Les toits peuvent être considérés de bien d'autres façons que le simple sommet d'un bâtiment. En effet, ils peuvent constituer une structure complexe accueillant une toiture avec des panneaux solaires, des éoliennes et d'autres équipements, ou encore une toiture végétalisée, qui présente de nombreux avantages écologiques et, dans certains cas, peut même devenir un vrai espace de loisirs.
Les toitures végétalisées ont fait leurs preuves en offrant de nombreux avantages, tels qu'une meilleure qualité de l'air, une régulation efficace de la température et des économies d'énergie, une protection de l'enveloppe du bâtiment, une longévité accrue des membranes de la toiture, ainsi que divers avantages économiques et écologiques, tout en conférant un environnement agréable et esthétique.
Les toitures végétalisées et les panneaux photovoltaïques sont des technologies complémentaires qui améliorent mutuellement leurs performances.
Le rendement de conversion des panneaux photovoltaïques (PV) est étroitement lié à la température de fonctionnement du panneau. Le rendement d’un PV diminue à mesure que les températures augmentent, et les cellules présentent une dégradation à long terme si la température dépasse certaines limites. Des températures de fonctionnement élevées conduisent à des rendements de conversion plus faibles.
Les PV sur les toitures végétalisées fonctionnent plus efficacement avec des températures ambiantes plus froides présentes au-dessus des toitures végétalisées. Il en va de même pour les toitures végétalisées, qui bénéficient également des zones ombragées créées, ce qui peut constituer une meilleure croissance des plantes, une augmentation de la biomasse et, dans certains cas, une augmentation du nombre d'espèces végétales et de la biodiversité.
Les toitures végétalisées permettent non seulement d'économiser de l'énergie pendant l'été, mais peuvent également augmenter le rendement des PV en réduisant les fluctuations de température sur le toit et en maintenant un microclimat plus efficace autour des panneaux solaires. La toiture végétalisée agit comme un mécanisme de refroidissement naturel, servant ainsi à maintenir le rendement des panneaux.
Choisir le type de végétation approprié pour les toitures végétalisées photovoltaïques
Lors du choix des espèces végétales appropriées pour les systèmes de toitures végétalisées photovoltaïques, un certain nombre de critères doivent être pris en compte, notamment la pertinence des espèces végétales pour les toitures végétalisées extensives, la résistance aux conditions météorologiques extrêmes, l'interaction plante/PV et plante/bâtiment, l'albédo, l'évapotranspiration et les couverts végétaux bas et compacts.
Par conséquent, des espèces végétales telles que des plantes succulentes à faible croissance et à feuillage dense peuvent être considérées comme appropriées pour ces systèmes de toiture spécifiques, avec l'avantage supplémentaire que ces plantes pourraient contribuer positivement à l'inertie thermique de la toiture (Chemisana et Lamnatou, 2014). Le sedum a été comparé à l’espèce gazania (les deux espèces sont tolérantes à la sécheresse et adaptées aux toitures végétalisées, avec un feuillage dense de faible hauteur et des feuilles de couleur claire).
Les toitures végétalisées photovoltaïques se sont avérées plus avantageuses que les toitures classiques en gravier, tant pour le module PV que pour la température de la surface du toit. Certaines caractéristiques des plantes améliorent la production du PV et les modules protègent les plantes des taux/niveaux d'irradiation élevés. Cette combinaison peut également aider à réduire la consommation énergétique globale du bâtiment.
Performance des toitures végétalisées photovoltaïques
La mesure dans laquelle les performances peuvent être améliorées en combinant la conception des toitures végétalisées et le photovoltaïque est analysée à l'aide de diverses approches par divers auteurs, comme décrit ci-dessous :
a) Sur la base d'observations sur une période de 5 ans (Köhler et al., 2007), les toitures végétalisées en Allemagne ont augmenté la production énergétique des panneaux d'environ 6 %. L'expérience a été menée en comparant des toitures végétalisées photovoltaïques (avec des plants de sedum) et des toitures photovoltaïques avec bitume à Berlin.
b) La température locale de la toiture végétalisée pouvait améliorer les performances du PV. Krauter et al. (1999) ont constaté qu'une augmentation de la température locale entraînait un rendement de conversion inférieur de 0,4 à 0,5 % par °C pour les panneaux photovoltaïques monocristallins et polycristallins. Des résultats similaires ont été obtenus dans une étude plus récente de Park et al. (2008), où ils ont observé une réduction de 0,48 à 0,52 % par °C.
