Memoire Online - Mise au point d'une méthode de mesure sur les indices de confort : étude menée sur la ville de Strasbourg (france)

Ce paramètre est à différencier de la mesure de la température de l'air expliquée précédemment. L'idée est ici d'arriver à estimer le stress thermique d'une zone, à travers une température dite « équivalente », correspondant à la température moyenne radiante (Tmrt). Pour ce faire, le capteur est soumis à toutes les influences exercées par le climat, notamment le rayonnement. Ce dernier peut provenir directement du soleil, mais aussi du sol, des bâtiments à proximité du capteur ou encore des individus passant à côté de la charrette et pouvant influencer localement l'ambiance du lieu en question. Outre le rayonnement, le vent est également incorporé à la mesure.

Il existe un thermomètre standard, appelé globe noir (« Black globe » en anglais) et de marque Campbell Scientific, qui permet d'estimer ce paramètre. D'un diamètre de 150 mm et recouvert de noir pour absorber le maximum de rayonnement, il est le plus souvent fait en cuivre. L'appareil s'utilise essentiellement dans une ambiance thermique chaude, avec une gamme de mesure allant de -5°c à 95°C. Sa marge d'erreur est estimée à 0.3°C entre 0 et 70°C.

Le globe noir permet notamment de calculer l'indice WBGT, en ajoutant les mesures de température de l'air et du point de rosée. Cependant, l'inconvénient de celui-ci est qu'il dispose d'une inertie assez forte. En effet, il faut attendre 20 à 30 minutes pour que le capteur se rééquilibre entre chaque mesure, chose dont on ne peut pas forcément se permettre lorsqu'on fait des mesures en ville, étant donné les variations rapides des flux radiatifs et des vitesses du vent (Spagnolo & de Dear, 2003).

L'ASHRAE, spécialisée dans l'air conditionnée et le chauffage, recommande d'ailleurs l'utilisation d'un globe de couleur grise, appelé globe gris (« grey globe » en anglais). Ayant comme base une simple balle de tennis de table de 40 mm de diamètre, le globe gris est recouvert d'une peinture grise spécifique⁶, d'émissivité 0.95 et contient ses propres caractéristiques bien qu'elles soient similaires à celles du globe noir. L'avantage de ce capteur est qu'il nécessite un temps moindre (environ 5 minutes) pour se stabiliser entre chaque mesure, du fait qu'il soit plus petit, ce qui facilite considérablement son utilisation en milieu urbain (Johansson & al., 2013). De plus, un autre avantage non négligeable est qu'il est beaucoup moins cher que le globe noir. Plusieurs études ont même permis de montrer des qualités équivalentes (Thorsson & al., 2007 ; Yahia & Johansson, 2013. Cependant, il a été observé une légère surestimation des valeurs du globe gris lorsque les mesures sont faites à l'ombre, ainsi qu'une légère sous-estimation en conditions ensoleillées (Johansson & al., 2013).

Pour des raisons pratiques et économiques, les globes gris ont été privilégiés pour mener cette étude. Ils ont été installés à environ 1m80, sur les bras verticaux des deux charrettes (Photo 4).

La meilleure méthode pour estimer ce paramètre d'ambiance reste cependant celle des six directions (« the six-direction radiation method » en anglais). Celle-ci aborde le corps humain comme un cube et attribue des coefficients de pondération au rayonnement (longues et courtes longueur d'ondes) provenant de six directions (Chen & al., 2014). Chaque radiomètre mesure alors le rayonnement provenant de ces directions pour aboutir au final à une température équivalente de même niveau que celles obtenues par les globes. Bien qu'étant plus précise, cette méthode a l'inconvénient d'être beaucoup plus chère, en raison du nombre important de capteurs. De plus, elle prend du temps à mettre en place et est relativement immobile, ce qui est un facteur limitant pour notre étude, où la quasi-totalité des mesures sont mobiles.

