Définitions

Définition des termes UHI et PVHI

L'UHI (Urban Heat Island) ou ICU (Les îlots de chaleur urbains) est définie comme la différence de température entre l'environnement bâti et l'environnement extérieur. Dans la suite de l'article, il sera utilisé le terme UHI car c'est celui le plus utilisé dans les publications scientifiques citées.

L'effet PVHI (The Photovoltaic Heat Island) est la différence de température de l'air ambiant entre l'installation photovoltaïque au sol et l'environnement extérieur.

Qu'est-ce qu'un îlot de chaleur urbain ?

« Les températures dans les zones urbaines denses sont plus élevées que dans les zones rurales environnantes, surtout la nuit. Le météorologiste britannique Luke Howard avait dès le début du XIX^e siècle observé à Londres un écart allant jusqu’à 3,7 °C entre le centre-ville et la campagne. Les recherches se sont poursuivies au XX^e siècle mais c’est l’accélération du changement climatique qui a accru l’intérêt pour l’étude des ICU [UHI] et les moyens de s’y adapter.

Le décalage entre villes et campagnes peut s’observer en toute saison, mais « on en parle beaucoup pendant la période estivale, car il peut y avoir des différences de 8 à 10 °C la nuit, par exemple entre le cœur de Paris et la grande couronne, explique Sandra Garrigou, chargée de projet plan climat et adaptation à l’Institut Paris Région. En été, cela entraîne des problématiques sanitaires, le corps ne se rafraîchit pas et donc ne récupère pas. »

Source : Le Monde, « Ilots de chaleur urbains : à quoi ce phénomène est-il dû ? Quelles villes sont les plus touchées ? - Gary Dagorn & Anne-Aël Durant - 25/08/2023 »

Les causes de l'intensification des îlots de chaleur urbains

L'effet UHI a les causes suivantes :

• 1) Absorption du rayonnement solaire de courte longueur d'onde dans les matériaux à faible albédo et à forte émissivité. L'absorption est encore plus stimulée par les multiples réflexions entre les bâtiments et la surface de la rue.
• 2) Diminution de la perte de chaleur par rayonnement à ondes longues dans les canyons des rues, causée par l'obstruction du ciel par les bâtiments, les arbres et d'autres objets (facteur de vue sur le ciel plus faible). La chaleur est interceptée par les surfaces obstruantes et absorbée ou rayonnée vers la couche de canopée urbaine (UBL).
• 3) L'absorption et la réémission du rayonnement de grande longueur d'onde par la pollution atmosphérique dans l'atmosphère urbaine.
• 4) Le dégagement de chaleur anthropique par des processus de combustion, tels que la circulation, le chauffage des locaux et les processus industriels.
• 5) La diminution du transport turbulent de la chaleur à l'intérieur des rues, causée par une réduction de la vitesse du vent.
• 6) L'augmentation du stockage de la chaleur par des matériaux de construction à forte admittance thermique. Les villes ont une surface plus importante que les zones rurales et stockent donc plus de chaleur.
• 7) Diminution de l'évaporation dans les zones urbaines en raison de matériaux moins perméables (surfaces imperméabilisées) et d'une végétation moins abondante que dans les zones rurales. Par conséquent, plus d'énergie est transformée en chaleur sensible et moins en chaleur latente.

Schéma des causes des îlots de chaleur

Traduction et adaptation de : Oke, 1987, 1995 ; Santamouris & Asimakopoulos, 2001 & Pijpers-van Esch et al., 2015

Les conséquences de l'intensification des îlots de chaleur urbains

• Pertes de confort thermique face à la chaleur
• Risques plus élevé face aux canicules
• Diminution de la vitesse du vent et donc de rafraichissement grâce au vent
• Dérèglement du cycle de l'eau
• Augmentation du stress hydrique des végétaux

Source : « Deuxième et troisième thème - Les îlots de chaleur urbain -  IAU - Novembre 2010 »

Effet du photovoltaïque en toiture sur les ilots de chaleur urbains

BAPV et BIPV

BIPV désigne les installations intégrées au bâti alors que BAPV désigne les installations surimposées.

