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GUIDE D’INTERACTIONS GUIDE D’INTERACTIONS ENERGIE_CLIMAT ENERGIE_CLIMAT

Volume >>> Résilience Volume 22>>> Résilience


Cet ouvrage est réalisé par Elioth, Egis Concept, filiale du groupe Egis. Il constitue le second volume de la collection des guides d’Interactions Energie_Climat et a été préparé par l’équipe suivante : Directeur de publication : Raphaël Ménard Conception – rédaction : Paul Azzopardi Conception & design graphique : Amandine Juston Collaborations : Eric Tromeur Stine Redder Pedersen Alice Lemasson Contacts : elioth@elioth.fr Impression : Imprimerie de la Centrale, Lens Ouvrage imprimé sur papier fabriqué à partir de fibres certifiées FSC (60% de fibres recyclées et 40%de fibres vierges). La certification FSC Mixed signifie que les fibres utilisées sont issues de forêts gérées de façon responsable, de sources contrôlées et de fibres recyclées.

Droits réservés (copyright) : © Une publication Egis // 2013 « Toute représentation ou reproduction intégrale, ou partielle, faite sans le consentement de l’auteur ou de ses ayants droit ou ayants cause, est illicite » (alinéa 1er de l’article L. 122-4 du Code de la Propriété intellectuelle). « Une représentation ou reproduction non expressément autorisée par l’auteur ou ses ayants droit ou ayant cause, par quelque procédé que ce soit, constituerait donc une contrefaçon sanctionnée par les articles 425 et suivants du Code pénal. » Numéro ISBN : 978-2-8760-2052-8 Dépôt légal Mars 2013

© Egis 4 rue Dolorès Ibarruri 93100 Montreuil UNE PUBLICATION


GUIDE D’INTERACTIONS ENERGIE_CLIMAT Volume 2 >>> Résilience Elioth_Groupe Egis


Résilience nf résilience [ʁe.zi.ljɑ̃s] 1. [Phys.] Capacité d’un matériau à retrouver son état initial à la suite d’un choc ou d’une pression continue. 2. [Écon.] Capacité d’une zone à surmonter rapidement des chocs et perturbations économiques. 3. [Urbain] Capacité d’une ville à faire face à un événement dévastateur avec le minimum de dommages possibles, à absorber les perturbations puis à recouvrer ses fonctions au plus vite.


SOMMAIRE

1.

INTRODUCTION >>>> 11

1.1 Avant-Propos >>> 11 1.1.1 1.1.2 1.1.3

PRÉAMBULE >>>> 11 PHILOSOPHIE DU GUIDE >>>> 11 AVERTISSEMENT >>>> 12

2.

CONTEXTE CLIMATIQUE >>>> 15

2.1

Le climat, c’est quoi ? >>> 15

2.1.1 2.1.2 2.1.3 2.1.4 2.1.5

LA MACHINE CLIMATIQUE >>>> 15 MÉCANISMES DE TRANSFERTS THERMIQUES >>>> 16 LE BILAN ÉNERGÉTIQUE MOYEN ANNUEL DE LA TERRE >>>> 18 LES ZONES CLIMATIQUES DU GLOBE >>>> 20 L’HOMME ET L’AMBIANCE CLIMATIQUE >>>> 23

2.2

Psychologie du changement climatique >>> 24

2.2.1 2.2.2 2.2.3

CLIMAT VERSUS TEMPS : LA CONFUSION >>>> 24 Y-A-T-IL UN RÉCHAUFFEMENT CLIMATIQUE ? >>>> 25 L’ÉVIDENCE D’UN RÉCHAUFFEMENT >>>> 26

2.3 Modèle climatique >>> 27 2.4 Microclimat >>> 29 2.4.1

L’EXEMPLE DE L’ILÔT DE CHALEUR URBAIN >>>> 29

3.

MÉTHODOLOGIE D’ANALYSE CLIMATIQUE >>>> 33

3.2 Génération statistique des données >>> 33 3.2.1 3.2.2

DONNÉES METEONORM >>>> 33 DONNÉES MÉTÉO-FRANCE >>>> 34

3.2 Outil de climatologie >>> 35


4.

INDICATEURS CLIMATIQUES >>>> 39

4.1

Tendances mondiales >>> 39

4.1.2

DISPARITÉS CLIMATIQUES >>>> 40

4.1

L’aléa climatique en France >>> 42

4.1.2 4.1.1

DISPARITÉS CLIMATIQUES >>>> 42 OUTIL DE SUIVI D’INDICATEURS DE VULNÉRABILITÉ CLIMAT/ÉNERGIE >>>> 43

4.2 La métropole Parisienne >>> 44 4.2.2 4.2.1

ANALYSE CLIMATIQUE PROSPECTIVE >>>> 44 OUTIL DE SUIVI D’INDICATEURS DE VULNÉRABILITÉ CLIMAT/ÉNERGIE >>>> 45

5.

CONSTATS ET ENJEUX URBAINS >>>> 49

5.1 Conséquences d’un déphasage >>> 49 5.2 Le bâti face au changement climatique >>> 50 5.2.1 5.2.2 5.2.3 5.2.4 5.2.5

HYPOTHÈSES >>>> 50 CODE DE CALCUL >>>> 52 TYPOLOGIES ÉTUDIÉES >>>> 53 IMPACTS SUR LES CONSOMMATIONS ET LE CONFORT DES BÂTIMENTS >>>> 54 QU’EN EST-IL DE LA PRODUCTION D’ÉNERGIE ? >>>> 56

5.3 Voir plus loin >>> 57 5.3.1 5.3.1

ANALOGIES CLIMATIQUES >>>> 57 L’EFFET DÉMOGRAPHIQUE >>>> 57

5.4 Confort microclimatique >>> 60 5.4.1 5.4.2 5.4.3

AVANT-PROPOS >>>> 60 STRATÉGIE D’ADAPTATION DES ESPACES URBAINS >>>> 60 FOCUS SUR LE COUPLE ALBÉDO/ÉMISSIVITÉ >>>> 62


6.

QUELLES SOLUTIONS POUR LE PROJET URBAIN ? >>>> 67

6.1

La boite à outils >>>> 67

6.1.1 6.1.2

OUTIL D’AMÉNAGEMENT CLIMATIQUE ET STRATÉGIES D’ADAPTATION >>>> 67 OUTIL D’AIDE À LA CONCEPTION : STRATÉGIES DE CONTRÔLE RADIATIF DES TOITURES >>>> 68

6.2 Système microclimatique >>>> 69 6.2.1 6.2.2 6.2.3

DOMAINES >>>> 70 COUCHES >>>> 74 DISPOSITIFS >>>> 75

7.

ANNEXES >>>> 89

7.1 Bibliographie >>>> 89 7.2 Glossaire >>>> 93 7.3 Hypothèses >>>> 103


INTRODUCTION

AVANT PROPOS

Introduction >> Avant propos

11

PRÉAMBULE Egis est un groupe d’ingénierie et de conseil intervenant dans les domaines de la construction d’infrastructures et des systèmes pour le transport, l’aménagement, l’eau, le bâtiment, le génie civil, l’énergie et l’environnement. Le groupe intervient également dans les métiers du montage de projets et de l’exploitation routière et aéroportuaire. La prise en compte des problématiques environnementales dans les missions de maîtrise d’oeuvre constitue un des défis majeurs que le groupe a décidé de relever en se dotant d’une cellule dédiée aux sujets complexes depuis déjà presque dix ans : la société Egis Concept // Elioth. D’autre part, le désir du groupe de sensibiliser ses collaborateurs et ses clients aux sujets d’innovation l’a poussé à réaliser la collection Guides Egis. Cet ensemble de publications a pour vocation de proposer des outils d’analyse et de dialogue entre ses partenaires et ses collaborateurs sur un sujet précis. La Résilience* énergie/climat, comme l’adaptation des villes et plus particulièrement du bâtiment au changement climatique, constitue le sujet du second volume de cette collection issue de l’expérience et du savoir faire du groupe.

PHILOSOPHIE DU GUIDE Le présent guide constitue un outil de compréhension des enjeux d’adaptation au changement climatique au regard des besoins énergétiques et du confort, en phase amont des projets d’aménagement. Il se focalise sur les questions d’interactions entre énergie et climat à l’échelle du bâti et notamment l’impact du changement climatique sur la diminution ou l’augmentation des besoins en chauffage et climatisation des bâtiments ainsi que les aspects de confort microclimatique des espaces extérieurs. Il ne traite pas des risques climatiques en général. Ainsi, les aspects relatifs aux risques suivant ne font pas l’objet du présent guide : - montée des eaux océaniques - crues des cours d’eau - chute de rendements agricoles, technologiques, ... Cependant, ces sujets font l’objet de programmes de recherche au sein du groupe Egis dans le cadre notamment du groupe de travail sur l’adaptation aux changements climatiques. Il s’adresse principalement aux chefs de projets urbains, architectes et ingénieurs désireux d’orienter leur projet vers une démarche de sobriété énergétique, de confort des villes et de conception responsable.

* police différente = définition du terme dans le glossaire

?


AVERTISSEMENT Ce guide est établi par Elioth, filiale du groupe Egis et les informations qu’il contient restent la propriété du groupe. Le groupe Egis attire l’attention sur le fait que le guide ne pourrait se substituer à une mission d’ingénierie sur les aspects qu’il détaille. Les résultats et informations qu’il contient ne peuvent en aucun cas constituer de la part d’Elioth/Egis, une garantie de performances ou un engagement en termes de besoins énergétiques et de confort aux horizons considérés. A ce titre, Elioth/Egis ne pourrait être recherché en responsabilité en cas d’utilisation abusive autres que celles précitées.


CONTEXTE CLIMATIQUE

LE CLIMAT C’EST QUOI ? Le climat varie sans cesse, à différentes échelles de temps et d’espace, sous l’effet de différents phénomènes. Pour identifier l’importance d’un mécanisme particulier, tel que l’effet de serre, la difficulté est de parvenir à séparer son signal du « bruit » ambiant, généré par l’ensemble des variations. L’effet de serre est un phénomène naturel complexe qui contribue à maintenir l’équilibre thermique de la planète. L’énergie solaire nous parvient sous forme de rayonnement de courte longueur d’onde. Approximativement, 1/3 de ce rayonnement est réfléchi vers l’espace par l’atmosphère (nuages, poussières). Les 2/3 restants sont absorbés par l’atmosphère (20%) ou par la surface terrestre (80%), et sont alors réémis sous forme de rayonnement infrarouge de grande longueur d’onde. Or, tout rayonnement émis par la Terre est partiellement ou totalement absorbé par la vapeur d’eau, le dioxyde de carbone, et d’autres gaz naturellement présents, appelés « gaz à effet de serre » (GES). Ces gaz laissent passer le rayonnement jusqu’au sol mais retiennent 95% du rayonnement infrarouge émis par la surface terrestre, contribuant ainsi au réchauffement des couches inférieures de l’atmosphère. Les 5% de rayonnement infrarouge restants finissent directement dans l’espace. Sans la présence de ces gaz dans l’atmosphère, tout le rayonnement infrarouge émis par la surface terrestre s’échapperait vers l’espace et la température moyenne du globe serait de -18°C. Ce phénomène naturel d’effet de serre maintient la température moyenne de la Terre aux environs de 15°C et permet des conditions climatiques assez stables nécessaires à la vie. Echelles temporelles km et spatiales de phénomènes climatiques

Global 104

Températures de surface des océans & téléconnections

Régional 103 Mésoéchelle 102 Local 101

Système mousson Variabilité atlantique tropicale Ondes d’Est Systèmes convectifs Mésoechelle Cellules convectives

Grands bassins hydrologiques

Bassins versants Végétation

Effet urbain Plans d’eau, Végétation

0 Heure Cycle diurne

Jour

Saison

Cycle mensuel

Année

Cycle saisonnier

Variabilité inter-annuelle

Contexte climatique >> Le climat c’est quoi ?

15

LA MACHINE CLIMATIQUE


MÉCANISMES DE TRANSFERTS THERMIQUES Les échanges thermiques ou modes de transfert thermique entre les différentes entités du globe sont au nombre de trois et concernent l’ensemble des fluides et solides.

La Conduction L’énergie passe d’un corps à un autre, par contact, sous l’influence d’un gradient de température. Bien qu’il n’y ait pas de transfert de matière, il s’agit d’un phénomène de diffusion. Ex :

La Convection Un corps qui se déplace emmène avec lui l’énergie qu’il contient. La quantité d’énergie ainsi transportée peut être importante, notamment dans le cas d’un changement de phase. Un milieu propagateur est nécessaire comme support de la convection. Un fluide intermédiaire tel que l’air ou l’eau véhicule la chaleur d’un endroit à l’autre en se déplaçant. Ex :


Le Rayonnement (ou radiation)

Le transfert thermique global peut être formulé par la loi de refroidissement de Newton qui indique que le transfert est proportionnel à la différence de température : ø = h . (Tchaud - T froid) h : coefficient d’échange

17 Contexte climatique >> Le climat c’est quoi ?

L’énergie calorifique peut également passer d’un corps à un autre sans milieu intermédiaire. L’énergie voyage alors sous forme d’ondes électromagnétiques se propageant en ligne droite à travers l’espace et les fluides jusqu’à ce qu’elle soit absorbée ou réfléchie. Ex :


LE BILAN ÉNERGÉTIQUE MOYEN ANNUEL DE LA TERRE... w/m²

Entrant

w/m²

Vu de l’espace.

Sortant

Le bilan énergétique de la terre, vu de l’espace, s’équilibre : le rayonnement solaire incident correspond bien à la somme de ce qui est réfléchi (par l’atmosphère et la surface), à quoi il faut ajouter ce qui sort sous forme d’infrarouges.

Rayonnement visible Rayonnement infrarouge Emission terrestre

Rayonnement solaire incident

+341 -79

Rayonnement réfléchi par nuages, atmosphère et aérosols

Rayonnement absorbé par l’atmosphère

Rayonnement solaire réfélchi en surface

+78

Chaleur sensible

-23

Rayonnement absorbé par la surface Source : www.universcience.fr / Yves Sciama / Lena Mazilu

-161

+17


Vu de l’atmosphère.

