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Etat de l’art sur l’étude expérimentale du comportement d’une toiture végétalisée
De nombreuses études expérimentales sur les comportements thermiques d’une toiture végétalisée ont été menées par plusieurs chercheurs.
Har’el et al. [8] ont mené la Comparaison entre l’eau grise et l’eau du robinet et les cendres de charbon par rapport à la perlite sur la croissance de deux espèces végétales sur les toits verts. Ils ont utilisé les végétations portant les noms scientifiques convolvulus mauritanicus, phyla nodiflora. Le développement de ces plantes, la qualité de l’eau de drainage, la conductivité électrique et la qualité du substrat ont été mesurés.
Une étude expérimentale et analytique de potentiel des toits verts pour la régulation du microclimat urbain Climats méditerranéen-continental a été effectuée par Susana et al. [9] . Ils ont choisi les espèces de plantes herbes, arbres et luzernes. Cette étude a été divisée en deux phases : la première, étude théorique d’un modèle de toit vert ; la deuxième, étude d’un véritable bâtiment avec un grand toit vert. Les variables mesurées étaient les flux radiatifs d’ondes, les flux de chaleur latente et les températures de la surface, de la paroi et de la base du mur.
Une étude expérimentale des performances thermiques d’un toit vert extensif dans la région méditerranéenne ont été élaborée par Piero et al. [10]. Ils ont planté sur son toit les genres de plante dianthus grantianopolitanus, carpobrotus edulis et cerastium tomentosum. Ils ont utilisé une station météorologique pour mesurer la température de l’air ambiante, l’humidité relative, la vitesse et direction du vent, les précipitations, la pression atmosphérique, la radiation solaire et le rayonnement infrarouge thermique du ciel.
Pour les observations expérimentales et de surveillance de la quantité d’eau et la qualité de la réponse d’un toit vert aux tempêtes, Corey et al. [11] ont mis sur la couche supérieure du toit vert extensif six types de sedum natif (Sedum reflux, Sedum sexangulare, Sedum acre, Sedum kamschaticum, Sedum spurium « Fuldaglut », et Album de Sedum). La quantité de précipitations, le ruissellement des eaux pluviales, les concentrations de carbone organique dissous, les concentrations en azote total et en phosphore ont été détérminés.
Chagolla et al. [12] ont mené une étude sur l’effet de l’irrigation sur la performance thermique expérimentale d’un toit vert dans un climat semi-chaud au Mexique. Ils ont choisi cinq types de plantes de la famille Crassulaceae : Sedum Adol-phi, Echeveria Prolifica, Aeonium Subplanum, Crassula Ovata et Sedum Makinoi. Une station météorologique située sur le site d’expérimentation sert à mesurer la température, l’humidité, la vitesse du vent, la précipitation, le flux thermique et le volume d’eau.
D. Chemisana et Chr. Lamnatou [13] ont sélectionné deux espèces de plantes méditerranéennes : Gazania rigens Compositae (Astera-ceae) et Sedum clavatum Crassulaceae pour le développement de leurs systèmes expérimentaux, toitures photovoltaïques-vertes, à l’Université de Lleida, en Espagne. Les trois paramètres températures, irradiation effective, la vitesse du vent ont été mesurés pour effectuer cette étude.
Vila et al. ont fait [14] une étude expérimentale de deux toitures végétalisées en Mesem Pendulina (Lampranthus spectabilis) et en romarin (Rosmarinus officinalis). Les valeurs de la conductivité hydraulique, du taux d’infiltration et du cumulatif infiltration ont été determinées. De plus, ils ont mesuré la température du plateau de toit vert sec, la température du bac de toiture vert humide (après irrigation), la rétention d’eau, la capacité du système et le développement des plantes.
Morau et al. [15] ont étudié l’évaluation pour la première fois la performance d’un vaste toit vert à La Réunion (océan Indien) influencé par un climat tropical humide. La performance du toit vert a été explorée en évaluant son effet sur les fluctuations de température et les flux de chaleur pendant la saison estivale. Ils ont utilisé la plante sedum pour sa toiture. Les résultats ont montré que la présence de plantes entraînait une diminution de la température sous le toit vert. Les plantes ont également contribué à échange de flux de chaleur inférieur à travers le toit vert.
