d’action
Figure 47 Part des surfaces minérales au sol Source : Mathieu Nouhen
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5.4.2
Arrosage des rues
L’arrosage des rues est un moyen efficace de réduire la température de ces surfaces, et ceci par la récupération des eaux usées et des eaux de toiture durant la période d’été. Les 14 % de toits récupérant l’eau pluviale ont un rendement de 342, 73 m3 sur l’ensemble des trois mois. Les routes représentent 1 389 m² du site. Sachant que l’arrosage d’un m² nécessite 1 à 2 litres d’eau, la nécessité en eau est de 255 m3 sur la période. Les eaux pluviales récupérées permettent alors un arrosage quotidien des rues diminuant leurs températures et donc participent au rafraîchissement du quartier durant la saison estivale jusqu’à 2m de hauteur de 0,5°C. Ces systèmes d’arrosage pourraient être automatisés et se déclencher en fonction de la température de la chaussée.
Figure 48 Système d'arrosage des rues à Paris Source: Tout-Paris
5.4.3
Optimisation des matériaux
Les espaces imperméables du site doivent également être traités pour un résultat optimal car ils représentent 9 113 m² du site. Des mesures d’arrosage peuvent être mises en place mais l’eau pluviale récupérée n’étant pas nécessaire, l’utilisation des eaux usées doit être prise en compte. Nous pouvons également porter une réflexion sur un changement éventuel de matérialité ENSAM 15-16 – Mathieu Nouhen
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afin de retrouver une perméabilité de ces surfaces. Elles peuvent être remplacées par des revêtements plus poreux permettant de contrôler le ruissèlement des eaux, la pénétration dans les sols, et la recharge des eaux souterraines. L’eau recueillie est alors une source d’évaporation rafraîchissant l’air ambiant.
Figure 49 Exemple de parking perméable Source: Sol-air.fr
5.4.4
Augmenter la présence végétale
L’optimisation des températures de la zone peut se faire si possible par la plantation de nouvelles végétations au sol augmentant considérablement la capacité de rafraîchissement du quartier. Les arbres sont une forte valeur ajoutée dans la gestion des températures estivales, d’une part avec la création d’ombre portée au sol et par évapotranspiration d’autre part. Le cumul des mesures vertes, comme ces plantations ou l’installation de toitures végétales, participe au développement de la biodiversité par la création de couloir végétal au sein du quartier.
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RÉSULTATS ET DISCUSSION
6
L’étude de la résidence du Rond point d’Assas a permis de mettre en avant et de quantifier les avantages que représente la végétalisation de ces toitures. C’est une surface de 4 771 m² qui pourrait être dégagée pour la mise en place de ce procédé représentant 19% de la superficie totale du site. Ces TTV pouvant être recouvertes de différentes sortes de sédum d’une épaisseur de 8cm et d’une composition (lave 70%, tourbe 20% et fibre de bois 10%). C’est à travers ces conditions que nous avons pu observer ces résultats. Sur les trois mois, juin, juillet et août, les toitures permettent de capter la quasi-totalité des eaux de pluies soit la gestion de 460 m3. La température est nettement diminuée sur les toitures pouvant aller jusqu’à une différence de 40°C. La VTT permettra de diminuer l’émission de CO2 de 23,2 kg sur l’année par climatiseur. Ne pouvant connaitre le nombre de climatiseurs dans la résidence, il est difficile d’en mesurer l’impact exact. La VTT permettrait la captation de 5,64 tonnes de CO2 durant l’été ainsi que 122,61 kg de polluants atmosphériques. L’étude a montré l’intérêt d’utiliser d’autres sources d’eau afin d’économiser l’eau potable. L’utilisation des eaux grises s’est avérée comme une solution et représente 2 454 m3 utilisables sur les trois mois. Les différentes mesures permettent soit de rafraîchir directement l’air ambiant, soit induisent un contrôle des facteurs de création de l’ICU.
Nous pouvons constater que les toitures végétales ont un impact bénéfique sur les ICU. Cela se retranscrit à travers différents points. L’assainissement de l’air, par la captation des polluants et la consommation de CO2, offre une meilleure qualité de l’air autour du quartier. Il faudrait cependant limiter l’usage des automobiles. On voit l’importance de ce moyen de transport. 16% de la parcelle est uniquement dédié pour le stationnement, 5% pour les routes et le reste des surfaces minérales est, dans la quasi-totalité, praticable en voiture.
