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Theses Year : 2022

Deploying nature-based solutions in urban areas : thermal performance and urban feasibility across scales

Déploiement des solutions fondées sur la nature en milieu urbain : performance thermique et faisabilité urbaine à toutes les échelles

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Abstract

Rapid urbanisation rate and the modification of surface properties have altered energy balance and wind dynamics within the cities. This has modified locate climate, enhancing the Urban Heat Island (UHI). This phenomenon creates elevated temperatures are experienced in dense areas, mainly at night. Likewise, climate change could induce intensity and frequency of extreme events (such as heatwaves) are higher, becoming the UHI a challenge and threat of urban resilience. Nature-Based Solution (NBS), such as green roof, have appeared as a strategy for mitigation of elevated temperatures, because of the effect of evapotranspiration (ET) from vegetation. Nevertheless, the performance of NBS to cooling the air and its variability across different temporal and spatial scales are still unclear. As well, conditions that can influence their implementation in complex urban environments are unstudied.In this context, this thesis focuses on the evaluation of elements than could influence their installation across scales. First, campaigns of measure of the ET process were carried out in the Blue Green Wave (BGW), a green roof located in Bienvenüe building in front of the Ecole des Ponts ParisTech, in the Cité Descartes (eastern of Paris). The thermal and physical performance of the BGW was characterised through three different methods: the surface energy balance (SEB), the evapotranspiration chamber and the water balance during dry conditions. Differences in the three methods of measure were observed and the errors causing these were discussed. A sensitivity analysis served to determine principal variables affecting SEB estimations and make recommendations for further campaigns of measure.Second, the fractal geometry was used to analyse the complexity and heterogeneity of the spatial distribution in the case study of Est-Ensemble (eastern of Paris), and to develop a multiscale scenario of NBS deployment. More specifically, fractal dimension helped to analyse the hierarchical organisation of the built-up structure and NBS across different scales. These properties served in the multiscale scenario to reconcile the built-up structure with the NBS, by installing NBS of different sizes in the spaces not occupied by the buildings (lacunas) but over the fractal structure of buildings too.Finally, in order to improve the understanding of thermal flux variability measured in the BGW, statistical multiscale data analysis was used. The preliminary results demonstrated than air temperature and structure parameter of refraction index of air (〖C_n〗^2), impacting ET, exhibit a scaling behaviour affecting by intermittency, a commonly observed feature of turbulent flows. In addition, results suggested the need to investigate the additional meteorological parameters affecting turbulent activity in the BGW, such as wind speed
L’urbanisation rapide et la modification des propriétés de surface ont modifié le bilan énergétique et la dynamique du vent dans les villes. Cela a engendré la modification du climat local, favorisant l'îlot de chaleur urbain (ICU). Ce phénomène crée des augmentations des températures importantes dans les aires plus denses, notamment dans la nuit. De plus, dans le contexte du changement climatique, l’intensité et occurrence des événements extrêmes (comme les vagues de chaleur) pourrait être plus élevée, ce qui fait de l'ICU une difficulté majeure pour la résilience urbaine. Les Solutions fondées sur la Nature (SFN), telles que les toits verts, sont apparues comme une stratégie d'atténuation des températures élevées, en raison de l'effet de l'évapotranspiration (ET) de la végétation. Néanmoins, la performance du SFN pour refroidir l'air et sa variabilité à différentes échelles temporelles et spatiales n’est toujours pas claire. De plus, les conditions qui peuvent influencer leur mise en œuvre dans des environnements urbains complexes n'ont pas été étudiées.Dans ce contexte, cette thèse s'intéresse à l'évaluation d'éléments susceptibles d'influencer la mise en place de SFN à travers les échelles. Dans un premier temps, des campagnes de mesure du procédé ET ont été réalisées dans le Blue Green Wave (BGW), un toit vert situé dans le bâtiment Bienvenüe, placée en face de l'Ecole des Ponts ParisTech, dans la Cité Descartes (est de Paris). Les performances thermiques et physiques de la BGW ont été caractérisées par trois méthodes différentes : le bilan énergétique de surface (SEB), la chambre d'évapotranspiration et le bilan hydrique en conditions sèches. Des différences dans les trois méthodes de mesure ont été observées et les erreurs à l'origine de celles-ci ont été discutées. Une analyse de sensibilité a permis de déterminer les principales variables affectant les estimations de SEB et de formuler des recommandations pour d'autres campagnes de mesure.Dans un second temps, la complexité et l'hétérogénéité de l'organisation spatiale d'un territoire où les SFN seraient implantées, a été étudiée à travers la géométrie fractale. Plus précisément, la dimension fractale a permis d'analyser l'organisation hiérarchique de la structure urbaine, et des primitives fractales ont été utilisées pour développer un scénario multi-échelles de déploiement des SFN avec une étude de cas dans Est-Ensemble (est de Paris). A partir de l'organisation fractale des SFN, le scénario multiéchelle a réconcilié la structure bâtie avec les SFN, en installant des SFN de différentes tailles dans les espaces non occupés par les bâtiments (lacunes) mais également sur la structure fractale des bâtiments. Enfin, afin d'améliorer la compréhension de la variabilité des flux thermiques mesurés dans le BGW, une analyse statistique multiéchelle des données a été utilisée. Les résultats préliminaires ont démontré que la température de l'air et le paramètre de structure de l'indice de réfraction de l'air (〖C_n〗^2), lesquels impactent le flux d’ET, présentent un comportement multiéchelle affectant par l’intermittence, une caractéristique couramment observée des écoulements turbulents. En outre, les résultats suggèrent la nécessité d'étudier les paramètres météorologiques supplémentaires affectant l'activité turbulente dans la BGW, tels que la vitesse du vent.
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tel-03764898 , version 1 (30-08-2022)

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  • HAL Id : tel-03764898 , version 1

Cite

Leydy Castellanos Diaz. Deploying nature-based solutions in urban areas : thermal performance and urban feasibility across scales. Environmental and Society. École des Ponts ParisTech, 2022. English. ⟨NNT : 2022ENPC0013⟩. ⟨tel-03764898⟩
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