• Energy Research

AbstractSocieties have to both reduce their greenhouse gas emissions and undertake adaptation measures to limit the negative impacts of global warming on the population, the economy and the environment. Examining how best to adapt cities is especially challenging as urban areas will evolve as the climate changes. Thus, examining adaptation strategies for cities requires a strong interdisciplinary approach involving urban planners, architects, meteorologists, building engineers, economists, and social scientists. Here we introduce a systemic modelling approach to the problem.Our four-step methodology consists of: first, defining interdisciplinary scenarios; second, simulating the long-term evolution of cities on the basis of socio-economic and land-use models; third, calculating impacts with physical models (such as TEB), and; finally, calculating the indicators that quantify the effect of different adaptation policies. In the examples presented here, urban planning strategies are shown to have unexpected influence on city expansion in the long term. Moreover, the Urban Heat Island should be taken into account in operational estimations of building energy demands. Citizens’ practices seem to be an efficient lever for reducing energy consumption in buildings.Interdisciplinary systemic modelling appears well suited to the evaluation of several adaptation strategies for a very broad range of topics.

AbstractSocieties have to both reduce their greenhouse gas emissions and undertake adaptation measures to limit the negative impacts of global warming on the population, the economy and the environment. Examining how best to adapt cities is especially challenging as urban areas will evolve as the climate changes. Thus, examining adaptation strategies for cities requires a strong interdisciplinary approach involving urban planners, architects, meteorologists, building engineers, economists, and social scientists. Here we introduce a systemic modelling approach to the problem.Our four-step methodology consists of: first, defining interdisciplinary scenarios; second, simulating the long-term evolution of cities on the basis of socio-economic and land-use models; third, calculating impacts with physical models (such as TEB), and; finally, calculating the indicators that quantify the effect of different adaptation policies. In the examples presented here, urban planning strategies are shown to have unexpected influence on city expansion in the long term. Moreover, the Urban Heat Island should be taken into account in operational estimations of building energy demands. Citizens’ practices seem to be an efficient lever for reducing energy consumption in buildings.Interdisciplinary systemic modelling appears well suited to the evaluation of several adaptation strategies for a very broad range of topics.

Les projections climatiques prévoient une amplification du réchauffement climatique, potentiellement exacerbée en milieu urbain du fait du phénomène d’îlot de chaleur urbain. La recrudescence d’évènements extrêmes comme les canicules peut avoir des conséquences écologiques, sanitaires, et économiques dramatiques à l’échelle des villes qui concentrent la population. Parmi les mesures d’adaptation visant à améliorer le confort climatique et la demande énergétique, la climatisation et le verdissement urbain constituent deux leviers d’action aux effets parfois antagonistes. Ce travail de thèse – mené dans le cadre des trois projets de recherche CLIM2, MUSCADE et VegDUD, propose d’évaluer ces effets par des simulations du climat urbain à l’échelle de l’agglomération parisienne. La modélisation repose en particulier sur le modèle de canopée urbaine TEB qui permet de simuler les échanges de chaleur, d’eau et de quantité de mouvement entre les surfaces urbaines et l’atmosphère, et depuis peu l’énergétique des bâtiments et des indices de confort thermique dans les bâtiments et dans les rues. Afin d’améliorer la prise en compte de la végétation urbaine dans TEB, un modèle de toitures végétalisées extensives a tout d’abord été développé et évalué. Différentes pratiques d’arrosage de la végétation urbaine au sol ou sur les toits ont également été paramétrées. Les scénarios d’adaptation de la ville de Paris par la climatisation, évalués dans le cadre de CLIM2 pour la canicule 2003 par des simulations couplées de TEB avec un modèle atmosphérique, ont mis en évidence que toutes les formes de climatisation qui rejettent de la chaleur dans l’atmosphère (sèche ou humide) génèrent une augmentation de la température des rues au niveau des piétons. Ce réchauffement, proportionnel à la puissance des rejets de chaleur sensible dans l’atmosphère, est en moyenne de 0.5 à 2°C, selon le niveau de déploiement de la climatisation. Différentes stratégies de verdissement ont ensuite été mises en œuvre et évaluées toujours sur Paris, en faisant varier soit la végétation au sol (plusieurs taux et types de végétation testés), soit celle en toiture (avec ou sans arrosage), soit les deux. Ces simulations, réalisées dans la configuration générale du projet MUSCADE, i.e. en mode forcé avec une version de TEB disposant d’un générateur dynamique d’îlot de chaleur urbain, ont montré que l’augmentation de la couverture végétale au sol a un pouvoir rafraîchissant plus efficace que les toitures végétalisées, et ce d’autant plus que le taux de verdissement et que la proportion d’arbres sont importants. Les toitures végétalisées quant à elles constituent le moyen le plus efficace de réduire la consommation d’énergie, non seulement estivale mais aussi à l’échelle annuelle, essentiellement grâce à leur pouvoir isolant. Climate projections predict an amplification of global warming, potentially exacerbated in urban areas by the urban heat island effect. More frequent extreme events such as heat waves may have severe public health, ecological, and economic consequences as cities concentrate population. Among the measures aiming at improving thermal comfort or energy demand, air conditioning and urban greening are measures that may have antagonistic effects. This PhD work is undertaken within the framework of three research projects, CLIM2, MUSCADE and VegDUD. Its objective is to evaluate the respective effects of air conditioning and urban greening based on urban climate simulations across the Paris area. The modelling relies on the Town Energy Balance (TEB) model, which simulates the exchange of heat, water and momentum between the urban surface and the atmosphere. It has been recently improved to simulate building energetics, as well as indoor and outdoor thermal comfort indices. To improve the description of urban vegetation within TEB, a green roof model has been developed and evaluated. In addition, watering practices have been implemented to model the watering of urban vegetation at ground or roof level. Within CLIM2, the air conditioning scenarios tested for adapting Paris city to the extreme temperatures of the 2003 heatwave have been evaluated based on simulations using TEB coupled with an atmospheric model. Results shows that all forms of conditioning that release waste heat (dry or wet) into the atmosphere generate a temperature increase in the streets. This warming is proportional to the power of the sensible heat releases in the atmosphere and is on average 0.5 to 2_C, depending on the level of deployment of the air conditioning. Then, the greening of Paris city has been evaluated based on simulations carried out with the general configuration of the MUSCADE project, i.e. with climate forcings and a dynamic urban heat island generator. The scenarios tested consisted in an increase in ground-base vegetation or an implementation of green roofs on compatible buildings, or the two combined, with the option of watering green roofs or not in summer. Results show that increasing the ground cover has a stronger cooling effect than implementing green roofs, and even more so when the greening rate and the proportion of trees are important. The green roofs are however the most effective way to reduce energy consumption, not only in summer but also on an annual basis, mainly due to their insulating properties.

