Climat et Energie en Milieu Urbain
Climat et Energie en Milieu Urbain
Introduction
L’équipe CEMU est née de la restructuration de la thématique « Efficience Energétique » suite à l’arrivée de Laurent Royon sur un poste de Professeur de l’université Paris Diderot (PR2 section 62) en Septembre 2016 et du rattachement de deux Maitres de Conférences (Martin Hendel et Xiaofeng Guo, ESIEE, section 62) en septembre 2017. Xiaofeng Guo est par la suite recruté en septembre 2021 comme Professeur des Universités à l’IUT de Paris Pajol. En 2023, Aurélie Perrier, chimiste, obtient un poste de Professeure à l’UPC pour rejoindre l’équipe avec un projet sur le développement de recherche sur les matériaux photonastiques. En 2024, Claude Fapi est nommé Maitre de Conférences (section 63) à l’IUT de Paris Pajol et vient apporter ses compétences en électronique et systèmes embarqués. L’équipe se complète en 2025 avec la venue de Yacine Boufkhad, Maître de Conférences (section 27), qui vient apporter ses connaissances en IA et ainsi développer du traitement prédictif à partir de bases de données collectées dans le cadre du contrôle énergétique de bâtiment, du stress thermique des individus ou des analyses microclimatiques de quartier et ville.Composition de l’équipe
Responsable d’équipe : Laurent Royon , Professeur des Universités, section CNU 62, ED 564 Physique en Île-de-France
- Xiaofeng GUO – Professeur des Universités- section CNU 62, ED 564 Physique en Île-de-France
- Aurélie PERRIER – Professeur des Universités – section CNU 31, ED 388 Chimie-Physique et Chimie Analytique de Paris
- Martin HENDEL – Professeur associé ESIEE Paris, section CNU 62, ED 564 Physique en Île-de-France
- Yacine BOUFKHAD – Maître de Conférences, section CNU 27, ED 564 Physique en Île-de-France
- Claude FAPI – Maître de Conférences, section CNU 63, ED 564 Physique en Île-de-France
Activités de l’équipe
L’activité de l’équipe se développe autour du thème des matériaux et procédés innovants pour l’énergie en vue de répondre aux impacts liés au changement climatique et aux restrictions prises face à la crise énergétique. La recherche, qui est à la fois fondamentale et appliquée, considère des échelles très variées allant de l’échelle des composants élémentaires des matériaux à celle du territoire. L’interdisciplinarité intervient à la convergence de la chimie-physique, de la physique, des sciences de l’ingénieur et des sciences politiques et humaines et sociales. Face au changement climatique, les villes ont vu leur métabolisme urbain être fortement perturbé et doivent désormais développer des stratégies à la fois pour améliorer le confort de vie du citadin, pour optimiser et innover dans les divers procédés énergétiques souvent très énergivores et par ailleurs limiter et éviter les risques sanitaires engendrées par les surchauffes l’été et/ou forts refroidissements l’hiver. Pour répondre à ces défis climatiques et enjeux écologiques, les recherches développées par l’équipe CEMU sont assez diversifiées tout en gravitant autour des thématiques principales suivantes:- Rafraîchissement urbain et adaptation aux canicules des villes
- Intensification des transferts de chaleur et de masse, acoustic streaming
- Collecte d’eau de rosée, route chauffante, stockage d’hydrogène, …
- Matériaux avancés (photonastiques, à émissivité controlée…)
L’activité principale du groupe porte sur le développement de procédés et matériaux innovants pour lutter contre les effets du changement climatique et la pénurie en eau. De manière naturelle et sans aucun apport d’énergie, il est tout à fait possible de limiter l’impact d’une vague de chaleur, de créer du rafraichissement et produire de l’eau potable, de gérer le stockage et la demande en énergie thermique en exploitant judicieusement et ce de manière optimale, les processus physiques impliquant notamment un changement de phase (évaporation, condensation, fusion, solidification) ou de structure (matériau photonastique) .