Vu du sol.

Rayonnement réémis sous forme d’infrarouges

-199

-40

-333

Rayonnement réémis vers le bas

(Effet de serre)

+396 +80

Evapotranspiration (Chaleur latente)

Rayonnement infrarouge réémis

Fenêtre atmosphérique

19 Contexte climatique >> Le climat c’est quoi ?

Le sol reçoit l’énergie sous deux formes : rayonnement visible du soleil, rayonnement infrarouge issu de l’atmosphère. Il réémet celle-ci sous deux formes également : infrarouge, et la composante chaleur sensible + évapotranspiration.

L’atmosphère émet dans deux directions, le bas et le haut. La somme de ces émissions correspond à ce qu’elle absorbe sous trois formes : rayonnement solaire visible, rayonnement infrarouge issu du sol et l’ensemble non rayonné : chaleur sensible + évapotranspiration.


LES ZONES CLIMATIQUES DU GLOBE Le climat d’une région dépend principalement de la quantité de rayonnement solaire reçue chaque année, donc directement de sa latitude. Plus on s’éloigne de l’équateur vers le nord ou vers le sud, plus les rayons du soleil atteignent la terre à l’oblique et moins l’énergie est concentrée. D’autres facteurs naturels influencent le climat, comme l’exposition aux vents dominants en façade maritime, les reliefs, les courants marins, les volcans, etc. Les zones climatiques caractéristiques des Biomes du globe terrestre sont au nombre de 5 : • une zone froide nord allant du pôle nord au cercle polaire arctique ; • une zone tempérée Nord (entre le froid et le chaud) allant du cercle polaire arctique au tropique du Cancer ; • une zone chaude allant du tropique du Cancer au tropique du Capricorne en passant par l’Equateur ; • une zone tempérée sud allant du tropique du Capricorne au cercle polaire Antarctique ; • une zone froide sud allant du cercle polaire Antarctique au pôle Sud. Il importe toutefois de bien comprendre que l’on passe insensiblement d’une zone dans une zone voisine. Ces zones sont forcément très étendues et leurs caractéristiques nommées ici ne peuvent être que fort générales. L’altitude, la proximité ou l’éloignement de la mer, les courants marins, le voisinage d’une montagne ou d’une forêt influencent aussi les éléments du climat. Ces facteurs permettent de distinguer dans les zones climatiques des climats régionaux et même des climats locaux. Zones climatiques de la Terre et circulation atmosphérique (source : http://www.neroucheffmichel.be

Zon et emp éré e

Nor d

Zon ef roi de Nor d

Pôle

Nord

Cer

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Zon et emp éré e

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Sud du ique

Zon ef roi de Sud Pôle

Trop Cerc Sud

ique

tarct

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lair le po

e

icorn

Capr

er

Canc


Équatorial

Tropical

Classification des grands climats terrestres

Mousson

Méditerranéen

Océanique

Tempéré

Continental

Montagnard

Contexte climatique >> Le climat c’est quoi ?

Aride

Polaire

21

30°S

Equateur

30°N

60°N


L’HOMME ET L’AMBIANCE CLIMATIQUE Le présent chapitre n’a pas pour objet de développer les interactions entre l’homme et le climat dans la manière de bâtir à travers le monde. En effet les techniques constructives propres à l’architecture vernaculaire ou bioclimatique ne font pas l’objet du présent guide mais seront traités dans un prochain volume de la collection IEC. On s’intéresse alors ici aux échanges entre l’homme et son milieu. Du fait d’une activité métabolique constante, l’homme est en échange de chaleur permanent avec son environnement et l’air ambiant (illustration ci-contre). On recense 6 types d’échanges thermiques entre le corps et l’ambiance à savoir : • la convection à la surface du corps (~35%) ; • le rayonnement (~35%) ; • la respiration, sudation, perspiration (~28%) ; • la conduction (~2%) . Egalement, les paramètres influençant les pertes thermiques du corps humain dans l’ambiance sont : • La température des parois ; • La température de l’air ; • La vitesse de l’air ; • L’humidité ; • Le métabolisme ; • L’habillement. L’habillement constitue la première barrière thermique contre le rayonnement, la convection et la conduction de chaleur.


Bilan thermique de l’être humain

Contexte climatique >> Le climat c’est quoi ?

23

CONVECTION CONDUCTION EVAPORATION

RAYONNEMENT INFRAROUGE


CONTEXTE CLIMATIQUE

PSYCHOLOGIE DU CHANGEMENT CLIMATIQUE TEMPS VERSUS CLIMAT : LA CONFUSION

VS CO2 40 30

A2

Intense

20 B2

Modéré

10

0 1990

Prévisions météorologiques à court terme

2010

2030

2050

2070

2090

t

Projections climatiques à long terme

Aucun météorologue ou climatologue ne confondraient le temps (« weather » en anglais) avec le climat. Cependant, les media et en général le public le font quotidiennement. Quel scientifique n’a jamais été confronté à la question : « il fait froid ce printemps… le réchauffement climatique doit être un mythe » ? Evidemment, nous pouvons remplacer « printemps » par « semaine, mois, année, décade ». Ou encore une personne se souvenant qu’il faisait beaucoup plus chaud à telle ou telle période quand il était enfant. Le GIEC a pourtant abordé cette question et expliqué la nature du temps et du climat dans son 4e rapport, le rôle du chaos, et la différence entre des prévisions météorologiques déterministes et des projections statistiques climatiques. Cependant, cette explication reste complexe pour les journalistes, les politiciens et le public en général, malgré tous les efforts de vulgarisation. La compréhension de ces explications requiert une bonne idée du mode de fonctionnement du système climatique, via le temps (« time » en anglais) sur une variété d’échelles spatiales. Comprendre les échelles de temps, les interactions du forçage et de la variabilité naturelle, l’évolution de nombreuses composantes climatiques à différentes échelles temporelles et la projection de ces changements dans des systèmes variés est la base de la science du climat.


Y-A T-IL UN RÉCHAUFFEMENT CLIMATIQUE ?

UN CHANGEMENT CLIMATIQUE : UNE MODIFICATION DURABLE DES PARAMÈTRES STATISTIQUES DU CLIMAT.

Différence de température globale moyenne de surface par rapport à la moyenne 1961-1990, sur la période 1880-2009 (Globalwarming Art, décembre 2007). Anomalies de températures (°C) 0.6

0.4

0.2

0

-0.2

-0.4 1880

1900

1920

Moyenne annuelle

1940

1960

1980

Moyenne quinquennale

2000

Année

25 Contexte climatique >> Psychologie du changement climatique

Un changement climatique correspond à une modification durable (de la décennie au million d’années) des paramètres statistiques (paramètres moyens, variabilité) du climat global de la Terre ou de ses divers climats régionaux. Ces changements peuvent être dus à des processus intrinsèques à la Terre (El Niño), à des influences extérieures (volcans, etc…) ou, plus récemment, aux activités humaines. Depuis le début de l’ère industrielle, les activités humaines modifient la concentration de GES dans l’atmosphère. En renforçant la capacité de l’atmosphère à absorber de l’énergie, nos émissions de GES perturbent l’équilibre radiatif entre l’énergie solaire incidente et le rayonnement infrarouge terrestre réémis vers l’espace. De ce fait, une proportion toujours plus importante de rayonnement infrarouge est retenue dans l’atmosphère et contribue à son réchauffement. Depuis le début du 20ème siècle, la température moyenne a augmenté de 0,5°C (ci-dessous). Les records de chaleur se sont concentrés dans les années récentes (WMO, 2003) : l’année 2003 se situe au 3ème rang des années les plus chaudes au-dessus de la normale 1960-1990 (+0,45°C), juste derrière 2002 (+0,48°C). Le record est détenu par l’année 1998 (+0,55°C).


La Terre se réchauffe donc et ce réchauffement est en large partie dû à l’Homme et aux émissions de gaz à effet de serre. Bien sûr, aujourd’hui n’est pas forcément une journée plus chaude qu’hier, tout comme chaque année n’est pas plus chaude que la précédente ou encore que chaque décade sera plus chaude que la dernière. Ainsi, avoir des décades plus froides n’est pas incompatible avec une tendance au réchauffement climatique observée sur un siècle. Il y aura inévitablement des mois froids, des chutes de neige importantes ou des journées très froides au cours du 21ème siècle. En effet, une intensification du cycle hydrologique ou encore une augmentation de l’intensité des cyclones pourrait accroître la probabilité d’événements froids extrêmes dans le futur. Le réchauffement climatique est bien sûr caractérisé par ces tendances et les moyennes aux larges échelles. Cependant, les moyennes ne sont en général que peu affectées par les événements extrêmes se produisant à une fréquence plus rare.

L’EVIDENCE D’UN RÉCHAUFFEMENT L’idée que la Terre se réchauffe du fait des émissions de gaz à effet de serre dans l’atmosphère est un des concepts les plus avérés en science naturelle. Cette idée que les gaz à effet de serre augmentent le forçage radiatif, c’est-à-dire la température de la Terre, est ancienne et a résisté à de nombreuses analyses pour finalement en sortir intacte. Les publications scientifiques qui fournissent l’évidence que les émissions de gaz à effet de serre dues à l’Homme au cours du 20e siècle induisent des augmentations de température et des changements sur les précipitations, les vents, l’humidité, le niveau de la mer, l’acidité des océans, la couverture neigeuse, etc., ont été rigoureusement évaluées par le GIEC dans une série de rapports. Le consensus du monde scientifique et académique n’a jamais été aussi important qu’aujourd’hui. Malgré un manque presque total de preuves du contraire, une part considérable du public, journalistes, et politiciens émettent de sérieux doutes quant à la science du réchauffement climatique. Ce scepticisme augmente d’autant plus que la certitude scientifique d’un réchauffement climatique croît. Nous devons agir rapidement pour réduire les émissions de gaz à effet de serre, mais ce message est soit mal entendu, soit rejeté, soit sans action. Pourquoi cette « déconnexion » entre la science et la perception du public/media sur l’apparition d’un tel problème ? Ce phénomène implique de fortes conséquences humaines et environnementales à moyen et long terme. Améliorons alors la communication d’un sujet complexe comme celui du climat ! A nous, à vous aujourd’hui, d’en devenir les acteurs !

LE RECHAUFFEMENT CLIMATIQUE : UN DES CONCEPTS LES PLUS AVÉRÉS EN SCIENCE NATURELLE.


CONTEXTE CLIMATIQUE

MODELE CLIMATIQUE

Le choix des scénarios de changement climatique est une démarche relativement arbitraire. Six familles de scénarios ont été définies par le GIEC. Les scénarios habituellement considérés sont les scénarios B1, B2, A1B, et A2, qui constituent des scénarios croissants d’émissions de GES relativement contrastés. Les autres scénarios sont souvent considérés comme des variantes. Ainsi, l’on peut voir dans le graphique ci-dessous que le scénario A2 (le plus pessimiste) est identique au scénario B2 (scénario modéré) en termes d’augmentation de température à l’horizon 2050. La tendance de l’évolution de la température se différencie entre ces deux scénarios après cette date. Comparaison de l’évolution des températures moyennes annuelles du globe suivant différents scénarios du GIEC, (Weaver, 2003) °C 6

A1T

5

A2

4

A1F1 B2

A1B 3

A1B

2

1 0

Années 2000

2020

2040

2060

2080

2100

Pour information, le GIEC publiera son prochain rapport d’évaluation début 2014 et au vu des récentes études, les estimations pourraient être revues à la hausse.

27 Contexte climatique >> Modèle climatique

Dans les travaux du Groupe d’experts Intergouvernemental sur l’Évolution du Climat (GIEC), le terme « changement climatique » fait référence à tout changement dans le temps, qu’il soit dû à la variabilité naturelle ou aux activités humaines. Au contraire, dans la Convention-cadre des Nations Unies sur le changement climatique, le terme désigne uniquement les changements dus aux activités humaines. La Convention-cadre utilise le terme « variabilité climatique » pour désigner les changements climatiques d’origine naturelle. Les projections des modèles climatiques présentées dans le dernier rapport du GIEC (IPCC, 2007) indiquent que la température de surface du globe est susceptible d’augmenter de 1,1 à 6,4°C supplémentaires au cours du XXIe siècle. Les différences entre les projections proviennent de l’utilisation de modèles climatiques ayant des sensibilités différentes pour les concentrations de gaz à effet de serre et utilisant différentes estimations pour les émissions futures. La plupart des études portent sur la période allant jusqu’à l’an 2100. Cependant, le réchauffement devrait se poursuivre au-delà de cette date même si les émissions s’arrêtent en raison de la grande capacité calorifique des océans et de la durée de vie du dioxyde de carbone dans l’atmosphère.


Dans le cadre de nos études, il nous semble important de donner un poids particulier au scénario A2, et ce pour au moins quatre raisons : • il constitue le scénario le plus pessimiste, et dans le contexte de forte incertitude (voir barre d’erreur à droite de la figure précédente, sa prise en compte correspond à l’application du principe de précaution ; • aux horizons 2030 et 2050, les effets attendus des changements climatiques sont encore « modérés » ; • bien que le 4ème rapport du GIEC estime qu’en fonction du scénario climatique, le niveau global moyen des océans pourrait monter de 0,18 à 0,59 m au cours du 21ème siècle, de nombreux auteurs ont suggéré que ces valeurs seraient sous-estimées du fait de la stabilité incertaine du Groenland et de la banquise Ouest de l’Antarctique. • enfin, la communauté scientifique s’accorde à dire que le scénario A2, présenté comme une hypothèse « haute » dans le 4ème rapport du GIEC, devrait se retrouver en hypothèse « médiane » dans le 5ème rapport.

LA TEMPÉRATURE DE SURFACE DU GLOBE EST SUSCEPTIBLE D’AUGMENTER DE 1,1 À 6,4°C SUPPLÉMENTAIRES AU COURS DU XXIE SIÈCLE.

LE NIVEAU GLOBAL MOYEN DES OCÉANS POURRAIT MONTER DE 0,18 À 0,59M AU COURS DU 21ÈME SIÈCLE.