D’après nos connaissances, aucun travail n’a été fait sur la toiture végétalisée en cresson portant le nom scientifique « Nasturtium Officinal ». Ainsi, notre travail porte sur l’analyse du comportement thermique d’une cellule cubique à toiture végétalisée en cresson de fontaine arrosé d’eau usée.
Avantages du toit vert
Rétention, réduction du ruissellement des eaux de pluies
La rétention des eaux de pluie par un toit végétalisé varie énormément en fonction des conditions climatiques saisonnières locales, de la nature du substrat, de celle de la toiture, et du type de végétation plantée [16]. Une fois l’eau stockée, elle est pour une part utilisée par les plantes, pour une autre libérée par évapotranspiration. Le restant sera évacué graduellement par les canalisations, limitant ainsi les forts débits d’eaux pluviales tels que ceux engendrés par les pluies d’orage et le risque de saturation des réseaux d’assainissement. Le toit vert provoque ainsi un retard d’écoulement de 50 à 75% lors de pluies d’orages [17]. Il diminue la quantité totale d’eau pluviale rejetée et réduit en même temps le débit de pointe des averses. Cela se fait par l’action du substrat qui retient et filtre une certaine quantité d’eau. La capacité de rétention des eaux pluviales des toitures végétalisées fait de cette technique une méthode alternative de récupération des eaux de pluies pour un usage domestique.
Isolant phonique
Il existe diverses solutions techniques pour permettre d’atténuer le bruit dans les habitations exposées, la végétalisation des toitures en est une. Elle permet en effet de diviser au moins par deux les nuisances sonores urbaines et aériennes. La barrière antibruit fonctionne tant grâce aux plantes qui absorbent les hautes fréquences qu’au sol qui absorbe les basses fréquences. Un substrat de 12 cm d’épaisseur peut réduire les bruits de 40 dB à 50 dB [17].
Isolant thermique
La toiture végétalisée est aussi reconnue pour sa capacité d’isolant thermique, en particulier en cas de fortes chaleurs. En effet, alors qu’un toit en béton peut atteindre 60°C à 70°C, la toiture végétalisée ne dépasse pas 15°C à 20°C. Or, la température de la toiture influe sur la température intérieure d’un logement et donc sur les éventuels besoins en climatisation [17].
En outre, la réduction des pics de température dans la membrane d’étanchéité est de l’ordre de 30°C par rapport à une toiture nue pouvant atteindre 70°C et de 20°C par rapport à une toiture couverte de gravier. La température moyenne des membranes d’étanchéité est ainsi réduite de 8°C par rapport à une toiture nue et de 4°C par rapport à une toiture en gravier. Il y aurait un décalage de 2h à 3h entre les pics de température extérieure et intérieure [16]. Le substrat aide à garder la chaleur en hiver et la fraicheur en été. Alors, la toiture végétalisée diminue les besoins de climatisation des bâtiments et contribue ainsi aux économies d’énergie.
Qualité de l’air urbain
Les effets positifs de la végétation sur la qualité de l’air en milieu urbain sont connus, à travers le processus de la photosynthèse, elle fixe le carbone et le CO2 et produit de l’oxygène [17]. La toiture verte va aussi fixer les poussières et certains polluants urbains, donc elle améliore la qualité de l’air ambiant [18].
Réduction des coûts de traitement des eaux usées
Le toit vert permet à l’épuration des eaux usées par l’action du substrat [19]. Ce dernier retient et filtre les produits polluants dans ceux-ci pendant l’écoulement. Les eaux ainsi filtrées et épurées sont donc réutilisables.
Choix de la végétation utilisée dans la présente étude
Dans la présente étude, nous avons choisi le cresson de fontaine comme végétale de notre toiture. Il a ses caractéristiques et ses avantages spécifiques comme tous les autres plantes.
Caractéristiques scientifiques du cresson de fontaine
Nom commun : cresson de fontaine ou cresson d’eau
Nom scientifique : Nasturtium officinal
Famille : Brassicacée (crucifère)
Les écrivains de la Rome antique faisaient déjà l’éloge du cresson de fontaine qui était considéré comme une précieuse plante condimentaire et médicinale efficace contre de nombreuses maladies. Son nom générique Nasturtium, du latin nasus tortus « nez tordu », fait allusion à la saveur piquante du cresson, comme on peut le lire dans des écrits anciens [20].