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L’utilisation et l’adaptation des recherches [EPICEA 2008] indiquent que la végétalisation des toitures et l’application des autres mesures permettraient de baisser la température durant les épisodes de canicule de 0.5°C à 1°C. Leurs applications sur le site montrent des possibilités et des aménagements nécessaires dans la lutte contre les ICU mais ne représentent qu’une estimation d’un potentiel. Cette étude connaît ses limites dans la quantification exacte, au vu des nombreux paramètres à examiner dans différents domaines agissant sur le phénomène. Seules des mesures in situ ou la modélisation sur des logiciels complexes peuvent alors approcher plus précisément les impacts d’un projet de végétalisation dans un lieu précis. Nous avons cependant pu estimer de nombreux facteurs montrant que la végétalisation de ces espaces participe pleinement au confort urbain et à la baisse des températures.
Dans la conception, le traitement de cette cinquième façade amène réflexion surtout dans un contexte urbain dense. La végétalisation de ces toits gagnera alors en pertinence si elle est amenée tôt dans la conception. La végétalisation des toitures terrasses reste tout de même limitée, liée aux contraintes de structure mais pourrait être optimisée au moment de la modélisation du projet. Par rapport à la toiture extensive, l’intensive, pensée lors de la conception du projet architectural, animerait et apporterait une autre dimension offrant de véritables jardins sur les toits. Malgré un entretien plus conséquent, la toiture intensive augmenterait également le potentiel de rafraîchissement urbain par sa végétation plus dense et variée. Elle pourrait alors être le support de nouvelles fonctions urbaines, vecteur pédagogique, sensible et esthétique.
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Figure 50 Formation de L'ICU Rond Point d'Assas Source: Mathieu Nouhen
Figure 51 Impact de la végétalisation des toitures et des mesures complémentaire Source: Mathieu Nouhen
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CONCLUSION
Le réchauffement climatique et la formation des îlots de chaleur urbains est une réalité dont la prise en compte est essentielle dans la conception et la modélisation des villes.
Les conséquences climatiques puis sanitaires promettent d’être catastrophiques si des processus d’adaptation pour y remédier ne sont pas engagés au plus tôt. La démarche de cette étude se situe dans un contrôle de ces problématiques et dans un objectif d’atténuation de l’îlot de chaleur par l’adaptation aux conditions locales de la résidence d’Assas à Montpellier. Fautes de prise de conscience et d’initiatives, l’îlot de chaleur urbain s’intensifiera avec le réchauffement climatique.
Dans ce mémoire sur la végétalisation des toitures terrasses, nous mesurons l'importance de ces espaces pour une ville durable et impliquant un confort urbain pour ses habitants. Ce confort se traduit par une diminution des températures surtout durant les périodes caniculaires entrainant de graves problèmes de santé publique.
Force est de constater qu’une approche intelligente et réfléchie par le biais de différents critères permet aux toitures terrasses végétalisées d’améliorer considérablement le confort de vie urbain. Les polluants sont captés et l’émission massive de CO2 réduite grâce à cette végétalisation qui améliore ainsi considérablement la qualité de l’air. Les différentes épaisseurs de couches ainsi que le type de végétation optimisent leurs incidences. Ils permettent un confort thermique dans le bâtiment induisant une baisse de sa consommation d’énergie, limitant ainsi les émissions nocives. De fait, la végétalisation des toitures terrasses participent à la réduction des îlots de chaleur urbains.
Le choix judicieux de l’architecte sur l’emplacement d’un projet de végétalisation peut permettre une économie mais aussi avoir un impact plus important. La situation spatiale des toitures doit être prise en compte, que ce soit sur une végétalisation d’une toiture-terrasse existante ou d'une nouvelle construction. L’assemblage de la végétalisation des toitures avec la végétation existante permettrait la création de véritables couloirs de fraicheur favorable à un ENSAM 15-16 – Mathieu Nouhen
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réseau de biodiversité.
Cette gestion des toitures ainsi que la récupération des eaux favorisent la mise en place d’autres systèmes comme l’arrosage des rues lors des forts épisodes caniculaires. Il est facile à adapter dans des villes où le taux de pluviométrie est suffisant. Ce dernier étant faible à Montpellier, on peut cependant avoir besoin d'autres apports d'eau comme la réutilisation des eaux grises.
