Optimisation du réseau poreux de dispositifs de rafraîchissement de l’air en milieu urbain (pavés rafraîchissants)

Optimization of porous network of air cooling devices in urban areas (cool pavements)

• Auteur / Autrice : Youssef Wardeh
• Direction : Stéphane Ginestet, Pierre Rahme, Elias Kinab
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie civil
• Date : Soutenance le 04/07/2023
• Etablissement(s) : Toulouse, INSA en cotutelle avec Université libanaise
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LMDC - Laboratoire Matériaux et Durabilité des Constructions de Toulouse - Laboratoire Matériaux et Durabilité des constructions / LMDC
• Jury : Président / Présidente : Marie Duquesne
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Youssef Diab, Gilles Escadeillas
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Emmanuel Antczak, Chadi Maalouf

Mots clés

Mots clés contrôlés

Évaporation

Eau -- Température

Îlot thermique urbain

Mots clés libres

Ilots de chaleur urbains

Pavés rafraîchissants

Température de surface

Propriétés thermo-Physiques

Évaporation

Urban heat islands

Cool pavements

Surface temperature

Thermo-Physical properties

Evaporation

Résumé

Les îlots de chaleur urbains (ICU) représentent un phénomène local qui apparait dans les villes à forte densité. Celui-ci se traduit par une élévation de la température ambiante dans la zone urbaine par rapport à la zone rurale voisine, et entraîne des effets négatifs sur le confort extérieur, la qualité de l'air et la consommation énergétique des bâtiments.Il est donc primordial d’intégrer des dispositifs passifs pour atténuer ce phénomène dans la conception des projets et des espaces urbains. Les différentes stratégies de limitation d’ICU sont basées sur l’augmentation de l’albédo des sols et des enveloppe des bâtiments, sur l’élargissement des surfaces végétalisées, ainsi que sur la mise en place de sources d’eau comme les fontaines et les brumisateurs.Les pavés rafraîchissants constituent une technique innovante et prometteuse pour atténuer les îlots de chaleur urbains. Les pavés rafraîchissants étudiés dans ce travail, permettent de limiter l’augmentation de la température de surface, grâce à l’évaporation de l’eau conduite à travers les pores capillaires, de la base alimentée par l’eau vers la surface exposée au rayonnement solaire. L’effet rafraîchissant du pavé se traduit par la valeur de sa température de surface, qui dépend principalement de ses propriétés thermo-physiques, des conditions météo, et des conditions initiales (température initiale, état de saturation).Dans le contexte de cette thèse, la qualification du pavé pour son effet rafraîchissant, est réalisée à travers une étude expérimentale divisée en deux étapes. L’objectif primaire de cette étude, est de trouver les propriétés thermo-physiques du pavé qui contrôlent sa température de surface, quand ce dernier est soumis aux conditions climatiques extérieures.Pour ce but, et dans un premier temps, plusieurs pavés sont caractérisés à travers leurs propriétés thermo-physiques pouvant être en pertinence avec l’effet rafraîchissant.Dans un second temps, ces pavés initialement saturés, et alimentés d’une manière continue par l’eau à travers leurs bases, sont exposés simultanément au rayonnement solaire pendant trois jours estivaux et ensoleillés, et leurs températures de surface sont surveillées.Finalement, un modèle numérique de transfert de chaleur et de masse est développé, en introduisant certaines propriétés thermo-physiques mesurées et les conditions climatiques enregistrées par une station météo proche du lieu d’exposition. La validation de ce modèle est réalisée en comparant les courbes de variation de la température de surface, expérimentales et numériques, pendant les jours d’exposition.Les résultats issus de la campagne expérimentale montrent l’existence d’un couplage entre les propriétés thermo-physiques du pavé qui contrôle sa température de surface, et qui dépend du type des pavés (pavé drainant ou non drainant). De plus, la validation du modèle implique que ce dernier peut être adopté comme outil pour prédire les comportements hygrothermiques des pavés, et pour les qualifier selon leurs effets de rafraichissement surfacique.

Urban heat islands (UHI) represent a local phenomenon that occurs in high-density cities. It results in an increase in ambient temperature in the urban area compared to the surrounding rural area, with negative effects on outdoor comfort, air quality and energy consumption of buildings.It is therefore essential to integrate passive devices to mitigate this phenomenon in the design of projects and urban spaces. The different strategies to limit UHI are based on increasing the albedo of soils and building envelopes, increasing vegetated surfaces, as well as on the implementation of water sources such as fountains and misters.Cool pavements are an innovative and promising technique to mitigate urban heat islands. The cool pavements studied in this work, allow to limit the increase of the surface temperature, thanks to the evaporation of the water conducted through the capillary pores, from the base supplied by water towards the surface exposed to the solar radiation. The cooling effect of the pavement is reflected in the value of its surface temperature, which depends mainly on its thermo-physical properties, the weather conditions, and the initial conditions (initial temperature, saturation state).In the context of this thesis, the qualification of the pavement for its cooling effect, is carried out through an experimental study divided into two steps. The primary objective of this study is to find the thermo-physical properties of the pavement that control its surface temperature, when it is subjected to external climatic conditions.For this purpose, several pavements are initially characterized through their thermo-physical properties that may be relevant to the cooling effect.Secondly, these pavements, initially saturated, and continuously supplied with water through their bases, are simultaneously exposed to solar radiation for three sunny summer days, and their surface temperatures are monitored.Finally, a numerical model of heat and mass transfer is developed, by introducing some measured thermo-physical properties and the climatic conditions recorded by a weather station close to the exposure site. The validation of this model is performed by comparing the experimental and numerical curves of surface temperature variation during the exposure days.The results of the experimental campaign show the existence of a coupling between the thermo-physical properties of the pavement which controls its surface temperature, and which depends on the type of the pavement (draining or non-draining). Moreover, the validation of the model implies that it can be adopted as a tool to predict the hygrothermal behaviors of the pavements, and to qualify them according to their surface cooling effects.