Les travaux de l’équipe, qui visent autant une recherche à caractère purement fondamentale que des applications se prêtant à des collaborations industrielles, reposent pour la plupart d’entre eux sur des approches issues du biomimétisme ou du métabolisme urbain. L’interdisciplinarité présente au laboratoire prend ici tout son sens, pour concrtiser le développement de ces projets qui s’appuie sur les compétences de chimistes, biologistes, géographes ainsi que celles des chercheurs en sciences humaines du laboratoire. Les recherches de l’équipe sont assez diversifiées tout en gravitant autour de quelques thématiques principaux :
• Rafraîchissement urbain et adaptation aux canicules des villes
• Intensification des transferts de chaleur, acoustic streaming
• Collecte d’eau de rosée, route chauffante, stockage d’hydrogène, …
• Matériaux avancés (photonastiques, à émissivité controlée…)
Rafraîchissement urbain et adaptation aux canicules des villes
L’îlot de chaleur urbain (ICU) est l’un des attributs les plus connus du climat urbain. Ce phénomène de réchauffement localisé est responsable d’une surélévation de la température d’air en ville de 1 à 3°C en moyenne par rapport aux zones rurales environnantes. Cette différence de température est particulièrement intense lorsque le ciel est dégagé et que le temps est calme (conditions anticyclonique), ce qui est souvent le cas lors de vagues de chaleur, pouvant alors atteindre voire dépasser les 10°C sous climat tempéré. Cela accroît considérablement la vulnérabilité des villes à ce type d’événement, notamment puisque les températures extrêmes atteintes en journée et le soir mettent plus de temps à redescendre qu’en zone rurale ou naturelle.
Les travaux de l’équipe ont débuté par l’étude in situ de la performance rafraîchissante de l’arrosage urbain à l’eau non portable rues du Louvre (1er/2e Arr.) et Lesage (20e Arr.) mobilisant des stations microclimatiques avec capteurs intégrés à la chaussée. Ces travaux ont été initiés dans le cadre de la thèse CIFRE Ville de Paris de Martin Hendel (2013-2016) au sein de la Direction de la Propreté et de l’Eau au Service Technique de l’Eau et de l’Assainissement. Les premières discussions et collaborations portant sur l’étude du comportement thermo-climatique des revêtements urbains ont débutés à cette période avec le Laboratoire d’Essai des Matériaux de la Direction de la Voirie et des Déplacements de la Ville de Paris.
Depuis l’intégration de Martin Hendel au sein de l’équipe CEMU, plusieurs projets et thèses abordent l’étude du rafraîchissement urbain à plusieurs échelles avec la participation de Frédéric Filaine et Laurent Royon :
Figure 1 : Echelles d’étude sur le rafraîchissement urbain
Echelle des matériaux
Ces travaux s’intéressent au comportement thermique et climatique des matériaux urbains (revêtements, toitures et façades). Des expérimentations en conditions contrôlées en laboratoire sont menées à cet effet permettant de comparer les structures deux à deux en enceinte climatique avec ensoleillement artificiel.
Figure 2 : Exemples de structures de revêtements étudiés en laboratoire
Projets :
- ANR JCJC Urban Materials for Cool Cities (UMat4CC) (2019-2023)
- LIFE Cool and Low-Noise Asphalt (2017-2023)
- Démonstrateur de revêtements d’espace public (2020-2022)
Thèses :
- Martin Hendel (CIFRE Ville de Paris, 2013-2016)
- Sophie Parison (CIFRE Ville de Paris, 2017-2020)
- Maïlys Chanial (CIFRE Ville de Paris, 2020-2023)
- Maxime Frere (Collaboration Eiffage, 2020-2023)
- Charbel Abboud (CIFRE Ville de Paris, 2023-2026)
Etudes in situ
Plusieurs études d’évaluation de la performance microclimatique de techniques de rafraîchissement sont réalisées in situ dans des rues, cœur d’îlot ou cours d’école. Celles-ci s’intéressent notamment à l’impact sur le stress thermique des usagers des solutions de rafraîchissement mises en œuvre.
Figure 3 : Bilan thermique d’un piéton
Projets :
- Lisière d’une Tierce Forêt à Aubervilliers (2017-2021)
- LIFE Cool and Low-Noise Asphalt (2017-2023)
- FEDER UIA OASIS (2019-2022)
Thèses :
- Martin Hendel (CIFRE Ville de Paris, 2013-2016)
- Sophie Parison (CIFRE Ville de Paris, 2017-2020)
- Ghid Karam (FEDER UIA OASIS, 2019-2022)
- Maïlys Chanial (CIFRE Ville de Paris, 2020-2023)
Echelle quartier, ville ou agglomération
A l’échelle du quartier l’équipe développe des outils d’aide à la conception permettant de diagnostiquer le stress thermique offert par un site ou d’optimiser sa conception ou rénovation du point de vue du rafraîchissement urbain. A l’échelle supérieure (ville ou agglomération), ces outils permettent de faire de l’aide à la décision stratégique, par exemple pour prioriser les espaces les plus problématiques.
