Les systèmes de conditionnement des ambiances intérieures participent pour une part importante à la demande énergétique des bâtiments, notamment en été. L'objectif de cette étude est de définir par des simulations thermoaérauliques l'interaction du microclimat urbain avec le bâti et sa demande énergéti-que de climatisation dans le cas d'une rue canyon.<br />Le modèle choisi, de type zonal, nous permet de décrire les paramètres de température et de vitesse d'air dans la rue, avec un degré de précision intermédiaire entre la modélisation CFD fine et les appro-ches nodales simplifiées. L'ensoleillement et les inter-réflexions dans la rue sont ensuite modélisés par une méthode simplifiée, développée et appliquée à l'étude de la convection naturelle dans une rue. Les écoulements dominants dus au vent sont par ailleurs étudiés à partir de données expérimentales, sur la base desquelles un modèle simplifié est proposé, en conditions isothermes. Le couplage des effets du vent et de la convection naturelle a été étudié dans le cas d'une rue canyon sur 28 jours. Nous concluons sur l'importance de la modélisation thermoaéraulique pour la détermination de l'effet d'îlot de chaleur urbain, ainsi que la demande énergétique des bâtiments.

Les éléments bâtis du tissu urbain modifient fortement les paramètres microclimatiques à l'échelle locale en perturbant la distribution de l'écoulement du vent et en amplifiant les transferts de chaleur entre les surfaces. Le bilan énergétique thermo-radiatif des espaces extérieurs est ainsi étroitement lié à la nature et à la morphologie des arrangements de bâtiments. Ce travail de recherche vise à étudier par le biais de la modélisation et de la simulation numérique la relation entre la morphologie urbaine spécifique des éco-quartiers, le microclimat et le confort ou l'inconfort thermique dans les espaces publics extérieurs. Pour caractériser cet impact, nous avons développé une approche numérique basée sur un couplage entre un modèle CFD (Code_Saturne développé par EDF) et un modèle thermo-radiatif (Solene développé par le laboratoire CERMA). Les paramètres physiques simulés (température de surface, température de l'air, vitesse du vent et énergie cinétique turbulente) permettant d'évaluer les indices de confort du milieu extérieur ont été comparés avec les données de mesure obtenues durant la campagne expérimentale EM2PAU (Nantes, 2010-2011) afin de valider la pertinence et la robustesse du modèle numérique développé. Nous avons par la suite appliqué le modèle numérique développé à trois configurations d'éco-quartiers représentatives d'une forme urbaine particulière afin d'analyser leurs impacts sur le confort extérieurs. Les résultats de cette étude ont été croisés avec ceux de l'étude des indicateurs physico-morphologiques menée en parallèle pour évaluer les effets de la géométrie urbaine sur les ambiances dans les espaces extérieurs. Les conclusions de cette recherche ont abouti à l'élaboration de quelques recommandations sur la conception des éco-quartiers pour les architectes et les urbanistes.

