Lutter contre la surchauffe urbaine - Revêtements urbains à albédo adapté de Colas
Le groupe Colas développe des solutions pour l’adaptation des villes au changement climatique dans une approche globale combinant différents leviers. Cet article se focalise sur les revêtements dits à albédo adapté et plus particulièrement sur la peinture Albétop d’Aximum.
Dans cet article, les auteurs présentent la démarche de Colas pour préconiser des revêtements à albédo adapté destinés à limiter la surchauffe urbaine1. Parmi les solutions listées, la nouvelle peinture Albétop commercialisée par Aximum, filiale de Colas, fait l'objet d'un focus.
Îlots de chaleur urbains et vague de chaleur
Le changement climatique généré par l’augmentation des émissions de gaz à effet de serre (GES) depuis le début de l’ère industrielle a pour conséquences majeures d’augmenter la température planétaire moyenne et de modifier les régimes météorologiques (canicules, pluies abondantes…), qui favorisent l’amplification de la fréquence et de la durée des épisodes de vagues de chaleur.
L’îlot de chaleur urbain (ICU) désigne une élévation de température en ville par rapport aux zones rurales environnantes. Il s’exprime de jour, mais également la nuit, où il est encore plus marqué. Ce phénomène est généré par les différences, en termes de bilans radiatif, thermique et hydrique, entre une zone urbaine dense et les zones rurales voisines. Il est influencé par différents facteurs :
- la forme urbaine, qui empêche parfois la circulation des masses d’air et contribue au piégeage radiatif ;
- les matériaux de construction et de voirie, qui ont tendance à emmagasiner la chaleur le jour et à restituer une partie de cette chaleur particulièrement la nuit ;
- le manque de végétation et de surfaces en eau, qui réduit la capacité de rafraîchissement par évaporation et évapotranspiration ;
- les rejets de chaleur anthropiques (activités industrielles, climatisation, trafic à moteur thermique…).
La vulnérabilité des villes aux vagues de chaleur est accentuée par les effets d’ICU. La surchauffe urbaine est ainsi accrue pendant les périodes estivales et au-delà, au gré des vagues de chaleur de plus en plus hors normales de saison. En résumé, les villes se réchauffent plus vite que le reste du territoire et les surfaces minéralisées (sols, murs, toitures) présentent des températures nettement supérieures à celles des surfaces végétalisées ou en eau.
Pour atténuer les effets des vagues de chaleur à l’échelle de la ville, différents types de solutions peuvent être employés :
- des solutions grises, liées aux infrastructures urbaines, revêtements, bâtiments, mobiliers… ;
- des solutions bleues, qui reposent sur la présence de l’eau en ville ;
- des solutions vertes, fondées sur la nature ;
- des solutions douces, qui s’appuient sur le comportement et la gestion urbaine.
Le groupe Colas travaille sur l’ensemble de ces solutions d’adaptation de la ville dans une approche systémique visant à les combiner pour lutter efficacement contre la surchauffe urbaine.
Démarche Greencol de Colas
Les travaux de Colas sur la surchauffe urbaine s’inscrivent dans le cadre de sa démarche Greencol. Cette démarche vise à assembler des briques techniques pour proposer des solutions d’aménagement adaptables aux différents usages en milieu urbain. Son objectif est de générer de nombreux bénéfices, notamment :
- le rafraîchissement urbain pour maintenir des conditions de vie plus acceptables lors des vagues de chaleur ;
- la gestion des eaux pluviales à la source pour se rapprocher du cycle naturel de l’eau tout en limitant l’impact des fortes précipitations, qui s’amplifient avec le changement climatique ;
- l’amélioration du cadre de vie des habitants.
En ce qui concerne la lutte contre la surchauffe urbaine, quatre leviers ont été identifiés : les revêtements urbains à albédo adapté, l’eau, la végétation et l’ombrage.
La démarche Greencol s’appuie sur des études d’ingénierie nécessaires pour répondre aux enjeux de chaque territoire : démarche de co-conception, analyse du site, caractérisation des matériaux, modélisation microclimatique et instrumentation in situ.
