APPEL A PROJETS 2007 DE LA VILLE DE PARIS

PROGRAMME DE RECHERCHE SUR PARIS

Projet EPICEA

Etude Pluridisciplinaire des Impacts du Changement climatique à l’Echelle de l’Agglomération parisienne

Stratégies d’adaptation Version V1 – juin 2010

Jean-Luc Salagnac – CSTB

TABLE DES MATIERES

INTRODUCTION ............................................................................................................................ 1 

DEFINITIONS ................................................................................................................................. 2 

MURS ............................................................................................................................................. 2 

Situation actuelle ........................................................................................................................ 2 

Scénarios .................................................................................................................................... 2 

OUVRAGES DE COUVERTURE ..................................................................................................... 3 

Définition ..................................................................................................................................... 3 

Situation actuelle ........................................................................................................................ 3 

Options de modification des ouvrages de couverture ............................................................... 3 

Couvertures rafraîchissantes (cool roofs) ............................................................................... 3 

Principe ............................................................................................................................... 3 

Technologie ........................................................................................................................ 5 

Performances ...................................................................................................................... 6 

Toitures vegétalisées .............................................................................................................. 7 

Principe ............................................................................................................................... 7 

Technologie ........................................................................................................................ 8 

Performances ...................................................................................................................... 8 

Applications aux couvertures en zinc ......................................................................................... 9 

Applications aux toitures terrasses ............................................................................................ 9 

Scénarios .................................................................................................................................. 10 

RESUME DES SCENARIOS ......................................................................................................... 10 

REFERENCES .............................................................................................................................. 11 

ANNEXE:

Mesures thermiques sur des toitures vertes (CSTC, 2006).

1

INTRODUCTION

Comme toute ville, Paris évolue. Le Paris d’aujourd’hui hérite d’une longue histoire et le Paris de demain se construit dès maintenant. La perspective d’un nouveau contexte climatique caractérisé par des canicules de « type 2003 » plus fréquentes et le souvenir récent de cet évènement incitent à identifier quels paramètres peuvent avoir une influence sur les caractéristiques des ilots de chaleur urbains.

L’identification de ces paramètres ayant été faite (notamment propriétés radiatives des surfaces et zones vertes ou bleues), le projet EPICEA mobilise les ressources de la modélisation numérique pour évaluer l’importance des effets induits pas la modification de ces paramètres.

Cette réflexion doit être à la fois prospective et envisager des hypothèses « inimaginables » tout en restant proche de préoccupation concrètes des gestionnaires de la ville. Sans brider l’imagination, nous aurons en permanence à l’esprit des considérations relatives à la faisabilité technique et économique ainsi qu’aux conditions de maintenance et d’entretien des dispositions qui permettraient de limiter les effets de l’ilot de chaleur.

Bien que nous n’envisagions pas de considérer une évolution de la morphologie de la ville, une autre dimension pratique de cette réflexion concerne le changement d’aspect de la ville pouvant être induit par des mesures se révélant favorables au but recherché. La figure 1 illustre ce propos.

Le fait de « blanchir » (pour augmenter la réflexion de l’énergie solaire incidente), de « verdir » (en escomptant une temporisation de l’arrivée de l’eau des précipitations dans les réseaux urbains ainsi qu’un effet de rafraichissement localisé) ou de « bleuir » (par l’installation de capteurs photovoltaïques contribuant à une production délocalisée d’électricité) les couvertures des bâtiments n’est pas neutre quant à l’aspect des toits.

Figure 1 : impact visuel d’options de couverture

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La ville ne se voit pas que du niveau des trottoirs mais également à partir des étages. L’appréciation par les occupants et usagers de la ville de ces modifications d’aspect est une dimension que nous ne sommes pas à même d’évaluer mais dont les décideurs devront tenir compte lors de la sélection d’options que la modélisation ferait apparaître comme bénéfique.

Les chapitres suivants abrutissent à des propositions de scénarios de modification en les étayant conformément aux éléments annoncés. S’agissant de modifier les propriétés des surfaces extérieures des ouvrages de bâtiment, nous considérerons successivement les ouvrages de couverture et les murs.