Cette étude s’inscrit dans le cadre du projet "ANR-Villes Durables VegDUD : Rôle du végétal dans le développement urbain durable ; une approche par les enjeux liés à la climatologie, l’hydrologie, la maîtrise de l’énergie et les ambiances" (2010-2013). Elle traite de la modélisation et de l’expérimentation de toitures et de façades végétales, en vue de l’évaluation de leurs impacts hygrothermiques sur les bâtiments et sur les microclimats urbains. Un modèle physique a été développé pour décrire les mécanismes de transferts couplés de chaleur et de masse au sein de la paroi végétale. L’implémentation de ce modèle dans un code de simulation thermique dynamique permet de prédire l’impact de la végétalisation sur la performance énergétique des bâtiments. L’extension de cette démarche à l’échelle d’une rue-canyon permet d’inclure l’interaction microclimatique dans la simulation thermohydrique des bâtiments. Sur le plan expérimental, une maquette reconstituant une scène urbaine est mise en place pour étudier l’impact de différentes typologies de parois végétales dans plusieurs configurations microclimatiques. La confrontation des résultats expérimentaux et ceux issus de la modélisation numérique a été entreprise à l’échelle du système constitué du bâtiment et du microclimat urbain environnant. Pour cela, l’étude du comportement d’un bâtiment et d’une rue végétalisés par rapport au comportement du même bâtiment et d’une rue témoins a permis d’évaluer l’incidence des transferts thermiques, hygrométriques et radiatifs de la végétalisation. Ceci a permis d’entreprendre la validation des outils de prédiction numérique développés. Les résultats de l’étude montrent que les transferts thermiques et hydriques sont fortement couplés et que le comportement thermique des parois végétales est tributaire de l’état hydrique du substrat de culture. Pour l’été comme pour l’hiver, les simulations numériques et les données expérimentales montrent que la végétalisation permet d’améliorer la performance énergétique des bâtiments et de réduire les îlots de chaleur urbains. / This study was conducted in the framework of the National Program "ANR-VegDUD Project : Role of vegetation in sustainable urban development, an approach related to climatology, hydrology, energy management and environments" (2010 -2013). It deals with the experimental and numerical modeling of green roofs and green facades to evaluate their thermohydric effects on buildings and urban microclimates. A physical model describing the thermal and water transfer mechanisms within the vegetated building envelopes has been developed. The model’s program has been implemented in a building simulation program. Using this tool, we are able to predict the impact of green roofs and green facades on building energy performance. This approach is extended to the street canyon in order to assess the microclimatic interaction in building simulation. An experimental mockup modeling an urban scene at reduced scale is designed to study the impact of different types of green roofs and walls. The comparison of the measurements carried out on vegetated buildings and streets with the reference highlights the hygrothermal and radiative impacts of vegetated buildings envelopes. In addition, these experimental data are used to verify and validate the reliability of developed tools. The results show that thermal and water transfers are strongly coupled. Hence, the thermal behavior of green roofs and green walls depend on the water availability within the growing medium. In summer and winter, measurements and numerical simulations show that green envelopes improve the energy efficiency of buildings and reduce the urban heat island.

L’interaction des phénomènes de transfert de chaleur et de masse dans un tissu urbain avec les apports anthropiques participent à l’îlot de chaleur urbain et à la dégradation de la performance énergétique des bâtiments. L’objectif de cette étude est de définir l’impact de la modification des propriétés radiatives aux façades des bâtiments qui peut être réalisée par l’utilisation de revêtements sélectifs colorés récemment développés pour les toitures. Les flux sensibles et l’impact sur les bâtiments sont étudiés pour une morphologie caractéristique des milieux urbains denses, la rue canyon. Un suivi expérimental mené sur des surfaces élémentaires de propriétés radiatives différentes nous a permis de développer par une méthode d’optimisation un procédé de détermination simultané du coefficient de convection et des absorptivités solaires effectives sur la période de mesure. L’utilisation de peintures sélectives dans la configuration canyon retenue est ensuite analysée expérimentalement. Pour cela une maquette (1/10ème) de scène urbaine a été conçue sur la base de 5 rangées de cuves de béton creux qui ont fait l’objet de mesures de températures et de flux radiatifs. Dans un premier temps, le traitement de deux mois de mesures a permis de caractériser les évolutions de champs de températures liés à cette forme urbaine. Par la suite, trois configurations de propriétés radiatives aux façades ont été étudiées simultanément et ont permis d’analyser les modifications spécifiques sur les champs de température, de sur-faces et d’air. Afin d’estimer les économies d’énergie réalisables sur un bâtiment réel ainsi que l’impact sur son environnement proche, une étude paramétrique des revêtements de façade et de la chaussée a été effectuée par des simulations de l’interaction du bâti et du micro-climat. Les méthodes et expériences établies dans cette étude nous permettent d’envisager le développement du traitement des façades et de la caractérisation de leurs performances globales. / Modified heat and mass transfer in the urban built and anthropogenic loads contribute to the urban heat island phenomenon as to the deterioration of building energy efficiency. The scope of this study is to define the impact implied by the modification of façade radiative properties that can be achieved by using selective cool-coloured coatings initially developed for roofing. Sensible heat transfers and consequences on building comfort are studied through a characteristic morphology from dense urban environment, the street canyon. Monitoring of surface energy budget on elementary discs of different radiative properties allowed us to develop, through optimisation method, a process to determine simultaneously the effective solar absorptivities and a convective heat transfer coefficient on the measurement period. The following step consists in an experimental analysis of cool selective paints in the chosen canyon configuration. A reduced-scale model (1/10th) of an urban scene has been designed with 5 rows of hollow concrete tanks that had temperatures and radiative fluxes monitored. Measured data for uniform coatings allowed highlighting the temperature evolution linked to the particular urban form. Afterwards, three façades radiative properties configurations have been studied simultaneously and allowed the analysis of those specific modifications on air and surface temperature fields. Lastly, in order to estimate energy consumption savings on real scale buildings as well as the impact on the near urban environment, a parametric study on coating of façades and roads has been performed through simulation taking into account interactive heat transfers between the built environment and the microclimate. The experiments and methods designed along the study permit to consider façade coating development and global efficiency characterization.

