Comment faire face aux vagues de chaleur à Paris ? La piste du refroidissement passif hybride

Pascal Clain, Pôle Léonard de Vinci et Flore Vallet, Université de Technologie de Compiègne (UTC)

Des températures élevées sont attendues en France les prochains jours. Les vagues de chaleur posent un défi inédit pour nos villes de climat tempéré où, pendant longtemps, la priorité était au contraire de lutter contre le froid. Plutôt que de dépendre exclusivement de la climatisation, le refroidissement passif hybride propose de s’inspirer des bonnes pratiques des climats arides et semi-arides. L’approche tient en trois points : empêcher la chaleur d’entrer dans les bâtiments, la stocker grâce à des matériaux présentant une forte inertie thermique et, enfin, la restituer la nuit grâce à des mécanismes de ventilation naturelle.

L’augmentation des vagues de chaleur dans les climats tempérés place le confort thermique d’été au centre des préoccupations urbaines. Or, dans de nombreuses villes européennes, les bâtiments ont d’abord été conçus pour limiter les pertes de chaleur en hiver au moyen d’une isolation performante et d’enveloppes étanches. Ces choix, rationnels face au froid, deviennent problématiques lorsque les températures élevées persistent plusieurs jours et que la nuit ne permet plus d’évacuer l’énergie accumulée en journée.

On parle de « nuits tropicales » lorsque la température ne descend pas en dessous de 20 °C la nuit, empêchant le corps de récupérer. Quand cette situation se répète, la canicule peut devenir une crise sanitaire, avec des risques accrus pour les personnes âgées ou malades, d’autant plus lorsqu’elles vivent dans des logements défavorables à la ventilation. Lors de la canicule de 2003, à Paris, la température a dépassé les 39 °C, avec neuf jours de températures supérieures à 35 °C, causant 14 800 décès, dont un tiers en Île-de-France.

Face à cette situation, la climatisation apparaît souvent comme la réponse la plus directe et immédiate : on baisse la température quasiment instantanément. Mais à grande échelle, cette solution peut devenir une forme de maladaptation en augmentant les consommations électriques lors des pics de chaleur, créant une pression accrue sur les réseaux énergétiques et en rejetant de la chaleur localement dans l’espace extérieur.

Sans oublier que l’accès à la climatisation est socialement inégal. Selon une étude de l’agence de la transition écologique (Ademe), datant de 2020, le principal obstacle à l’achat d’une climatisation est financier, avec 37 % des professions libérales, cadres et professions intellectuelles supérieures qui ont installé une climatisation, contre seulement 19 % des ménages dont la personne de référence est sans emploi ou inactive.

Pour améliorer l’adaptation des villes sans créer de nouveaux problèmes (surconsommation électrique, augmentation locale des températures extérieures…), une autre approche gagne peu à peu du terrain : le refroidissement passif hybride (ou hybrid passive cooling). Il ne s’agit pas d’éliminer toute technologie fondée sur la ventilation mécanique ou la climatisation, mais de les réserver à un rôle d’appoint, en faisant des mécanismes passifs la base du confort.

Qu’est-ce que le refroidissement passif hybride ?

Pour comprendre ce que recouvre réellement le refroidissement passif hybride, il faut aller au-delà du simple inventaire technique. Il recoupe des mécanismes complémentaires qui remplissent trois fonctions thermiques fondamentales : la prévention, le stockage et la dissipation de la chaleur.

• Par « prévention », on décrit tout ce qui empêche la chaleur de rentrer dans le bâtiment : ombrage, orientation des espaces, limitation des surfaces vitrées exposées, ou encore dispositifs extérieurs thermoréflectifs, par exemple la technologie développée par la société Cool Roof.
• La deuxième idée est de stocker temporairement la chaleur afin d’atténuer les pics de température en intérieur. Les matériaux à forte inertie thermique comme le béton, la pierre ou la terre permettent cette accumulation de chaleur. Plus récemment, les matériaux à changement de phase (ou MCP) ont été développés pour augmenter cette capacité de stockage. En absorbant la chaleur lors de leur transition d’état, ils fonctionnent comme un tampon thermique, capable de lisser les variations de température sans augmenter massivement l’épaisseur des parois.
• La dissipation, enfin, consiste à extraire la chaleur accumulée dans le bâti. C’est ici que la ventilation naturelle occupe une place centrale. Lorsque les conditions extérieures le permettent, notamment la nuit, l’air extérieur plus frais peut être utilisé pour évacuer la chaleur stockée dans la structure. Sans cette étape de régénération, les stratégies de stockage perdent leur efficacité et le bâtiment est progressivement saturé en chaleur.

