Le support
Le support est constitué par la structure, la couche d’étanchéité et la couche éventuelle de drainage et de filtration.
– La structure : Elle peut être en béton, acier ou bois et doit supporter le poids de l’installation prévue qui peut doubler voire tripler lorsqu’elle est gorgée d’eau en cas de pluie.
– La couche d’étanchéité : (bâches spéciales en plastique ou des éléments étanches non métalliques) Comme pour toute toiture, elle est essentielle. L’importance de la couche d’étanchéité ne doit jamais être sous-estimée. Le complexe isolant doit être résistant à la compression et aux racines.
– La couche éventuelle de drainage et de filtration : Cette couche dépend particulièrement de l’épaisseur et de la nature du substrat. Constituée d’agrégats minéraux, de polystyrène, ou matelas synthétique, elle assure l’évacuation de l’eau en excès et évite l’asphyxie des racines de certains végétaux dans le cas d’une faible pente. Le choix des matériaux peut également dans certaines régions sèches permettre une rétention d’eau et constituer ainsi une réserve nécessaire au bon développement des végétaux. Fréquemment, le polyéthylène gaufré, créant un espace de drainage d’environ 10 mm de hauteur dirigeant l’eau de pluie vers le drain du toit ou vers les gouttières extérieures, est utilisé. Pour éviter son colmatage par des particules du sol, il est vraisemblablement possible de lui adjoindre un filtre géotextile non-tissé qui retient les fines particules du sol et laisse l’eau s’égoutter. Ce géotextile absorbe aussi l’eau qui la traverse, offrant un milieu humide pour les racines des plantes.
Dans notre cas, ces différents constituants du support sont groupés en une couche, supposée compacte et homogène ayant des propriétés thermophysiques constantes.
Le sol ou le substrat de croissance :
Sa composition est généralement un mélange de terre et/ou de compost végétal de feuilles ou d’écorces mélangé à des agrégats de pierres légères et absorbantes.
La canopée ou la couche végétale :
Une telle toiture verte peut accueillir différentes sortes de végétaux (sédums, plantes herbacées, plantes grasses ou de rocaille) et changera d’aspect en fonction des saisons et de la floraison de ces plantes. Mais dans la plupart des cas, la végétation ne sera qu’herbacée.
Les courbes des températures du sol (courbe rouge) et du support (courbes magenta et cyan) diffèrent de quelques degrés. Les températures du sol et du support qui s’avèrent comprises dans la gamme de variation des températures de l’air et des feuilles de la canopée sont influencées également par la température interne de la pièce. En effet, les températures de ces deux couches se présentent globalement comme étant les valeurs moyennes des températures des feuilles (ou de l’air) de la canopée et de l’air intérieur du bâtiment. Par ailleurs, la vitesse du vent et l’irradiation solaire n’ont pas d’influence directe sur les températures du sol ainsi que celle du support du fait que la couche de la canopée joue un rôle d’auvent pour la toiture.
Cette première présentation de l’évolution des températures du toit végétalisé étant faite, nous allons voir sur les paragraphes suivants les influences de la variation de quelques paramètres, considérés comme modifiables, sur les profils de température de chaque zone du toit. Pour cela, l’intervalle de temps est restreint en 2 jours (de la 4008e à la 4058e heure) pour que les figures puissent clairement montrer les influences de chaque paramètre sur le système.
Les températures du support, notamment celle de sa face inférieure, sont influencées par la conductivité thermique de cette composante du toit. En effet, une augmentation de ce paramètre fait diminuer les températures minimales de la face inférieure du support. La figure II-11 montre qu’il n’est pas très intéressant d’avoir un support à grande conductivité thermique du fait que cela diminue les températures minimales du support alors que les températures maximales de celui-ci demeurent quasiment inchangées. Bien que les températures de la face supérieure du sol (Fig. II-12-c) et de la face supérieure du support (Fig. II-12-d) s’amplifient pour une petite valeur de ce paramètre, la figure II-12-e montre l’importance fondamentale d’avoir un support à faible valeur de conductivité thermique. En effet, pour une petite valeur de ce paramètre, la température de la face inférieure du support (Fig. II-12-e) tend à ne plus être influencée par les sollicitations externes dont le flux de rayonnement solaire. En tout, il y a lieu d’opter pour un support ayant une bonne qualité d’isolation thermique tout en étant suffisamment étanche et solide pour supporter les charges pondérales reposant sur lui. Par ailleurs, la conductivité thermique du support n’influe pas sur les températures des feuilles et de l’air de la canopée.