CONTEXTE CLIMATIQUE

MICRO CLIMAT La ville par ses matériaux, ses formes et ses activités humaines modifie l’espace naturel. Ces transformations locales entrainent des modifications d’humidité, de vent, de température et même de précipitations par rapport aux zones rurales avoisinantes : la ville crée son propre climat urbain. L’effet le plus ressenti est l’écart significatif des températures au cœur des villes par rapport à la périphérie rurale (cf figure ci-dessous). Ce phénomène, appelé ilot de chaleur urbain (ICU), a de nombreuses causes (faible ouverture du tissu urbain, matériaux absorbant la chaleur, absence de végétation, sources de chaleur, etc.), mais aussi de nombreuses conséquences, en particulier durant les fortes chaleurs d’été : diminution du confort en ville, augmentation de la demande en climatisation, augmentation de la pollution, risques pour la santé. La surmortalité de l’épisode caniculaire de 2003 en Europe a été, en effet, beaucoup plus marquée en ville. Effet d’îlot de chaleur urbain : profil de température lors d’une journée estivale moyenne (source : Laurence Berkeley National Laboratory)

°C

Rural

Périurbain

Cœur urbain

Périurbain

Rural

33 32 31 30

Les prévisions de changement climatique annoncent une accentuation du stress thermique des villes. Ces dernières sont habituellement adaptées au climat dans lequel elles ont été construites (urbanisme et architecture vernaculaire). Cependant, le réchauffement climatique pourrait affecter le confort interne et externe des lieux de vie. Quelles solutions et quelles stratégies d’adaptation existent-ils pour améliorer le confort des villes, et diminuer l’impact du changement climatique ? Comment les villes peuvent-elles être résilientes face aux risques climatiques ? Ce guide propose des outils d’aide à la décision pour caractériser les vulnérabilités urbaines et celles des bâtiments en termes de besoins énergétiques et de confort extérieur dans un contexte de changement climatique. En effet, il devient nécessaire aujourd’hui de quantifier ces vulnérabilités actuelles et futures afin de pouvoir anticiper les risques climatiques via des stratégies d’adaptation et ainsi améliorer la résilience climatique des villes.

Contexte climatique >> Micro climat

29

L’EXEMPLE DE L’ÎLOT DE CHALEUR URBAIN


METHODOLOGIE D’ANALYSE CLIMATIQUE

GENERATION STATISTIQUE DES DONNEES

DONNÉES MÉTÉONORM La base de données climatique Meteonorm (www.meteonorm.com) est avant tout une méthode de calcul de la radiation solaire sur des surfaces orientées de bâtiments pour un site précis. Cette base de données a été construite par le « Swiss Federal Office of Energy » en 1985. Depuis, celle-ci est constamment mise à jour. Elle fournit les paramètres de radiation ainsi que plusieurs paramètres météorologiques tels que la température ou encore la vitesse du vent. Les valeurs peuvent être obtenues en moyennes mensuelles ou annuelles ou selon une série temporelle d’un pas de temps horaire. Pour plus d’informations sur la chaine d’algorithmes, se référer aux publications de Remund et al. (1998), de Remund and Kunz (2003), de Remund et al. (2007) ou de Badescu (2008).

La qualité et la pertinence des données sont dépendantes du choix de celles-ci. Bien que les données d’observations reflètent les caractéristiques spécifiques d’un site local, il y a toujours des erreurs de mesures. Les valeurs mensuelles mesurées et interpolées étant d’une précision similaire, ces erreurs tendent cependant à être compensées par le processus d’interpolation. L’erreur d’interpolation sur les valeurs mensuelles de la radiation est estimée à moins de 10%, celle pour la température à 1,5°C. La base de données de radiation de Meteonorm est construite sur une période de 20 ans, les autres paramètres étant moyennés sur les périodes 1961-1990 et 1996-2005. Les comparaisons avec des séries temporelles plus longues montrent une différence sur la radiation totale moyenne d’un peu moins de 2% pour toutes les stations météorologiques. De plus, le modèle permettant d’obtenir des valeurs horaires tend à légèrement surestimer la radiation totale du même ordre de grandeur (selon le modèle utilisé) sur les surfaces inclinées.

* Programme de recherche sur la ville résiliente. www.resilis.fr

33 Méthodologie d’analyse climatique >> Génération statistique des données

La méthodologie développée dans le cadre du programme de recherche ANR Resilis*, consiste à rassembler des valeurs horaires sur la période 2050-2100. Pour cela, les données horaires pour la période 1996-2005 de la base de données Meteonorm sont utilisées comme représentation du climat passé. Quant aux données climatiques futures, celles-ci sont obtenues via le modèle Arpège de Météo-France pour deux scénarios du GIEC à savoir B2 (modéré) et A2 (pessimiste) Des interpolations entre les données passées et futures (méthodologie présentée ci-dessous) sont alors réalisées afin de créer des données climatiques horaires sur la période 2050-2100.


DONNEES MÉTÉO FRANCE Les données climatiques futures sont obtenues à partir du simulateur climatique développé par Météo-France (voir bibliographie). Ce modèle calcule les conséquences journalières du climat futur en France pour la période 2050-2100 pour deux scénarios climatiques B2 et A2 via le modèle ARPEGE-Climat développé par Météo-France sur une résolution spatiale de 40 km. L’utilisation de ce simulateur nous permet d’obtenir une estimation possible du climat futur malgré les incertitudes du modèle et le comportement chaotique de l’évolution du système climatique. Les écarts types considérés ici pour l’évolution des températures en 2100 sont de ±0.7°C pour le scénario B2 et de ±1°C pour le scénario A2. Il faut savoir que seule la tendance de l’évolution des paramètres climatiques peut être considérée et non un résultat spécifique pour un jour, une saison ou une année en particulier. Le simulateur climatique calcule les températures minimales et maximales à 2 mètres, le rayonnement horizontal global, les précipitations ainsi que l’humidité relative pour les deux scénarios climatiques pour la période 2050-2100 en France. Les études ont été réalisées pour une dizaine de villes françaises : Paris, Orléans, Mante-la-Jolie, Nantes, Bordeaux, Toulouse, Clermont-Ferrand, Marseille, Besançon et Strasbourg. Ces villes ont été choisies du fait de leur différence de climat. Par ailleurs, ce choix s’est aussi porté sur les villes pilotes (Paris, Orléans, Mantes-la-Jolie) du projet de recherche ANR RESILIS du fait de leur vulnérabilité aux inondations et aux effets d’ilots de chaleur urbain. La localisation de ces villes est représentée sur la carte cidessous. e

joli te la Man Paris ns

nçon

Orléa

es

Nant

g

bour

Stras Besa d

erran

ont-F

Clerm eaux

Bord

use

Toulo

eille

Mars

Afin d’obtenir des données horaires de température à partir de données journalières de Météo-France, les mêmes données sont tout d’abord générées pour les 10 villes étudiées via la base de données de Meteonorm pour la période 1996-2005. Une interpolation des données quotidiennes de température de Météo-France est alors réalisée sur les données horaires de température issues de Méteonorm.


METHODOLOGIE D’ANALYSE CLIMATIQUE

OUTIL DE CLIMATOLOGIE OUTIL D’INTERPOLATION CLIMATIQUE Utilisateurs / destinataires

Construction d’une climatologie horaire au niveau local pour la température et le rayonnement global à partir d’observations Meteonorm sur les 30 dernières années et des scénarios climatiques A2 et B2 du GIEC aux horizons 2050 et 2100 issus du modèle de Météo-France.

Collectivité, bureaux d’études.

Méthodologie b

Scénarios climatiques 2050-2100

β

Fj(t)

Fj(t)

Données climatiques journalières  Outil d’interpolation pour l’obtention de données climatiques horaires

α Jour j

a Jour j

Principe d’interpolation

Résultats 700

Base 1996-2005 2050 A2 2100 A2

600

nombre d'heures

Création d’une base de données climatiques horaires pour la période 2050-2100 selon deux scénarios climatiques A2 (pessimiste) et B2 (modéré).

500 400 300 200 100 0 -15°

-5°

15°

25°

température (°C)

35°

35 Méthodologie d’analyse climatique >> Outil de climatologie

Finalité

45°

Distribution des températures annuelles pour différents scénarios

Domaine d’application

Intérêts

Etude des projections climatiques de température pour un pas de temps horaire pour différents horizons temporels (ex : 2050, 2080, 2100).

Cette méthodologie permet d’obtenir les données climatiques d’entrée d’un outil de suivi d’indicateurs de vulnérabilité climat/énergie ou d’un outil de simulation thermique dynamique.


INDICATEURS CLIMATIQUES

TENDANCES MONDIALES

39 Indicateurs climatiques >> Tendances mondiales

Depuis la révolution industrielle et la montée en puissance des activités anthropiques à fortes externalités carbonées, la planète Terre est en déséquilibre. Ces déséquilibres qui se ressentent déjà aux travers de phénomènes climatiques extrêmes ne sont que les prémices de conséquences à plus long terme. L’imbrication des conséquences d’activités humaines modifie la chaîne climatique de façon multi-scalaire et c’est la survie de des espèces qui va jusqu’à être menacée.

Courant chaud

Rayonnement ultraviolet et visible

Courant froid

Rayonnement infrarouge


DISPARITÉS CLIMATIQUES Les DJU signifient littéralement Degrés Jours Unifiés. Ils permettent d’estimer en première approche, une consommation de chaud ou de froid selon une température de consigne donnée. Pour le bâtiment en France, les DJU base 18 (i.e. température de consigne de 18°C) font en général référence pour estimer en première approche les besoins de chauffage d’un logement. Dans la planisphère ci-dessous, nous avons également évalué la demande potentielle de rafraîchissement avec une température de consigne haute de 26°C.

cou

Mos Salte

Lake

Paris

City

r

Alge

toum

Khar

nai

Chen

rta

Jaka

asilia

Br

Équatorial

Tropical

Mousson

Méditerranéen

Océanique

Tempéré

Aride

Continental

Montagnard

Polaire


DJU Froid / ville

26 18

T° de consignes DJU Chaud / ville

N

180°

180° 180°

180°

0

0

0

37

0

0

246

954

0

2012 2050 2012 2050

0

26

0

54

620 0

620 0

1180 1180 0 0

673

2012 2050 2012 2050

BRASILIA Brasilia BRASILIA 6

6

3

3

126 0

N

N

N

180° 180°

126 0

N

N

180°

673

2012 2050 2012 2050

2012 2050 2012 2050

2012 2050 2012 2050

87

87

933

2012 2050 2012 2050

N

180°

54

JAKARTA Jakarta JAKARTA

1965 1965 0

26

2030 933 2030

2353 2408 2353 2408

CHENNAI Chennai CHENNAI 954

4

4

2012 2050 2012 2050

KHARTOUM Khartoum KHARTOUM

2422 2422

246

3079 3079

3681 4561 3681 4561 2012 2050 2012 2050

1583 1583 0 0

37

ALGER Alger ALGER

PARIS Paris PARIS

SALT LAKE CITY Lake City Salte SALT LAKE CITY

MOSCOU Moscou MOSCOU 0

41

N

180° 180°

La course solaire de Paris et Salt Lake City est relativement semblable alors que leurs climats sont différents. Par exemple, l’orientation de panneaux solaires sera identique mais il n’en sera pas de même pour les choix de parti urbains et architecturaux. Notons dans les deux cas une diminution tendancielle de la demande de chaleur à horizon 2050 associée à une augmentation importante de la demande de froid en valeur relative.

Indicateurs climatiques >> Tendances mondiales

N N


INDICATEURS CLIMATIQUES

L’ALEA CLIMATIQUE EN FRANCE DISPARITÉS CLIMATIQUES Distribution des températures moyennes sur le territoire français Mois Janvier Février Mars Mois

Janvier Avril Février Mai Juin Mars Juillet Avril Aout Mai Septembre Juin Octobre Juillet Novembre Aout Décembre Septembre

Octobre

0 5 10 15 20 0 5 10 15 20 0 5 10 15 20 0 5 10 15 20 0 5 10 15 20 0 5 10 15 20 0 5 10 15 20 0 5 10 15 20 0 5 10 15 20 0 5 10 15 20

Nantes Besançon Clermont Mantes- Orléans Ferrand la-Jolie

Novembre

Paris Strasbourg Bordeaux Toulouse Marseille

Décembre 0 5 10 15 20 0 5 10 15 20 0 5 10 15 20 0 5 10 15 20 0 5 10 15 20 0 5 10 15 20 0 5 10 15 20 0 5 10 15 20 0 5 10 15 20 0 5 10 15 20

w/m² Nantes Besançon Clermont Mantes- Orléans Ferrand la-Jolie

Paris Strasbourg Bordeaux Toulouse Marseille

Disparité du rayonnement solaire en France pour les mêmes villes. 1000

900 w/m² 800

1000 700

900 600

800 500

700 600 500 400 300

400 300 200 100 0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

240

260

280

300

200

320

340

360

Jour de l’année

100 0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

240

260

280

300

320

340

360

Jour de l’année


OUTIL DE SUIVI D’INDICATEURS DE VULNÉRABILITÉ CLIMAT/ÉNERGIE Finalité

Utilisateurs / destinataires

Évaluation d’indicateurs de vulnérabilité climat/énergie selon l’influence du climat local.

Collectivités, architectes, bureaux d’études

Méthodologie DJU < 18°C

DJU > 25°C

1

1

1

10

2 3 4

7 1200 6

5

9 1000 8 2000

2

10 3

9 400 8 400

4 7 3000 6

5

Météonorm Eurostat (1996-2005)

2

Scénario A2 (2050-2100 3 4

7 1200 6

5

Valeurs moyennes des indicateurs NHT28*, DJU18 et DJU25 pour 10 villes françaises pour les scénarios climatiques A2 et B2 (Tromeur et al, NHESS, 2012).