Revêtements à albédo adapté
Les matériaux des surfaces minérales au sol ou des bâtiments participent à la formation des ICU par leur capacité d’absorption et de stockage de la chaleur. Leur comportement par rapport au rayonnement solaire et à la chaleur a un impact significatif sur les niveaux de température en ville, contrairement à la terre nue ou aux surfaces végétalisées.
L’albédo, le paramètre clé
L’albédo, ou réflectivité solaire, est la propriété de surface d’un matériau qui qualifie la quantité de rayonnement solaire réfléchi (rayonnement ultraviolet – UV –, visible et proche infrarouge – IR). C’est le rapport entre l’énergie solaire reçue et l’énergie réfléchie. Il s’exprime sur une échelle de 0 (surface qui absorbe à 100 %) à 1 (surface qui réfléchit à 100 %).
Ce qui n’est pas réfléchi est absorbé et modifie directement la température de surface des matériaux (figure 1) :
- Le jour, un matériau à faible albédo absorbe beaucoup d’énergie. Sa température de surface est plus élevée que celle d’un matériau à fort albédo, qui absorbe moins d’énergie.
- Un matériau à fort albédo favorise les multiples réflexions.
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L’inertie thermique
Si les propriétés de surface des matériaux conditionnent la part de rayonnement réfléchi ou absorbé, les propriétés massives des matériaux (comme la conductivité thermique et la capacité thermique massique) conditionnent leur capacité à accumuler, puis à restituer de la chaleur :
- Plus leur temps d’absorption et de restitution est long, plus les matériaux sont thermiquement inertes.
- Plus les matériaux sont denses et épais, plus leur inertie est forte.
Ce principe d’inertie est l’une des causes de formation des ICU, car les matériaux de construction minéraux ont une inertie thermique bien plus importante que la terre naturelle par exemple.
Combinaison de l’inertie thermique et de l’albédo
La prise en compte de ces deux paramètres physiques permet d’expliquer le cycle de stockage-déstockage de la chaleur d’un sol urbain (figure 2), particulièrement important pendant la période estivale, lorsque l’énergie solaire est intense.
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L’albédo conditionne la quantité de chaleur stockée le jour par un revêtement. Une surface qui a accumulé de la chaleur la journée réchauffe l’air à proximité par convection et le sous-sol par conduction. La nuit, le relargage de chaleur a lieu essentiellement par rayonnement infrarouge (thermique).
Des revêtements noirs (comme les enrobés bitumineux neufs) à très faible albédo soumis à un fort ensoleillement atteignent des températures élevées et emmagasinent beaucoup de chaleur le jour. Ils se refroidissent lentement la nuit, compte tenu de leur inertie thermique plutôt élevée, par rapport au rafraîchissement nocturne de l’air ambiant. Cette situation contribue au maintien d’une température relativement élevée la nuit.
Des revêtements blancs à très fort albédo (comme les revêtements pour toiture Axiroof d’Aximum) réfléchissent une grande part du rayonnement solaire le jour. Ils emmagasinent donc beaucoup moins de chaleur que les revêtements noirs et leur température de surface est plus faible, ce qui est recherché pour limiter l’apport de chaleur transmis à l’intérieur d’un bâtiment.
C’est l’effet combiné de l’ensemble des caractéristiques thermo-radiatives des matériaux qui explique leur impact sur la surchauffe urbaine.
Confort thermique des piétons
Le confort thermique correspond à un état d'équilibre thermique entre le corps humain et son environnement (figure 3). Il dépend de plusieurs paramètres : des variables météorologiques (température et humidité de l’air, vitesse du vent, rayonnements…), des données personnelles propres au corps humain (choix des vêtements, activité physique…) et de l’environnement (présence de bâtiments, d’arbres…).
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Plusieurs indices de confort thermique, comme l’UTCI (Universal Thermal Climate Index), ont été développés pour évaluer le ressenti thermique des usagers dans les espaces urbains extérieurs.