Ces analyses s’appuient sur « l’indicateur potentiel de rafraîchissement » mis au point dans le cadre du projet ANR UMat4CC qui caractérise le niveau de stress thermique d’un endroit donné en période caniculaire. Il se distingue ainsi d’autres outils similaires qui évaluent le bilan thermique des surfaces au sol.
Projets :
- Ville de Paris, Cartographie d’arrosage urbain (2017-2019)
- ANR JCJC Urban Materials for Cool Cities (UMat4CC) (2019-2023)
- FEDER UIA OASIS (2019-2022)
- (In situ) Arrosage urbain à l’eau non potable (collaborations Ville de Paris 2013-2023)
(In situ) Arrosage urbain à l’eau non potable (collaborations Ville de Paris 2013-2023)
La Ville de Paris a concrétisé son intérêt pour l’arrosage urbain par le vote unanime de son Livre Bleu par le Conseil de Paris en 2012. Celui-ci définit les priorités stratégiques pour le développement et l’amélioration du service de l’eau et d’assainissement de la ville. Notamment, après deux décennies de semi-abandon, le Livre Bleu reconnaît officiellement le potentiel offert par le réseau d’eau non potable pour un usage durable de l’eau en ville. Trois missions sont confiées aux services de la Ville pour permettre au réseau de répondre aux enjeux de demain. La première consiste à substituer l’eau non potable aux usages d’eau potable, pour l’arrosage des espaces verts par exemple. Afin de limiter l’impact des usages de l’eau non potable sur les milieux aquatiques, l’étude de la diversification de l’alimentation du réseau par d’autres sources est également demandée. Enfin, les services sont chargées d’étudier la place de l’eau non potable pour rafraîchir la ville par fortes chaleurs. Le Service Technique de l’Eau et de l’Assainissement s’est ainsi penché sur l’étude des coûts et des bénéfices de la méthode, afin de quantifier la faisabilité d’une stratégie d’arrosage généralisée à toute la capitale. Ce travail a été l’objet principal de la thèse CIFRE de Martin Hendel (2013-2016) qui a cherché à déterminer : quels sont les effets rafraîchissants, notamment sur la température de l’air et la lutte contre les îlots de chaleur urbains, qui peuvent être attendus de l’arrosage urbain par temps caniculaire en milieu urbain dense et pour quelle consommation d’eau ?
Deux expérimentations in situ d’arrosage urbain à l’eau non portable ont été conduites dans Paris intra
-muros rues du Louvre (1er/2e Arr.) et Lesage (20e Arr.) mobilisant des stations microclimatiques avec capteurs de température et de flux de chaleur intégrés à la chaussée.
Figure 4: Campagne d’arrosage rue du Louvre
Figure 5 : Réduction de températures de surface (guache) et de stockage de chaleur (droite) par l’arrosage
Les expérimentations donnent des informations sur l’impact de l’arrosage sur le stockage de chaleur dans le revêtement (divisé par deux) et son effet sur le stress thermique (réduction jusqu’à 3°C éq-UTCI). Cela fait suite à une diminution significative de la température de surface de la chaussée de l’ordre de 10 à 15°C au soleil. Cette étude a par ailleurs permis d’optimiser le protocole d’arrosage à mettre en oeuvre et la quantité d’eau utilisée, correspondant à environ 2 mm/jour rue du Louvre, à comparer par exemple à l’évapotranspiration potentielle d’un gazon dans des conditions similaires, qui s’élèverait à 9 mm/jour. Avec ce protocole optimisé, arroser les 10% de l’espace public parisien les plus problématiques représenterait une consommation d’eau cumulée d’environ 2,6L par habitant et par jour d’arrosage.
Ces travaux ont été poursuivis dans le cadre des thèses de Sophie Parison (2017-2020) et Maïlys Chanial (2020-2023) en lien avec le projet LIFE Cool and Low Noise Asphalt.
(Labo) Etude des revêtements urbains en laboratoire (depuis 2014)
L’étude du comportement thermo-climatique de divers revêtements urbains (classiques et innovants) sont en cours afin d’établir une classification des revêtements les plus appropriés pour limiter le stress thermique et l’intensité d’ICU en période caniculaire.
Figure 6 : Dispositif expérimental (gauche) et évolution de la température de surface (droite).
L’effet de l’albédo et de l’inertie des couches constitutives des structures est visible sur l’évolution des températures de surface des échantillons étudiés. Un dispositif d’arrosage à débit programmable est utilisé pour déterminer le débit optimal pour chaque structure.
