Apport énergétique d'une toiture végétalisée sur le rendement électrique d'un panneau photovoltaïque – critères d’évaluations énergétique et environnementale de l’échelle du bâtiment à celle de l’îlot – PROOF

La méthodologie de travail a consisté à exploiter des résultats issues de mesures de long terme sur une plateforme expérimentale et le développement d'un modèle de transferts thermique entre la face végétalisée et les faces du panneau photovoltaïque.

Des calculs réalisés par des outils spécifiquement développés ou existants, permettent d'évaluer ces bénéfices et performances, à la fois à l'échelle du bâtiment (confort, autoconsommation) et à l'échelle du quartier.

Les résultats montrent que les parcelles végétalisées n'apportent pas de gains énergétiques significatifs en comparaison des parcelles plus classiques, dans les conditions de cette étude. Les résultats montrent aussi que les modèles sont pertinents pour simuler la température de surface du sol et la température d'un panneau photovoltaïque. Les mesures expérimentales ont révélé que les parcelles standard (type Gravier) et blanche (revètement type Coolroof) sont plus favorables à la production électrique que les parcelles végétalisées.

La présence des panneaux photovoltaïques modifient la structure des communautés végétales sur les toitures végétalisées. Les variations de la diversité spécifique, de la composition floristique et des paramètres de croissance indiquent que les panneaux photovoltaïques influencent les conditions environnementales et la croissance de la végétation. Les indicateurs de stress, tels que les indices de flavonols et d'anthocyanes, ont montré des variations en fonction des conditions environnementales. Ces indicateurs permettent de rendre compte des stress subis par les plantes en raison des variations des conditions environnementales.

À l'échelle du bâtiment:

Les résultats de la simulation énergétique ne montrent pas un impact favorable des toitures biosolaires sur la production électrique des panneaux PV en comparaison des autres scenarios. La production avec les toitures biosolaires est même légèrement inférieure à celles des autres toitures, mais les écarts sont faibles (inférieurs à 1%). Ainsi, même si on observe des différences de production entre les toitures, celles-ci sont trop limitées pour engendrer des différences significatives sur les résultats et donc sur un choix préférentiel. Les impacts carbone des toitures biosolaires sont supérieurs à ses alternatives mais : i) Le poids carbone des toitures dans le bilan global du bâtiment est inférieur à 10% (comme le montre aussi le lissage des valeurs à l’échelle du bâtiment), ii) Les toitures biosolaires assurent trois fonctions : couvrir le bâtiment (fonction principale), production locale d’énergie et support à la biodiversité versus une seule ou deux fonctions comme c’est le cas pour les autres scénarios. Une allocation des impacts en fonction du nombre de fonctions assurées est nécessaire lors de la prise de décision du choix final.

Les perspectives envisagées sont tournées vers des évaluations sur des cas réels (aux trois échelles), il sera alors important de prendre en compte la multifonctionnalité des toitures biosolaires ainsi que d’autres enjeux urbains, selon une approche multicritère. Cela implique une complétude de l’étude sur l’ensemble de contributeurs (produits de construction et d’entretien, énergie, eau, chantier) et une finesse de modélisation de la technologie mise en place et des conditions spécifiques du projet, avec toitures biosolaires et/ou végétalisées et/ou avec PV.  Il pourrait aussi être intéressant de s'intéresser aux aspects sociaux-techniques liés à l'entretien des toitures biosolaires.

L. Garcia-Gutierrez, M. Aillerie, J.P. Sawicki, Z. Zheng, and R. Claverie. Evaluation of solar photovoltaic efficiency on green and flat roofs : Experimental and comprehensive numerical analysis. Solar Energy, 278 :112750, 2024

Thomas Villemin, Rémy Claverie, Jean-Paul Sawicki, and Gilles Parent. Thermal characterization of a photovoltaic panel under controlled conditions. Renewable Energy, 198 :28–40, 2022

Thomas Villemin, Olivier Farges, Gilles Parent, and R?y Claverie. Monte Carlo prediction of the energy performance of a photovoltaic panel using detailed meteorological input data. International Journal of Thermal Sciences, 2024

Thomas Villemin, Olivier Farges, Gilles Parent, and Rémy Claverie. Simulation of a rooftop photovoltaic system : a focus on the energy performance of the building. onférence IHTC-17, Cape Town, South Africa, August 2023

