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Écrit par RB   
Vendredi, 26 Mars 2010 08:45

 

AGROnomie et BATiment : Incidence des toitures végétalisées sur la

performance énergétique des bâtiments selon une approche pluridisciplinaire

Projet ANR-Habisol 2009
       
Coordinateur : Rafik BELARBI LaSIE, UMR7356-CNRS - Université de La Rochelle
              
Partenaires :
    
LaSIE, Université de La Rochelle

INRA-UMR EMMAH d'Avignon

SIPEA Poitiers

SOPREMA Strasbourg

 

 

Objectifs scientifiques et techniques

L’objectif de ce projet est d’étudier les effets des Toitures Terrasses Végétalisées sur le confort dans les ambiances intérieures, la consommation énergétique des bâtiments et les rejets en CO2.
Moyennant une étude couplée des phénomènes de transfert de chaleur et de masse à l’échelle du composant, une caractérisation hydrique, thermique, botanique et physiologique des composants constituant la Toiture Terrasse Végétalisée sera réalisée puis utilisée comme base de données du modèle numérique qui sera développé. Ces modèles seront couplés à un code de thermique du bâtiment approprié pour évaluer les effets de la Toiture Terrasse Végétalisée sur la charge du bâtiment, sur le confort et sur l’environnement. Une validation expérimentale sera entreprise sur des bancs d’essais et sur des bâtiments existants (voir figure 1). Des études de cas permettront de définir, pour chaque climat, pour chaque type de bâtiment, la Toiture Terrasse Végétalisée qui optimise la performance énergétique du bâtimentre  tout en améliorant les conditions environnementales.
Bt-Sipea combinaisons
Figure 1 : Bâtiment expérimental (SIPEA, à Fontaine le comte (86))  Figure 2 : 8 combinaisons de toitures terrasses

 

Description d'un toit végétal

Les toitures terasses végétalisées (TTV) sont considérées comme une solution efficace pour contribuer à la résolution de plusieurs problèmes environnementaux aux niveaux des bâtiments et de l’enviornnement urbain. Outre la valeur esthétique, les toitures végétalisées offrent plusieurs avantages par rapport aux toitures conventionnelles. Elles améliorent la gestion des eaux pluviales . Elles réduisent la pollution de l'air  et le bruit . Les toitures végétalisées permettent d’augmenter la biodiversité végétale et animale dans les villes .

Elles réduisent également l'empreinte carbone des villes en convertissant le dioxyde de carbone en oxygène par le processus de photosynthèse . Les toitures végétalisées ont aussi des répercutions positives sur la performance énergétique des batiments. En plus de leurs pourvoir isolant en hiver et rafraichissant en été qu'elles procurent aux batiments, elles permettent un meilleur captage du soleil par des phénomènes d'inter réflexions à l'intérieur de feuillage. La modélisation du comportement thermo hydrique des (TTV) peut permettre de quantifier ces effets et contribuer à promouvoir cette technique.

 

Un toit vert ou végétal est constitué essentiellement de cinq composantes. A partir du support de toit, on retrouve: la structure portance, une couche d'étanchéité, une couche éventuelle de drainage et de filtration, le substrat de croissance et une couche végétale.

 

Modélisation à l'échelle d'un toit végétalisé  

La modélisation du comportement thermique des toitures végétalisées implique la combinaison de plusieurs phénomènes, tels que les transferts de chaleur et de masse et la physiologie végétale. Au niveau du sol, plusieurs paramètres comme la conductivité thermique, la chaleur spécifique, la capacité de sotckage d'humidité, le coefficient de diffusion hydrique, la réflectivité courtes longueurs d’ondes et l'albédo varient en fonction de la teneur en eau . Les propriétés optiques et géométriques varient en fonction de nombreux paramètres (l’âge, la teneur en eau, la déficience minérale, les conditions extérieures...).
Un modèle basé sur l'établissement des équations de bilan de chaleur et d'humidité est développé par le LaSIE. Ce modèle divise le bilan thermique des toitures végétalisées en deux parties, au niveau canopée (feuillage) et surface du sol.   Les principaux flux de chaleur qui décrivent le bilan thermique de la canopée sont les suivants :
    • l'échange de rayonnement grand longueur d'onde entre le feuillage et le ciel, ainsi qu'entre le feuillage et la surface du sol ;
    • l'échange de chaleur par convection entre le feuillage et l'air dans le canopée;
    • le flux de chaleur latente par évapotranspiration dans le feuillage ;
    • l'absorption de rayonnement solaire par le feuillage.