(in situ) Lisière d’une Tierce Forêt (2017-2021)
Le projet Lisière d’une Tierce Forêt porte sur la transformation en îlot de fraîcheur de l’ancien parking du foyer de jeunes travailleurs Eugène Hénaff de l’association Alteralia situé à Aubervilliers (93). Le projet a été piloté par l’agence Fieldwork Architecture pour le compte de l’association et soutenu par diverses institutions (ADEME, Région Ile-de-France, Agence de l’Eau, …).
L’ancien parking imperméable a été transformé en un site à la croisée d’une place et d’un parc grâce à la plantation de nombreux arbres et à la pose d’un revêtement perméable. L’équipe CEMU a accompagné les porteurs du projet aussi bien sur la réflexion autour du choix des matériaux et de la plantation des arbres, et pour l’évaluation des effets rafraîchissants obtenus.
A cette fin, l’équipe a mobilisé ses méthodes pour l’analyse des mesures fixes, réalisées en collaboration avec Météo-France qui a fourni des stations météorologiques complétées par de l’instrumentation LIED, et des mesures mobiles réalisées sur site pendant plusieurs étés.
(labo + in situ) LIFE Cool- and Low-Noise Asphalt (2017-2023)
Le projet est porté par la Ville de Paris et implique différents partenaires industriels (Colas et Eurovia) et institutionnels (Bruitparif) autour de l’étude des effets rafraîchissants et acoustiques de revêtements routiers innovants déployés dans trois rues parisiennes. L’équipe CEMU n’est pas partenaire du projet, mais l’accompagne sur le plan scientifique depuis son montage via notamment l’encadrement des thèses CIFRE de Sophie PARISON (2017-2020) et Maïlys CHANIAL (2020-). L’équipe participe par ce biais à l’valuation des impacts thermiques et microclimatiques des nouveaux revêtements et de leur arrosage.
Figure 7 : Logo et objectifs du projet LIFE Cool and Low Noise Asphalt
(in situ) FEDER UIA OASIS (2019-2022)
Le projet OASIS propose de créer une nouvelle solution pour concevoir et transformer avec les usagers des espaces urbains de proximité adaptés au changement climatique, en particulier aux canicules. Dans ce cadre, 10 cours d’écoles pilotes sont transformées en îlots de fraîcheur grâce à des solutions techniques et naturelles innovantes et à une démarche intégrée. En développant une méthodologie de co-conception avec les lèves et les communautés éducatives, en adaptant les méthodes de travail des autorités urbaines pour la transformation de ces espaces et appliquant un véritable protocole de démocratie contributive, OASIS vise à sensibiliser, éduquer et engager les citoyens, petits et grands, dans l’amélioration de leur cadre de vie. Cela implique un renouvellement des usages, vers plus de mixité et d’appropriation
de ces espaces de proximité par les habitants.
Figure 9 : Photographie des cours d’écoles élémentaire standard (gauche) et maternelle Oasis (droite) Emeriau (Paris 15e).
Figure 9 : Carte des stations météos mobilisées pour l’évaluation des 10 cours OASIS pilotes
L’équipe participe à l’évaluation microclimatique des transformations des 10 cours d’écoles pilotes par des mesures fixes et mobiles réalisées dans les cours avant et après transformations, complétées d’analyses du potentiel de rafraîchissement. Des études expérimentales en laboratoire sur les anciens et nouveaux revêtements permettent de caractériser le comportement thermique de ces revêtements.
Figure 10 : Evolution des températures de surface des matériaux Oasis testés en laboratoire.
Figure 11 : Stations fixes et mobiles mobilisées dans le cadre du projet OASIS
(labo + ville) ANR JCJC « Urban Materials for Cool Cities » (UMat4CC) (2019-2023)
Le projet UMat4CC porte sur la performance thermo-climatique de matériaux frais appliqués au bâtiment en toiture et en façade et leur potentiel de déploiement à l’échelle d’un territoire donné. Il comporte un important volet expérimental visant à étudier en laboratoire le comportement thermo-climatique de structures de toiture et de façade de bâtiments parisiens, avec ou sans recours à des matériaux frais ou à l’arrosage. D’autre part, un travail d’analyse cartographique vise à mettre au point des outils géomatiques pour accompagner les collectivités dans la définition de leur stratégie de rafraîchissement urbain.