DEFINITIONS

Albédo : rapport du rayonnement (énergétique ou lumineux) réfléchi par une surface au rayonnement incident (source : glossaire Euromet, www.eumetcal.org/Euromet )

Emissivité : rapport de la quantité de rayonnement émise par un corps, à une température donnée, à la quantité de rayonnement émise par un corps noir rayonnant à la même température. L'émissivité des corps se situe entre 0 et 1. Pour le rayonnement à grande longueur d'onde, l'émissivité de l'eau est presque de 1, celle de la végétation de 0,95 à 1, et celle de la plupart des sols de 0,90 à 0,95.

MURS

SITUATION ACTUELLE

L’albédo et l’émissivité des murs actuels de Paris ont été fournis dans le rapport EPICEA « Caractéristiques thermiques des parois opaques du bâti parisien : toitures et murs».

Il a été retenu un seul couple de valeur : albédo= 0,4, émissivité= 0,8 correspondant aux propriétés des minéraux de couleur claire.

SCENARIOS

La faisabilité de la modification de ces caractéristiques des murs est sans doute moins « aisée » que pour les couvertures du fait du fort enjeu esthétique lié aux façades.

Techniquement, des peintures adaptées aux différents supports existants pourraient sans doute être envisagées mais la question reste à étudier, de même que celle de l’évolution de la performance initiale dans le temps. D’autres procédés comme la mise en place d’un bardage (servant également de protection à une isolation par l’extérieur) sont techniquement envisageables.

Nous proposons d’explorer l’hypothèse d’une modification donnant aux matériaux de façade les propriétés d’un marbre très « blanc » : albédo= 0,8, émissivité= 0,9.

La question du confort visuel en cas de réalisation d’une telle hypothèse mériterait d’être examinée. L’obtention d’un éventuel bénéfice du confort thermique lors de canicule ne peut se faire au détriment trop prononcé d’autres éléments du confort (éblouissement en l’occurrence).

Cette hypothèse concernerait tous les murs de la ville.

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OUVRAGES DE COUVERTURE

DEFINITION

Couverture : ensemble des ouvrages et matériaux de revêtement qui assurent le « couvert » d’un édifice. La couverture, partie extérieure de la toiture (ensemble des éléments qui composent le couvrement et la couverture d’un bâtiment, comprenant à la fois les matériaux de couverture (ardoises, tuiles, zinc,…) et leurs supports (chevrons, lattes, liteaux,…)), ne participe pas à la stabilité des ouvrages, mais doit protéger de façon étanche et durable les superstructures d’un édifice contre les intempéries (pluie, neige, grêle, soleil et vent), (d’après DICOBAT, 1992).

Malgré la rigueur de cette définition, l’usage a consacré le terme de « toiture terrasse » pour désigner la toiture et la couverture de ces ouvrages.

SITUATION ACTUELLE

L’albédo et l’émissivité des couvertures actuelles de Paris a été fourni dans le rapport EPICEA « Caractéristiques thermiques des parois opaques du bâti parisien : toitures et murs» (tableau 1).

Eléments de couverture

Zinc Toitures terrasses

Tuiles ardoise

Albédo 0.6 0.2 0.2 0.15

Emissivité 0.1 0.8 0.8 0.9

Tableau 1 : caractéristiques des matériaux de couverture actuels

Compte tenu de leur mode de pose, la pente des couvertures en zinc ou en ardoise va de la verticale à des angles faibles (environ 15 degrés). Contrairement aux apparences, la pente des toitures terrasses n’est pas nulle de manière à assurer l’évacuation des eaux de pluie mais elle est très faible (1 à 5 %).

Comme la majorité des toitures parisiennes sont recouvertes de zinc ou bien sont du type toiture terrasse, nous considérerons uniquement les modifications de ces deux catégories de couverture.

OPTIONS DE MODIFICATION DES OUVRAGES DE COUVERTURE

COUVERTURES RAFRAICHISSANTES (COOL ROOFS)

PRINCIPE

La figure 2 présente les propriétés radiatives de matériaux dont certains sont envisageables en couverture (après adaptation technique à préciser).