Il y en a plusieurs types de cresson mais nous parlerons ici le cresson de fontaine qui est une plante vivace cultivée dans le sol mouillé du courant d’eau [20]. Il est aussi une plante herbacée à croissance rapide, à saveur piquante, à souche rampante, à tige de 10-50 cm, radicante à la base, ascendante, épaisse, creuse, rameuse [21]. Selon ses propriétés, il a besoin d’eau courante à débit lent pour pousser vigoureusement et produire des rendements élevés de pousses tendres et douces. Lorsqu’il n’y a plus d’eau courante, les plantes deviennent amères et impropres à la consommation.
Figure I.1 : Cresson de fontaine [34]
Avantages du cresson de fontaine
Vertu environnemental
La culture du cresson de fontaine contribue à l’épuration des eaux usées par filtration. Il retient, avec la boue, les éléments organiques et chimiques portés par le courant d’eau [22]. L’eau ainsi épurée est réutilisable pour l’arrosage des autres plantes qui ne poussent qu’avec de l’eau claire [23].
Utilisation dans la médecine
Le cresson de fontaine a une action désintoxicante, diurétique, mais aussi digestive et expectorante. Il a de ce fait un domaine d’applications relativement vaste : catarrhe, toux grasse, bronchite, mais aussi anémie, rhumatismes et troubles biliaires [20].
Les antioxydants du cresson préviendraient l’apparition de certains cancers et auraient des effets bénéfiques sur la santé de l’œil. Le cresson serait aussi efficace contre les maladies cardiovasculaires [24].
Le cresson contient une quantité élevée de vitamine K, nécessaire entre autres à la coagulation du sang. Les graines de cresson renferment également plusieurs minéraux comme le potassium, le calcium le phosphore et le fer [24].
Structure de la toiture végétalisée
Les divers éléments constituants du toit vert sont généralement les suivants : une couche de canopée, du sol de croissance des plantes, et du support soutenant la totalité des plantes et du sol végétal. La structure du toit vert est toujours la même quel que soit le type mais la seule différence est l’épaisseur des couches. La figure I.2 montre la description et la disposition des couches du toit vert.
Support
Il est constitué par la structure, la couche d’étanchéité, et éventuellement la couche de filtration et de drainage.
La structure
Elle peut être construite en béton armée, en acier, ou en bois selon le choix du constructeur à condition qu’elle doive supporter la totalité des poids de la canopée et du sol et les autres agents qui peuvent alourdir les charges comme la pluie, l’augmentation de pression extérieure par le soufflement du vent [26][27].
La couche d’étanchéité [27]:
Il existe plusieurs types comme les bâches spéciales en plastique ou des éléments étanches non métalliques. Elle est très utile pour éviter la propagation énorme de l’humidité vers l’intérieur. De plus, le complexe isolant doit être résistant à la déformation apparue au niveau du sol végétal causée par exemple par l’écoulement d’eau dans le sol, par l’allongement des racines du végétal.
La couche de filtration et de drainage
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 [25]. 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 cette étude, on a utilisé tout simplement un béton armée étanche comme support. D’ailleurs, ces différents constituants les différents constituants du support sont groupés en une couche, supposée compacte et homogène ayant des propriétés thermophysiques constantes.
Sol de croissance de la plante (substrat) [18]
Le substrat est le support de culture qui doit permettre aux plantes de s’enraciner, de se nourrir, de s’abreuver et de respirer. Il abrite de nombreux micro-organismes et constitue un écosystème propre. Sa composition est généralement un mélange de terre et/ou de compost végétal de feuilles ou d’écorces mélangées à des agrégats de pierres légères et absorbantes.
Couche de canopée ou 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.
Différents types du toit vert
Généralement, il y en a trois différents types du toit vert selon les variétés des plantes existantes. Il y a donc [18][19][28]:
– La toiture végétalisée extensive
– La toiture végétalisée semi-extensive
– La toiture végétalisée intensive
Toiture végétalisée extensive
Il s’agit d’une toiture sur laquelle le substrat est de faible épaisseur (de 2cm à 15 cm environ) et ayant une végétation basse qui demande peu d’entretien. Grâce à son faible poids (de 40 kg/m² à 150 kg/m²), elle peut être installée sur un bâtiment existant [18].