La température relevée par les globes permet également de calculer la température moyenne radiante (Tmrt), évoquée en première partie. L'étude menée en 2014 par Chen & al. a montré que les valeurs calculées pour Tmrt étaient finalement similaires, quelles que soient les méthodes utilisées (globe noir ou méthode des six directions). Les seules oscillations qui ont pu être observées correspondaient au vent, qui peut venir influencer le capteur globe, ce qui n'est pas le cas de la méthode des six directions du fait de la non-intégration de ce paramètre.

A. Comparaison des deux globes et de Tmrt

Bien que la littérature paraisse optimiste quant à l'utilisation de ces globes gris, il est nécessaire de pouvoir comparer le globe noir « traditionnel » avec les gris utilisés pour notre étude. De plus, le comportement des capteurs pouvant être différent selon l'ambiance thermique et les conditions météorologiques, il sera tout à fait intéressant de pouvoir analyser les réactions des deux globes dans les conditions climatiques où notre étude a été menée.

La comparaison a eu lieu au niveau de la station fixe du jardin universitaire (Annexe 6). Les globes noir et gris ont été fixés sur un bras métallique horizontal (Photo 5).

Les mesures ont été réalisées toutes les 30 minutes, 24h/24 et sur une durée de deux semaines : du Lundi 11 Mai au Lundi 22 Mai.

Photo 5 : globes gris et noir

Ceci nous a permis d'obtenir des conditions météorologiques différentes pour analyser le comportement des deux globes, mais aussi d'analyser l'évolution journalière des capteurs.

De manière générale, on peut remarquer que le globe noir possède des valeurs plus élevées en journée que le globe gris, indépendamment des conditions météorologiques (Graphique 1). Ces écarts sont cependant plus élevés au sein de journées ensoleillées, comme par exemple lors du 12 Mai, où on atteint même 12 °C de plus pour le globe noir que pour le gris (Graphique 2). Johansson & al., (2013) avait remarqué cette légère sous-estimation du globe gris en conditions ensoleillées, qu'on repère facilement sur le graphique.

1 17 33 49 65 81 97 113 129 145 161 177 193 209 225 241 257 273 289 305 321 337 353 369 385 401 417 433 449 465 481 497 513 529

Les deux capteurs gardent cependant des valeurs semblables la nuit (écarts de moins de 1°C), en raison de l'absence de rayonnement. Les écarts augmentent ensuite au fur et à mesure de la journée jusqu'en début de soirée (environ 4°C en journée).

On peut voir une différence assez nette entre les journées de beau temps (11 et 12 Mai), où la courbe est plus lissée et celles où les conditions sont mauvaises (15 et 16 Mai). En effet, les valeurs sont beaucoup plus instables dans ces conditions, ce qui est logique si des passages nuageux bloquent une partie du rayonnement ou si une averse apparaît. Pour les deux globes, la courbe est donc en « dents de scie », mais encore plus pour celle du globe noir.

Malgré les fortes variations du globe noir, ce dernier reste cependant assez fiable en conditions ensoleillées. Lorsque les conditions se dégradent, on voit clairement que le globe gris parait le mieux approprié. Si on se penche de plus près sur les valeurs, on remarque bien souvent des variations très brusques pour le globe noir : +6°C en 30 minutes quand le globe gris ne mesure qu'une augmentation de 1°C.

Il apparaît donc que le globe gris est tout à fait légitime dans nos conditions d'étude, ce dernier s'adaptant à toutes les conditions climatiques, même si cela se fait à défaut d'une légère sur ou sous-estimation de la température ambiante.

Après cette comparaison assez générale, il peut être intéressant de se pencher sur l'analyse de deux journées « types ». Une journée de beau temps (12 Mai) et une de mauvais temps (15 Mai) ont donc été choisies pour compléter de manière plus précise cette comparaison et voir l'évolution des deux globes sur une journée entière. De plus, cette étude a pour but d'arriver à estimer quels peuvent être les meilleurs indices par rapport à nos conditions climatiques et aux études entreprises. Grâce aux valeurs des deux globes, nous pouvons donc calculer l'indice WBGT afin de voir leur comportement et comparer ces deux valeurs d'indice à l'autre formule du WBGT ne prenant en compte que les paramètres climatiques.