Evolution DJU Froid (%)

900 800 700 600 500 400 300 200 100

0 -25

-20

-15 -10 -5 0 Evolution DJU Chaud (%)

Besançon Bordeaux

5

10

Clermont-Ferrand Mante la Jolie

1. Besançon 2. Bordeaux 3. Clermont-Ferrand 4. Mante la Jolie 5. Marseille 6. Nantes 7. Orléans 8. Paris 9. Strabourg 10. Toulouse

Scénario B2 : Evolution DJU Chauds et Froids (%) 900 800 700 600 500 400 300 200 100

Evolution DJU Froid (%)

Scénario A2 : Evolution DJU Chauds et Froids (%)

Scénario B2 (2050-2100

0 -25

-20

Marseille Nantes

-15 -10 -5 0 Evolution DJU Chaud (%)

Orléans Paris

5

10

Strabourg Toulouse

Evolution des besoins chauds et froids des périodes 1996-2005 à 2050-2100 pour 10 villes françaises (diamètre des bulles fonction de l’évolution de NHT28 : +50% dans la légende).

Domaine d’application

Intérêts

Diagnostic de vulnérabilités climatiques et de résiliences fonctionnelles et bio-physiques d’un service, d’un réseau ou d’un ensemble de sous-systèmes interdépendants.

• Mise en évidence de vulnérabilités climatiques, avec éléments quantifiés ; • Aide à la décision : hiérarchisation, actions.

* L’indicateur NHT28 représente le nombre d’heures pour lequel la température ext. dépasse 28 °C

Indicateurs climatiques >> L’aléa climatique en France

NHT > 28°C

10 9 400 8 800

43


2 0

2100

40 20

INDICATEURS CLIMATIQUES 0

LA METROPOLE PARISIENNE 500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

5000

5500

6000

6500

7000

7500

8000

8500

Heure de l’année (h)

ANALYSE CLIMATIQUE PROSPECTIVE Nb d’heures 600 (C°) T moy_ext T moy_ext (C°)

2000 2000 2000

40 400 40 20 200 20 0 0 6000

2050 20502050

40 40 400

20

200 20

0

0 6000 400 40

2100 2050 2100 2100 40

200 20 0 600 0 0 400

20

2100

200

500

500

1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000

6500 6500

7000 7000

0 600

7500 7500

8000 8000

8500 8500

Heure de l’année (h) Heure de l’année (h)

Tendance des températures moyennes extérieures parisiennes en 2000, 2050 et 2100 selon le scénario A2 du GIEC. 400

500 Nb200d’heures Nb d’heures 600

600

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

5000

5500

6000

6500

7000

7500

8000

8500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

5000

5500

6000

6500

7000

7500

8000

8500

0

400

2000

0 0 600 600 400 200

200

0 600 0 600 400

2100

B22050

400

2100

200

200

2050

2000

400

400

200

0 600 0 600 400

2100

2050 2050

400 200 0 600 0 400 600

200

2100 2100

A2 2050

200

400 200 200

500

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500 7000 7500 8000 8500 -10 -9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 -3 37 38 39 40

Text (°C)

0

Distribution des températures parisiennes selon les scénarios A2 et B2 en nombre d’heures > à X°C

0

600 400


OUTIL DE SUIVI D’INDICATEURS DE VULNÉRABILITÉ CLIMAT/ÉNERGIE Utilisateurs / destinataires

Evaluation d’indicateurs de vulnérabilité climat/énergie.

Collectivités, architectes, bureaux d’études

Méthodologie Indicateurs climatiques

Scénarios climatiques

Données fixes

Scénario B2

Données Climatiques 2050-2100

Scénario A2

Vulnérabilité fonctionnelle

DJU chaud

NHT>28°C

DJU froid

GH

Vulnérabilité bio-physique

Consommation de chaud Pic de puissance pour appel de puissance froid

Problèmes d’approvisionnement énergétique

Confort

Production annuelle des technologies solaires Adaptation des bâtiments

Inconfort dans les bâtiments

Dégagement de chaleur dans les espaces extérieurs

Inconfort dans les espaces extérieurs

Santé

Energie

Consommation de froid

Incapacité à se loger dans de bonnes conditions, à assurer les secours

Risque de maladies

Résultats

Risque de canicule

2050: Etat initial

Arbre de vulnérabilité sur l’énergie, le confort, et la santé Evolution 2050 > 2100

Impact du changement climatique sur l’environnement urbain : caractérisation des scénarios de vulnérabilité via 4 indicateurs climat/énergie : • Besoins en chaleur (DJU18) ; • Besoins en refroidissement (DJU25) ; • Nombre d’heures où T>28°C (NHT28) ; • Rayonnement global horizontal (GH).

Exemple d’évolution 2050-2100 des indicateurs climatiques pour Paris ci-contre.

Domaine d’application

Intérêts

Diagnostic de vulnérabilités climatiques et de résiliences fonctionnelles et bio-physiques d’un service, d’un réseau ou d’un ensemble de sous-systèmes interdépendants.

• Mise en évidence de vulnérabilités climatiques, avec éléments quantifiés ; • Aide à la décision : hiérarchisation, actions.

45 Indicateurs climatiques >> La métropole parisienne

Finalité


CONSTATS ET ENJEUX URBAINS

CONSEQUENCES D’UN DEPHASAGE Selon les modèles climatiques cités précédemment et comme vu dans les exemples précédents la perspective d’un changement climatique entraînerait une baisse tendancielle des besoins de chaleur et une hausse des besoins en froid. Ceci est dû au déphasage probable de la courbe de répartition des températures vers les extrêmes chauds mis en évidence par le GIEC dans ses différents rapports (cf. figure ci-dessous).

Climat futur

Augmentation de la température moyenne

Froid

Source : GIEC

Chaud Très chaud Température

Il s’agit alors ici d’évaluer les conséquences du déphasage des températures sur le cadre bâti et notamment les consommations futures. Ainsi, les calculs qui suivent prennent en compte différentes typologies de bâtiment plongées dans un « bain climatique » représentatif d’un futur probable. Les données analysées en sortie sont les besoins en chaleur et en rafraîchissement induits par une modification du climat.

LE CHANGEMENT CLIMATIQUE ENTRAÎNERAIT UNE BAISSE TENDANCIELLE DES BESOINS DE CHALEUR ET UNE HAUSSE DES BESOINS EN FROID.

Constats et enjeux urbains >> Conséquences d’un déphasage

Occurence

49 Climat actuel


CONSTATS ET ENJEUX URBAINS

LE BATI FACE AU CHANGEMENT CLIMATIQUE HYPOTHÈSES Hypothèses climatiques Le calcul des consommations futures d’un bâtiment à horizon 2050-2100 est un exercice périlleux, ainsi il convient de poser certaines hypothèses structurantes concernant notamment le choix des données climatiques à savoir : • Les fichiers de référence pour le climat actuel sont issus de données statistiques sur 10 ans extraits de la base de données climatiques Météonorm et sont réputés représentatifs d’une année moyenne pour la localisation considérée ; • Les fichiers climatiques futurs sont issus de la méthodologie détaillée p. 33 pour le scénario A2 (scénario pessimiste). Parmi l’ensemble des années générées, le fichier climatique retenu est celui correspondant à l’année la plus proche de la valeur d’interpolation représentative de la tendance autour de l’horizon considéré (2050 et 2100) ; • Comme explicité p. 24 la différence entre prévisions et projection implique de considérer les résultats de manière relative ou tendancielle autours d’un horizon.

Hypothèses thermiques et typologiques Les hypothèses de calcul du présent guide sont rappelées en annexe. Pour une description de l’ensemble de la méthodologie de calcul des consommations et de choix des hypothèses, le lecteur pourra se référer au Guide IEC1 : Enveloppe. • Dans les calculs qui suivront, seuls les besoins en chauffage et en rafraîchissement sont considérés (secteurs bleus et rouge du guide de lecture ci-contre) ; • L’évolution des besoins en éclairage et en ventilation est considérée comme relevant du second ordre du fait de la faible variation des valeurs de rayonnement global dans les modèles de projections climatiques et la présence d’un dispositif de ventilation entièrement mécanique dans la typologie de référence ; • La solution constructive de référence pour chaque typologie est celle du guide IEC1 Enveloppe dite système base/enveloppe base. Il s’agit donc d’un bâtiment à performances thermiques initiales plutôt faibles ; • Également, la modélisation ne fait pas l’objet d’hypothèses de rupture technologique sur les choix constructifs et « plonge » donc un bâtiment actuel dans un climat de demain toutes choses égales par ailleurs.


ip

g*

Utf

fv

%

Indice de perméabilité à l’air

Transmission lumineuse

Facteur solaire été

ge

iv

Coefficient de déperdition moyen total

Gestion de l’éclairage

Taux de renouvellement en ventilation naturelle nocturne

Taux de renouvellement en ventilation naturelle diurne

Part d’inertie vue

hc Coefficient d’échange inertiel moyen

Valeur du poste énergétique considéré

Somme pondérée en Énergie Primaire sur les postes considérés

Valeur du poste éclairage dans le cas cloisonné

Fraction vitrée

Rappel légende :

Résultats :

A chaque incrément d’un paramètre (enveloppe ou système) les besoins ou consommations évoluent. Les flèches colorées triangulaires traduisent le sens de variation du poste énergétique.

Sens de variation du poste de consommation :

g*

%

i

Utf

10

g*

80

g

τ

80

τ

g*

10

70

τ

70

τ

ip

Grad. = Gradable

ge

ip

Éclairage

0,6

ip

1

ip

1

ip

1

ip

1





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









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iv

0

0

0

0

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

hc



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

man.

ge

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50%

Systéme_BASE

fv









0

hc



0

iv

Performance croissante

0



ge





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

iv







0

ge

Besoins en chaud en Énergie utile















3 50 1

hc











Constats et enjeux urbains >> Le bâti face au changement climatique

Notas et précisions

1





 













Fraction vitrée

La somme en énergie primaire est calculée sur la base d’un bâtiment chauffé/refroidi (η = 80% / EER = 2,5) Pour l’éclairage, la valeur noircie correspond au cas cloisonné.

Man. = Manuelle

hc

fv

τ

70

10

g*

20

g*

20

Chaleur Froid Besoins Ventilation Consommations

1,0

1,0

50

50

Utf

fv

Utf

1,0

50

fv

Utf

1,0

50

fv

Utf

1,4

50

fv

Utf

fv

RESULTATS

TERTIAIRE >> IGH

Typologie programmatique

iv

80 1

5



0









hc











5

hc



2





80 1

iv





Ventilation en Énergie finale

grad.

ge



Éclairage en  Énergie finale 







ge

grad.

Besoins en froid en Énergie utile

Enveloppe_BASE

57

Tertiaire >> IGH

Guide de lecture issu du guide d’interactions energie-climat : Enveloppe

51


CODES DE CALCUL Clim’Elioth Les calculs relatifs aux consommations de chauffage, de refroidissement et de ventilation sont réalisés à l’aide de notre logiciel propriétaire Clim’Elioth_6.0. Le calcul est de type thermique dynamique monozone permettant d’analyser en phase amont les performances énergétiques de tout type de volume homogène dont le climat est contrôlé. Cette analyse fournit sur la base : • D’un fichier météorologique représentatif ; • Des paramètres techniques et d’usage du bâtiment. Une approche des besoins chauds et froids en évaluant les bilans d’énergies associés : • Aux déperditions de l’enveloppe ; • Aux apports solaires et internes ; • Au renouvellement d’air ; • A l’inertie thermique du bâti. Clim’Elioth : tableau de bord énergétique


TYPOLOGIES ÉTUDIÉES

TYPOLOGIES PROGRAMMATIQUES

TERTIAIRE

IGH

CDT (≈R+6)

IGH : Immeuble de Grande Hauteur CDT : Code du travail

LOGEMENT

COLLECTIF

INDIVIDUEL

Constats et enjeux >> Le bâti face au changement climatique

53


CONSTATS ET ENJEUX

TYPOLOGIES BATIES ET PROSPECTIVE


DISPARITÉS GÉOGRAPHIQUES : L’EXEMPLE DU LOGEMENT COLLECTIF

2000 2050

2050 2000 2100

2100 Besançon Bordeaux Clermont-Ferrand Marseille Nantes Orléans Paris Strasbourg Toulouse

50

40

30

20

10

0

0

10

20

30

40

Dans certaines situations géographiques, l’explosion de la demande de rafraîchissement ne saurait être compensée par la diminution des besoins en chaleur, et ce, surtout si l’on considère les vecteurs de productions énergétiques associés.

50

50 40

2100 2000

30

2050 Toulouse Marseille

20

Bordeaux

Besançon Clermont-Ferrand

Orléans Paris

10

Nantes

Strasbourg

50

40

Valeurs des besoins en kWheu/m².an

30

20

10

0

0

Constats et enjeux >> Le bâti face au changement climatique

55


IMPACTS SUR LES CONSOMMATIONS ET LE CONFORT DES BÂTIMENTS BESANÇON

2000

2050

BORDEAUX

2100

2000

2050

CLE

2100 17

18

70

25

67

26

70

45

41

30

27

55

59

56

29 30

61

26

57

43 2

**

38

Logement collectif

3

36

36

68

46

33

33

9

26

23

23

14

143

31

18

136

43

101

106

34

44

13

23 12

**

59

25

58 1

3

10

53 10

11

51

73

53

17 34

20

70

40

40 18

30

58

28

2000

28

85

94

165

73

66

Si certaines configurations particulières d’habitat individuel semblent présenter une diminution des b saires pour combler ces besoins. Egalement, la question de l’habitat individuel diffus reste entière lor

ORLEANS

2000

2050

PARIS

2100

2000

2050

2100

55

56

22

21 23

62

24

56

12

50

25

54

30

**

34

25

16

8

28 33

131

112

60

34

1

2

34

26

40

25

17

44

26

43 10

11

**

53

53

28

25

74 13

48

26

1 9

27 32

54

21

34

20 28

42 2

2

32

41

20

54

23

64

36

39

29

23

57

32

2000

137

95 84

116

97

164 87

* Calculs réalisés sur la base du scénario A2 du GIEC. ** Pour les typologies logement, les besoins en rafraîchissement ne sont pas comblés mécaniquement, ainsi, un travail sur la


S*

ERMONT-FERRAND

2050

MARSEILLE

2100

2000

2050

71

70

34

62

36

58

60

32 38

8

42

66

27

16

122

39

47

18

84

2

21

10

4

118

93

11

13

87

63

83

21

17

30

77

55 47

4

29

32

101

8

50

20

27

7

53

30

37

21

14

51

65

16

28

158

74

29

13

2100

13

11

22

53 33

6

40

20

9

53

36

2050 21

62

59 46

2

78 13

13

22

26

2000

16

70 48

40

50

2100

22

22

21

NANTES

77 83

64

besoins énergétiques, la tendance globale elle, est à la hausse si l’on considère les intrants primaires nécesrsque l’on prend en compte dans le bilan global l’énergie nécessaire au besoin de mobilité qu’elle génère.