Ces trois fonctions forment une chaîne : prévenir réduit la quantité de chaleur à stocker, stocker amortit les pics de température, dissiper réinitialise le système. Or, dans la plupart des configurations décrites, la ventilation naturelle apparaît comme l’élément structurant.

Celle-ci est rarement suffisante toute seule, surtout dans des contextes urbains denses où les flux d’air sont contraints par des mécanismes de ventilation spécifiques. En revanche, elle devient déterminante lorsqu’elle est intégrée dans un ensemble de stratégies de refroidissement cohérent. Lorsque les températures deviennent trop élevées ou que les conditions extérieures ne permettent plus d’évacuer suffisamment de chaleur, des systèmes mécaniques (ventilation mécanique contrôlée, voire dans certains cas climatisation) peuvent intervenir. C’est précisément cette combinaison qui caractérise le refroidissement passif hybride

Architecture et gestion de la chaleur, un héritage avant tout culturel

Les principes mobilisés par le refroidissement passif hybride ne sont pas nouveaux.

Dans les régions arides et semi-arides, les populations ont longtemps vécu sans climatisation ni ventilation mécanique, en s’appuyant sur des architectures capables de capter le vent, de créer de l’ombre ou encore d’utiliser l’inertie des matériaux, c’est-à-dire leur capacité à stocker la chaleur le jour puis à l’évacuer la nuit lors de la baisse des températures.

Mais l’efficacité de ces systèmes ne tient pas uniquement à leur conception. Elle repose sur une gestion quotidienne. Les ouvertures, par exemple, ne sont pas réalisées au hasard. Elles sont gérées selon un cycle thermique déterminé. On limite les entrées d’air pendant les heures les plus chaudes, puis on ouvre en grand quand l’air redevient plus frais, notamment la nuit, pour purger la chaleur stockée.

Cette logique contraste avec certaines pratiques contemporaines. En effet, dans de nombreux bureaux climatisés aujourd’hui, les fenêtres restent fermées, car la régulation thermique est confiée presque entièrement à des systèmes mécaniques et électroniques. L’argument est le suivant : ouvrir les fenêtres est contre-productif si le système est en phase de climatisation, mais l’usager des bâtiments n’a que rarement la main sur ces systèmes.

Il faut aussi souligner que, dans les sociétés contemporaines équipées de climatisation, le confort est souvent défini comme une température intérieure stable et constante. Dans de nombreuses pratiques ancestrales, au contraire, le confort repose sur un équilibre plus dynamique : les habitants adaptent leurs comportements, leurs activités ou leur localisation pour maintenir des conditions supportables.

À Yazd, en Iran, les maisons traditionnelles combinent des dispositifs passifs comme les tours à vent, les murs épais et les espaces semi-ouverts, qui maintiennent naturellement des conditions plus fraîches. Mais ces dispositifs ne fonctionnent pas seuls. En milieu de journée, les pièces en étage exposées sont délaissées au profit des espaces plus massifs ou en contact avec le sol, comme les pièces basses ou les sous-sols. Les ouvertures donnant sur l’extérieur chaud sont fermées. Les espaces semi-ouverts ventilés, comme les loggias, sont utilisés en soirée ou la nuit pour dormir et se reposer.

Autrement dit, la performance du refroidissement passif résulte de l’interaction entre les bâtiments et les pratiques. C’est l’architecture qui va rendre certaines actions possibles (ombre, ventilation, inertie) ou impossibles, et ce sont les usages qui les mettront réellement en œuvre.

