Comprendre l'effet de l'île de chaleur urbaine

Les villes du monde entier connaissent un phénomène appelé effet de l'île de chaleur urbaine (UHI), où les zones bâties deviennent beaucoup plus chaudes que leur environnement rural. Cette différence de température peut atteindre 3-5°C (5-9°F) pendant la journée et jusqu'à 12°C (22°F) la nuit. Le principal moteur est le remplacement des surfaces naturelles, perméables et végétatives par des matériaux sombres et imperméables comme l'asphalte, le béton et le toit. Ces matériaux absorbent le rayonnement solaire et le réémettent sous forme de chaleur, augmentant la température ambiante.

En augmentant l'albédo (réflexion) des surfaces urbaines, on absorbe moins d'énergie solaire, ce qui entraîne des températures de surface plus basses et un transfert de chaleur réduit dans l'air environnant. Cet article explore les mécanismes, les matériaux, les avantages et les défis de l'utilisation de surfaces réfléchissantes pour réduire les charges de refroidissement des bâtiments, en s'appuyant sur la recherche et les réalisations réelles.

La science de l'albédo et des surfaces froides

Albedo est la mesure d'une capacité de la surface de refléter le rayonnement solaire. Il varie de 0 (pas de réflexion, noir parfait) à 1 (réflexion totale). La chaussée asphaltée standard a un albédo d'environ 0,05–0,10, ce qui signifie qu'elle absorbe 90–95% de la lumière solaire incidente. En revanche, une chaussée réfléchissante blanche ou de couleur claire peut atteindre un albédo de 0,30–0,60.

Lorsque le soleil irradie une surface, l'énergie absorbée augmente sa température. Une surface avec un SR plus élevé reste plus frais. Pour un toit ou un trottoir sombre typique, les températures de surface peuvent dépasser 60 à 70°C (140 à 158°F) par après-midi d'été, tandis qu'un toit blanc frais peut rester en dessous de 40°C (104°F). Cela réduit directement le flux de chaleur dans les bâtiments, ce qui réduit la demande en climatisation.

Le rôle de l'émittance thermique

Bien que SR soit critique, l'émission thermique est également importante. Une surface très réfléchissante mais peu émissive peut encore retenir la chaleur et la réirradiation. La plupart des matériaux de chaussée frais utilisent des revêtements à haute émittance (p. ex. pigments IR-réfléchissants) pour rayonner rapidement la chaleur absorbée, surtout la nuit. Cet équilibre entre SR et l'émission est saisi dans l'indice de réflectance solaire (IRS), une mesure standard utilisée par le Conseil de cotation du toit de la toiture[ et les codes du bâtiment.

Types de revêtements et surfaces réfléchissants

Les chaussées réfléchissantes se divisent en plusieurs catégories, chacune présentant des avantages et des compromis distincts. Le choix dépend du budget, de la charge de circulation, du climat et des objectifs esthétiques.

Agrégats de haute herbe et béton

Les agrégats de couleur claire (par exemple, calcaire, quartz ou laitier de couleur claire) peuvent être utilisés dans les mélanges d'asphalte ou de béton pour augmenter la réflectivité. Le béton lui-même a un albédo plus élevé (0.15–0,35) que l'asphalte, mais l'ajout d'agrégats blancs ou de couleur claire peut le pousser plus haut. Le béton perméable et l'asphalte poreux procurent également des avantages d'albédo tout en gérant le ruissellement des eaux pluviales.

Revêtements et scellements

Les revêtements réfléchissants, y compris les émulsions acryliques, les peintures époxy ou infrarouges (IR-réfléchissantes), peuvent être appliqués sur l'asphalte ou le béton existant. Ces revêtements sont souvent pigmentés avec du dioxyde de titane ou d'autres pigments blancs ou de couleur froide. Ils peuvent booster l'albédo de 0,2 à 0,4 point. Les revêtements de remise en état sont un moyen rentable de convertir les revêtements sombres en surfaces fraîches sans reconstruction complète.

Sceaux à copeaux et joints à boue

Les joints à puce de couleur claire, minces couches de copeaux de pierre collées au trottoir, sont communs aux routes à faible trafic, aux parkings et aux trottoirs. Ils peuvent atteindre des albédos de 0,30 à 0,50 et améliorer la traction. Les joints à boues utilisant des matériaux de couleur claire offrent des avantages similaires.

Toits réflectifs et frais

Bien que l'accent soit souvent mis sur les chaussées, les toits frais sont une stratégie complémentaire. Les membranes de toiture réfléchissante (p. ex., TPO blanc, PVC ou métal avec des revêtements frais) peuvent réduire considérablement la charge de refroidissement d'un bâtiment. Combiné avec les chaussées réfléchissantes autour d'une structure, l'effet cumulatif sur le microclimat et la consommation d'énergie du bâtiment peut être important.