STRASBOURG

2050

TOULOUSE

2100

21

2000

2050

70

59

29

48

58

67

35 2

3

41

40

Besoins en chaleur (kWheu/m².an)

78

55

Besoins en rafraîchissement (kWheu/m².an)

69

3

11

27

15

30

36

15

24

37

39

9

12

53

29

IGH

25

CDT / ERP

22

155

148

105

Ces résultats permettent d’observer les tendances mises en évidence page 49 à savoir, les baisses et hausses tendancielles respectives des besoins en chaleur et en rafraîchissement.

66

18

26

81

20

31

57

70

30

46

29

15

50

24

69

2100

97

38

98

60

Logement collectif

75

Logement individuel passivité du bâti s’avère d’autant plus crucial dans ces cas de figures.


80

2100

40

PARIS

60

2000

Froid

2050

Chaud

20

180

160

140

120

100

80

60

40

20

0

0

60

40

ORLÉANS

80

es

Nant

20

081 180

061 160

041 140

021 120

001 100

08 80

06 60

04 40

02 20

0 0

0

eaux

Bord 80

40

Tou

NANTES

60

20

081 180

061 160

041 140

021 120

001 100

08 80

06 60

04 40

02 20

00

0

TO

060 6

040 4

BORDEAUX

080 8

020 2

081 180

061 160

041 140

021 120

001 100

08 80

Valeurs des besoins en kWheu/m².an

06 60

04 40

02 20

00

00

0180 81

0160 61

0140 41

0120 21

010 0


Logement individuel

IGH

Logement collectif

080 8

STRASBOURG

d

CDT / ERP

060 6 040 4 020 2

081 180

Paris

061 160

0140 41

0120 21

0100 01

0808

0606

0404

0202

00

00

g

bour

Stras

ns

080 8

Orléa

060 6

BESANÇON

çon

n Besa

040 4

020 2

d

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t-F rmon

Cle

081 180

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Mar

u

0140 41

0120 21

0100 01

0808

0606

0404

0202

00

0

080 8

CLERMONT-FERRAND

louse

061 160

060 6 040 4 020 2

081 180

061 160

0140 41

0120 21

0100 01

0808

0606

0404

0202

00

00

OULOUSE

00

080 8

060 6

060 6

040 4

MARSEILLE

080 8

040 4

020 2

080 8

060 6

040 4

020 2

00

00

020 2

0180 81

0160 61

0140 41

0120 21

0100 01

080 8

060 6

040 4

020 2

00

00


QU’EN EST T-IL DE LA PRODUCTION D’ÉNERGIE ? Nous avons vu l’impact que le changement climatique pouvait avoir sur les besoins en chaleur et rafraîchissement de plusieurs typologies bâties si des solutions d’adaptation ne sont pas mises en place. Également, le changement climatique risque d’affecter non seulement la consommation d’énergie mais aussi la production énergétique si l’on considère entre autres : • La modification de température de l’eau impactant le cycle de refroidissement des centrales de production ; • La baisse du rendement des cellules photovoltaïques du fait de l’augmentation des températures ; • Ou même la variation des productibles éoliens et hydroliens du fait des changements dans les régimes de vents et courants marins. Sans parler des impacts également envisagés sur les infrastructures de transport ainsi que ceux non connus à ce jour. Aussi, afin de traiter l’ensemble du sujet énergie/climat et tendre vers une conception d’anticipation, c’est l’ensemble de la chaîne de conversion énergétique qu’il s’agira de passer au crible des effets du changement climatique.


CONSTATS ET ENJEUX URBAINS

VOIR PLUS LOIN ANALOGIES CLIMATIQUES

52N 50N

Oslo Dublin

48N 46N 44N 42N 40N 38N 36N

Stockholm Berlin London Bruxelles Vienne Paris Marseille

34N 32N 6

Geneva

Copenhaguen

Madrid

Athenes

10w 8

5w 10

5E

0 12

Helsinki

14

16

10E

15E

18

20

Lisbon

20E 25E Tmoy (°C)

30E

35E

40E

Utilisation d’analogies climatiques pour évaluer les changements climatiques et les impacts économiques en zones urbaines, Hallegate & al.

L’EFFET DÉMOGRAPHIQUE Si la baisse tendancielle des besoins en chaleur semble se profiler à horizon 2050-2100, celleci ne suffira sans doute pas à compenser l’augmentation des besoins en climatisation surtout si l’on considère le bilan énergétique global et donc la manière de produire cette chaleur. Il faudra également ajouter à cela un second effet, celui d’une structure démographique vieillissante dans certaines régions du globe, ayant pour impact direct le resserrement probable de la plage de confort thermique et son effet sur la prescription des températures de consigne et donc des consommations énergétiques induites.

57 Constats et enjeux urbains >> Voir plus loin

Le changement climatique qui s’opère tend à faire évoluer le climat de certaines régions vers d’autres. On assiste en quelque sorte à une « migration climatique ». Ce décalage n’est pas une translation à proprement parlé puisque plusieurs microclimats locaux rentrent en ligne de compte mais plutôt une distorsion rapprochant climatiquement des zones du globe. Ainsi comme l’expliquent certains chercheurs dans diverses publications et notamment Hallegate, il n’est pas improbable que les climats Parisien et Marseillais de 2050-2100 soient très voisins et puissent ressembler fortement au climat actuel de Séville !


L’accroissement de la population a explosé après la révolution industrielle, rendant le paramètre démographique primordial dans l’étude d’un futur contexte énergétique. Les dernières tendances affichent une augmentation de 8 % de la population Française à horizon 2050 (d’après statistiques INSEE). Cette augmention viendra impacter de manière hétérogène la structure de la pyramide des âges. Typiquement, il est probable que les effets du viellissement de la population viennent contrebalancer la baisse tendancielle des DJU chaud par une augmentation des températures de consigne du bâti. Pop. en millions d’hab.

SCÉNARIO ONU

HAUT

MEDIAN

BAS

15000 14000

9000 8000 7000 6000 5000 3000 1000 0 1800 1820 1840 1860 1880

1900 1920 1940 1960 1980 2000 2020 2040

2060 2080 2100 Années

Evolution démographique mondiale

Le graphique ci-dessous montre la répartition de la population en fonction de la latitude. Évidemment, la proximité de l’Equateur permet plus de place. On voit néanmoins sur cette distribution que plus de la moitié de la population mondiale vit à une latitude dont la valeur absolue est inférieure à 30°. Cela doit réinterroger les automatismes d’approche des vieux pays en termes de conception.

0,5 %

60°N

45 % 30°N 41,5 %

Equateur

11,5 % 30°S 1,5 %

Répartition géographique de la population mondiale Bil Ranking, Pd Harvard.


Âges 2012

95 90 85 80 75 70 65 60 55 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0

Prévision 2050

100 000

200 000

300 000

400 000

T° de consignes froid T° de consignes chaud DJU

500 000

600 000

DJU Froid 2012

700 000

800 000

DJU Chaud 2012 DJU

T° de consignes

900 000

Nombre d’hab.

Prévision 2050 T° de consignes

30

30000

30

40

25

2500

25

30

20

2000

20

15

1500

15

10

1000

10

5

500

5

0

0

20 10 0 0

10 20 30 40 50 60 70 80 90 Ages

0 0

10 20 30 40 50 60 70 80 90 Ages

Pyramide des âges en île de France et évolution des besoins 2012-2050 selon les tranches d’âges.

59 Constats et enjeux urbains >> Voir plus loin

L’évolution probable de la pyramide des âges en Ile-de-France à horizon 2050 met en relation la conjugaison de deux tendances lourdes pour l’Europe : vieillissement de la population et changement climatique. Cette corrélation interpelle l’amplification de certaines tendances et risques : enjeux de confort (pour les personnes les plus sensibles à la chaleur), conséquences énergétiques (impacts de la consommation d’énergie associée aux besoins de rafraîchissement), pics de demandes énergétiques estivales, risques sanitaires en situation caniculaire... La définition des températures de consigne est partiellement corrélée à l’âge. On accepte davantage la chaleur à l’âge adulte. A l’inverse, plus on vieillit, plus on souhaite être à l’abri de l’inconfort dû à la chaleur. Une température de consigne « froid » moyenne de la population qui diminue (car la population vieillit) et en parallèle un climat qui se réchauffe, quelles conséquences pour le bâti et la demande énergétique ? Le graphique ci-dessous tache de montrer les évolutions tendancielles par tranche d’âge.


CONSTATS ET ENJEUX URBAINS

CONFORT MICROCLIMATIQUE AVANT-PROPOS Par l’augmentation des fréquences d’épisodes caniculaires, le réchauffement climatique risque d’impacter non seulement le bâti mais également le confort des espaces publics de la ville par l’augmentation des effets d’îlot de chaleur urbain par exemple. Il convient alors de déployer des stratégies d’adaptation à ces fortes chaleurs en développant des modèles de calcul capables de tester la contribution de choix constructifs tels que l’albédo des toitures et façades, la végétalisation, etc.. à l’abaissement des températures. L’albédo d’une surface correspond à la fraction de rayonnement incident directement réfléchie par cette dernière. C’est le coefficient de réflexion dans le domaine visible (faibles longueurs d’ondes).

STRATÉGIE D’ADAPTATION DES ESPACES URBAINS

26.85°C

27.10°C

27.35°C

27.60°C

27.85°C

28.10°C

28.35°C

28.60°C

28.85°C

29.10°C

29.35°C

29.60°C

29.85°C

30.10°C

30.35°C

Dans le cadre du projet de recherche Resilis une étude d’amélioration du confort des espaces extérieurs a été menée sur le centre-ville d’Orléans. Cette étude basée sur un couplage thermo-radiatif des éléments bâtis avec l’ambiance extérieure permet de tester des solutions de réduction des températures au sein d’un quartier. Les graphiques suivant montrent l’efficacité de différentes stratégies prises de manière individuelle :

Evolution des températures du centre ville d’Orléans en fonction de différentes stratégies d’adaptation.

On constate que les caractéristiques de chaque type de revêtement n’impliquent pas les mêmes températures résultantes. Les outils de simulation utilisés discrétisent les trois dimensions de l’espace, permettant ainsi d’obtenir en tout point, les données atmosphériques, de sol, de végétation, et de biométéorologie. L’étude menée sur le centre ville d’Orléans permet d’attester du bénéfice lié à un prise en compte de stratégie d’adaptation dans la conception de l’espace urbain pour l’amélioration du confort microclimatique.


Une étude similaire réalisée sur un quartier Lyonnais permet d’observer l’impact de différents types de revêtements de sol et donc de leurs caractéristiques (albédo, inertie, porosité…) sur la modification des températures. C° Eau

60 50 40 30 20 10

Asphalte

0 6h 7h 8h 9h 10h 11h 12h 13h 14h 15h 16h 17h 18h

Impact de plusieurs revêtement de sol sur la température radiante lors d’une journée estivale moyenne.

L’écart des températures radiantes varie de 10°C entre l’asphalte et un sol limoneux et de plus de 15°C entre l’asphalte et l’eau. Un travail sur les revêtements peut donc aider de manière significative à diminuer les températures de surfaces induisant par conséquent une réduction de l’effet de l’îlot de chaleur urbain.

UN TRAVAIL SUR LES REVÊTEMENTS PEUT AIDER À RÉDUIRE L’EFFET D’ÎLOT DE CHALEUR URBAIN.

Constats et enjeux urbains >> Confort microclimatique

Sol limoneux

61


FOCUS SUR LE COUPLE ALBÉDO/ÉMISSIVITÉ Pour un matériau, on appelle albédo (ou solar reflectance en anglais) le pourcentage de rayonnement (solaire dans ce cas) incident réfléchi. Cette valeur est dépendante de la longueur d’ondes du rayonnement incident. L’indice est exprimé entre 0 et 1. Il exprime donc la capacité d’un matériau à réfléchir l’énergie incidente et donc à ne pas l’absorber et à ne pas chauffer. On appelle émissivité le rapport du pouvoir émissif d’une surface, exprimée en W/m²) au pouvoir d’un corps noir à la même température e = E/Eb (avec Eb représentant le pouvoir émissif d’un corps noir à la même température, en W/m²). L’émissivité de la surface est fonction de la température et de la longueur d’onde. L’indice est exprimé entre 0 et 1. L’émissivité exprime donc la capacité d’un matériau à rayonner la chaleur qu’il a emmagasiné. Rayonnement solaire

Rayonnement solaire Infrarouges

Infrarouges ALBEDO ALBEDO

Flux d’énergie et de rayonnement au-dessus d’une zone urbaine et d’une zone rurale [Les ICU, IAU 2010]

L’albédo est, pour un matériau donné, une donnée physique qui exprime sa capacité de réflexion lumineuse. A une échelle spatiale supérieure, on peut définir l’albédo d’un toit, d’une ville ou de la Terre. L’albédo dépend alors de la forme du tissu urbain, des matériaux, de l’angle zénithal du soleil et se définit, comme pour un matériau, comme le ratio entre le flux reflété et le flux solaire incident. On parle alors d’albédo effectif. L’albédo moyen du globe terrestre est de 0.28 (0.34 pour les continents et 0.26 pour les océans). Changer l’albédo sur une grande échelle pourrait modifier la balance énergétique terrestre. Selon Akbari, en utilisant des toits et des sols à fort pouvoir réfléchissant, on pourrait modifier l’albédo urbain de 0.1, ce qui aurait pour conséquence un forçage radiatif négatif de 0.044 W /m², équivalent à une réduction de 44 Gt d’émission de CO2.


