De nombreux sociologues, précédés ou suivis par d’aussi nombreux urbanistes nous prédisent que l’avenir de l’espèce humaine est la concentration dans des mégalopoles. Nous constatons de plus en plus que, dérèglement climatique et développement non ou mal maîtrisé de ces concentrations urbaines aidant, ces villes s’avèrent inconfortables à vivre.
Elles le sont bien sûr du fait des difficultés à y circuler, avec des moyens de déplacement datant souvent de concepts dépassés : la mobilité individuelle à moteurs à explosion, engendrant à la fois du bruit et de la pollution via les microparticules émises, le CO2 et les NOx. Il convient d’y ajouter le relâchement du CO2 libéré suite à la consommation d’énergies fossiles du fait de beaucoup de nos diverses activités.
D’autres facteurs d’inconfort peuvent leur être reprochés.
Nous allons nous intéresser, ici, à l’augmentation générale de la température couramment constatée en période estivale, souvent dénommée “ilôt de chaleur”.
Plus que cette appellation, attribuable de fait à certains espaces où le phénomène est exacerbé, nous préférons parler de “surchauffe urbaine” car les agglomérations sont impactées dans leur globalité.
Cet article est consacré aux causes de la surchauffe urbaine et, surtout, aux moyens de l’éviter ou de la limiter.
Nous proposons des solutions (non exhaustives bien sûr) pour éviter les excès, à l’image du Qatar qui, d’ores et déjà, climatise des rues ouvertes aux quatre vents !
Préalable
L’habitat groupé, essence même de la concentration urbaine, a toujours présenté des avantages considérables en terme de confort thermique jusqu’à ce que nous soyons confrontés à trois événements : l’urbanisation croissante, la bétonisation et le dérèglement climatique.
Le second ayant d’ailleurs à voir avec le premier !
Bétonisation et goudronnage de surfaces importantes
La bétonisation, l’élévation toujours plus haut, les immeubles à façades vitrées et autres dérives architecturales, auxquels il convient d’ajouter “l’enrobage” à base de bitume des voies de circulation toujours plus denses et des parkings toujours plus étendus, sont l’aboutissement de choix passés.
La circulation de véhicules à moteurs thermiques, dont le rendement aux fins de propulsion se situe aux alentours de 35 à 40 %, le solde étant surtout efficace pour la diffusion de chaleur, apporte aussi son lot de calories.
Les immeubles, mal conçus, mal agencés, sont de plus en plus souvent climatisés ; encore une dérive qui, bien que très agréable, n’en est pas moins elle aussi émettrice de calories. Nous développons ceci sommairement plus avant.
Bref, il y fait plus chaud qu’autrefois et c’est pour le moins normal !
Le dérèglement climatique
Il n’est plus grand monde pour nier les réalités du dérèglement climatique. Restent quelques climato-négationnistes, de plus en plus seuls dans leur déni ; nous leur souhaitons d’avoir raison !
Pour les autres, ceux qui admettent le dérèglement climatique, désormais immensément majoritaires, les suites sont envisagées de façons variées. Certains croient en la technologie, le high-tech, pour trouver des solutions, d’autres pensent qu’il vaut mieux directement se suicider, et la majeure partie semble assez résignée. Ils sont prêts à s’en remettre à qui de droit, sachant qu’ils “lâcheront” difficilement leurs avantages et petits conforts individuels.
Et pourtant, il semble assez difficilement contestable que ce dérèglement est d’origine anthropique.
Périodes caniculaires
Il va falloir s’y habituer, les épisodes caniculaires vont être de plus en plus nombreux, longs et à des températures élevées.
Cette certitude doit nous inciter à prendre des dispositions, à chercher des solutions… sans tomber dans les travers qui nous ont amenés à la situation actuelle.
Captation et stockage du rayonnement
Puisque nous avons, consciemment et inconsciemment, créé les conditions de chaleur excessive dans les villes, il serait très pertinent, plutôt qu’essayer uniquement de s’en défendre, de faire du handicap un avantage : mettons le rayonnement à notre service.