Les projections climatiques prévoient une amplification du réchauffement climatique, potentiellement exacerbée en milieu urbain du fait du phénomène d’îlot de chaleur urbain. La recrudescence d’évènements extrêmes comme les canicules peut avoir des conséquences écologiques, sanitaires, et économiques dramatiques à l’échelle des villes qui concentrent la population. Parmi les mesures d’adaptation visant à améliorer le confort climatique et la demande énergétique, la climatisation et le verdissement urbain constituent deux leviers d’action aux effets parfois antagonistes. Ce travail de thèse – mené dans le cadre des trois projets de recherche CLIM2, MUSCADE et VegDUD, propose d’évaluer ces effets par des simulations du climat urbain à l’échelle de l’agglomération parisienne. La modélisation repose en particulier sur le modèle de canopée urbaine TEB qui permet de simuler les échanges de chaleur, d’eau et de quantité de mouvement entre les surfaces urbaines et l’atmosphère, et depuis peu l’énergétique des bâtiments et des indices de confort thermique dans les bâtiments et dans les rues. Afin d’améliorer la prise en compte de la végétation urbaine dans TEB, un modèle de toitures végétalisées extensives a tout d’abord été développé et évalué. Différentes pratiques d’arrosage de la végétation urbaine au sol ou sur les toits ont également été paramétrées. Les scénarios d’adaptation de la ville de Paris par la climatisation, évalués dans le cadre de CLIM2 pour la canicule 2003 par des simulations couplées de TEB avec un modèle atmosphérique, ont mis en évidence que toutes les formes de climatisation qui rejettent de la chaleur dans l’atmosphère (sèche ou humide) génèrent une augmentation de la température des rues au niveau des piétons. Ce réchauffement, proportionnel à la puissance des rejets de chaleur sensible dans l’atmosphère, est en moyenne de 0.5 à 2°C, selon le niveau de déploiement de la climatisation. Différentes stratégies de verdissement ont ensuite été mises en œuvre et évaluées toujours sur Paris, en faisant varier soit la végétation au sol (plusieurs taux et types de végétation testés), soit celle en toiture (avec ou sans arrosage), soit les deux. Ces simulations, réalisées dans la configuration générale du projet MUSCADE, i.e. en mode forcé avec une version de TEB disposant d’un générateur dynamique d’îlot de chaleur urbain, ont montré que l’augmentation de la couverture végétale au sol a un pouvoir rafraîchissant plus efficace que les toitures végétalisées, et ce d’autant plus que le taux de verdissement et que la proportion d’arbres sont importants. Les toitures végétalisées quant à elles constituent le moyen le plus efficace de réduire la consommation d’énergie, non seulement estivale mais aussi à l’échelle annuelle, essentiellement grâce à leur pouvoir isolant. Climate projections predict an amplification of global warming, potentially exacerbated in urban areas by the urban heat island effect. More frequent extreme events such as heat waves may have severe public health, ecological, and economic consequences as cities concentrate population. Among the measures aiming at improving thermal comfort or energy demand, air conditioning and urban greening are measures that may have antagonistic effects. This PhD work is undertaken within the framework of three research projects, CLIM2, MUSCADE and VegDUD. Its objective is to evaluate the respective effects of air conditioning and urban greening based on urban climate simulations across the Paris area. The modelling relies on the Town Energy Balance (TEB) model, which simulates the exchange of heat, water and momentum between the urban surface and the atmosphere. It has been recently improved to simulate building energetics, as well as indoor and outdoor thermal comfort indices. To improve the description of urban vegetation within TEB, a green roof model has been developed and evaluated. In addition, watering practices have been implemented to model the watering of urban vegetation at ground or roof level. Within CLIM2, the air conditioning scenarios tested for adapting Paris city to the extreme temperatures of the 2003 heatwave have been evaluated based on simulations using TEB coupled with an atmospheric model. Results shows that all forms of conditioning that release waste heat (dry or wet) into the atmosphere generate a temperature increase in the streets. This warming is proportional to the power of the sensible heat releases in the atmosphere and is on average 0.5 to 2_C, depending on the level of deployment of the air conditioning. Then, the greening of Paris city has been evaluated based on simulations carried out with the general configuration of the MUSCADE project, i.e. with climate forcings and a dynamic urban heat island generator. The scenarios tested consisted in an increase in ground-base vegetation or an implementation of green roofs on compatible buildings, or the two combined, with the option of watering green roofs or not in summer. Results show that increasing the ground cover has a stronger cooling effect than implementing green roofs, and even more so when the greening rate and the proportion of trees are important. The green roofs are however the most effective way to reduce energy consumption, not only in summer but also on an annual basis, mainly due to their insulating properties.