Ainsi les concepteurs ont un rôle important à jouer dans la limitation des effets du changement climatique et tous nos réflexes ou automatismes sont à revoir et à requestionner lorsqu’il s’agit de concevoir et de prescrire les revêtements de demain. A ce titre le groupe Egis, à travers l’ensemble de ses filiales métiers participe à divers projets de recherche visant à définir les conditions d’augmentation et d’évaluation de l’albédo des routes, des façades et des toitures de la ville.

63

Toit très réflechissant 0.60 - 0.70

Arbres 0.15 - 0.18

Constats et enjeux urbains >> Confort microclimatique

Peinture blanche 0.50 - 0.90

Peinture colorée 0.15 - 0.35

Goudron 0.05 - 0.20

Pelouse 0.25 - 0.30

Ciment 0.10 - 0.35 Toit en tôle ondulée 0.10 - 0.15

Tulles 0.10 - 0.35

Bitume et gravier 0.03 - 0.18

Divers albédos de l’environnement urbain (source : http://www.espere.net )

Briques / Pierre 0.20 - 0.40


Dans l’idée que les concepteurs et aménageurs cherchent à utiliser un modèle capable de représenter le plus fidèlement possible l’impact réel de leurs choix sur les paramètres à optimiser, la modélisation, autre forme d’outil d’aide à la décision, permet d’évaluer sur un échantillon urbain le gain que peuvent apporter les choix constructifs et d’aménagement extérieur sur le confort urbain.


QUELLES SOLUTIONS POUR LE PROJET URBAIN ?

LA BOITE A OUTILS OUTIL D’AMÉNAGEMENT CLIMATIQUE ET STRATÉGIES D’ADAPTATION Finalité

Utilisateurs / destinataires

Proposer des améliorations du confort extérieur dans les espaces publics et des recommandations d’adaptation face aux effets d’ilots de chaleur urbains et à l’impact du changement climatique.

Architectes, bureaux d’études, concepteurs.

Méthodologie

Stratégie d’aménagement

Modélisation du quartier actuel

Modélisation du quartier actuel avec aménagements :

26.85°C

27.10°C

27.35°C

27.60°C

27.85°C

28.10°C

28.35°C

28.60°C

28.85°C

29.10°C

29.35°C

29.60°C

29.85°C

30.10°C

30.35°C

- Utilisations d’arbres -Végétalisation des toits -Augmentation albédo des toits -Augmentation albédo du sol

Simulations thermo-aéraulique réalisées sous ENVI-met 3.1

Résultats • Carte d’impacts microclimatiques en fonction des stratégies d’aménagement à l’échelle d’un quartier ; • Monitoring des gains sur la température d’air ambiant dans les zones d’aménagement ; • Quantification de l’impact du changement climatique en fonctions des scénarii et horizons climatiques (2050, 2080…).

Domaine d’application

Intérêts

Aide à la décision de scénarios d’aménagement pour caractériser les meilleures stratégies d’amélioration du confort extérieur et d’adaptation au changement climatique.

• Optimisation de l’aménagement d’un quartier ; • Evaluation du confort extérieur ; • Recommandations d’adaptation.

Quelles solutions pour le projet urbain ? >> La boite à outils

67


OUTIL D’AIDE À LA CONCEPTION : STRATÉGIES DE CONTRÔLE RADIATIF DES TOITURES Finalité

Utilisateurs / destinataires

Préparer, adapter et concevoir des bâtiments futurs, en particulier le choix de matériaux de toiture, tels qu’ils puissent faire face et absorber les perturbations thermiques dues aux effets d’îlots de chaleur et au changement climatique.

Architectes, bureaux d’études, concepteurs.

Méthodologie Le modèle développé est celui d’un élément de toiture soumis à un éclairement solaire direct. On établit le bilan physique, de manière pseudo-dynamique, pour obtenir l’évolution de sa température sur une journée.

Choix des matériaux

Database

Choix du site d’étude

DATA

Stratégies de contrôle radiatif des toitures

Choix du site d’étude Température Matériau 1 (0-100)

Matériau 2 (0-100)

Albédo

80

Albédo

15

Emissivité

80

Emissivité

86

Bilan énergétique Données de sorties - Température -Valeur réflective des matériaux Bilan énergétique Gain en température

Résultats • Évolution journalière de la température des matériaux de toitures aux propriétés radiatives différentes ; • Quantification de la valeur réflective des matériaux ; • Bilan énergétique des matériaux choisis ; • Estimation du gain relatif en température entre deux matériaux.

Domaine d’application

Intérêts

Outil d’aide à la conception pour des utilisateurs, des concepteurs ou encore des ingénieurs permettant un choix de matériaux de toiture à faible échauffement.

Recommandations pour le choix de matériaux de toiture pouvant être proposées aux autorités locales, aux décisionnaires, ou encore aux concepteurs.


QUELLES SOLUTIONS POUR LE PROJET URBAIN ?

SYSTEME MICROCLIMATIQUE La boite à outils climat présente diverses stratégies pour la gestion du microclimat dans les espaces extérieurs et plus précisément pour la lutte contre les effets d’îlot de chaleur susceptibles de s’accentuer dans un futur proche.

Domaines

Végétal

Eau

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Forme

Dispositifs

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Matière


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FORME

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La forme urbaine est un des paramètres qui influe sur la capacité des tissus urbains à gérer les microclimats. En effet, la bonne convection de l’air au sein de l’espace public, les ombres générées par le tissu sur lui-même ainsi que la densité bâtie et le faible rapport au ciel sont autant de paramètres qui vont avoir une influence directe sur la température moyenne de l’air dans ces espaces.


Effet d’Albédo

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Les caractéristiques thermiques et spectro-photométriques des matériaux vont également influer sur le microclimat ambiant au travers de l’effet d’albédo et de ses réflexions spéculaires ou diffuses mais aussi par leurs propriétés d’isolation ou d’inertie thermique.

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L’eau est un régulateur naturel du climat. Au travers de plusieurs procédés, il participe au rafraîchissement des espaces via l’humidification de l’air par évaporation ou rafraîchissement dit adiabatique. On distinguera également ses capacités d’absorption thermique et de réflexion du rayonnement solaire incident (albédo).


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La végétation en ville représente un fort potentiel de gestion du microclimat urbain au travers de procédés similaires à l’eau telle que l’évapotranspiration des plantes, les mécanismes de rétention/évaporation, ou même d’usages comme filtre solaire inter-saisonnier ou résistance thermique.

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COUCHES Ces différentes composantes s’articulent sur l’ensemble de l’anfractuosité urbaine constituée par le développé toiture-façade-sol.

Toiture

Façade

Sol


DISPOSITIFS Les solutions et techniques constructives peuvent alors servir à la régulation du climat urbain par l’intermédiaire de dispositifs, détaillés ci-après, tels que :

Couverture végétale

Toiture claire

Façade végétalisée

Pièce d’eau

Façade claire

Sol végétal

Morphologie

Paysage

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COUVERTURE VEGETALE

Au-delà des aspects écologiques et plastiques, un système de couvertures végétales possède bon nombre de caractéristiques thermiques. Bien que dépendantes du type de végétation prévues, elles permettent la réduction des apports solaires en toiture des bâtiments, la réduction de la température de surface ainsi qu’une isolation thermique partielle.


TOITURE CLAIRE

Certaines études ont montré que le gain d’albédo dû à l’éclaircissement des toitures avait pour incidence directe la réduction de l’effet de serre et donc du réchauffement global du fait d’une fraction moins importante d’absorption et réémission du rayonnement solaire incident.

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FAÇADE VEGETALISEE

Les façades végétalisées se comportent de la même manière que les toitures précédemment décrites. A la différence près qu’elles permettent également la limitation des effets de couche thermique des façades de bâtiments généralement problématique pour la prise d’air extérieur en été.


FAÇADE CLAIRE

Bien que moins exposées au rayonnement solaire, les façades constituent également un enjeu en termes de réflexion et d’absorption qu’il est intéressant de citer. C’est notamment une disposition constructive bien connue et vernaculaire des villes du bassin méditerranéen.

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SOL VEGETAL

Au-delà d’offrir des lieux à haute qualité d’usage, les parcs et espaces naturels contribuent également à la gestion des microclimats urbains par l’intermédiaire des phénomènes d’évaporation décrits précédemment et constituent le poumon frais des villes.


PIECE D’EAU

Les pièces d’eau telles que les fontaines, étangs ou miroirs d’eau sont connues pour constituer de puissantes oasis de fraîcheur dans les villes au climat chaud et sec. La « migration » des climats du sud vers le nord de l’Europe pourrait nous amener à considérer ces dispositifs de rafraîchissement sous des latitudes non intéressées a priori.

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PAYSAGE

Sous l’appellation « paysage » se cache l’ensemble des dispositifs à caractère végétal de l’espace public permettant l’ombrage, le rafraîchissement, le stockage de CO2. Cette trame verte de l’espace urbain constitue également un potentiel important de services écosystémiques rendus à la ville.


MORPHOLOGIE

La morphologie urbaine, c’est-à-dire l’agencement de l’anfractuosité du tissu a également une forte influence sur le microclimat. En effet, par des intentions urbaines (épannelage, rapport hauteur/ largeur), il est possible d’influencer la capacité du tissu à absorber ou se délester de la chaleur accumulée.

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ANNEXES

BIBLIOGRAPHIE OUVRAGES ET ARTICLES SCIENTIFIQUES Springer-Verlag, Modeling Solar Radiation at the Earth’s Surface, Badescu, V. (Ed.): Berlin, Heidelberg, 2008. Remund, J. and Kunz, S.: The new version of the worldwide climatological database METEONORM, Proceedings of the ISES solar world congress 2003, Göteborg Sweden, CD-ROM Paper P6 39, 2003.

Remund, J., Kunz, S., and Schilter, C.: Handbook of METEONORM Version 6.0, Part II: theory, Meteotest, Fabrikstrasse, 14, 3012, Bern, Switzerland, 2007. Tromeur E., Ménard R., Bailly J.-B., and Soulié C., Urban resilence and vulnerability within the context of climate change, Nat. Hazards Earth Syst. Sci., 12, 1–11, 2012, doi:10.5194/nhess-12-1-2012. Tromeur E., and Ménard R., Changement climatique : les besoins en climatisation en France : un enjeu majeur en 2050, Le Moniteur, 25, Novembre 2011. Tromeur E., and Ménard R., Dérèglement climatique : sommes nous préparés à ça ? Ecollectivité magazine, N°24, Septembre 2011. Oke, T R (1982) The Energetic basis of the Urban Heat Island, Q. J. R. Meteorol. Soc., 108, 1–23 Oke, T R (1997) Urban Climates and Global Change, in Applied Climatology: Principles and Practices, eds A Perry and R Thompson, Routledge, London, 273–287. Oke, T R, Johnson, G T, Steyn, D G, and Watson, I D (1991) Simulation of Surface Urban Heat Islands Under ‘Ideal’ Conditions at Night. Part 2: Diagnosis of Causation, Bound.-Layer Meteorol., 56, 339–358. From Oke, T. R. «Street Design and Urban Canopy Layer Climate.» Energy and Buildings, 11 (1988) Hallegate & al. : Using climates analog for assessing climate change, economic impacts in rban areas

89 Annexes >> Bibliographie

Remund, J., Salvisberg, E., and Kunz, S.: Generation of hourly shortwave radiation data on tilted surfaces at any desired location, Sol. Energy, 62, 331–334, 1998.


Morgane Colombert : [Colombert PhD thesis P114] commente les résultats de Pomerantz et al. (2000) Akbari, H; Pomerantz, M., and Taha H. Cool surfaces and shade trees to reduce energy use and improve air quality in urban areas, Solar Energy, Vol 70, N°3, pp. 295-310, 2001 Akbari, H., Menon S., and Rosenfeld, A.. Global cooling: increasing world-wide urban albedos to offset CO2, Climate Change, Vol 95, Joint Issue 3-4, 2009, DOI 10.1007/ s10584-008-9515-9. Benzerzour, M., Transformations urbaines et variations du microclimate: application au centre ancient de Nantes et proposition d’un indicateur “morpho-climatique”, Thèse de Doctorat, Université de Nantes, 15 Octobre 2004. Bouyer, J., Modélisation et simulation des microclimats urbains; Etude de l’impact de l’aménagement urbain sur les consommations énergétiques des bâtiments, Thèse de Doctorat, Université de Nantes, 16 Septembre 2009. Bozonnet, E., Impact des microclimats urbains sur la demande énergétique des bâtiments : cas de la rue canyon. Thèse de Doctorat, Université de la Rochelle, 23 juin 2005. Cantat O., L’ilot de chaleur urbain parisien selon les types de temps, Norois, 191 | 2004/2. URL : http://norois.revues.org/1373, 2008. Colombert, M, contribution à l’analyse de la prise en compte du climat urbain dans les différents moyens d’intervention sur la ville, Thèse de Doctorat, Université ParisEst, 8 décembre 2008. Conseil régional de l’environnement de Montréal, Rôles des arbres et des plantes grimpantes en milieu urbain, 2007. Desplat, J. Salagnac, J.-L., Kounkou, R., Lemonsu, A., Colombert, M., Lauffenburger, M., Masson, V. Epicea Project (2008-2010): multidisciplinary study of the impacts of climate change on the scale of Paris, The seventh International Conference on Urban Climate, 29 June - 3 July 2009, Yokohama, Japan. Doulos, L., Santamouris, and Livada, I.. Passive cooling of outdoor urban spaces. The role of materials, Solar Energy 77, pp 231-249, Elsevier, 2004. IAU Île-de-France, Les ilots de chaleur urbains, rapport de fiches de connaissances, 2010. 46 IAU Île-de-France, Les ilots de chaleur urbains, L’adaptation de la ville aux chaleurs urbaines, 2010 (b). London climate change partnership, Adapting to climate change : lessons for London, 2006.


Messaoud, B., Approche phusico-morphologique de l’albédo effectif : vers une stratégie de forme et de matériaux urbains. Thèse de Master, Ecole Nationale Supérieure d’Architecture de Nantes, 2009. Nowak, David J.. The effects of urban trees on air quality. Washington, D.C.: U.S. Department of Agriculture Forest Service, 1995 Spronken-Smith, R.A., and Oke, T.R.. Scale Modelling of Nocturnal Cooling in Urban Parks, Boun. Lay. Meteo., Vol 93, N°2, pp 287-312, 1999. DOI 10.1023/A:1002001408973. Stewart, I.D., and Oke, T.R.. Thermal difference of local climate zones using temperature observations from urban and rural fields sites, 9th Symposium on Urban Environment, August 2-6, Keystone, CO, 2010.