Utilisation immédiate
L’air chaud monte, la chaleur captée au sol par arrêt du rayonnement solaire fait monter en température le sol sous le lieu de captation et l’air alentour par effet de transfert par conduction.
Si de l’air est canalisé dans une tour verticale (dite centrale électrique solaire à effet de cheminée), s’il y est dirigé et comprimé, il va s’accélérer dans sa montée au long de la tour, créant ainsi une forte dépression à sa base.
Installer des turbines à air à cet endroit permettrait, par entraînement de génératrices, de produire de l’électricité.
Fonctionnement
Le rayonnement solaire est capté sous des verrières installées à quelques mètres du sol. L’air piégé sous les verrières, en se chauffant, se dilate et essaie de s’échapper. L’échappement de l’air au sommet de la tour combinée à la montée en pression sous les serres accentue le mouvement d’air (vidéo) en pied de la tour, ce qui améliore le rendement de l’ensemble des turbines à air et donc, par voie de conséquence, le rendement des génératrices d’électricité.
Des essais ont été menés avec des vitrages translucides. De nouveaux panneaux photovoltaïques translucides, apparus récemment sur le marché, posés en lieu et place des vitrages simples devraient permettre une production concomitante d’électricité photovoltaïque.
Synthèse du système :
Lors du rayonnement direct, la chaleur transmise par arrêt du rayonnement solaire produit des calories, captées et utilisées pour partie à notre service, par entraînement des turbines électriques. Les calories résiduelles sont rejetées très haut, au sommet de la tour.
L’ajout de panneaux photovoltaïques translucides sur les parties bien exposées produirait aussi de l’électricité ce qui améliorerait le rendement global de l’installation.
L’implantation de tels systèmes en périphérie des villes permettrait d’assurer une réelle capacité de production alimentaire au plus proche (sous les serres, de fait, ainsi créées) avec une main d’œuvre disponible localement et, surtout, faisant baisser la température périphérique engendrerait des courants d’air rafraîchissants dans les rues du centre ville.
Stockage à long terme
Nous voulons faire baisser la température l’été et nous aurons besoin l’hiver de la faire monter. Pourquoi ne pas stocker ces calories, à la fois encombrantes et précieuses ?
Belle idée, beau concept, mais comment faire ?
Parmi les solutions possibles, nous en développons une. Elle n’est pas unique mais apporte la preuve de faisabilité à base d’empilage de solutions connues et éprouvées.
Des bassins seraient creusés à même le sol, pouvant également être utilisés en bassins d’agrément ou de retenue d’eau en vue d’irrigation.
L’été ils pourraient capter de précieuses calories, faisant du même coup baisser la température ambiante. Des serpentins pourraient y puiser ces calories et les relâcher dans le sol à 10, 20 ou 30 mètres sous terre. Ils feraient ainsi monter en température le sol en profondeur.
L’hiver ces mêmes serpentins pourraient puiser ces calories stockées dans le sol. Il suffirait d’en dévier la circulation vers un circuit secondaire alimentant une pompe à chaleur eau/eau améliorant ainsi le principe de la géothermie en puisant dans un sol plus chaud que ce que la nature fournirait normalement.
Diminution de la captation du rayonnement
La toute première action sera bien sûr de ne pas reproduire les erreurs du passé, et ne plus développer la ville au service des véhicules automobiles individuels, mais la penser autour des services de transport et de déplacements “lights”.
Les immeubles et, plus largement, tous les bâtiments devront être conçus de sorte à ne pas absorber et stocker les calories.
Ceci est possible en intégrant d’emblée les solutions développées dans la partie “Gestion” ci-après.