A travers la végétalisation de grande superficie (l’échelle d’un quartier par exemple), l’architecte en tant que professionnel engagé représente un pivot indispensable dans la démarche collective. L’ensemble des acteurs doit pouvoir se sentir concerné et responsable. Ces projets de grande envergure ont une qualité sensibilisatrice auprès des habitants et des collectivités pouvant favoriser la mise en route d’une végétalisation à plus grand échelle et l’installation de systèmes complémentaires.
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TABLE DES FIGURES Figure 1Consommation des énergies fossiles de 1820 à 2 000 Source: notre-planete.info ............... 14 Figure 2 Ecarts des températures globales de surface........................................................................ 14 Figure 3 Processus des GES sur le réchauffement global .................................................................. 15 Figure 4 Consommation des énergies et émissions des gaz à effet de serre par secteur en France ... 16 Figure 5 Synthèse du chapitre I.......................................................................................................... 17 Figure 6 Représentation de l'Îlot de Chaleur Urbain ......................................................................... 20 Figure 7 Définition albédo ................................................................................................................. 22 Figure 8 : Différentes valeurs d'albédo .............................................................................................. 23 Figure 9 Thermographie de différentes matérialités à Paris .............................................................. 23 Figure 10 Thermographie de différentes couleurs à Paris.................................................................. 24 Figure 11 Redistribution de la chaleur la nuit d'une surface libre et d'une surface urbaine ............... 25 Figure 12 Cercle vicieux de la dépendance à l'automobile ................................................................ 27 Figure 13 Synthèse du chapitre II ...................................................................................................... 31 Figure 14 Comparaison ville-campagne du piégeage radiatif ........................................................... 34 Figure 15 Réflexion sur la morphologie urbaine ............................................................................... 34 Figure 16 Effet des pics de chaleur sur la Seine ................................................................................ 36 Figure 17 Refroidissement de la chaussée 31 juillet 2011 21h30 ...................................................... 38 Figure 18 Thermographie de la ville de Strasbourg, quartier de l’orangerie, 14 juillet 2013 ............ 40 Figure 19 Rafraîchissement par les arbres ......................................................................................... 41 Figure 20 Façade du musée du Quai Branly ...................................................................................... 42 Figure 21 Synthèse du chapitre III ...................................................................................................... 43 Figure 22 Représentation du Mausolée d'Auguste ............................................................................. 46 Figure 23 Représentation des Jardins de Babylone ........................................................................... 47 Figure 24 Toiture végétale dans un village Norvégien ...................................................................... 48 Figure 25 Sarcelle 1961 ..................................................................................................................... 50 Figure 26 Composition du complexe de la toiture végétale............................................................... 52 Figure 27 Les différents types de végétalisation ................................................................................ 54 Figure 28 Exemple de toiture extensive ............................................................................................. 55 Figure 29 Exemple de végétalisation semi-intensive ......................................................................... 56 Figure 30 Exemple de végétalisation intensive.................................................................................. 57 Figure 31 Synthèse du chapitre IV ..................................................................................................... 58