« Comme dans toutes les études citées dans cet article, cette étude documentaire s'est principalement concentrée sur l'effet UHI intensifié par le BIPV, ce qui peut conduire à l'omission de causes pertinentes provenant de différents types de panneaux solaires photovoltaïques, tels que le BAPV, et donc à un manque de compréhension approfondie de l'UHI induit par les panneaux photovoltaïques. À cet égard, les recherches futures devraient se pencher sur les applications des différents types de panneaux photovoltaïques dans les zones urbaines, et ainsi élargir les connaissances sur le lien entre l'UHI et le photovoltaïque en milieu urbain. »

Traduit et adapté de : « A review on BIPV-induced temperature effects on urban heat islands  - Tarek S. Elhabodi, Siliang Yang, James Parker, Sanober Khattak,
Bao-Jie He, Shady Attia - 2023 »

Quel est l'effet d'une installation photovoltaïque en toiture dans une ville sur les îlots de chaleur ?

« À l'échelle locale (p53 - Etude Taha, H., 2013) : Augmentation de la température locale (+4°C) mais réduction de la température ambiante (-0,8°C) à hauteur de piéton liée à l’intégration de panneaux solaires photovoltaïques dans le revêtement de sol d’une rue, en substitution de surfaces sombres (modélisation, Efthymiou et al., 2016).

À l'échelle d'un quartier ou d'une ville (p54 - Etude Taha, H., 2013) : Les panneaux PV se substituent généralement à des surfaces sombres (asphalte, toitures) de sorte qu’ils contribuent à réduire l’ilot de chaleur urbain. Plus le taux de conversion du panneau est élevé, plus le rafraîchissement sera important. Un très mauvais rendement ("conversion efficiency" inférieur à 20%) peut réchauffer la ville. La nuit, les panneaux contribuent à réduire l’effet d’ilot de chaleur urbain. Il est remarqué une réduction de -0,2 à -0,4 °C selon les analyses effectuées à Osaka ou Los Angeles (modélisation Cortes al. 2015 et Taha 2013).

Avec un rendement de 20 % ou plus, les panneaux photovoltaïques peuvent refroidir l'air. Le déploiement à très haute densité de panneaux photovoltaïques peut provoquer un certain réchauffement, mais aussi un refroidissement plus important. Il est équivalent d'augmenter l'albédo du toit de 0,05 et l'efficacité photovoltaïque de 10 % à 20 %. »

Traduit et adapté de : Taha, H., 2013. The potential for air-temperature impact from large-scale deployment of solar photovoltaic arrays in urban areas. Sol. Energy 91, 358–367. &  Sailor et al., “Photovoltaics in the built environment: A critical review”, Energy and Buildings, 2021

➡️ Conclusion : Le photovoltaïque intégré au bâti contribue à réduire l’ilot de chaleur urbain si le rendement des modules est supérieur à 20% (ce qui est le cas de la majorité des modules actuellement en vente sur le marché).

« La recherche a montré qu'un déploiement important et raisonné de systèmes BIPV (building-integrated photovoltaic system) dans des zones urbaines spécifiques peut avoir un effet de refroidissement ambiant si l'efficacité de la puissance photovoltaïque est suffisamment élevée, alors que la logique est d'installer des panneaux BIPV très efficaces mais en moins grande quantité (Taha, 2013) ; cependant, les panneaux BIPV ne sont toujours pas très efficaces (Vourvoulias, 2022a). En outre, l'effet UHI dans les zones où le BIPV est moins utilisé a rarement été étudié (Tian et al., 2007b). »

Traduit et adapté de : BIPV-induced temperature effects on urban heat islands - 2023 - by Tarek S. Elhabodi, Siliang Yang, James Parker, Sanober Khattak,Bao-Jie He, Shady Attia

Conclusion pour le photovoltaique en toiture

• On remarque une convergence de la communauté scientifique pour dire que le solaire photovoltaïque intégré au bâtiment (BIPV) réduit l'UHI (Urban Heat Island : les îlots de chaleur urbains) si les modules ont un rendement supérieur à 20%.
• Le BIPV (PV intégré en toiture) et les toits froids (végétalisé, toiture peu sombre etc.) dans les environnements urbains contribueront à atténuer l'effet UHI.
• Le photovoltaïque urbain réchaufferait l’environnement local proche en journée, et le refroidirait la nuit. Cependant, cette conclusion n'est pas universelle, et dépend largement des conditions locales. Les études s’accordent cependant sur un impact limité sur la température urbaine, souvent de quelques dixièmes de degrés.
• Les études se sont concentrées sur le photovoltaique intégré en toiture (BIPV), il faudrait des études spécifiques au photovotaique en surimposition (BAPV) pour savoir si les mêmes conclusions sont observées.