La terre reçoit des rayonnements solaires. Tout ce qui reçoit ces rayonnements solaires peut soit les absorber sous forme de chaleur (par les sols, les mers, les glaciers, les forêts, les éléments à la surface du globe …), soit les renvoyer par effet de réflexion, le niveau de réflexion s’appelle l’albédo. Ce phénomène agit un peu comme un miroir le ferait, par renvoi du rayonnement, le miroir pouvant être plus ou moins “efficace” selon sa nature.
Effets de l’albédo
Plus le rayonnement solaire est renvoyé, moins la surface de captation monte en température. Plus l’albédo est élevé, plus grande est la part de rayonnement renvoyé.
Depuis toujours, la terre dispose d’un albédo moyen, résultat de l’ensemble des albédos.
Sur 100 % du rayonnement solaire émis vers la terre, 25 % sont renvoyés par l’albédo de l’atmosphère, dont une grande partie par la vapeur d’eau en suspension dans l’air.
25 autres % sont absorbés par les gaz à effet de serre (GES) présents dans l’atmosphère (ce qui les fait monter en température).
45 % du rayonnement est capté par les éléments présents sur terre. Ceci provoque la libération de l’énergie contenue dans les rayonnements (vidéo) sous forme de chaleur et donc permet à la surface terrestre de monter en température.
Les 5 % résiduels sont “renvoyés” vers l’espace grâce à l’albédo terrestre moyen.
L’atmosphère comprise entre 80 km et 10 000 mètres d’altitude permet de faire considérablement augmenter la température ambiante puisqu’on y passe de -100° environ à -50°.
Plus on se rapproche de la terre, plus l’atmosphère devient dense et plus elle contient d’éléments, y compris des GES, c’est pourquoi, progressivement, on passe de -50° à 10 000 mètres à +2° à 2000 mètres et +15° au niveau de la mer, température moyenne de la terre.
Il ressort de ce qui précède que, sans GES, la terre serait infiniment plus froide. Même si le calcul semble difficile, si ce n’est impossible, beaucoup s’accordent pour dire qu’elle serait de -18°, ce qui, comparé à d’autres planètes plus ou moins pourvues de GES, semble assez probable.
Nous avons donc besoin de GES dans l’atmosphère. Ce qui pose problème c’est la densité de leur présence que nous avons fait évoluer à la hausse en y relâchant, entre autres, du CO2 piégé depuis des millions d’années dans les énergies fossiles que sont le pétrole, le charbon et le gaz.
Digression : l’effet de serre
Un des problèmes de l’augmentation des GES dans l’atmosphère réside dans le fait que la terre étant chaude, elle-même rayonne, et ce rayonnement n’est pas de même longueur d’onde que celui reçu du soleil. Or les GES laissent plus facilement passer les rayonnements à ondes courtes (principalement des ultraviolets, émis par le soleil) que ceux à ondes plus longues (principalement infrarouges, émis par la terre).
Renvoyant de plus en plus de rayonnement infrarouge du fait de sa montée en température, les GES étant aussi plus nombreux qu’autrefois, la conjonction de ces deux faits provoque une montée en température de notre chère planète. Nous ne pouvons pas refroidir la terre, nous ne pouvons pas non plus, en l’état actuel de la technologie, capter ces GES en excès. Il nous faut, à tout le moins, cesser d’en émettre.
Amélioration de l’albédo
Puisque, en modifiant le niveau de l’albédo d’un élément, il est possible de modifier ses capacités de renvoi du rayonnement solaire, est-il possible d’intervenir et d’en améliorer le niveau de façon simple, durable, peu consommatrice d’énergie, respectueuse de l’environnement et, bien sûr, efficace ?
Plus il est élevé et plus le rayonnement est renvoyé, ce qui, de facto, a pour corollaire de limiter la montée en température du sol.
Oui, des solutions existent. D’une manière générale, pour des raisons évidentes de continuité d’une surface tournée vers le ciel, les surfaces lisses ont un albédo plus élevé que les surfaces discontinues (par exemple un béton lisse renvoie mieux qu’une surface gravillonnée).