Rosenzweig C., Solecki W. D., Hammer S A and Mehrotra& S., Climate changes and cities, first assessment report of the Urban Climate change Research Network, 2011. Saito, N. Temperature and wind field in the atmospheric boundary layer on the southern Kanto plains (in Japanese). Tenki, 24, 431–448, 1977. Santamouris, ‘Passive Cooling of Buildings – The Sate of the Art’, Advances of Solar Energy, 2005, ISES, James and James Science Publishers, London, 2005. Duckworth, F.S., and Sandberg, J.S., 1954. The effect of cities upon horizontal and vertical temperature gradients. BAMS, 35, 198-206. US EPA, Reducing Urban Heat Islands: Compendium of Strategies: Cool Roofs, 2008. Vinet, J, 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, Thèse de Doctorat, Université de Nantes, 2000.

91 Annexes >> Bibliographie

Oke, T.R., Initial Guidance to Obtain Representative Meteorological Observations at Urban Sites, IOM Report 81, WMO, 2004.


LIENS UTILES Convention-Cadre des Nations-Unies sur le Changement Climatique http://unfccc.int/adaptation/items/4159.php Union Européenne (Livre vert 2007 sur l’adaptation) http://europa.eu/documents/comm/green_papers/index_fr.htm ONERC (Stratégie nationale d’adaptation au changement climatique) http://www.developpement-durable.gouv.fr/IMG/pdf/Strategie_Nationale_2-17_Mo2-2.pdf Météo France - climat http://climat.meteofrance.com/ OCDE - Environnement http://www.oecd.org/fr/environnement/ CIRED http://www.centre-cired.fr/ TERI (The Energy and Resources Institute) : http://www.teriin.org/ GIEC (Groupe d’Experts Intergouvernemental sur le Climat) : http://www.ipcc.ch/ Programme de recherche ANR : Resilis http://www.resilis.fr/


ANNEXES

GLOSSAIRE

*

A

ADAPTATION Ajustement des systèmes naturels ou des systèmes humains face à un nouvel environnement ou un environnement changeant. L’adaptation aux changements climatiques indique l’ajustement des systèmes naturels ou humains en réponse à des stimuli climatiques présents ou futurs ou à leurs effets, afin d’atténuer les effets néfastes ou d’exploiter des opportunités bénéfiques. On distingue divers types d’adaptation, notamment l’adaptation anticipée et réactive, l’adaptation publique et privée, et l’adaptation autonome et planifiée (GIEC, 2007).

ALÉA Tournure non-prévisible que peut prendre un événement. En prévention des risques naturels, c’est la probabilité que survienne un danger naturel. ANTHROPIQUE Relatif à l’activité humaine. Qualifie tout élément provoqué directement ou indirectement par l’action de l’homme: érosion des sols, pollution par les pesticides des sols, relief des digues, changement climatique, ... ATTÉNUATION : Intervention anthropique pour réduire les sources ou augmenter les puits de gaz à effet de serre (GIEC,2007).

B

BESOINS ÉNERGÉTIQUES Cf Energie utile.

C

CANICULE Vague de chaleur très forte qui se produit en été et qui dure plusieurs jours et nuits. On considère qu’il y a phénomène caniculaire quand, dans un secteur donné, l’amplitude thermique entre le jour et la nuit est faible pendant au moins 72 heures consécutives. * Certains termes du glossaire et leurs définitions sont directement issus du portail DRIAS : http://www.drias-climat.fr/

93 Annexes >> Glossaire

ALBEDO L’albédo d’une surface correspond à la fraction de rayonnement incident directement réfléchie par cette dernière. C’est le coefficient de réflexion dans le domaine visible (faibles longueurs d’ondes).


CAPACITÉ D’ADAPTATION Capacité d’ajustement d’un système face aux changements climatiques (y compris à la variabilité climatique et aux extrêmes climatiques) afin d’atténuer les effets potentiels, d’exploiter les opportunités, ou de faire face aux conséquences (GIEC,2007). CAPACITÉ D’ATTÉNUATION Structures et conditions sociales, politiques et économiques nécessaires pour une atténuation efficace (GIEC,2007). CHANGEMENTS CLIMATIQUES Les changements climatiques désignent une variation statistiquement significative de l’état moyen du climat ou de sa variabilité persistant pendant de longues périodes (généralement, pendant des décennies ou plus). Les changements climatiques peuvent être dus à des processus internes naturels ou à des forçages externes, ou à des changements anthropiques persistants de la composition de l’atmosphère ou de l’affectation des terres. On notera que la Convention-cadre des Nations unies sur les changements climatiques (CCNUCC), dans son Article 1, définit « changements climatiques » comme étant des « changements de climat qui sont attribués directement ou indirectement à une activité humaine altérant la composition de l’atmosphère mondiale et qui viennent s’ajouter à la variabilité naturelle du climat observée au cours de périodes comparables. » La CCNUCC fait ainsi une distinction entre les « changements climatiques » qui peuvent être attribués aux activités humaines altérant la composition de l’atmosphère, et la « variabilité climatique » due à des causes naturelles (GIEC,2007). CLIMAT Le climat correspond à la distribution statistique des conditions atmosphériques dans une région donnée pendant une période de temps donnée. Il se distingue de la météorologie qui désigne l’étude du temps à court terme et dans des zones ponctuelles. CONFORT THERMIQUE Le confort thermique peut être défini de multiples façons. Nous considérons dans ce guide qu’il représente une qualité d’ambiances majoritairement influencées par des paramètres climatiques et des paramètres de conception.

D

DEGRÉS JOURS UNIFIÉS // DJU Le nombre de degrés jours unifiés (DJU) est déterminé en calculant la différence entre la température de référence, 18 °C (pour le chauffage par exemple), et la moyenne de la température minimale et la température maximale du jour considéré.


E

EFFET DE SERRE Processus naturel qui contribue à augmenter la température de surface de la Terre par rapport à une situation « sans effet de serre ». EMISSIVITÉ On appelle émissivité le rapport du pouvoir émissif d’une surface, exprimée en W/m²) au pouvoir d’un corps noir à la même température e = E/Eb (avec Eb représentant le pouvoir émissif d’un corps noir à la même température, en W/m²). L’émissivité de la surface est fonction de la température et de la longueur d’onde. L’indice est exprimé entre 0 et 1.

ENERGIE PRIMAIRE L’énergie primaire est le troisième et dernier maillon de la chaine énergétique. Elle qualifie la source énergétique utilisée pour fournir l’énergie finale et quantifie la quantité d’énergie nécessaire à la production d’ 1kWh. Elle qualifie donc le rendement de conversion global du mix énergétique national et s’exprime en kWhep/m².an. Les coefficients de conversion utilisés dans ce document sont ceux présents dans la réglementation thermique 2012. ENERGIE UTILE L’énergie utile constitue la base de la chaîne énergétique. Elle exprime l’énergie nécessaire pour combattre les déperditions du bâtiment et maintenir les conditions climatiques de confort imposées par les températures de consigne. Lorsqu’il s’agit d’énergie thermique, elle prend généralement l’appellation de « Besoins chaud » ou « Besoins froid ». Cependant le « besoin » se distingue de « l’énergie utile » lorsqu’une dérive du bâtiment est autorisée. Typiquement, les bâtiments non refroidis (tels que les logements ou bâtiments d’enseignement) font l’objet de besoins de rafraîchissement même s’il est décidé de ne pas les combler de manière active. L’énergie utile dépensée est alors directement reliée à la performance de l’enveloppe et constitue le filtre dit «passif» du bâtiment et s’exprime en kWheu/m².an.

95 Annexes >> Glossaire

ENERGIE FINALE L’énergie finale correspond à la quantité d’énergie nécessaire aux systèmes thermiques pour combler les besoins. C’est donc par définition la somme de l’énergie utile et des pertes dues aux rendements des systèmes. Où ηp, ηd, ηe expriment respectivement les rendements de production, de distribution et d’émission. Elle constitue le filtre dit « actif » et s’exprime en kWhef/m².an. L’énergie finale sous-tend la définition du vecteur énergétique : électricité, gaz, bois, fuel etc. C’est pourquoi la somme d’énergies finales ne fait en général pas sens.


ÉVAPOTRANSPIRATION Processus combiné d’évaporation à la surface de la Terre et de transpiration de la végétation.

F

FORÇAGE RADIATIF Variation de l’éclairement énergétique net (différence entre l’éclairement descendant et l’éclairement ascendant, exprimée en W m-2) à la tropopause due à une modification d’un agent externe du changement climatique, comme par exemple une modification de la concentration de dioxyde de carbone ou du rayonnement solaire. On calcule le forçage radiatif après avoir laissé les températures stratosphériques éventuellement perturbées se réajuster à l’équilibre radiatif-dynamique, en maintenant toutefois toutes les propriétés troposphériques à leurs valeurs non perturbées. Le forçage radiatif est qualifié d’instantané si l’on n’observe aucune modification de la température stratosphérique.

G

GAZ À EFFET DE SERRE : Constituants gazeux de l’atmosphère, tant naturels qu’anthropiques, qui absorbent et émettent un rayonnement à des longueurs d’onde données du spectre du rayonnement infrarouge thermique émis par la surface de la Terre, l’atmosphère et les nuages. C’est cette propriété qui est à l’origine de l’effet de serre. La vapeur d’eau (H2O), le dioxyde de carbone (CO2), l’oxyde nitreux (N2O), le méthane (CH4) et l’ozone (O3) sont les principaux gaz à effet de serre présents dans l’atmosphère terrestre. Il existe également des gaz à effet de serre résultant uniquement des activités humaines, tels que les hydrocarbures halogénés et autres substances contenant du chlore et du brome, dont traite le Protocole de Montréal. Outre le CO2, le N2O et le CH4, le Protocole de Kyoto traite, quant à lui, d’autres gaz à effet de serre tels que l’hexafluorure de soufre (SF6), les hydrofluorocarbones (HFC) et les hydrocarbures perfluorés (PFC).

H

HORIZON Année moyenne d’une période considérée, pour laquelle une projection climatique est calculée (Exemples : 2035, 2055 ou 2085). Les horizons sont calculés sur une période moyenne de 20 ou 30 ans centrée sur l’année considérée (Exemple: 2055 = 2041: 2070).


I

ILOT DE CHALEUR Ecart significatif des températures au cœur des villes par rapport à la périphérie rurale.

Sources d’incertitudes Les incertitudes peuvent être classées en quatre catégories en fonction de leurs sources (Pagé et al, 2008) : - L’incertitude réflexive : liée aux hypothèses d’émission de gaz à effet de serre. - L’incertitude épistémique : liée à une connaissance imparfaite des phénomènes et à leur représentation approximative dans les modèles (comme par exemple la paramétrisation de la convection ou la représentation incomplète des couplages avec la chimie atmosphérique). - L’incertitude stochastique : liée à la variabilité climatique intrinsèque et chaotique. - L’incertitude méthodologique : liée aux différences existant entre les méthodes de descente d’échelle.

M

MESO-CLIMAT Climat d’une région naturelle d’étendue limitée et circonscrite à des caractéristiques topographiques, géologiques, spécifiques (ex. vallée, baie, versant d’exposition différente en montagne…). Il se situe entre le macroclimat qui touche une large étendue, souvent régionale, et le microclimat qui décrit des différences climatiques liées à une échelle géographique très restreinte. MODÈLE CLIMATIQUE Représentation numérique du système climatique basée sur les propriétés physiques, chimiques et biologiques de ses composants, leurs processus d’interaction et de rétroaction, et représentant la totalité ou une partie de ses propriétés connues. Le système climatique peut être représenté par des modèles présentant divers niveaux de complexité - une « hiérarchie » de modèles peut être identifiée pour un composant individuel ou un ensemble de composants, et ces modèles présentent des différences, telles que le nombre de dimensions spatiales, l’étendue de la repré-

97 Annexes >> Glossaire

INCERTITUDE Expression du degré avec lequel une valeur (l’état futur du système climatique, par exemple) est inconnue. L’incertitude peut être due à un manque d’informations ou à un désaccord sur ce qui est connu, voire sur ce qui peut être connu. Elle peut avoir des origines diverses, depuis des erreurs quantifiables au niveau des données jusqu’à des concepts ou une terminologie aux définitions ambiguës, ou des prévisions/projections du comportement humain. L’incertitude peut donc être représentée par des mesures quantitatives (une fourchette de valeurs calculées par divers modèles, par exemple) ou par des énoncés qualitatifs (reflétant l’opinion d’un groupe d’experts) (GIEC, 2007).


sentation explicite des processus physiques, chimiques ou biologiques ou le degré d’inclusion des paramétrisations empiriques. Des modèles de circulation générale couplés Atmosphère-Océan-Glacemarine (MCGOA) fournissent une représentation générale du système climatique. Il existe une évolution vers des modèles plus complexes à chimie et biologie actives (GIEC,2007).

P

PRÉVISION CLIMATIQUE Une prévision climatique est le résultat d’un essai de description ou d’estimation, avec un maximum de probabilité, de l’évolution réelle future du climat (à des échelles temporelles saisonnières, interannuelles, ou à long terme, par exemple). Voir également Projection climatique et Scénario (de changements) climatique(s) (GIEC,2007). PROJECTION CLIMATIQUE Projection de la réponse du système climatique aux scénarios d’émissions ou de concentration de gaz à effet de serre et d’aérosols, ou de scénarios de forçage radiatif, souvent fondée sur des simulations par des modèles climatiques. La différence faite entre projections climatiques et prévisions climatiques souligne le fait que les projections climatiques dépendent des scénarios d’émissions/des concentrations/ du forçage radiatif utilisés, eux-mêmes basés sur des hypothèses, concernant, par exemple, de futurs développements socio-économiques et technologiques susceptibles ou non de se produire, et pour lesquels il existe une incertitude importante (GIEC,2007).