Effet du photovoltaïque au sol sur les ilots de chaleur

Quel est l'effet d'une installation photovoltaïque au sol sur les îlots de chaleur ?

L'importance d'un effet PVHI dépend du bilan énergétique. L'énergie solaire entrante est généralement soit réfléchie vers l'atmosphère, soit absorbée, stockée et ensuite réémise sous forme de chaleur latente ou sensible.

Illustration de l'échange d'énergie en milieu de journée.

"Dans les écosystèmes naturels, la végétation réduit la capture et le stockage de la chaleur dans les sols (flèches orange), et l'eau infiltrée et la végétation libèrent des flux d'énergie latente dissipant la chaleur lors de la transition de l'eau à la vapeur d'eau dans l'atmosphère par évapotranspiration (flèches bleues). Ces flux de chaleur latente sont considérablement réduits dans les installations photovoltaïques typiques, ce qui entraîne des flux de chaleur sensible plus importants (flèches rouges). La réémission d'énergie des panneaux PV (flèche brune) et l'énergie transférée à l'électricité (flèche violette) sont également illustrées."

➡️ Il y a un manque remarquable de données permettant de déterminer si l'effet PVHI est réel ou s'il s'agit simplement d'un problème lié à la perception des changements environnementaux causés par les installations, qui conduit à une réflexion du type “not in my backyard” (NIMBY).

Quelle différence entre UHI et PVHI ?

"(i) Les installations photovoltaïques ombragent une partie du sol et pourraient donc réduire l'absorption de chaleur dans les sols de surface,

(ii) les panneaux photovoltaïques sont minces et ont une faible capacité thermique par unité de surface, mais les modules photovoltaïques émettent un rayonnement thermique vers le haut et vers le bas, ce qui est particulièrement important pendant la journée, lorsque les modules photovoltaïques sont souvent 20 °C plus chauds que les températures ambiantes,

(iii) la végétation est généralement éliminée des centrales photovoltaïques, ce qui réduit le refroidissement dû à la transpiration,

(iv) l'électricité retire de l'énergie aux centrales photovoltaïques, et

(v) les panneaux photovoltaïques réfléchissent et absorbent le rayonnement de grande longueur d'onde et peuvent donc empêcher le sol de se refroidir autant qu'il le ferait sous un ciel noir pendant la nuit."

 

Résultat d'une étude concernant L'effet d'îlot de chaleur photovoltaïque sur Les grandes centrales solaires au sol

Sites expérimentaux. Le suivi d'un (1) écosystème naturel de désert semi-aride, (2) d'une installation solaire photovoltaïque (PV) et (3) d'un parking "urbain"

Une étude a été réalisée d'avril 2014 à mars 2015 ayant pour objectif la surveillance de trois sites représentant un écosystème désertique naturel (1), une centrale photovoltaïque (2) et un environnement bâti traditionnel (parking entouré de bâtiments commerciaux)(3).

Méthologie et explication des résultats

"Sur chaque site, nous avons surveillé la température de l'air en continu pendant plus d'un an à l'aide de sondes de température aspirées à 2,5 m au-dessus de la surface du sol. La température annuelle moyenne était de 22,7 + 0,5 °C dans l'installation photovoltaïque, alors qu'elle n'était que de 20,3 + 0,5 °C dans l'écosystème désertique voisin, ce qui indique un effet PVHI. Les différences de température entre les zones varient considérablement en fonction de l'heure de la journée et du mois de l'année (Fig. 2), mais la température de l'installation photovoltaïque était toujours supérieure ou égale à celle des autres sites. Comme dans le cas de l'effet UHI dans les régions arides, l'effet PVHI a retardé le refroidissement des températures ambiantes dans la soirée, ce qui a entraîné la différence la plus significative dans les températures nocturnes à travers toutes les saisons. La moyenne annuelle des températures nocturnes était de 19,3 + 0,6 °C dans l'installation photovoltaïque, alors qu'elle n'était que de 15,8 + 0,6 °C dans l'écosystème désertique voisin. Cet effet de l'PVHI était plus significatif en termes de degrés réels de réchauffement (+3,5 °C) au cours des mois chauds (printemps et été)."