I-SITE FUTURE « Water-energy-soil Interactions for a Sustainable Environment in Cities » (WISE Cities) (2019-2022)
Le projet WISE Cities, financé en tant que projet IMPULSION par l’I-SITE FUTURE à compter de 2019, s’intéresse au nexus « eau-énergie-sol » et de la multifonctionnalité des infrastructures de gestion des eaux urbaines. Le projet vise à constituer une communauté de chercheurs de l’I-SITE relevant de disciplines différentes tous concernés par l’inscription de leurs objets de recherche au sein du nexus urbain « eau-énergie-sol » en train de se constituer. Il s’agit d’appréhender le périmètre de ce nexus et d’en saisir les logiques sous-jacentes à sa constitution, d’étudier ses impacts sur le fonctionnement de la ville d’aujourd’hui et d’analyser sa capacité à contribuer à l’avènement de la ville durable de demain, en se focalisant en priorité sur le Grand Paris.
(labo + in situ + ville) E3S Ilots de fraîcheur (2019-2022)
Le volet îlot de fraîcheur s’inscrit dans les activités de l’atelier 3 « Gestion de l’eau » du projet E3S, partenariat entre l’Université Gustave Eiffel et le groupe Eiffage autour de l’écoquartier LaVallée situé à Châtenay-Malabry (92). Le volet îlot de fraîcheur traite des questions de rafraîchissement urbain par plusieurs dimensions :
- analyse cartographique de l’écoquartier LaVallée : parcours fraîcheur et aide à la conception
- caractérisation en laboratoire du comportement thermo-climatique et hydrique d’un revêtement perméable innovant
- évaluation de la performance rafraîchissante d’un démonstrateur d’îlot de fraîcheur construit par Eiffage sur une agence travaux à Hyères (83)
La thèse de Maxime FRERE financée par Eiffage s’inscrit dans la continuité des travaux amorcés dans le cadre du projet E3S.
Figure 12 : Démonstrateur d’îlot de fraîcheur d’Eiffage Route étudié dans le cadre du projet (gauche) et suivi de la température de surface lors d’un arrosage (droite) (M. Frere, AIC 2020).(labo/in situ) Démonstrateur de revêtements d’espace public (2020-2022)
Il s’agit d’un projet mené en partenariat avec le Laboratoire d’Espace Public de la Ville de Paris. Il vise à caractériser le comportement thermique et climatique de différents revêtements de trottoir en conditions réelles mis en œuvre dans des alvéoles instrumentées en surface et en profondeur situées sur un entrepôt de la Ville de Paris. L’objectif est d’aider la Ville de Paris à définir des critères de sélection de matériaux pour compléter son catalogue de revêtements urbains en réponse aux enjeux d’adaptation au changement climatique que posent les canicules.
ANR PRCE « Heat waves, urban Heat islands, wellbeing and Health : a mobile Sensing approach » (H3Sensing) (2022-2026)
Le projet porte sur l’étude des impacts sanitaires du stress thermique en milieu urbain grâce au suivi de 200 participants habitants du Grand Paris. Il vise d’une part à caractériser l’impact de l’environnement urbain, des caractéristiques du logement et du comportement des participants sur leur exposition au stress thermique. D’autre part, il cherche à déterminer le lien entre stress thermique mesuré et différents paramètres de santé individuels mesurés sur les participants.
L’équipe participera à la mesure et l’analyse des données de stress thermique de piétons pendant et en dehors de vagues de chaleur. Cela passe par des mesures fixes au sein du logement et mobile par des capteurs portés par les participants. La mise au point d’un dispositif de mesure portable fait partie du travail de l’équipe qui contribuera également aux analyses géomatiques des espaces parcourus par les participants qui fourniront des métadonnées utiles pour qualifier ces espaces du point de vue microclimatique.
Figure 13: Schéma de principe du sac-à-dos instrumenté (R. Bartoli et al., CIFQ 2022).
Au-delà de ces projets scientifiques, l’équipe CEMU tisse des liens de plus en plus fort avec le monde opérationnel au fur et à mesure que les collectivités territoriales et industriels développent leur intérêt pour le rafraîchissement urbain, l’adaptation aux canicules et la lutte contre les îlots de chaleurs urbains. L’équipe mobilise notamment son expertise pour l’accompagnement ou la réalisation de projets de rafraîchissement urbain déployés à Paris, le Village Olympique des JO 2024, Saint-Denis, …
Figure 14 : Analyse du potentiel de rafraîchissement d’un espace public du village olympique des JO 2024 de Paris (gauche) et classification des cours d’école de la ville de Saint-Denis selon leur niveau de stress thermique (droite).
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