Par contre la continuité du support engendre souvent une densité globale supérieure (pas d’espace entre les éléments), donc moins de captation mais plus de capacité de stockage et d’inertie… Ce qui nuit au refroidissement nocturne.
L’idéal serait donc une surface lisse, d’un matériau non dense, à faible chaleur spécifique et doté d’un albédo élevé. Il faudra, par exemple et si le choix se porte sur du béton (ce qui n’est pas forcément la solution la plus pertinente), privilégier, autant que faire se peut, soit du béton à agrégat léger (verre cellulaire, pouzzolane…) et/ou à liant chaux plutôt que ciment Portland.
Devant le défi à relever et l’intérêt évident d’une telle solution, des chercheurs, des groupes ont initié des R&D dans ce domaine.
Une équipe, dans une start-up française à vocation sociale et écologique, Cool-roof, soutenue par diverses autorités, dont le ministère de la transition écologique et solidaire, a ainsi mis au point une peinture du même nom.
Des essais ont été menés et se sont avérés plus que prometteurs. Il suffit de peindre les éléments, les toits en particulier, avec cette « peinture » pour améliorer considérablement leur situation.
Cette solution semble répondre à tous les critères : simple, peu onéreuse, facile à mettre en œuvre, durable… C’est donc avec plaisir que nous mettons ses promoteurs et fabricants en avant.
Végétalisation des villes
Nous avons déjà largement traité de la végétalisation dans un article. Rappelons que nous pensons que c’est une excellente solution dès lors qu’elle est abordée de façon pertinente.
L’avantage de cette solution est l’évapotranspiration des plantes, sinon elle n’est que peu intéressante.
En effet, l’albédo d’un sol en béton est de 0,50 environ, celui d’un sol en gravier de 0,25 alors que celui d’un sol nu en terre va de 0,08 à 0,25 et qu’une surface enherbée et verte (donc non brûlée par le soleil !) va de 0,12 à 0,25. Attendu que, pour rappel, plus l’albédo est élevé, plus le rayonnement est renvoyé, dans tous les cas un béton lisse est doté d’un albédo plus élevé qu’une surface végétalisée et donc, de fait, renvoie mieux les rayonnements. Il faut donc chercher ailleurs la performance globale.
Contrairement à une croyance largement répandue, ce n’est pas la végétalisation en soi qui change la situation mais le fait que les végétaux évapo-transpirent, ce qui consomme de l’énergie. Cette évapotranspiration, conjuguée à l’évaporation de l’eau contenue dans le substrat, toutes deux à réaction endothermique, vont consommer de l’énergie et améliorer considérablement les choses… Une condition sine qua non : pour évapotranspirer une plante doit être alimentée en eau, même en période sèche, caniculaire et/ou de pénurie d’eau …
Végétalisation des toits
Pour des raisons de reprise de charge, il faut l’envisager la plus légère possible.
On y voit fleurir des serres. Si dès la conception architecturale et technique, la chose est prévue, pourquoi pas, encore qu’au sol, ce serait plus logique. Par contre, dans le cadre d’une transformation ou aménagement alors que le bâtiment est déjà exploité, nous sommes beaucoup plus circonspects.
Les plantations d’arbustes doivent être réservées au sol, pas sur les toits, ce qui nécessiterait des renforts considérables des structures porteuses.
Végétalisation des cours intérieures et “fontaine d’agrément”
A l’image des patios dans les maisons et villas de contrées très exposées au soleil telles que l’Espagne du Sud ou le Maghreb, régions où les cours intérieures sont courantes, nous pourrions nous inspirer de ces patios pour en chercher l’application chez nous.
Par exemple, les immeubles Haussmanniens sont généralement conçus autour d’une cour intérieure.
Nous nous sommes empressés d’en faire des Parkings pour les “précieux” véhicules automobiles individuels. Dans cette optique nous les avons soit bétonnés soit bitumés, en faisant des “piles” à calories via les sols minéraux et la ferraille qu’on y stocke car les voitures ne roulent finalement que très peu.