La mise en place de revêtements à albédo élevé sur les sols, les murs et les toitures est une solution efficace pour lutter contre les ICU. Cependant, ces revêtements augmentent les multi-réflexions de rayonnements vers le piéton2 (réflexion solaire directe et multiples réflexions des différentes surfaces urbaines).
Ainsi, le confort thermique du piéton présent sur une surface urbaine ensoleillée à haut albédo est dégradé par rapport à celle d’un piéton sur la même surface urbaine ensoleillée à plus faible albédo.
C’est pourquoi Colas recommande d’utiliser des revêtements à albédo adapté pour les grandes surfaces urbaines ensoleillées présentant un enjeu de confort pour les piétons. Cette situation implique des valeurs d’albédo ni trop élevées (pour maintenir un bon confort thermique des piétons le jour), ni trop faibles (pour réduire les températures de surface et d’air, ce qui contribue à la réduction des ICU) (figure 4).
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Couleur et albédo
Il convient de distinguer l’albédo et la couleur des revêtements urbains. Le rayonnement solaire est constitué de l'ensemble des ondes électromagnétiques émises par le Soleil. Il est composé de toute la gamme des rayonnements : UV (280-400 nm), visibles (400-700 nm) et proches IR (700-2500 nm) (figure 5). La couleur d’une surface est seulement liée à la partie visible du rayonnement solaire.
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Un revêtement clair a systématiquement un fort albédo. A contrario, un revêtement foncé ne présente pas obligatoirement un faible albédo. Il convient de caractériser cette grandeur, à l’aide par exemple d’un réflectomètre solaire ou d’un albédomètre qui mesure l’albédo sur tout le spectre solaire.
Les travaux de R&D menés par le centre de recherche de Colas (CORE Center) ont permis de sélectionner les meilleures matières premières pour que ses différentes gammes de revêtements puissent atteindre des valeurs d’albédo adaptées.
Plus fraîche ma ville, la start-up d’État portée par l'Ademe3, appuie cette proposition en indiquant que « le revêtement blanc sur le sol peut altérer le confort thermique du piéton et l’éblouir si ce revêtement est disposé au sein de grands espaces ensoleillés ».
Recommandations de Colas
Différents types de revêtements à albédo adapté
Colas propose une large gamme de revêtements éprouvés pour répondre à ce critère d’albédo adapté, en sélectionnant les bons granulats pour atteindre les performances d’albédo suffisantes ou en y intégrant des additifs réfléchissants :
- des enrobés à base de liant clair : liant de synthèse pour Colclair ou liant biosourcé pour Vegecol ;
- des revêtements à base de liant translucide : liant de synthèse organominéral pour Urbalith, produit commercialisé par la filiale INMS de Colas ;
- des revêtements bitumineux, qui ont tendance à présenter un aspect vieilli assez rapidement sous trafic, dû au départ du film bitumineux en surface de la couche de roulement, laissant apparaître les granulats. L’albédo est d’autant plus adapté que les granulats sont bien sélectionnés. Des traitements de surface (ponçage, grenaillage, hydrodécapage) permettent de décaper les enrobés et d’obtenir un albédo adapté dès le jeune âge.
En aménagement urbain, d’autres types de revêtements minéraux peuvent être proposés, comme les bétons décoratifs, les dalles et les pavés (béton, pierres naturelles), les sables et les graves stabilisées, qui complètent ce panel de solutions.
Le choix de ces revêtements peut également être effectué en fonction de co-bénéfices attendus : esthétiques, non éblouissants, perméables… Dans une démarche éco-responsable, Colas travaille avec des granulats locaux.
Le choix de ces revêtements à albédo adapté peut également être effectué en fonction de co-bénéfices attendus : esthétiques et non éblouissants, perméables, résistants au trafic piéton et léger, tenue en extérieur… Dans une démarche éco-responsable, Colas travaille avec des granulats locaux.