4 Avec Tn : température (°C) du point de rosée (aussi appelée Td dans notre étude). T : température (°C) de l'air (aussi appelée Ta).

? Pour le calcul du WBGT basique, reposant uniquement sur les paramètres climatiques :

Pour ce qui est de la journée de beau temps (Graphique 3), on remarque une très bonne correspondance des deux indices basés sur les températures des globes, à 2°C maximum d'écart au plus fort de la journée, logiquement en faveur du globe noir, du fait de ses valeurs supérieures à la base. Le reste de la journée, les deux WBGTg ont quasiment les mêmes valeurs.

On constate également que les données de l'indice WBGT basique sont plus hautes que celles des deux autres indices. La courbe suit la tendance de l'évolution des températures au fil de la journée, mais de manière moins marquée. On a ici des écarts assez significatifs, de l'ordre de 45°C entre les deux types d'indice, en milieu de journée. Même la nuit, on retrouve des écarts de 1°C environ entre les deux types d'indice.

Cette différence entre les deux types d'indice n'est pas étonnante en raison de la prise en compte de la température ambiante, qui peut être sensiblement différente de la température de l'air.

Comparaison de l'indice WBGTg (Gn & Gg) et WBGT
(basique) sur une journée ensoleillée "type"

Comparaison de l'indice WBGTg (Gn & Gg) et WBGT
(basique) sur une journée mauvaise "type"

Lors d'une journée très instable comme celle du 15 Mai (Graphique 4), on peut observer que les trois indices suivent le même comportement, le mauvais temps ayant généralement tendance à homogénéiser les données. On observe tout de même cette légère supériorité du WBGT basique par rapport au WBGT des deux globes, avec toujours 1°C d'écart en moyenne sur la journée. Les deux indices basés sur les températures des globes ont quant à eux pratiquement les mêmes valeurs.

Il est difficile de dire avec certitude laquelle des deux versions du WBGT semble la plus fiable pour qualifier le confort thermique. En revanche, le fait d'intégrer la température d'ambiance des globes en plus des deux paramètres climatiques (température de l'air et point de rosée), laisse supposer la meilleure précisio de cet indice par rapport à l'autre. Il sera donc à privilégier lors de nos futures études.

D'un autre côté, il peut être judicieux de comparer les deux globes au niveau de la température moyenne radiante (Tmrt). En effet, ce paramètre important qui estime le confort thermique (mais qui n'est pas un indice) prend en compte au niveau de sa formule le diamètre du globe (en mètre) et son émissivité. Ces deux paramètres diffèrent d'un globe à l'autre et il est donc intéressant de voir comment se comporte Tmrt en fonction de ses deux globes. Les données sont les mêmes que celles utilisées pour la comparaison des globes.

Pour rappel, la formule de la Tmrt se décline comme suit :

Pour le globe noir : å = 0.98 et D = 0.15 m

Pour le globe gris : å = 0.95 et D = 0.04 m

Pour une vitesse de vent relativement faible, proche des conditions réelles (0.5 m/s), on remarque que les Tmrt calculées à partir du globe noir sont plus élevées que celles du globe gris (Graphique 5). Ceci est logique, du fait des valeurs supérieures données par le globe noir en conditions ensoleillées, comme on a pu le voir précédemment. Ces résultats sont donc satisfaisants quant à l'utilisation du globe gris en tant que « remplaçant » du thermomètre globe noir « officiel ».

Comparaison de Tmrt des deux globes avec un vent faible (0.5 m/s - jardin U)

1 16 31 46 61 76 91 106 121 136 151 166 181 196 211 226 241 256 271 286 301 316 331 346 361 376 391 406 421 436 451 466 481 496 511 526

Mise au point d'une méthode de mesure sur les indices de confort : étude menée sur la ville de Strasbourg (france)

2.2. Température ambiante : globe gris et globe noir