R

RAYONNEMENT SOLAIRE Rayonnement émis par la surface de la Terre, l’atmosphère et les nuages. Également connu sous le nom de rayonnement terrestre ou de rayonnement de grandes longueurs d’onde, il ne doit pas être confondu avec le rayonnement dans le proche infrarouge, qui fait partie du spectre solaire. Le rayonnement infrarouge correspond en général à une gamme particulière de longueurs d’onde (spectre)supérieures à celle de la couleur rouge dans la partie visible du spectre. Le spectre du rayonnement infrarouge thermique diffère de celui du rayonnement de courtes longueurs d’onde ou rayonnement solaire en raison de la différence de température entre le Soleil et le système Terre-atmosphère. RAYONNEMENT INFRAROUGE Rayonnement électromagnétique émis par le Soleil. Également appelé rayonnement de courtes longueurs d’onde. Le rayonnement solaire correspond à une gamme de longueurs d’onde (un spectre) très précise, déterminée par la température du Soleil, qui atteint son maximum dans les longueurs d’onde visibles.


RAYONNEMENT GLOBAL HORIZONTAL Somme du rayonnement solaire direct et diffus traversant l’atmosphère et impactant un plan horizontal. RÉSILIENCE 1. [Phys.] Capacité d’un matériau à retrouver son état initial à la suite d’un choc ou d’une pression continue. 2. [écon.] Capacité d’une zone à surmonter rapidement des chocs et perturbations économique. 4. [Urbain] Capacité d’une ville à faire face à un événement dévastateur avec le minimum de dommages possibles, à absorber les perturbations puis à recouvrer ses fonctions au plus vite.

SCÉNARIO CLIMATIQUE Représentation vraisemblable et souvent simplifiée du futur climat, fondée sur un ensemble intrinsèquement cohérent de relations climatologiques, établie pour l’étude explicite des conséquences possibles des changements climatiques , et composante fréquente des modèles sur les incidences. Les projections climatiques constituent fréquemment la matière première des scénarios climatiques, mais, en général, ces derniers nécessitent des données complémentaires, de type données climatiques réelles. Un « scénario de changements climatiques » est la différence entre un scénario climatique et le climat réel (GIEC,2007). SCÉNARIO DE FORÇAGE RADIATIF Représentation plausible du futur développement du forçage radiatif associé, par exemple, à des changements de la composition de l’atmosphère ou des changements d’affectation des terres, ou à des facteurs externes tels que des variations de l’activité solaire. Les scénarios de forçage radiatif peuvent être utilisés comme données dans des modèles climatiques simplifiés pour le calcul de projections climatiques (GIEC,2007). SCÉNARIO D’ÉMISSIONS Représentation plausible du futur développement des émissions de substances potentiellement actives du point de vue radiatif (gaz à effet de serre, aérosols, par exemple), basée sur un ensemble d’hypothèses cohérentes et compatibles concernant les forces motrices (croissance démographique, développement socioéconomique, évolution technologique, par exemple) et leurs interactions principales. Les scénarios de concentrations, obtenus à partir de scénarios d’émissions, servent d’intrants dans un modèle climatique pour le calcul de projections climatiques. Dans GIEC (1992), un ensemble de scénarios d’émissions a servi de base aux projections climatiques dans GIEC (1996). Ces scénarios d’émissions sont intitulés scénarios IS92. Dans le rapport spécial du GIEC sur les Scénarios d’émissions (Nakicenovic et

99 Annexes >> Glossaire

S


al., 2000), de nouveaux scénarios d’émissions - dits scénarios du RSSE (Angl., SRES) - ont été publiés. Pour le sens de certains termes concernant ces scénarios, voirScénarios du RSSE (GIEC,2007). SIGNAL Variation d’une grandeur physique de nature quelconque, transportant de l’information représentée par un nombre fini de valeurs discrètes bien déterminées dans le temps.

T

TEMPS Le temps est l’ensemble des conditions physiques des basses couches de l’atmosphère à un moment précis et en un point précis. Sont communément associés au temps les conditions météorologiques dont les effets peuvent être directement ressentis - ennuagement ou rayonnement solaire, température, vent,précipitation et également visibilité. L’étude et la prévision du temps s’appelle la météorologie.

V

VULNÉRABILITÉ Degré par lequel un système risque de subir ou d’être affecté négativement par les effets néfastes des changements climatiques, y compris la variabilité climatique et les phénomènes extrêmes. La vulnérabilité dépend du caractère, de l’ampleur, et du rythme des changements climatiques auxquels un système est exposé, ainsi que de sa sensibilité, et de sa capacité d’adaptation (GIEC, 2007).


PARAMÈTRES ET UNITÉS Albedo moyen ρm Apports internes moyens AI W/m² Apports internes moyens hors occupation

AIh W/m²

Capacité calorifique des masses inertielles

Cv

Coefficient de déperdition moyen total

hc W/m².K Utf* W/m².K

Consommation des ventilateurs v Whef/m3 Consommation des auxiliaires cx % Consommation des ventilateurs et auxiliaires v Whef/m3 Efficacité de la production de chaleur

Efficacité de la production de froid

ηg % EER -

Facteur solaire été g* % Facteur solaire hiver g % Fraction vitrée fv m² Hauteur dalle à dalle hdd m Hauteur sous plafond hsp m Indice de perméabilité à l’air ip m3/h/m²façade Largeur de la façade l m Masque façade M °

101 Annexes >> Glossaire

Coefficient d’échange convectif moyen

J/m³.K


Orientation

O -

Part d’inertie vue iv % Puissance d’éclairage installée Pe W/m² Profondeur du local d’étude p m Surface au sol Ss m²

Trame constructive t m Transmission lumineuse τ % Volume utile Vu m³

*En fonction de la technologie d’enveloppe, Utf représente la moyenne des Ug et Uw pondérée par les surfaces respectives dans le cas de façades porteuses ou Ucw dans le cas de mur rideau.


ANNEXES

HYPOTHESES TERTIAIRE : IGH GÉOMÉTRIE : BUREAU DEUX TRAMES STANDARD P

t

hdd

hsp

Sf Vu Su

103

Masque façade M 0° Hauteur dalle à dalle hdd 3.6 m Trame constructive t 1.35 m Largeur de façade (2 trames) l 2.7 m Profondeur du local d’étude p 5.50 m Largeur de circulation lc 1.5 m Surface utile Su ~20 m² Hauteur sous plafond hsp 2.7 m Surface façade / Surface utile C ~ 50% Surface de toiture St nulle* Surface au sol Ss nulle* Volume utile Vu ~ 50 m³

DONNÉES DE CLIMAT INTÉRIEUR Température de consigne mini Tm Température de consigne maxi TM Température mini hors occupation Tmh Température maxi hors occupation TMh Apports internes moyens AI Apports internes moyens hors occupation (veille) AIh Puissance d’éclairage installée Pe Taux de renouvellement d’air hyg. n Taux de renouvellement d’air hyg. hors occup. nh Consommation des ventilateurs et auxiliaires v Consommation des auxiliaires cx

19°C 26°C 16°C 30°C 30** W/m² 5 W/m² 10 W/m² 1*** vol/h 0 vol/h 1 Whef/m3 **** +25% sur ventilation

_Suppression des «effets de bord» en faisant l’hypothèse de faible contribution des déperditions dues à la toiture et au sol dés lors que la typologie est supérieure à environ 7 niveaux pour une erreur sur les déperditions totales inférieure à 10%.

Annexes >> Hypothèses

l


TERTIAIRE : CDT/ERP GÉOMÉTRIE : BUREAU DEUX TRAMES STANDARD P l t

hdd

Sf Vu Su

hsp

Masque façade moyen M 35° Hauteur dalle à dalle hdd 3.6 m Trame constructive t 1.35 m Largeur de façade (2 trames) l 2.7 m Profondeur du local d’étude p 5.50 m Largeur de circulation lc 1.5 m Surface utile Su ~ 20 m² Hauteur sous plafond hsp 2.7 m Surface façade / Surface utile C ~ 50% Surface de toiture rapportée à la shon St ~ 3m² Surface au sol rapportée à la shon Ss ~ 3m² Volume utile Vu ~ 50 m³

DONNÉES DE CLIMAT INTÉRIEUR Température de consigne mini Température de consigne maxi Température mini hors occupation Température maxi hors occupation Apports internes moyens Apports internes moyens hors occupation (veille) Puissance d’éclairage installée Taux de renouvellement d’air hyg. Taux de renouvellement d’air hyg. hors occup. Consommation des ventilateurs Consommation des auxiliaires Occupation

Tm TM Tmh TMh AI AIh Pe n nh v cx o

19°C 26°C 16°C 30°C 30* W/m² 5 W/m² 10 W/m² 1** vol/h 0 vol/h 1 Whef/m3 +10% sur ventilation 8h-18h Lun. - Ven.

_2PC @ 110 W + 2pers @ 80W + Pecl @ 50% 5W/m² moyen > 30 W/m² et 5W/m² veille diverses _Débit hygiénique : 2pers @ 25 m3/h/p _Hypothèse de double flux en base


HEBERGEMENT : LOGEMENT COLLECTIF GÉOMÉTRIE : LOGEMENT COLLECTIF MOYEN

DONNÉES DE CLIMAT INTÉRIEUR Température de consigne mini Température de consigne maxi Température mini hors occupation Température maxi hors occupation Apports internes moyens Apports internes moyens hors occupation (veille) Puissance d’éclairage installée Taux de renouvellement d’air hyg. Taux de renouvellement d’air hyg. hors occup. Consommation des ventilateurs Consommation des auxiliaires

Tm TM Tmh TMh AI AIh Pe n nh v cx

19°C N/A 16°C N/A 10 W/m² 1 W/m² 2 W/m² 0.5 vol/h 0.5 vol/h 1 Whef/m3 +10% sur ventilation

_Equip. @ 6 W/m² // Ecl. @ 50% = 1W/m² // 4 occup. @ 80 W = 3 W/m²  10 W/m² _Hypothèse de double flux en base _Profil : Lun – Dim : 0h – 8h >>> 18h – 24h Lun – Vend : 90% Sam – Dim : 100% Août = absence 15 jours _Dans le cas particulier du logement collectif (~ R+5), la perméabilité de l’enveloppe prendra usuellement la valeur moyenne de 0.5 vol/h sur la hauteur, représentant l’équivalent de 1.7m3/h/m² de façade en niveau inférieur. _La sensibilité des résultats vis-à-vis de la perméabilité étant très forte, sa valeur devra être finement étudiée au regard de la typologie d’enveloppe retenue pour le projet.

105 Annexes >> Hypothèses

Masque façade M 30° Hauteur dalle à dalle hdd 3.2m Trame constructive t 6 m Largeur de façade (1 trame) l 6m Profondeur du local d’étude p 9m Largeur de circulation lc 1m Surface utile (y comp sdb + circ) Su 60 m² Hauteur sous plafond hsp 2.8 m Surface façade / Surface utile C 32% Surface de toiture St 10 m² Surface au sol Ss 10 m² Volume utile Vu 168 m³


HEBERGEMENT : LOGEMENT INDIVIDUEL GÉOMÉTRIE : LOGEMENT INDIVIDUEL MOYEN Masque façade M 30° Hauteur dalle à dalle hdd 3m Trame constructive t 5 m Largeur du local d’étude l 5m Profondeur du local d’étude p 10 m Surface utile (y comp sdb + circ) Su 100 m² Hauteur sous plafond hsp 2.8 m Surface façade / Surface utile C 168% Surface de toiture St 65 m² Surface au sol Ss 50 m² Volume utile Vu 280 m³ Vitrage 30%

DONNÉES DE CLIMAT INTÉRIEUR Température de consigne mini Tm 19°C Température de consigne maxi TM N/A Température mini hors occupation Tmh 16°C Température maxi hors occupation TMh N/A Apports internes moyens AI 10 W/m² Apports internes moyens hors occupation (veille) AIh 1 W/m² Puissance d’éclairage installée Pe 5 W/m² Taux de renouvellement d’air hyg. n 0.5 vol/h Taux de renouvellement d’air hyg. hors occup. nh 0.5 vol/h Consommation des ventilateurs v 1 Whef/m3 Consommation des auxiliaires cx +10% sur ventilation Perméabilité à l’air 0,1 vol/h _Equip. @ 6 W/m² // Ecl. @ 50% = 1W/m² // 4 occup. @ 80 W = 3 W/m²  10 W/m² _Hypothèse de double flux en base _Profil : Lun – Dim : 0h – 8h >>> 18h – 24h Lun – Vend : 90% Sam – Dim : 100% Août = absence 15 jours _Pour cette modelisation, la typologie du bâtiment présente quatre façades visibles à l’inverse des précédentes typologies modelisées qui ne présentent qu’une façade. _Pour le logement individuel le pourcentage de fraction vitrée est réduit à 30% pour être en accord avec celles du parc existant.


2100

70 65 60 55 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 -5 -10 -15 -20 -25 -30 -35 -40 -45 -50

200 ppm

400 ppm

2000 75

1800

360 355 350 345 340 335

1600

80

365

330 325 320 315 310 305 300

1400

85

370

295 290 285 280 275 270 265 260 255 280 275 270 265 260 255

1200

90

375

an 1000

95

°K

Evoluti on d e la c oncentrati o n de C O2 d ans l’atmosphè r e

100

600 ppm

800 ppm °C


Le Guide d’Intéractions Energie_Climat : Résilience, traite des enjeux énergétiques et climatiques induits par le réchauffement global. Au travers de scénarios prospectifs , il renseigne sur la prise en compte de stratégies d’adaptation du bâti et met en évidence l’évolution tendancielle des besoins énergétiques de différentes typologies bâties. Il constitue un outil didactique d’accompagnement des Chefs de Projets, aménageurs, architectes et urbanistes désireux d’orienter leurs projets vers une démarche de prise en compte des effets du réchauffement.

Numéro ISBN : 978-2-8760-2052-8

Profile for Elioth engineers, designers, inventors.

Guide d'intéractions energie_climat / Vol.2 : Résilience  

Texte en français. Ce guide traite des enjeux énergétiques et climatiques induits par le réchauffement global. Au travers de scénarios prosp...

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