Titre de l'écran-titre (visionné le 8 novembre 2023) / Pour la culture de petits fruits, la régie de culture sous grands tunnels est utilisée pour l'obtention d'un microclimat favorable au rendement des plants et pour diminuer la pression des ravageurs. De plus, l'utilisation d'une barrière anti-insectes au pourtour des abris tunnels permet de réduire l'incidence des populations de ravageurs. Cette étude a été menée afin de comparer les effets de cinq recouvrements (TÉMOIN, CLAIR-D, CLAIR, GRIS et ROSE) et de l'incidence d'une barrière anti-insectes sur les cultures de framboises (Rubus idaeus L.) et de bleuets (Vaccinium corymbosum L.) en pots. Les expériences ont été menées aux Fraises de l'Île d'Orléans au cours des saisons de culture 2021 et 2022. L'impact du microclimat sur les populations d'insectes ravageurs (cicadelles, thrips, pucerons et Drosophila suzukii) a été évalué sur les cultures de framboises et de bleuets alors que l'effet sur la productivité a été mesuré sur les framboisiers seulement. L'efficacité d'une barrière anti-insectes sur les ravageurs a été étudiée que pour la culture de bleuets. Les différences de qualité spectrale et de températures mesurées sous les différents recouvrements n'ont pas été suffisantes pour qu'une différence significative de la performance agronomique des plantes soit observée, dont le rendement et la qualité des fruits. En revanche, des différences significatives d'abondance des principaux ravageurs ont été mesurées dans les bleuetiers et les framboisiers. Ainsi, un revêtement ayant les propriétés du revêtement CLAIR, soit une grande transmissivité du rayonnement photosynthétiquement actif (PAR), une faible transmission de lumière diffuse, d'UV et d'infrarouge a favorisé chez le framboisier les populations de certains ravageurs dont le puceron et la cicadelle. D'autre part, la barrière anti-insectes a permis de réduire significativement les populations de pucerons et de drosophiles à ailes tachetées et s'avère une pratique de contrôle fort prometteuse pour les producteurs. Combiner un revêtement optimisant les paramètres agronomiques et minimisant les populations de ravageurs avec une barrière anti-insectes constitue une alternative durable afin de réduire l'utilisation de biopesticides et de pesticides pour la production respective de petits fruits en régie biologique et conventionnelle.

Dans le contexte du changement climatique, la chaleur est, depuis le début des années 2000, une préoccupation grandissante, d’abord en tant qu’enjeu sanitaire puis comme problématique affectant la qualité de vie des citoyens. Au Québec, le concept d’îlot de chaleur urbain, issu de la climatologie urbaine, a graduellement émergé dans le discours des autorités et de certains acteurs de l’aménagement. Or, on constate l’existence d’un certain décalage entre les connaissances scientifiques et l’interprétation qu’en font les urbanistes. Dans le cadre de ce mémoire, on a tenté d’identifier les facteurs explicatifs de ce décalage en s’intéressant au processus d’acquisition des connaissances des urbanistes québécois. Par le biais d’entretiens réalisés auprès des principaux acteurs ayant contribué à l’émergence de l’ICU au Québec, on a été en mesure d’identifier les éléments ayant entraîné certaines distorsions des connaissances. L’absence d’interdisciplinarité entre la climatologie urbaine et l’urbanisme tout au long du processus d’acquisition des connaissances ainsi qu’une interprétation tronquée de la carte des températures de surface expliquent principalement la nature du décalage observé. / In the context of current debates on climate change, heat has become a growing concern since the early 2000s, as it impacts people’s health and quality of life. As an element of urban climatology, the concept of urban heat islands emerged as a standard reference used by a number of Quebec scholars and practitioners in environmental management. However, there appears to be certain discrepancies between our current scientific knowledge and its interpretation by urban planners. The objective of this thesis is to better understand the factors that explain this discrepancy, through a study of knowledge acquisition among Quebec urban planners. Using a series of interviews with key actors in the emerging field of UHI’s in Quebec, it has been possible to identify the elements that caused distortions in knowledge transfer. Generally, the lack of interdisciplinarity in the areas of urban climatology and planning throughout the knowledge acquisition process, as well as a partial understanding of the surface temperature maps, help explain the nature of these discrepancies.