Parmi les revêtements à albédo adapté, la peinture Albétop est une solution rapide à appliquer sur les surfaces existantes pour modifier leur albédo. Elle offre de nouvelles possibilités aux différents acteurs de projets d’aménagement urbain pour répondre sans travaux lourds aux enjeux de lutte contre la surchauffe urbaine.
Elle a été développée par le CORE Center de Colas dans une démarche d’éco-conception pour répondre à de nombreuses performances attendues : plus faible impact environnemental (phase aqueuse), sécurité (anti-glissance) et durabilité (bonne tenue en extérieur). Elle est proposée dans deux gammes de couleurs (dynamiques et douces). La sélection attentive des charges et des pigments a permis d’atteindre les valeurs d’albédo visées tout en garantissant de bonnes propriétés esthétiques et visuelles. Albétop n’engendre pas de gêne liée à l’éblouissement comme certains revêtements trop clairs et est ainsi moins salissante que ces derniers. Elle présente l’avantage d’être rapide et facile d’application et se présente dans un écoemballage qui limite de 65 % le poids des déchets non recyclables par rapport à un conditionnement classique.
Grâce à sa diversité de couleurs et sa facilité d’application, la peinture Albétop s’adapte à de nombreux environnements ou exigences architecturales présentant de forts enjeux de confort thermique pour les usagers : jeux et animations pédagogiques sur les sols des cours d’écoles, fresques au sol pour les places urbaines...
Elle est également utile dans le cadre du développement des mobilités actives. Ainsi, dans les zones de circulation apaisée, son utilisation pour la coloration des différentes voies de circulation incite à une meilleure cohabitation des différents types d’usagers (piétons, cyclistes, utilisateurs d’engins de déplacement personnel motorisés et automobilistes).
Une réflexion à mener pour chaque projet
La proposition de Colas est de favoriser des revêtements de sol à albédo adapté pour limiter la surchauffe urbaine aux échelles à la fois de la ville et du piéton.
Ces préconisations sont à discuter avec les maîtres d’ouvrage en fonction des lieux des aménagements urbains (contexte et conditions climatiques), de leurs usages (présence de piétons le jour et/ou la nuit) et de leurs objectifs.
Dans le cadre des projets à performance, Colas s’appuie sur son ingénierie pour proposer un revêtement à albédo adapté à chaque projet, notamment grâce à :
- une modélisation microclimatique qui évalue de façon prédictive l’impact potentiel du revêtement sur son environnement ;
- une instrumentation in situ qui mesure les performances réelles.
Conclusion
Pour accompagner l’adaptation des villes au changement climatique, le groupe Colas développe des combinaisons de briques techniques à multiples bénéfices à travers sa démarche Greencol.
Parmi ces solutions, il recommande l’utilisation de revêtements urbains à albédo adapté pour les grandes surfaces ensoleillées afin de limiter la surchauffe urbaine. Les valeurs d’albédo visées ne sont ni trop élevées (pour maintenir un bon confort thermique des piétons le jour), ni trop faibles (pour réduire les températures de surface et d’air, ce qui contribue à réduire les effets d’îlot de chaleur urbain). Ces revêtements présentent d’autres avantages esthétiques : ils sont non éblouissants et moins salissants que des revêtements très clairs.
Le centre de recherche de Colas (CORE Center) a mené des travaux de R&D pour sélectionner les meilleures matières premières dans ses différentes gammes de revêtements (enrobés, bétons décoratifs, pierres naturelles…) pour atteindre cet objectif. La nouvelle peinture Albétop ainsi formulée est commercialisée par la filiale de Colas, Aximum.
• Peintures Albétop d’Aximum : une gamme de couleurs dédiées à l’aménagement urbain pour un albédo adapté.
Références
- Ademe, Diagnostic de la surchauffe urbaine, 2017 : téléchargeable gratuitement.
- E. Erell, D. Pearlmutter, D. Boneh, P.B. Kutiel, "Effect of high-albedo materials on pedestrian heat stress in urban street canyons", Urban Climate, Vol. 10, Part 2, 2014.
- Ademe, Rafraîchir les villes : des solutions variées, 2021 : téléchargeable gratuitement.