Des bâtiments innovants à Paris

À l’échelle des villes, la nécessité de solutions de refroidissement sobres en énergie se traduit de plus en plus en dispositifs concrets. À Paris, par exemple, la réponse à la chaleur associe plusieurs familles d’actions : solutions vertes (arbres, végétalisation), bleues (eau) et grises (matériaux, ombrage, aménagements bâtis) comme les « îlots frais » réalisés par Fraîcheur de Paris (société gestionnaire du réseau de froid parisien) en 2018 et 2019.

Dans ce cadre, certains équipements et bâtiments publics mobilisés en période de canicule s’appuient naturellement sur ces principes : ombrage extérieur, matériaux présentant une forte inertie thermique, ventilation et gestion du cycle jour/nuit. La climatisation est mobilisée, mais plutôt comme un filet de sécurité lorsque les conditions deviennent extrêmes. Autrement dit, le refroidissement passif hybride s’intègre déjà, de façon plus ou moins explicite, dans la manière dont une grande ville structure sa stratégie d’adaptation à la chaleur.

Un exemple concret à Paris est la médiathèque James-Baldwin (XIXᵉ), qui articule réhabilitation d’un ancien bâtiment et construction neuve en misant sur une logique de refroidissement passif hybride. On y retrouve ses trois grands principes : prévenir, stocker et dissiper.

• Pour prévenir l’entrée de chaleur, le bâtiment multiplie les protections : brise-soleil orientables, coursive de bois en façade sud, résille en bois et végétalisation qui accentuent l’ombre et réduisent l’échauffement des parois.
• Pour stocker sans surchauffer trop vite, la médiathèque tire parti du béton du bâtiment réhabilité, tout en ayant amélioré l’enveloppe au moyen d’une isolation thermique extérieure en fibre de bois.
• Enfin, pour dissiper la chaleur, la clé réside dans la ventilation naturelle, en particulier nocturne pour purger la chaleur accumulée lorsque l’air extérieur redevient plus frais.

Le refroidissement, un système sociotechnique

Mais le refroidissement passif hybride ne se limite pas à l’ajout de brise-soleil ou de matériaux innovants. En effet, une ventilation nocturne ne produit son effet que si les ouvertures peuvent être utilisées dans des conditions acceptables de sécurité et de confort pour les occupants. Un dispositif d’ombrage n’est protecteur que s’il est correctement positionné et réellement utilisé. Un matériau de stockage n’est utile que si la dissipation ultérieure est assurée.

La performance ne réside donc pas uniquement dans la technologie, mais dans l’articulation entre dispositifs, pratiques et coordination entre concepteurs, gestionnaires et usagers des bâtiments.

À mesure que la chaleur devient un paramètre déterminant pour qualifier l’environnement urbain, le refroidissement ne peut plus être pensé comme un simple équipement individuel ajouté en fin de chaîne. Il doit être compris comme un système sociotechnique à part entière, où la conception architecturale, les principes physiques et l’organisation des usages forment un tout.

Autrement dit, il ne s’agit plus seulement de recourir à des machines pour obtenir un ajustement de température, mais d’organiser durablement la gestion de la chaleur dans les bâtiments.

Cela nécessitera aussi d’impliquer davantage les occupants, en adaptant concrètement l’usage des espaces :

• éviter les pièces les plus exposées aux heures chaudes,
• privilégier les zones qui restent naturellement plus fraîches, comme les pièces épaisses ou situées en partie basse,
• et enfin, déplacer certaines activités selon les moments de la journée, par exemple réserver le repos aux heures les plus chaudes dans les pièces les plus fraîches, et reporter les tâches domestiques aux périodes plus tempérées, le matin ou en soirée.

Cet article a été développé et co-écrit avec Stanislav Mukhamedov, étudiant en école d’ingénieur à l’ESILV majeure EVD, dans le cadre de son travail de recherche sur l’adaptation des grandes métropoles aux vagues de chaleur.

Pascal Clain, Enseignant chercheur en sciences de l’ingénieur, Pôle Léonard de Vinci et Flore Vallet, Professeur, Université de Technologie de Compiègne (UTC)

Cet article est republié à partir de The Conversation sous licence Creative Commons. Lire l’article original.