Cette recherche porte sur l'analyse diachronique des interactions entre les paramètres physiques du microclimat et les transformations urbaines. La démarche mise en œuvre prend appui sur deux investigations complémentaires : une approche historique visant à mettre au jour les savoir-faire et les interventions qui ont visé, depuis les premiers temps de l'urbanisme salubriste, l'amélioration de l'environnement urbain; et une exploration à caractère physique sur la quantification des effets microclimatiques des transformations urbaines. L'une et l'autre portent de manière privilégiée sur le centre ancien de Nantes. Des reconstitutions ont ainsi été effectuées sur la base des sources historiques disponibles et cinq états représentatifs ont été définis allant de la fin du XVIIe siècle à la moitié de XXe. Des simulations numériques ont ensuite été réalisées à l'aide du modèle climatologique TEB, développé par le CNRM de Toulouse. Le principal résultat de cette évaluation physique a été de constater une augmentation considérable des flux de chaleur, une croissance progressive de la température de l'air et des surfaces, une augmentation de la vitesse du vent, ainsi qu'une déshumidification importante des espaces de ce centre. Cette efficience des transformations urbaines sur le microclimat nous a permis d'établir des corrélations entre les principaux paramètres d'intervention sur la ville (ouverture des vides urbains et minéralisation) et les phénomènes micro climatiques urbains. Ces corrélations ont été ensuite exploitées pour construire un indicateur morphologique permettant la caractérisation du microclimat urbain dans un projet de transformation urbaine. La définition de cet indicateur s'appuie sur deux objectifs : le premier vise à dépasser une limite du modèle TEB constatée lors des modélisations, le deuxième concerne la prise en compte de la corrélation entre les transformations urbaines et le microclimat. L'utilisation du modèle climatologique TEB, qui repose sur le concept de « rue canyon » pour modéliser la troisième dimension des zones bâties, a nécessité en effet d'opérer une réduction importante de la complexité de la forme urbaine. Pour dépasser cette limite, qui n'est pas propre à ce seul modèle, l'indicateur proposé reprend la notion de gabarit liée au canyon, mais l'étend par une analyse multidirectionnelle à l'évaluation de l'ouverture du vide urbain. Cet indicateur appelé « ouverture directionnelle » est applicable à plusieurs échelles spatiales et permet une caractérisation synthétique de l'espace (rue, place, cours, quartier, ensemble bâti) et du microclimat urbain. Une comparaison avec quelques résultats de simulations effectuées avec des outils du CERMA a permis de constater une bonne caractérisation de l'ensoleillement et de la vue du ciel et d'observer des résultats intéressants quant à la caractérisation du vent. En conséquence, « l'ouverture directionnelle », qui devra être complétée par la définition des états de surface, s'avère un indicateur prometteur pour rendre compte des interactions entre les paramètres physiques et morphologiques qui spécifient les environnements urbains.

La physiologie et les traits d'histoire de vie des organismes ectothermes dépendent largement de la température de leur microclimat. Dans certaines relations insecte – plante, le phytophage manipule physiquement et/ou chimiquement son environnement végétal. Cependant, les effets de ces transformations sur le microclimat de l'herbivore sont encore inconnus. Nous avons détaillé précisément les modifications physiques induites par un lépidoptère mineur de feuille (Phyllonorycter blancardella, Gracillariidae) sur son environnement végétal (le pommier). Les impacts sur l'écologie thermique de la larve ont été quantifiés. La larve se nourrit et se développe au sein même des tissus de la feuille, dans une structure appelée mine.<br />Des mesures de spectrométrie optique ont démontré que la larve modifie profondément les propriétés optiques de la surface de la feuille au cours de son nourrissage. La structure mine absorbe bien plus de radiations dans le proche infrarouge que les tissus foliaires intacts. De plus, une quantité importante de radiations est transmise à l'intérieur de la mine par le tégument supérieur dans les zones prélevées par la larve. Ces radiations induisent une élévation importante de son activité respiratoire (rejet de CO2). En utilisant un analyseur de gaz par infrarouge, nous avons pu montrer par ailleurs que les stomates localisés dans le tégument inférieur de la mine réagissent à la présence de la larve en se fermant. Un modèle de diffusion de CO2 a révélé que les stomates réagissent directement aux variations d'émission de CO2 par la larve. Le budget thermique de la mine a ensuite été modélisé. Le modèle permet de prédire la température à l'intérieur de la mine à partir des modifications des propriétés optiques et de la physiologie des stomates, et à partir des variables climatiques. Ce modèle biophysique a été validé en comparant ses prédictions avec des mesures expérimentales de température de mines réalisées en environnement contrôlé. Le modèle à une précision de 0,8 °C dans l'intervalle de 12 °C à 42 °C. Le modèle prédit un important excès de température dans la mine, atteignant 10 °C au dessus de la température de l'air et 5 °C au dessus de la température des tissus foliaires intacts. Les deux types de modifications – propriétés optiques et comportement stomatiques – ont un impact équivalent sur l'excès de température. Cette approche démontre clairement que la larve contrôle son environnement physique en modifiant son environnement. Nos résultats sont finalement discutés dans une perspective d'écologie évolutive. Plus particulièrement, le rôle du microclimat des insectes endophages dans l'évolution de leurs sensibilités thermiques et de celles de leurs parasitoïdes est détaillé.