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Figure 2 : solar reflectance (albedo) versus far-red emissivity (émissivité) (source : Florida solar energy center www.fsec.ucf.edu/en/)

Les températures d’équilibre des matériaux soumis au rayonnement solaire dépendent des nombreux facteurs qui régissent les échanges thermiques (propriétés radiatives, température extérieure, vitesse du vent, présence éventuelle de lame d’air ou d’isolant en sous-face). Le tableau 2 donne un ordre de grandeur des températures d’équilibre de différents échantillons, présentant des albédos et émissivité contrastés, soumis à des conditions d’essais comparables.

Ce tableau confirme des données d’expériences aisément accessibles de manière qualitative.

Material Reflectivity

(albedo) Emissivity

Max. Surface

(°F / °C) Temp.

White prepainted metal roof 0.64 0.83 123 / 50 Cool

Unpainted metal roof 0.64 0.08 142 / 61 Warm

Asphalt Shingle 0.09 0.91 164 / 73 Hot

Tableau 2 : températures observées (Oak Ridge, TN August 14, 2000) (source : www.coolmetalroofing.org )

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L’abaissement de la température de surface du matériau de couverture est a priori un facteur permettant de limiter le flux de chaleur de l’extérieur vers l’intérieur du bâtiment ce qui doit contribuer à limiter l’apport d’énergie aux espaces intérieurs et limiter le recours à d’autres moyens destinés à évacuer cette énergie de manière à maintenir des conditions acceptables de confort comme illustré en figure 3.

Figure 3 : extrait documentation procédé DERBIBRITE (www.derbigum.be )

Ces résultats plaident pour des options « cool roofs » caractérisées par de valeurs élevées de l’albédo et de l’émissivité.

TECHNOLOGIE

Les revêtements réfléchissants peuvent êtres des membranes ou des enduits. Sans viser à l’exhaustivité, le tableau 3 présente quelques unes des membranes disponibles selon les marchés.

Nom entreprise/site internet Caractéristiques produit (données fabricant)

DERBIBRITE www.derbigum.be

Membrane d’étanchéité composée d’un bitume copolymère. Armature composite verre/polyester imprégnée d’un coating acrylique. Grâce à ses 3 couches d'acrylique céramisé en surface, DERBIBRITE NT réfléchit 76% des rayons du soleil et diminue ainsi la température à l'intérieur du bâtiment de 5°C.

IKOREFLECT (IKO) www.ikoreflect.com/?lang=FR

Membrane bitume polymère TPE. Revêtement blanc réfléchissant en PU. Le degré de réflectivité d’IKO REFLECT est supérieur à 77%. C’est pourquoi la température en surface de la membrane est relativement faible.

ALKORBRIGHT (RENOLIT) www.alkorproof.com

Membrane synthétique d’étanchéité à base de PVC-P, armée par une trame polyester. Avec une réflexion solaire de 90%, la membrane ALKORBRIGHT est l’une des meilleures membranes toiture cool roof présente sur le marché.

SPORASTAR (SOPREMA) www.soprema.ca

SOPRASTAR FLAM WF est une membrane de finition constituée d’une armature composite et de bitume élastomère SBS. La face supérieure est recouverte d’une pellicule multicouche blanche. Cette pellicule blanche possède un indice de réflectivité solaire (IRS) élevé ce qui contribue à réduire la température à la surface du système de toit.

Tableau 3 : exemples d’offres commerciales de membranes réfléchissantes

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La conception des ouvrages de couverture utilisant ces produits ainsi que les conditions de mise en œuvre et d’entretien doivent être examinées dans le cadre du contexte national (disponibilité des produits, compétences des acteurs, conformité aux lois et règlements, assurabilité).

PERFORMANCES

Les performances attendues à la réception résultent notamment du respect des conditions rappelées ci-dessus. Par ailleurs, la question du vieillissement des caractéristiques initiales doit être examinée.

Une étude menée au Lawrence Berkely Laboratory (LBL) indique une dégradation plus ou moins rapide de ces performances initiales (figure 4).

Figure 4 : Variation de l’albédo en fonction du temps (source : groupe heat island du LBL : http://eetd.lbl.gov/HeatIsland/CoolRoofs/Wash/

Plusieurs fabricants suggèrent un nettoyage régulier ce qui peut ne pas être aisé à réaliser sur une toiture existante non conçue à l’origine pour une telle intervention.