c) Les toitures végétalisées avec des températures d'air plus basses augmentent même le rendement des panneaux PV pendant les mois chauds d'été, où une augmentation de la température de seulement 1 °C entraîne une réduction de 0,5 % de la puissance de sortie. Les températures sur les toitures en gravier peuvent facilement dépasser 50 °C (-> surface des toits non couverts > 70 °C) pendant les chaudes journées d'été, alors que les températures sur les toitures végétalisées sont généralement inférieures à 35 °C. Dans ce contexte, les avantages synergiques de la combinaison toiture végétalisées/énergie solaire sont particulièrement remarquables (Appl et Ansel, 2004)
d) Les toitures végétalisées légères intensives et extensives, combinés aux PV, peuvent également être comparées. Les configurations extensives semblent être plus appropriées pour les applications de panneaux photovoltaïques avec végétation. Les toitures végétalisées intensives sont moins appropriées en raison de facteurs tels que la hauteur (élevée) de la couche sol/végétaux, le poids considérable de l'ensemble du système (Getter et Rowe, 2006) et les problèmes liés aux considérations relatives à l'intégration esthétique/bâtiment.
e) Les toitures végétalisées instantanées comparées aux toitures végétalisées non instantanées avec mottes/semences : avec les toitures végétalisées non instantanées, le sol nu peut être exposé pendant une longue période, de la phase d'installation à la phase de couverture complète, qui peut durer plusieurs saisons. Ceci n'est pas souhaitable en raison de la faible réflectivité du sol nu. Par conséquent, il est important que les toitures végétalisées photovoltaïques maintiennent un couvert végétal presque total afin d'obtenir une réflectivité élevée et de fournir un plus grand avantage aux modules PV. En général, les toitures végétalisées ont des valeurs d'albédo élevées et présentent plusieurs avantages par rapport aux technologies classiques (Getter et Rowe, 2006).
f) En comparant les systèmes photovoltaïques et les systèmes de toitures végétalisées photovoltaïques à Hong Kong, Hui et Chan (2011) affirment que les systèmes photovoltaïques utilisant une approche intégrée génèrent 8,3 % d'énergie en plus que la solution autonome.
Avantages d’une toiture végétalisée photovoltaïque
Les avantages d’une toiture végétalisée photovoltaïque par rapport aux systèmes de toitures végétalisées simples et standard comprennent (Lamnatou et Chemisana, 2014) :
- La production in situ d'électricité au moyen d'une technologie d'énergie renouvelable, couvrant une partie ou la totalité des besoins énergétiques du bâtiment (l'électricité générée par les panneaux photovoltaïques pourrait également être utilisée pour alimenter les pompes à eau utilisées pour l'irrigation des plantes).
- La croissance et le développement des plantes sont améliorés et la variété et la richesse des espèces végétales sont meilleures car les modules PV protègent les plantes de l'exposition directe au soleil.
- Pendant l'hiver, les plantes (en raison de leur capacité thermique) protègent les PV du froid.
- La synergie positive entre les plantes et les PV entraîne une augmentation de la puissance des PV, en fonction de divers facteurs tels que le type de plante, les conditions climatiques, etc.
- Un bâtiment doté d’une toiture végétalisée photovoltaïque signifie une réduction des coûts de refroidissement et une consommation d'énergie relative.
- La production d'électricité plus élevée à partir des toitures végétalisées photovoltaïques aide à compenser le coût de la toiture végétalisée
- Meilleure utilisation de l'espace disponible du toit.
Blog écrit par Darja Majkovič, PhD
Source des photos : toiture végétalisée Urbanscape avec panneaux solaires au sommet d'un immeuble passif, multi-résidentiel à Ljubljana (Slovénie)
L’efficacité des toitures végétalisées varie d'une précipitation à l'autre et dépend des conditions climatiques et de la conception spécifique de la toiture. Si vous souhaitez comprendre les performances réelles que vous pouvez attendre de votre toiture végétalisée, téléchargez ci-dessous un extrait de rapport d’évaluation de la performance ou demandez un rapport personnalisé, spécifique à vos besoins ou à un projet :
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Ouvrages cités :
- Appl, R. and W. Ansel. 2004. Future oriented and sustainable green roofs in Germany. In: Proceedings from the 2nd annual Greening Rooftops for Sustainable Communities conference, awards and trade show. Portland. OR. Green Roofs for Healthy Cities.
- Chemisana, D, Lamnatou, C., 2014. Photovoltaic green roofs: An experimental evaluation of system performance. Applied Energy 119 (2014): 246–256.
- Getter, K.L., Rowe, D.B., 2006. The role of extensive green roofs in sustainable development. HortScience 41, 1276-1285.
- Hui SCM, Chan SC. Integration of green roof and solar photovoltaic systems. In: Joint symposium 2011: integrated building design in the New Era of Sustainability. Hong Kong; November 22, 2011.
- Köhler, M., et al., 2007: Interaction between systems and extensive green roofs. Greening roofs to sustainable communities. Minneapolis; April 29–May 1, 2007.
- Krauter S., et al: Combined photovoltaic and solar thermal system for facade integration and building insulation. Solar Energy 67 (4–6) (1999) 239–248.
- Lamnatou, Chemisana, 2014. Photovoltaic-green roofs: a life cycle assessment approach with emphasis on warm months of Mediterranean climate. Journal of Cleaner Production 72 (2014) 57-75.
- Park, K.E. et al., (2008) “Analysis of thermal and electrical performance of semi-transparent photovoltaic (PV) module”, Energy, vol. 35, pg. 2681-2687