Thomas Villemin, Julien Bouyer, Rémy Claverie, Gilles Parent, and Maeva Sabre. Experimental study and numerical simulations of the airflow around a photovoltaic panel in urban configuration. ICUC11, Sydney (Australia), «August 28-Sept. 1st, 2023«

Thomas Villemin, Olivier Farges, Gilles Parent, and Rémy Claverie. Simulation of a rooftop photovoltaic system : a focus on the energy performance of the building. Conférence IHTC-17, Cape Town, South Africa, August 2023

Thomas Villemin, Julien Bouyer, Rémy Claverie, Gilles Parent, and Maeva Sabre. Experimental study and numerical simulations of the airflow around a photovolic panel in urban configuration. ICUC11, Sydney (Australia), «August 28-Sept. 1st, 2023«

R. Claverie, M. Aillerie, S. Boddaert, J. Bouyer, A. Brachet, M. Colombert, M. Dufournet, O. Farges, L. Garcia, D. Marzougui, G. Parent, E. Pichenot, L. Reynier, M. Sabre, J.-P Sawicki, C. Sirguey, J. Solano, T. Villemin, N. Schiopu, G. Séré, Z. Zheng, and K. Zibouche. PROOF : A collaborative project to assess the multi-scale benefits of biosolar roofs. ICUC11, Sydney (Australia), August 28-Sept. 1st, 2023

Le projet PROOF (Photovoltaic and Green ROOF cherche à confronter des dispositifs de toitures et leurs impacts et performances énergie-environnement à des scénarios contrastés d’aménagement urbain, en lien avec les enjeux territoriaux associés. Il s’intéresse plus particulièrement, à l’étude d’un combiné innovant, associant toiture végétalisée extensive et panneau photovoltaïque. Pour traiter cette problémétique, PROOF rassemble un consortium composé du Cerema, du LEMTA, du LMOPS, du LSE, du CSTB et de Efficacity. Il fonde sa démarche scientifique sur quatre hypothèses qu’il entend vérifier au cours du projet : 1) l’énergie solaire incidente en période estivale dissipée par une toiture végétalisée sous forme de flux de chaleur latente principalement, crée une diminution de la température d’air localisée fournie les conditions favorable à l’augmentation du rendement électrique d’un panneau photovoltaïque; 2) une toiture végétalisée extensive TVE avec une structure pouvant stocker les eaux pluviales, favorise les flux d’évapotranspiration et peut, dès lors encore améliorer le rendement du panneau; 3) à l’échelle du bâtiment, nous supposons que le bilan énergétique global (production/consommation énergétique à l’usage + énergie grise) est plus avantageux pour un système combiné que pour une toiture terrasse nue ou végétalisée standard; 4) par rapport à une configuration classique de toiture, un système combiné rend des services écosystémiques supplémentaires, évaluables et valorisables à l’échelle du quartier. Pour adresser ces différentes hypothèses, PROOF est décomposé en quatre tâches scientifiques. La première à comme objectif de fournir toutes les données et cratérisations nécessaires à une modélisation des échanges thermiques entre le panneau et la toiture végétalisée, ainsi qu’à une modélisation du transfert thermique dans le panneau et son impact sur le rendement. Cette tâche fournit aussi les données de comparaison d’autres configurations de toiture (standard, cool-roof et toiture végétalisée extensive avec stockage d’eau pluviale). Les deux modèles sont étudiés en détail dans la tâche 2 : contribution des flux radiatif, convectif et de chaleur latente; évaluation de la température à l’arrière du panneau sur la puissance délivrée. Le passage de l’échelle du système à l’échelle du bâtiment est traité par la tâche 3. Il s’agit ici, d’évaluer la performance thermique des différentes configurations à l’échelle du bâtiment, mais aussi la performance énergie-environnement et écologique aux deux échelles (dispositifs et bâtiment) sous différentes conditions climatiques. La finalité est de mettre en évidence à l’échelle du combiné, un rendement amélioré, une durée de vie augmentée et à l’échelle du bâti, les économies sur la consommation. Enfin, la tâche 4, cherche à connaître et évaluer les impacts et les bénéfices associés aux types de dispositifs testés et qui sont à mettre au regard des enjeux locaux des quartiers, des trames et des aires urbaines dans lesquels ils seront implantés.