Matériaux innovants : Surfaces photocatalytiques et thermochromiques

Les nouvelles technologies comprennent des surfaces photocatalytiques qui décomposent les polluants (par exemple, les oxydes d'azote) en utilisant la lumière du soleil, et des revêtements thermochromiques qui changent la réflectivité avec la température. Par exemple, certains matériaux thermochromiques deviennent plus réfléchissants quand ils sont chauds, réduisent l'effet de l'île de chaleur et deviennent moins réfléchissants quand ils sont refroidis pour absorber la chaleur solaire en hiver.

Comment les revêtements réfléchissants réduisent les charges de refroidissement des bâtiments

Le mécanisme est multiforme. D'abord, les chaussées plus froides réduisent la température de l'air près de la surface. Les bâtiments entourés de surfaces réfléchissantes subissent des températures extérieures plus basses, réduisant la différence de température entre l'air intérieur et l'air extérieur.

Deuxièmement, la réduction des températures de surface diminue le rayonnement infrarouge émis vers les bâtiments à long terme. Un revêtement standard à 60°C émet beaucoup plus de chaleur qu'un revêtement frais à 40°C. Ce transfert de chaleur radiative est un élément important de la charge de refroidissement, surtout pour les bâtiments à faible hauteur et ceux qui ont de grandes surfaces vitrées.

Troisièmement, les chaussées réfléchissantes réduisent l'effet canyon urbain. Dans les quartiers denses, la chaleur piégée entre les grands bâtiments peut augmenter les températures locales.

Une étude du Department of Energy des États-Unis a révélé que l'augmentation de 0,1 de l'albédo d'une zone urbaine typique pourrait entraîner des économies nettes d'énergie de 11 $ à 20 $ par habitant par année par suite de la réduction de la climatisation.

Étude de cas : Los Angeles Cool Pavement Pilot

Los Angeles a mené de vastes programmes pilotes depuis 2017, enrobant plus de 50 milles de rues avec un joint réfléchissant (CoolSeal) développé par GuardTop. Les données de la ville montrent que les rues enrobées étaient de 5 à 10°C plus froides que l'asphalte non enrobé adjacent pendant les heures de pointe de l'après-midi. Des réductions de température de l'air allant jusqu'à 1,5°C ont été enregistrées dans les microclimats voisins.

Avantages environnementaux et sociaux supplémentaires

Au-delà des charges de refroidissement, les chaussées réfléchissantes offrent des avantages communs :

  • Émissions de gaz à effet de serre réduites:[ Une énergie de refroidissement réduite signifie une production d'électricité moins importante, souvent à partir de combustibles fossiles. L'EPA estime que les chaussées froides peuvent aider les villes à atteindre les objectifs climatiques en réduisant les émissions de CO2 de 5 à 7 % en été.
  • Amélioration de la qualité de l'air :[ Les températures plus froides ralentissent la formation d'ozone troposphérique, un composant majeur du smog.
  • Rfort et sécurité accrus:[ Les rues plus froides augmentent le confort des piétons et réduisent la tension thermique.Elles prolongent également la durée de vie des chaussées en atténuant l'expansion thermique et l'adoucissement de l'asphalte.
  • Gestion des eaux de storm:[ Les chaussées réfléchissantes perméables combinent les avantages de l'albédo avec l'infiltration, réduisant le ruissellement et filtrant les polluants.
  • Rafraîchissement nocturne accru: Les surfaces à forte émittance rayonnent rapidement après le coucher du soleil, améliorant ainsi le confort thermique nocturne et réduisant la persistance de l'UHI.

Défis et considérations

Malgré des avantages évidents, le déploiement de chaussées réfléchissantes à l'échelle comporte des obstacles pratiques.

Coût initial par rapport au coût du cycle de vie

Les revêtements réfléchissants et les matériaux à haut coefficient d'albédo coûtent généralement de 10 à 30 % de plus que l'asphalte classique. Cependant, les analyses des coûts du cycle de vie montrent souvent des économies nettes en tenant compte des économies d'énergie, de la réduction de l'entretien (les chaussées plus froides durent plus longtemps) et des avantages potentiels pour la santé.

Glaire

Les surfaces très réfléchissantes peuvent causer des gênes visuelles pour les conducteurs et les piétons, surtout dans des conditions de soleil à angle bas. Les formulations modernes de chaussées fraîches utilisent des finitions mates et des granulats plus grands pour minimiser l'éblouissement tout en conservant la réflectivité.