Nous serions bien inspirés d’en éradiquer les automobiles et transformer l’espace ainsi libéré.
Il suffirait de démonter les sols, d’y planter des arbustes, des arbres à moyenne tige et des arbres de haut jet, le tout au-dessus d’un sol engazonné pour, non plus y stocker des calories mais au contraire bénéficier d’ombre et de l’évapotranspiration de la végétation.
De minis bassins alimentés par l’eau de pluie collectée sur les toits, agrémentés d’une fontaine qui fonctionnerait grâce à l’énergie de quelques panneaux photovoltaïques contribueraient aussi au maintien d’une ambiance douce et à température acceptable.
Dans le même temps, le retour à un micro biotope favorable ramènerait un peu de vie animale et le chant d’oiseaux en lieu et place de beaucoup de bruit et microparticules !
Exploitation agricole
Contrairement à ce que certains aimeraient nous faire croire, la production agricole en ville sera toujours limitée, ce qui ne veut pas dire qu’il ne faut pas la pratiquer.
Tout ce qui peut être produit et consommé localement doit l’être. Des exploitations implantées là où la chose est possible présentent un intérêt évident.
Là où seule la plantation d’arbre est envisageable, le choix de fruitiers permettra de lier l’utile à l’agréable en fournissant un peu de nourriture, de fait produite proche des consommateurs.
Limiter les impacts de la chaleur extérieure excessive dans les villes
La chaleur dans la cité peut représenter un handicap important sur la vie en son sein, cependant le plus pénible est de subir cette chaleur également à l’intérieur des habitats, locaux commerciaux, tertiaires, industriels ou autres.
Il est possible de limiter ce dernier désagrément.
Capter et gérer
La captation des calories le jour, leur stockage dans des éléments d’accumulation à fort déphasage, et leur relâchement dans l’atmosphère la nuit, permettent de lisser les émissions de rayonnement tout au long de la journée. Pour y parvenir il faut faire le choix de matériaux à fort déphasage (vidéo), qualité qui correspond au temps nécessaire pour une calorie pour passer d’une face d’une paroi à l’autre face.
Si cette solution ne réduit pas réellement les effets de surchauffe urbaine, au moins la chaleur est-elle tenue hors l’habitat et ainsi le confort intérieur est ménagé.
Ceci évite de faire appel au pire du pire : la climatisation !
Ce qu’il ne faut pas faire
Il est désagréable de vivre dans un environnement trop chaud. Cette chaleur excessive est généralement la résultante du dérèglement climatique tel que développé ci-avant, de choix architecturaux parfois non pertinents et du recours à des matériaux inappropriés.
Pour compenser ce désagrément, on voit fleurir des climatiseurs un peu partout, verrues en série sur les façades d’immeubles.
Or, que produit ce type d’installation ?
Climatisation
Un climatiseur fonctionne comme un réfrigérateur. En simplifiant, on pourrait dire qu’un appartement ou un bâtiment climatisés sont l’équivalent de grands, très grands réfrigérateurs.
Via un compresseur qui fait changer d’état un fluide frigorigène, on puise les calories internes pour les relâcher à l’extérieur.
Aucun appareil n’a un rendement de 100 %, pas plus un compresseur électrique qu’autre chose. Il en résulte qu’une partie de l’électricité consommée ne sert pas à comprimer le fluide frigorigène mais est perdue en énergie fatale sous forme d’émission de chaleur. Celle-ci est évacuée dans l’air ambiant, donc à l’extérieur.
Les calories puisées à l’intérieur sont évacuées à l’extérieur via un échangeur. Il s’agit de la deuxième source d’émission de calories à l’extérieur.
Sous prétexte de rendre l’intérieur plus frais, on rend donc l’extérieur plus chaud. Or le froid attirant le chaud, plus on climatise un espace intérieur au milieu d’un espace extérieur chaud, plus cet intérieur, inexorablement, puisera des calories à l’extérieur afin de se réchauffer. Ceci est d’autant plus vrai que la majorité des isolations sont réalisées avec des isolants à faible déphasage (mousses PU, PE, laines minérales). Bref, dit autrement, plus on climatise, plus il faut climatiser.