Les températures ambiantes moyennes mensuelles sur une période de 24 heures témoignent de l'existence d'un effet d'îlot de chaleur photovoltaïque (PVHI).

Traduit et adapté de : The Photovoltaic Heat Island Effect: Larger solar power plants increase local temperatures,Scientific Reports, 2016

Conclusion sur le PVHI

• L'effet PVHI est réel et peut augmenter de manière significative les températures au-dessus des installations de centrales photovoltaïques par rapport aux zones sauvages avoisinantes.
• Les travaux antérieurs sur le PVHI ont été essentiellement théoriques ou basés sur des modèles de simulation. En outre, les travaux empiriques antérieurs se sont limités à un seul biome. Étant donné qu'il existe encore de grandes incertitudes quant à l'existence d'un effet PHVI, il a été examiné l'indice PVHI de manière empirique à l'aide d'expériences portant sur trois biomes. 
• Il a été constaté que les températures au-dessus d'une centrale photovoltaïque étaient régulièrement supérieures de 3 à 4 °C à celles des zones sauvages pendant la nuit, ce qui contraste directement avec d'autres études basées sur des modèles qui suggèrent que les systèmes photovoltaïques devraient faire baisser les températures ambiantes. 
• Il a été constaté que les températures des environnements voisins (zone urbaine) à proximité des installations solaires n'étaient que faiblement impacté par cette élévation de la température la nuit qui n'est présente qu'en forte localité.
• Il est essentiel de déduire la cause sous-jacente et l'ampleur de l'effet PVHI et d'identifier des stratégies d'atténuation pour soutenir la prise de décision concernant le développement de l'énergie photovoltaïque, en particulier dans les paysages semi-arides, qui sont parmi les plus susceptibles d'accueillir des installations photovoltaïques à grande échelle.
• Une approche intégrée des dimensions physiques et sociales de l'îlot de chaleur est essentielle pour faciliter la prise de décision au sujet du développement de l'énergie photovoltaïque.

Synthèse Générale

• On remarque une convergence de la communauté scientifique pour dire que le solaire photovoltaïque intégré en toiture (BIPV) réduit l'UHI (Urban Heat Island : les îlots de chaleur urbains) si les modules ont un rendement supérieur à 20%.
• Le BIPV (PV intégré en toiture) et les toits froids (végétalisé, toiture peu sombre etc.) dans les environnements urbains contribueront à atténuer l'effet UHI.
• Il n'y a pas de consensus scientifique aujourd'hui permettant de déduire la cause sous-jacente et l'ampleur de l'effet PVHI et BAPV. Le manque d'études diverses caractérisant plusieurs biomes en sont la cause principale. Ainsi, il faudrait des études complémentaires sur ce sujet pour mieux le caractériser.

Synthèse des sources

1. Définition d'un îlot de chaleur urbain : « Ilots de chaleur urbains : à quoi ce phénomène est-il dû ? Quelles villes sont les plus touchées ? - Gary Dagorn & Anne-Aël Durant - 25/08/2023 »
2. Identification des causes de l'intensification des îlots de chaleur urbains : « Oke, 1987, 1995 ; Santamouris & Asimakopoulos, 2001 & Pijpers-van Esch et al., 2015 »
3. Conséquences de l'intensification des îlots de chaleur urbains : « Deuxième et troisième thème - Les îlots de chaleur urbain -  IAU - Novembre 2010 »
4. Les installations BIPV sur l'effet UHI : « Taha, H., 2013. The potential for air-temperature impact from large-scale deployment of solar photovoltaic arrays in urban areas. Sol. Energy 91, 358–367. » &  «  Sailor et al., “Photovoltaics in the built environment: A critical review”, Energy and Buildings, 2021 »
5. Les installations BIPV sur l'effet UHI dans des zones où le BIPV est moins utilisé : « BIPV-induced temperature effects on urban heat islands - 2023 - by Tarek S. Elhabodi, Siliang Yang, James Parker, Sanober Khattak,Bao-Jie He, Shady Attia »
6. L'effet PVHI : « The Photovoltaic Heat Island Effect: Larger solar power plants increase local temperatures,Scientific Reports, 2016