Durabilité et entretien

Les revêtements réfléchissants peuvent s'épuiser en raison de la circulation, de l'altération et de l'abrasion des pneus. Albedo peut se dégrader de 0,15 à 0,20 sur 5 à 7 ans. Le nettoyage régulier, le revêtement de joint avec des revêtements réfléchissants ou le recyclage des surfaces de chaussée peuvent maintenir les performances.

Rebound Urban Heat Island et effet de l'île de Joules

Certaines études suggèrent que des surfaces très réfléchissantes peuvent augmenter le rayonnement à ondes courtes réfléchi sur les piétons (appelé -Joules îlot ,) ou dans les bâtiments adjacents, ce qui entraîne des charges de refroidissement plus élevées pour ces structures.

Justice et équité environnementales

Les quartiers à faible revenu et les communautés de couleur ont souvent moins de couvert forestier et des surfaces plus imperméables, exacerbant la vulnérabilité thermique. Programmes pilotes qui ciblent d'abord ces zones peuvent atteindre les objectifs de justice environnementale et sociale.

Cadres de mise en oeuvre et de politique générale

L'adoption généralisée exige des politiques, des normes et des lignes directrices qui appuient les politiques et les politiques.

  • Ordonnances de revêtement de la couche d'eau :[ Los Angeles, Chicago et Washington, D.C., ont inclus des exigences de chaussée cool dans leurs plans de durabilité.
  • Codes de l'énergie de construction :[ Californie Le titre 24 prescrit des toits frais pour la plupart des nouveaux bâtiments et encourage les chaussées fraîches par des options de conformité prescriptive.
  • Incitations fédérales : La loi américaine sur la réduction de l'inflation prévoit des crédits d'impôt pour les toits frais et permet aux municipalités d'utiliser des subventions fédérales pour des projets d'atténuation des émissions de chaleur.
  • Certifications de bâtiments verts:[ LEED et BREEAM récompensent des points pour réduire l'effet de l'île de chaleur par des surfaces réfléchissantes, une ombre végétative ou des stratégies de combinaison.
  • Plans d'action sur la chaleur au niveau de l'État: L'Arizona, le Nevada et la Floride ont incorporé des chaussées réfléchissantes dans leurs plans de résistance à la chaleur.

Pour les propriétaires et les promoteurs, l'installation d'un toit frais ou d'un stationnement réfléchissant peut réduire directement les factures d'énergie, bénéficier de rabais et augmenter la valeur des propriétés.

Orientations futures et innovation

La recherche continue d'optimiser les performances de chaussées fraîches.

  • High-Durability Cool Coatings:[ Nouveaux liants en polymères et microsphères céramiques qui maintiennent l'albédo au-dessus de 0,40 pendant 10 ans et plus.
  • Surfaces adaptives:[ Matériaux thermochromiques ou électrochromiques qui ajustent la réflectivité en fonction de la température ou de la saison.
  • L'intégration avec l'infrastructure verte:[ La combinaison de surfaces réfléchissantes avec des toits verts, des jardins pluviaux et des arbres de rue crée un effet de refroidissement synergique plus grand que l'un ou l'autre seul.
  • Modélisation de la ville:[ Des outils comme ENVI-met et CitySim aident les planificateurs à simuler l'impact des rénovations de chaussées sur les microclimats urbains et l'utilisation de l'énergie dans les bâtiments, permettant ainsi un ciblage optimisé.
  • Économies circulaires:[ L'utilisation de agrégats recyclés et de matériaux réfléchissants provenant de déchets postconsommation réduit le carbone incorporé et les coûts.

L'ensemble croissant de preuves soutient les chaussées réfléchissantes comme pierre angulaire de la conception urbaine adaptée au climat. Lorsqu'elles sont intégrées avec des enveloppes de bâtiments écoénergétiques et des énergies renouvelables, elles contribuent à créer des villes résilientes et habitables qui peuvent résister à la hausse des températures mondiales.

Conclusion

En augmentant l'albédo et l'émission thermique, ils maintiennent les surfaces plus froides, réduisent les températures ambiantes et réduisent la demande d'air conditionné – parfois de 10 à 20 % dans les bâtiments adjacents. Bien que des défis comme le coût, la durabilité et l'éblouissement demeurent, les innovations et les politiques de soutien en cours les surmontent rapidement. Pour les planificateurs municipaux, les architectes et les propriétaires de bâtiments, l'adoption de surfaces réfléchissantes est une étape pratique vers des économies d'énergie, des réductions d'émissions et une meilleure livabilité urbaine.