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Figure 32 Photosynthése .................................................................................................................... 62 Figure 33 Différents rapports de prospect .......................................................................................... 65 Figure 34 Dispositif de gestion des eaux pluviales ............................................................................ 68 Figure 35 Les échanges entre les milieux. Source: APUR ............................................................... 70 Figure 36 Synthèse du chapitre V ...................................................................................................... 71 Figure 37 Plan de situation des stations de relevé ............................................................................. 75 Figure 38 Comparaison des T°C max et min entre les deux stations durant les périodes de Juin Juillet et Août ..................................................................................................................................... 76 Figure 39 Pluviométrie sur l'année 2014 ........................................................................................... 77 Figure 40 Plan de situation de la résidence Assas ............................................................................. 78 Figure 41 Cartographie 1925-1950 du site ........................................................................................ 79 Figure 42 Cartographie 1925-1950 du site ........................................................................................ 79 Figure 43 Définition des potentialités des toitures........................................................................... 80 Figure 44 Proportion végétale/minérale du site ................................................................................ 81 Figure 45 Part des toitures végétalisables ......................................................................................... 83 Figure 46 Toitures non végétalisées dans le projet de réaménagement du quartier ........................ 89 Figure 47 Part des surfaces minérales au sol ..................................................................................... 90 Figure 48 Système d'arrosage des rues à Paris ................................................................................... 91 Figure 49 Exemple de parking perméable ........................................................................................ 92 Figure 50 Formation de L'ICU Rond Point d'Assas Source: Mathieu Nouhen ................................. 95 Figure 51 Impact de la végétalisation des toitures et des mesures complémentaire .......................... 95
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BIBLIOGRAPHIE OUVRAGES CONSULTÉS : -ESCOURROU Gisèle, Le climat et la ville, Géographie d'Aujourd'hui, 1991, 190 pages. -HOUDART Thierry et Marie, La prairie sur le toit, MAIADE, 131 pages. -KLEINOP Brigitte, Végétalisation des toitures, ULNER, Paris 2000 94 pages. - LUCKETT Kelly, Toits verts construction et maintenance, DUNOD, janvier 2011, 168 pages. -PLACE Jean Michel, le toit, 5e façade L'Architecture d'Aujourd'hui, mai 2006, 141 pages. TRAVAUX CONSULTES - BIGORGNE Julien, 2012, Les îlots de chaleur Urbain à Paris, Cahiern°1, [en ligne], APU, Paris, 38 pages, disponible sur : http://www.apur.org/sites/default/files/documents/ pdf. - CABOT Alexandra, 2011, Étude des indicateurs agissant sur le phénomène d'îlot de chaleur urbain, Thermique urbaine : l'îlot de chaleur, Mémoire, ENSAM Montpellier, 57 pages. -DE MUNCK Cécile, 2013, Modélisation de la végétation urbaine et stratégies d’adaptation pour l’amélioration du confort climatique et de la demande énergétique en ville, [en ligne], Thèse, INP Toulouse, disponible sur : http://ethesis.inp-toulouse.fr/archive/00002485/01/demunck_partie_1_sur_2.pdf -DJEDJIG Rabah, 2013, Impacts des enveloppes végétales à l'interface bâtiment microclimat urbain, [en ligne], Génie Civil, Université La Rochelle, 174 pages, disponible sur : https://tel.archives-ouvertes.fr/tel01141046/file/2013Djedjig52944.pdf -E
BRATTEBO BO, BOOTH DB, 2003, résumé de : La quantité des eaux pluviales à long terme et la performance de la qualité des systèmes de chaussées perméables. Université de Washington, Box 352700, Seattle, WA 98195, USA, Département de génie civil et environnemental, Centre d'études de l'eau et des bassins versants, [en ligne], disponible sur : http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/14511707 -ERNST & YOUNG et associés, 2009, Etude pour la définition d’une démarche de développement des toitures végétalisées, [en ligne], Nice Cote d’Azur, Direction de l’environnement et de l’énergie, 46 pages, disponible sur: https://www.nice.fr/uploads/media/default/0001/02/Etude_sur_les_toitures_vegetalisees.pdf - FEDELE Cécile, 2010, Adaptation de la ville à l'augmentation des températures, Mémoire, Faculté de droit et de sciences politiques, Université Paul Cézanne Aix-Marseille III, 93 pages. -GIGUERE, Mélissa, 2009, Mesures de lutte aux Îlots de Chaleur Urbains, Direction des risques biologiques, environnementaux et occupationnels, Institut national de santé publique du Québec, [en ligne], 95 pages, disponible sur : https://www.inspq.qc.ca/pdf/publications/988_MesuresIlotsChaleur.pd - HAAS Maïlys, 2014, Caractérisation de l’impact des différents paramètres des arbres sur le microclimat urbain, Mémoire, ENSAM Montpellier, 83 pages. - LIEBARD A. et DEHERDE A. 2005. Traité d’architecture et d’urbanisme bioclimatiques : concevoir, édifier et aménager avec le développement durable. Paris, Le Moniteur, 776 p. ; Shashua-Bar, L. et M.E. Hoffman, 2000. “Vegetation as a Climatic Component in the Design of an Urban Street: an Empirical Model for Predicting the Cooling Effect of Urban Green Areas with Trees”. Energy and Buildings, Vol. 31 (3), pp. 221-235.