    composant-ttv

    Figure 3 : composition d'une toiture végétalisée

     

    Etude de l'intéraction toit végétalisé et bâtiment

    Le modèle de comportement thermique des toitures végétalisées sera couplé avec un code du thermique du bâtiment, ce qui permet d’évaluer des températures au niveau des feuillages et du substrat des toitures végétalisées et de prédire la performance énergétique d'un bâtiment équipé d'une enveloppe végétale en toiture. Une présentation schématique du couplage du modèle des toitures végétalisées avec un modèle du bâtiment est illustrée dans la Figure 4. Cette approche va nous permettre de limiter les estimations de la modélisation au système de toiture végétalisée (sol et canopée). En fait, un calcul détaillé du comportement thermique du bâtiment se fait dans le bloc Bâtiment (Figure 4), en utilisant un code de thermique du bâtiment tels que TRNSYS. Ce calcul détaillé comprend le transfert de chaleur à travers la structure porteuse de la toiture (en tenant compte de sa masse thermique) ainsi que le transfert de chaleur entre la surface intérieure de la toiture et l'intérieur du bâtiment. Dans ce travail, le modèle proposé est couplé avec le logiciel TRNSYS en créant une nouvelle composante. Une fois le nouveau composant est inclus dans TRNSYS, il peut être utilisé, de la même manière que n'importe quel composant standard, pour évaluer l'impact des toitures végétalisées sur la performance énergétique du bâtiment. 

    Figure 4 : Couplage du modèle des toitures végétalisées avec un code du thermique du bâtiment 


    Validation expérimentale : Plate-forme (Climabat)

    La plateforme est constituée de 5 rangées de bâtiments et donc de 4 rues canyons (figures 5 et 6). Les 2 premières permettent d'étudier l'incidence des traitements de surface par des peintures aux propriétés optiques sélectives sur l'éfficacité énergétique des bâtiments, une rangée centrale dédiée aux bâtiments de référance et les deux dernières sont équipées de toitures végétalisées avec deux complexes végétaux différents (sedum et graminée).Cette plateforme expérimentale, échelle réduite (1/10) a été élaborée sur le site de l'Université de La Rochelle dont les objectifs sont:
    • Acquérir des données fiables quant au comportement des complexes végétalisés au sein des enveloppes des bâtiments;
      • Quantifier leurs effets sur la performance énergétique des bâtiments;
      • Confronter les résultats expérimentaux et ceux des modèles numériques et valider les modèles développés.
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      plateforme canyons
      Figure 5 : Schéma de Climabat dans son environnement réel
      Figure 6 : Disposition des rues canyons
       
      Une station météologique, installée sur le site, permet de suivre expérimentalement l'évolution de la température et l'hygrométrie de l'air, les rayonnements CLO et GLO, les pécipitations, la vitesse et la direction du vent. Des thermocouples et des TDR disposés à différénts niveaux des complexes végétaux permettent de mesurer les profils de température et de teneur en eau. Des capteurs de flux thermiques placés à la surface des végétaux et au niveau des gouttières mesurent la quantité d'eau drainée. De plus, des hygromètres d'ambiance évaluent l'hygrométrie et la température à l'intérieur et à l'exterieur des batiments (Fig 7).

       


      protocole

      Figure 7 : Instrumentation de la plateforme Climabat
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      Mise à jour le Mercredi, 09 Avril 2014 14:10
       
       
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