Les genres de plantes admises peuvent être des :
plantes succulentes (type sedum)
plantes vivaces (type œillet)
plantes bulbeuses (type iris)
graminées vivaces (type fétuque)
plantes ligneuses à petit développement peuvent être adjointes selon l’effet désiré et le programme d’entretien accepté par le maître d’ouvrage [28].
Figure I.3 : Photo d’une toiture verte extensive [28] I.6.2 Toiture végétalisée semi-extensive
Ce genre de toiture diffère de toit vert intensive par leur épaisseur de substrat inférieur à 30cm (et donc aussi par leurs charges) excluant la plantation d’arbustes au système racinaire important. On peut y installer des sedums, des bulbes, des graminées et des couvre-sols. Les végétaux utilisés sont moins volumineux et demandent moins d’entretien. Les végétaux sont du gazon, des herbacées (Sedums, vivaces, graminées), arbrisseaux, des arbustes et plantes basses mais pas d’arbres ni de grands arbustes [18].
Figure I.4 : Photo d’une toiture verte semi-intensive [28]
Toiture végétalisée intensive
Une toiture verte intensive ou encore toiture jardin est en fait un jardin de toiture, ou une terrasse comparable à un jardin ordinaire des points de vue de son aspect et de son usage. La végétation y a un enracinement plutôt profond et est composée de plantes fleurissantes ou d’herbes, de buissons et même parfois d’arbustes. On peut s’y promener et y poser des tables. Cette toiture demande un entretien relativement intensif (d’où le nom « toiture verte intensive ») selon le type de végétation, il faudra tailler, tondre ou désherber. Elle comporte des épaisseurs de substrat de plus de 30 cm et l’installation possible de nombreuses espèces vivaces, voire de quelques arbustes bas. La structure porteuse doit être prévue pour supporter le surpoids du substrat et de la végétation, y compris lorsqu’ils sont gorgés d’eau [28].
Table des matières
INTRODUCTION
I.1 Généralité
I.2 Etat de l’art sur l’étude expérimentale du comportement d’une toiture végétalisée
I.3 Avantages du toit vert
I.3.1 Rétention, réduction du ruissellement des eaux de pluies
I.3.2 Isolant phonique
I.3.3 Isolant thermique
I.3.4 Qualité de l’air urbain
I.3.5 Réduction des coûts de traitement des eaux usées
I.4 Choix de la végétation utilisée dans la présente étude
I.4.1 Caractéristiques scientifiques du cresson de fontaine
I.4.2 Avantages du cresson de fontaine
I.4.2.1 Vertu environnemental
I.4.2.2 Utilisation dans la médecine
I.5 Structure de la toiture végétalisée
I.5.1 Support
I.5.1.1 La structure
I.5.1.2 La couche d’étanchéité [27]:
I.5.1.3 La couche de filtration et de drainage
I.5.2 Sol de croissance de la plante (substrat) [18]
I.5.3 Couche de canopée ou couche végétale
I.6 Différents types du toit vert
I.6.1 Toiture végétalisée extensive
I.6.2 Toiture végétalisée semi-extensive
I.6.3 Toiture végétalisée intensive
I.7 Notion de transfert de chaleur par conduction [29]
II.1 Instrumentation
II.1.1 Mesure de l’éclairement
II.1.3 Mesure des températures
II.1.4 Stockage des données
II.2 Protocole expérimentale
II.3 Calibration de la sonde de température [32][33]
II.4 Traitement des données via de GPExp
II.4.1 Présentation de l’outil GPExp
II.4.2 Elimination des points singuliers
III.1 Cellule à toiture non végétalisée
III.2 Cellule à toiture végétalisée de cresson
III.3 Comparaison entre la cellule non végétalisée et la cellule végétalisée du cresson
III.4 Influence de l’effet des ouvertures appliquées à la porte
III.5 Calcul de la conductivité thermique de la couche de canopée constituée du cresson
CONCLUSION
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES
WEBOGRAPHIES