-KAREN C. SETOA, 1, BURAK GÜNERALPA, b, et LUCY R.HUTYRAC, Global forecasts of urban expansion to 2030 and direct impacts on biodiversity and carbon pools [en ligne], Yale School of Forestry and ENSAM 15-16 – Mathieu Nouhen
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Environmental Studies, Yale University, New Haven, CT 06511; b Department of Geography, Texas A&M University, College Station, TX 77843; and c Department of Geography and Environment, Boston University, Boston, MA 02215, disponible sur: http://www.pnas.org/content/109/40/16083.full.pdf - LIU, K.; BASKARAN, B., Thermal performance of green roofs through field evaluation, [en ligne], Conseil National de Recherches Canada, NRCC-46412, disponible sur http://archive.nrccnrc.gc.ca/obj/irc/doc/pubs/nrcc46412/nrcc46412.pdf
-MEZIONI Méhand, VAULEON Yann-Fanch, 2013, Etude sur le potentiel de végétalisation des toitures terrasses à Paris,[ en ligne], Atelier Parisien d’Urbanisme, 39 pages, disponible sur : http://www.apur.org/etude/
-ROGAN John, et al., The impact of tree cover loss on land surface temperature: A case study of central Massachusetts using Landsat Thematic Mapper thermal, [en ligne], journal homepage: disponible sur: www.elsevier.com/locate/apgeog - SHEETS, Virgil L. / MANZER, Chris D. , 1991, Affect, cognition, and urban vegetation. Some effects of adding trees along city streets. [Affect, connaissance et végétation urbaine. Quelques effets de l'ajout d'arbres le long des rues des villes]. Environment and Behavior, mai 1991, vol. 23, n° 3, p. 285-304.
-SOLOMON S., QIN D., MANNING M., CHEN Z., MARQUIS M., AVERIT K.B., TIGNOR M.et MILLER H.L. (éds.)]. Résumé à l’intention des décideurs. In: Changements climatiques 2007 : Les éléments scientifiques. Contribution du Groupe de travail I au quatrième Rapport d’évaluation du Groupe d’experts intergouvernemental sur l’évolution du climat Cambridge University Press, Cambridge, UK et New York, NY, USA, , [en ligne], G.I.E.C., 18 pages, disponible sur : https://www.ipcc.ch/pdf/assessment-report/ar4/wg1/ar4-wg1-spm-fr.pdf
- VARET Alexandre, Comment l’eau pluviale, dans l’aménagement de la ville, peut-elle aider à limiter le problème d’îlots de chaleur urbains, Mémoire, ENSAM Montpellier, 2015, 66 pages. -VINET Jérôme, Contribution à la modélisation thermo-aéraulique du microclimat urbain. Caractérisation de l'impact de l'eau et de la végétation sur les conditions de confort en espaces extérieurs, [en ligne], sciences de l’ingénieur [physics]. Université de Nantes, 2000, 252 pages, disponible sur : https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00490049/document SITES DE RECHERCHE CONSULTÉS -ANPCEN, un cahier des charges pour les collectivités territoriales qui souhaiteraient diminuer leur pollution lumineuse et faire des économies, [en ligne], disponible sur : http://www.notreplanete.info/environnement/pollution-lumineuse.php
-EPICEA, Projet 2008-2012, Programme de recherche « PARIS 2030 » Appel à projets 2007 de la ville de Paris, Synthèse des résultats du projet EPICEA Volet 3 : Adaptation du territoire parisien au changement climatique, p.5, disponible sur : http://www.cnrm.meteo.fr/IMG/pdf/epicea-synthese.pdf -INSEE, (Institut National de la Statistique et des Etudes Economiques) 2006, Enquête Logement, Ministère de l’écologie, du développement durable et de l’énergie,
Logement,
pour
en
savoir
plus,
disponible
sur :
http://www.insee.fr/fr/insee_regions/languedoc/themes/dossiers/telr/chi0607_05.pdf
-Ministère de l’écologie, du développement durable, des transports et du logement, 2009, Rapport sur la production de GES des systèmes de climatisation, leur impact sur l’écosystème, singulièrement dans les collectivités d’Outre-Mer, [en ligne], disponible sur : http://www.developpement-durable.gouv.fr/IMG/pdf/Rapport_clim_Art5_LG1_280811.pdf
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GLOSSAIRE ADIVET
Association française des toitures et façades végétales
APUR
Atelier Parisien d’URbanisme
APHEKOM
Improving Knowledge and Communication for Decision Making on Air Pollution and Health in Europe
EPICEA
Education Prévention Information Culture Environnement Assistance
GES
Gaz à Effet de Serre
GIEC
Groupe d'experts Intergouvernemental sur l'Evolution du Climat
ICU
Îlot de Chaleur Urbain
INSEE Institut National de la Statistique et des Etudes Economiques PM
Particulate Matter en anglais (particules en suspension)
PVC
PolyVinyl Chloride en anglais (polychlorure de vinyle)