Ces appareils fonctionnent grâce à des fluides frigorigènes, certains sont des gaz à effet de serre très puissants et à durée de vie longue.
On consomme des ressources en métaux et autres pour les produire, ressources qui nous manqueront un jour.
Ils ont besoin d’énergie électrique, laquelle doit être produite à des moments où, nucléaire oblige, il faut refroidir les centrales électriques en puisant de l’eau dans les fleuves, alors que, de plus en plus, leur étiage d’été est déjà trop bas, on contribue ainsi à faire monter en température l’eau qui s’y écoule…
Quel que soit l’angle sous lequel nous analysons cette solution, elle s’avère catastrophique.
Conclusion
Le dérèglement climatique, la bétonisation et la bitumisation excessives des villes, la concentration toujours plus grande des bâtiments dans les mégapoles du fait de leur développement déraisonnable, certains choix architecturaux et le recours à des matériaux inadaptés, une urbanisation mal pensée, “îlotant” encore et toujours les zones commerciales, tertiaires et/ou d’habitation avec des déplacements induits trop importants, les émissions toujours plus grandes de GES, conjugués, amènent à des situations de mal vivre et mal être l’été.
Il va être nécessaire d’améliorer la situation thermique d’été des villes, c’est même un besoin urgent !
Il apparaît d’emblée que ce ne sera pas facile, d’où l’urgence d’arrêter de mal faire…
Il est plus simple d’éviter les pathologies que d’essayer de les éradiquer !
Trois approches peuvent y contribuer
La première consiste à capter le rayonnement solaire et l’utiliser à notre service.
Il est possible de l’utiliser immédiatement pour produire de l’électricité. Nous avons présenté ci-avant une solution qui a été testée et éprouvée, sa pertinence a été démontrée. Elle est assez récente et encore largement perfectible.
Il est possible de l’utiliser de façon différée afin de chauffer des locaux l’hiver. Ce stockage à long terme, n’a pas, à notre connaissance, été éprouvé à grande échelle. Cependant il est à la fois très simple, évident et peu onéreux à développer.
L’utilisation des calories stockées est par contre parfaitement connue et éprouvée puisque relevant de la géothermie.
La seconde consiste en une diminution de la captation du rayonnement.
Une première piste, parfaitement connue, fait appel à la végétalisation des surfaces, pas n’importe comment, il va de soi.
Une autre piste, plus novatrice, plus simple de mise en œuvre et, une fois développée, ne nécessitant que peu d’intervention, peu d’énergie ou ressource extérieure, semble extrêmement prometteuse. Il s’agit de peindre les surfaces minérale lisses avec des solutions adocks susceptibles d’en améliorer l’albédo.
La troisième approche ne traite pas réellement la chaleur concentrée dans les villes mais évite en partie que celle-ci atteigne les intérieurs.
Elle consiste en un développement d’architecture pertinente, bioclimatique et en une sélection tout aussi pertinente des matériaux mis en œuvre.
Bien qu’elles ne fassent pas réellement baisser la température ambiante dans les villes l’été, nous les évoquons ici car elles permettent de ne pas l’y faire monter… ce qui est déjà un bon début !
Un qualificatif devient très à la mode : disruptif.
Il va nous falloir l’être de plus plus, ici comme ailleurs, alors osons la disruption !
Crédits photo : parskeeze, jplenio, StockSnap, ElasticComputeFarm, Birgit Böllinger de Pixabay et Kilohn limahn Wikimédia
La lettre d'information de Claude Lefrançois, alias Papy Claude
Mes fondamentaux pour des rénovations pertinentes :
l'analyse d’un Habitologue
Chaque semaine, je partage avec vous une de mes bases de réflexion
... et dès maintenant recevez mes 2 livres numériques :
