ICE : La solution pour étudier le rafraîchissement de vos quartiers.

Article publié le 28 septembre 2021, suite de cette idée

< EDIT 2, 25 janvier 2022> passez d’ICE à ICEtool :

La philosophie de base n’a pas changé, mais il s’agit maintenant d’un véritable plugin dans QGIS, et il a été simplifié et optimisé.
Vous pouvez télécharger ICEtool directement depuis QGIS. L’article reste cohérent avec ICEtool puisque c’est la suite logique d’ICE

➜ d’ICE à ICEtool, l’ICU simplifié

< EDIT, 30 septembre 2021> une page de documentation technique a été mise en ligne par ici

Nous proposons des outils et une méthode pour mesurer les îlots de chaleur urbain et la surchauffe urbaine, basé sur QGIS et publié en opensource

La chaleur en ville en été et le phénomène des îlots de chaleur urbains ( ICU ) sont des enjeux majeurs pour les habitants des villes. Renforcées par le changement climatique, comme l’a rappelé le GIEC cet été, ces anomalies deviennent de plus en plus la normalité chaque été. Si vous voulez en savoir plus sur les ICU, nous avons résumé le sujet par ici ou par ici mais passons maintenant à l’action.

Et si les ICU devenaient des IFU ?

Le besoin d’augmenter le nombre d’endroits frais ou améliorer les existants, en créant des îlots de fraîcheur urbains (IFU) est le minimum du travail urbain, on peut même dire que c’est vital.

Pour appréhender l’ICU, des modélisations microclimatiques complexes existent.

Ces modélisations sont très précises, mais restent coûteuses en logiciel et en temps de simulation, ce qui peut les rendre inadéquates pour les phases amont des projets, au moment où il faut agir vite et qu’il est possible d’agir avec les concepteurs.

Comment alors étudier les ICU et essayer de transformer les ICU en IFU dès les phases amont des projets ?

L’outil qui répond à nos (vos?) besoins

Nous avons décidé de créer ICE, issu d’une collaboration d’Elioth et des équipes de l’activité Villes Routes et Mobilités d’Egis, pour répondre aux besoins de ceux qui fabriquent la ville (voir ici le positionnement), avec l’intention de diffuser au maximum cet outil et de le mettre en open source (l’avenir de l’ingénierie est à l’open source).

Nous proposons des outils et une méthode pour mesurer les îlots de chaleur urbains et la surchauffe urbaine :

basés sur des logiciels utilisés par tous, rapides, efficaces : QGIS
assez détaillés et surtout suffisamment scientifiques : Calcul thermique urbain
avec des beaux rendus et des données en température de surface afin de comparer le projet et l’existant ou différentes propositions de projets : cartographie
intégrables dans les méthodes de travail actuelles et dans les bases de données existantes : SIG et OPENDATA
modifiables, éditables et sans boîte noire : en opensource

Cette méthode permet ainsi de comparer l’existant avec des projets futurs ainsi que de quantifier l’impact des aménagements et de cibler les points critiques de la zone d’étude. Cette première approche d’aide à la conception donne des indications nécessaires pour rassurer sur la qualité d’un aménagement futur ou pour proposer une étude plus poussée avec modélisations micro-climatiques.

L’outil fini, nous avons formé nos équipes et notre retour d’expérience démontre leur grande appétence pour étudier les ICU sur chacun des projets.

Le pari initial d’un outil efficace semble largement gagné !

copyleft @elioth

Les températures : équation insoluble que nous avons simplifiée

Pour étudier l’ICU nous calculons la température de surface des sols de notre projet à partir d’un maillage et d’un bilan énergétique. C’est un premier indicateur efficace qui permet simplement de comparer deux endroits et de mesurer, par extrapolation, le confort des piétons et des habitants de la ville.

Évidemment, il est possible de choisir, une durée de calcul, la moyenne de cette durée (souvent la journée) ou des horaires spécifiques. Comme indicateur final, nous pouvons donner la moyenne temporelle et spatiale de la température de surface ainsi que la maximale ou la minimale. Tout est numérique donc on peut aller aussi loin que l’on veut et moduler les indicateurs en fonction des spécificités des projets.

Pour faciliter l’usage et permettre au plus grand nombre de réaliser ce type d’étude, nous avons réalisé l’outil dans un SIG, qui plus est un SIG Open Source, QGIS. Et comme tout est fait sur QGIS nos solutions sont mathématiques et nos cartes sont personnalisables selon les envies et les besoins.

copyleft @elioth

La méthode

La méthode est intégralement réalisée dans QGIS en 5 étapes :

Calculer les ombres des arbres et bâtiments (sur une journée pour un calcul rapide)
Appliquer les matériaux du sol depuis une base de données également fournie en open source
Créer automatiquement un maillage et regarder à chaque heure de la journée si chaque point du maillage est à l’ombre ou pas
Réaliser un bilan énergétique des surfaces du sol pour obtenir les températures de surface
Interpoler les résultats de ces points du maillage pour obtenir une cartographie fluide et lissée avec des statistiques de tout l’espace

Voilà, c’est simple, facile et efficace, rien de bien compliqué pour un utilisateur de SIG. Une bonne partie des informations de base est accessible en opendata (plans, hauteurs des bâtiments…).

Le but est de comparer

L’outil nous permet de faire une comparaison fiable et scientifique des aménagements en gardant la simplicité de l’étape de conception et la facilité de comparaison des exemples faits. Il n’est pas là pour se substituer à une modélisation poussée mais pour mettre sur le bon chemin.

Par exemple ici vous pouvez voir des changements simples sur une place (changer le type d’enrobé, irriguer plus et changer le gazon, et planter plus d’arbres). Avec ce genre d’action, il est possible de voir une amélioration de 2°C dans la moyenne des températures de surface des journées.

Les matériaux, une base fiable

Pour modéliser les matériaux de façon assez complète, nous avons pris en compte les paramètres thermiques comme l’albédo, l’émissivité, la conductivité thermique, la capacité thermique et le coefficient de l’évapotranspiration.

Nous avons bien pris soin de sourcer et de qualifier les données pour avoir une base la plus fiable possible. Les données viennent des articles scientifiques comme de Spectral Library of Impervious Urban Materials et du Lawrence Berkeley National Laboratory, ainsi que d’autres comme MatWeb pour compléter certaines données. La base étant aussi libre, il est bien sûr possible de la faire évoluer en ajoutant des matériaux particuliers dont les informations thermiques sont connues.

Un travail commun et complet

Comment ne pas citer l’énorme travail de Stéphanie avec l’aide précieuse de Marguerite et des nombreuses personnes qui ont fait des retours.

Opensource

Avec cet outil, nous continuons à vouloir proposer une ingénierie environnementale open source pour permettre à l’ensemble des acteurs du monde du bâtiment et de la ville de s’impliquer dans la conception d’espace urbains et de bâtiment limitant leur impact sur la planète tout en assurant un confort certain. C’est une nouvelle pierre à notre petit édifice.

Vous trouverez l’ensemble des sources et outils à cette adresse :

➜ https://gitlab.com/elioth/ice
➜ https://github.com/Art-Ev/ICEtool

Evolutions (ICE est devenu ICEtool)

Cet outil est une V1.0, qui reste sans doute un peu à debugger et que nous ferons évoluer en fonction des retours d’expériences sur des cas appliqués. Il y a encore potentiellement beaucoup de choses à faire mais cet outil est parfaitement utilisable en l’état pour étudier l’ICU.