Pour un toit orienté vers l’Est (figure II-16), l’influence de l’inclinaison sur les températures est pratiquement similaire à celle relative au cas précédemment cité. Toutefois, il est à noter que le décalage des évolutions des flux solaires transmis par la canopée s’effectue cette fois vers la gauche (figure II-16-f). Autrement dit, la toiture inclinée de 45° présente une avance de phase en terme d’évolution des flux solaires transmis par la canopée, par rapport à celle liée à la toiture horizontale. Pour une toiture orientée vers le Sud (figure II-17), l’influence de l’inclinaison est très remarquable. En effet, une diminution des températures de l’ordre de 3°C, voire plus, au niveau de la toiture (figures II-17-a, II-17-c, II-17-d, II-17-e) peut être notée pour une pente de la toiture variant de 0 à 45°. Une diminution importante du flux solaire transmis par la canopée est aussi remarquée (figure II-17-f). L’inclinaison du toit pour une orientation vers le Nord augmente les températures du système (figure II-18). Ces deux derniers résultats sont prévisibles dans la mesure où nous avons utilisé des données météorologiques d’Antananarivo lequel, rappelons-le, se situe dans l’hémisphère Sud où il est recommandé par la littérature d’orienter généralement les panneaux solaires vers le Nord pour pouvoir bénéficier le maximum d’ensoleillement. Une orientation vers le Sud est donc recommandée pour réduire les températures maximales des différentes composantes du toit vert.
Une étude théorique d’un système de toiture végétalisée a été menée dans le cadre de ce travail. En effet, ayant une visée de confort thermique au sein d’un bâtiment construit en zone tropicale humide, il a été question d’étudier, vis-à-vis des sollicitations externes, le comportement thermique d’un toit vert composé principalement d’une couche de support sur laquelle repose une couche de sol permettant la pousse d’une plantation constituant une couche de canopée.
Bien que simplifié dans le sens où nous avons adopté comme hypothèse que la canopée est en couche mince, un modèle a été proposé comme outil d’aide à la conception optimale d’un toit vert. Après avoir décrit les divers sous-modèles mathématiques composant le modèle, nous avons mis au point un code de calcul sous environnement MATLAB en vue d’accomplir l’étude susmentionnée.
Des simulations ont été effectuées à l’aide du code de calcul précédemment cité afin de voir non seulement les influences des sollicitations externes du système étudié mais aussi celles d’un certain nombre de paramètres du modèle proposé.
Parmi les résultats obtenus, il découle les points ci-après :
– une plantation à grand coefficient d’extinction et à grand indice de surface foliaire diminue considérablement le rayonnement transmis par la canopée et renforce une qualité de rafraîchissement à la toiture ;
– la transmittivité et la réflectivité des feuilles de la plantation devraient être aussi faible que possible ;
– l’humidité volumétrique du sol devrait être faible, autant que faire se peut, pour éviter une diminution importante des températures pendant la période nocturne ;
– une optimisation de l’épaisseur du sol est important ;
– le choix des matériaux constituant le support devrait être dicté par une faible conductivité thermique pour assurer une bonne isolation thermique du bâtiment ;
– le maximum d’inclinaison d’un toit orienté vers le Sud est recommandé pour parvenir à un rafraichissement maximum.
La suite de ce travail est très vaste. Nous pouvons citer à titre d’exemple, l’étude théorique du cas de la canopée considérée comme étant en couche épaisse. Il y a également l’étude de sensibilité paramétrique du modèle proposé pour déterminer les paramètres les plus influents parmi ceux qui ont été cités précédemment comme influents. Il est évident que des mesures expérimentales seront nécessaires pour valider les calculs et/ou apporter des corrections au code de calcul associé au modèle proposé.
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Table des matières
INTRODUCTION
Chapitre I : PRESENTATION DU MODELE DE LA TOITURE VEGETALISEE
I.1 – DESCRIPTION DE LA TOITURE VEGETALISEE
I.2 – MODELE MATHEMATIQUE ASSOCIE A LA TOITURE
I.2-1 Equations de bilan énergétique
I.2-2 Modèle des coefficients d’échange thermique
I.2-3 Apport solaire au système
I.2-4 Modèle des flux de vaporisation
I.3 – METHODE DE RESOLUTION DU SYSTEME D’EQUATIONS DE BILAN
I.3-1 Equations de bilan thermique
I.3-2 Equation de bilan massique
I.3-3 Méthode de calcul
Chapitre II : PRESENTATION DES RESULTATS DE SIMULATION ET COMMENTAIRES
II.1 Evolution des températures des différents éléments de la toiture
II.2 Influences des paramètres
II.2-1 Influences des paramètres de la canopée
II.2-2 Influences des paramètres du sol
II.2-3 Influences des paramètres du support
II.2-4 Influences de la position du toit
CONCLUSION
ANNEXE
REFERENCES
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