L'architecture du couvert constitue un levier susceptible de limiter le développement épidémique des mycoses aériennes des plantes. La grande variabilité des caractéristiques architecturales du pois fait du pathosystème Mycosphaerella pinodes/pois un candidat idéal pour une telle étude. Deux hypothèses sont testées pour expliquer la montée de la maladie de la base vers le haut du couvert en cours de culture : i) la présence d'un gradient de réceptivité des organes du pois liée à leur niveau de sénescence, et ii) la présence d'un gradient d'humectation avec une durée d'humectation plus longue à la base des couverts. Au champ, trois cultivars ont été semés à plusieurs densités afin d'obtenir divers scénarios architecturaux. Les couverts les plus denses présentent des niveaux de sénescence plus élevés générés par les indices de surface foliaire des étages supérieurs ainsi qu'un niveau de maladie plus sévère. Une étude analytique complémentaire, réalisée en conditions contrôlées, a montré la plus grande réceptivité à l'ascochytose des organes sénescents. Les mesures microclimatiques montrent une augmentation générale de la durée d'humectation au sein des couverts par rapport à l'extérieur durant les périodes pluvieuses, seules périodes favorables à l'infection d'après notre modélisation adaptée du modèle de Magarey et al. Nos résultats montrent ainsi que l'architecture impacte directement et indirectement le développement épidémique, mais ne peut fournir seule un échappement total à la maladie ; elle doit donc être combinée à d'autres méthodes de lutte.

Concilier patrimoine et amélioration de la performance énergétique du bâti ancien est un défi pour de nombreux centres historiques. La Communauté d’Agglomération du Grand Cahors, qui finance ce travail de thèse à travers une convention CIFRE, a souhaité s’attaquer à cette problématique en valorisant des isolants bio-sourcés. Le choix du matériau et du système d’isolation sont essentiels car ils influencent à la fois la performance hygrothermique de la paroi, la qualité de l’air intérieur, le coût et l’empreinte carbone de la rénovation. Dans cette étude, nous nous sommes focalisé sur la performance hygrothermique de la paroi afin d’assurer que la mise en place d’une isolation par l’intérieur ne soit pas source de dégradations futures de la paroi. Pour cela, nous avons confronté différents outils et méthodes tels que la caractérisation physique des matériaux, une instrumentation in-situ dans deux appartements du centre ancien de Cahors et des simulations hygrothermiques alliant différents outils numériques. / Improving the energy efficiency of buildings is essential to reduce greenhouse gas emissions and mitigate against climate change. Historic dwellings represent a large part of the French building stock that needs to be refurbished. In the city center of Cahors, France, the old medieval dwellings are considered as valuable cultural heritage and internal insulation is often the only insulation technique that can be used when the architectural value of the exterior façade is to be preserved. This PhD thesis, funded by a CIFRE agreement with the Communauté d’Agglomération du Grand Cahors, studied the suitability of bio-based materials for the internal insulation of historical dwellings in urban area. The selection of the insulation material and the system is crucial because of its impact on the hygrothermal performance of the wall, the indoor air quality, the financial cost, and the carbon footprint of the refurbishment solution. In this study we focused on the hygrothermal performance of the walls to provide a reliable risk assessment in order to avoid hygrothermal failure. Due to the complexity of the problem and the lack of needed data, we ran a multi-scale study including both experimental (laboratory characterisation and building monitoring) and numerical modelling methods.