TT
Toiture terrasse
TTV
Toiture Terrasse Végétalisée
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ANNEXES
CODE DE L’URBANISME Article R111-50
Créé par Décret n°2011-830 du 12 juillet 2011 - art. 1
Pour l'application de l'article L. 111-6-2, les dispositifs, matériaux ou procédés sont : 1° Les matériaux d'isolation thermique des parois opaques des constructions et, notamment, le bois et les végétaux en façade ou en toiture ; 2° Les portes, portes-fenêtres et volets isolants définis par un arrêté du ministre chargé de l'urbanisme ; 3° Les systèmes de production d'énergie à partir de sources renouvelables, lorsqu'ils correspondent aux besoins de la consommation domestique des occupants de l'immeuble ou de la partie d'immeuble concernée. Un arrêté du ministre chargé de l'urbanisme précise les critères d'appréciation des besoins de consommation précités ; 4° Les équipements de récupération des eaux de pluie, lorsqu'ils correspondent aux besoins de la consommation domestique des occupants de l'immeuble ou de la partie d'immeuble concernée ; 5° Les pompes à chaleur ; 6° Les brise-soleils. PLAN LOCAL D’URBANISME ZONE 2U1 Extrait de l’Article 4 Les eaux de ruissellement générées au minimum par les surfaces imperméabilisées au-delà du coefficient d’imperméabilisation seuil fixé à 40 % de la surface de l’unité foncière devront être retenues sur ladite parcelle. En cas d’extension de transformation ou reconstruction de bâtiments existants le coefficient d’imperméabilisation seuil pris en considération sera fixé, non plus à 40 %, mais au coefficient d’imperméabilisation existant (avant transformation ou reconstruction le cas échéant) s’il est supérieur à 40 % Le coefficient d’imperméabilisation mentionné ci-dessus est défini comme étant le rapport entre les surfaces autres que celles des espaces libres et la surface totale de l’unité foncière. Les espaces libres comprennent : −les espaces verts ; −les espaces piétonniers y compris lorsqu'ils sont accessibles aux véhicules de sécurité, s'ils sont traités en matériaux perméables.
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Trois techniques de rétention à la parcelle pourront être utilisées : − Chaussée ou parking avec structure réservoir, − Bassin sec non couvert ou noues intégrés dans l’aménagement des espaces verts, − Dispositifs de rétention en toiture.
Annexe 1 Illustration graphique des températures moyennes des secteurs en fonction des superficies minérales et naturelles de Montréal Source Azouz, 2014
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Annexe 2 Type et caractéristique des matériaux de composition du substrat Source: Le Moniteur
Annexe 3 Comparaison des températures entre les stations Fréjorgues et Assas durant les mois de juin juillet août de 1993 à 2011 Source : Cabot 2011
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Annexe 4 Comparaison des températures entre les stations Fréjorgues et Assas durant les mois de juin juillet août de 1993 à 2011 Source: Cabot 2011
Annexe 5 Comparaison des écarts de température durant les mois de juin juillet et aout avec la puissance des vents >40km/h Source : Mathieu Nouhen
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Annexe 6 Comparaison des écarts de température durant les mois de juin juillet et aout avec la puissance des vents >40km/h Source: Mathieu Nouhen
Annexe 7 Diagnostique energétique d'un appartement de la résidence du rond point d'Assas Source : Igs-Caprim
Annexe 8 Balance des énergies entre une toiture bitumineuse et une toiture verte ENSAM 15-16 – Mathieu Nouhen
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Source: LEPTAB
Annexe 9 Différents types de sédum Source: Le Prieuré ENSAM 15-16 – Mathieu Nouhen
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RESIDENCE
Superficie m²
Indice de couverture
Pourcentage superficie
Nombre de logement
Espaces bâti Toitures non exploitables Toitures en pente Toitures faible potentiel Toitures végétalisables Toiture non exploitables
8319 2172 756 620 4771 3548
0,32 0,08 0,03 0,02 0,19 0,14
32% 8% 3% 2% 19% 14%
Surface minérale Routes Autres surfaces minérales
10502 1389 9113
0,41 0,05 0,35
41% 5% 35%
Surface végétale
6911
0,27
27%
Canopée
6835
0,27
27%
Zone dédiée au parking
4159,5
0,16
16%
Zone totale
25732
1
100%
0 8 10 210
Parking nbr de place
105
159
228
264
Annexe 10 Tableau des surfaces du quartier Assas Source : Mathieu Nouhen
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