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TOITURES VEGETALISEES

PRINCIPE

Sous le terme « toiture verte », le Centre Scientifique et Technique de la Construction (CSTC) Belge désigne plusieurs principes de mise en œuvre de végétations sur une toiture plate (CSTC, 2006). (figure 5).

Sont ainsi distinguées les toitures jardin, réservées essentiellement aux constructions neuves du fait de leur sujétions (poids élevé, accès, …) et les toitures végétalisées ou toitures à végétation extensive dont le tableau 4 résume les caractéristiques. A noter qu’il existe dans Paris des toitures-jardins de surface parfois importantes (> 1000 m²) qui sont essentiellement des zones d’agrément sans ambition thermique et encore moins (micro) climatique.

Figure 5: différent types de toitures vertes (source CSTC)

(*) : sauf aménagement spécifique

Tableau 4: principales caractéristiques des toitures végétalisées (source CSTC)

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Les fonctions attendues d’une toiture végétalisée sont essentiellement : la protection du système d’étanchéité contre les agressions des gents climatiques, une contribution à la gestion de l’eau de pluie (rétention partielle sur l’année,

atténuation/déphasage des pics de débit en cas d’orage), une contribution à la thermique (par augmentation de l’inertie) et à l’acoustique des

toitures, un impact sur la biodiversité et l’aspect.

TECHNOLOGIE

La société SIKA France SA est détentrice de l’Avis Technique :5/06-1911 relatif au procédé Sarnavert Sarnafil TG 66 F sous végétalisation extensive (texte accessible à www.cstb.fr, rubrique Evaluations/Avis Technique ou Document Technique d'Application)

Un autre Avis technique a été instruit et est en cours d’enregistrement.

PERFORMANCES

Dans le cadre d’EPICEA, les performances thermiques d’une toiture végétalisée est une question importante. Il s’agit d’une question en cours d’examen à l’occasion de plusieurs projets en France et à l’étranger.

La complexité de la question vient du couplage entre le transfert de chaleur et le transfert d’humidité au travers des différentes couches constitutives de l’ouvrage. Ces performances thermiques sont par nature variables dans le temps ne serait-ce que du fait de la variation de la teneur en eau du substrat selon les saisons. La conductivité thermique des couches constitutives est par exemple mal connue.

Comme le rapport le CSTC (CSTC, 2006):

« En période hivernale, le complément apporté à l’isolation thermique de la toiture est faible dans le cas d’une végétation extensive. Ceci s’explique, d’une part, par la faible épaisseur des couches constitutives et, d’autre part, par leurs caractéristiques thermiques intrinsèques réduites, étant donné que la haute contenance en eau du substrat et du drainage nuit au pouvoir isolant de la toiture verte.

En été, outre une résistance thermique et une inertie thermique accrues, la toiture verte offre un autre avantage. Grâce à la végétation, la surface de la toiture absorbe en effet moins de rayonnement solaire qu’une toiture plate conventionnelle. Cette réduction des apports solaires au travers de la toiture est notamment fonction du type de végétation et de la densité de son feuillage. La végétation permet également un refroidissement naturel par effet d’‘évapotranspiration’. Ce processus par lequel l’eau s’évapore par les feuilles des plantes peut engendrer une diminution de la température de l’air sous la végétation de plusieurs degrés par rapport à la température de l’air ambiant. L’ensemble de ces facteurs contribue à augmenter le confort thermique du bâtiment et à réduire la consommation énergétique d’un éventuel système de climatisation. »

L’eau est bien évidemment nécessaire pour assurer le mécanisme évapotranspiration. Certains procédés comprennent un système d’arrosage intégré pour palier à l’insuffisance d’eau (sud de la France, canicule).

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On trouvera en annexe de ce rapport copie d’une annexe du document cité du CSTC qui rend compte de mesures effectuées en été et en hiver.

Gaffin et al., proposent une analyse des performances thermiques fondée sur un modèle confronté à une série de résultats expérimentaux (GAFFIN, 2006).

1 Perte chaleur latente évaporation

2 Perte par convection

3 Emission IR

4 IR incident (effet de serre)

5 Conduction vers intérieur bâtiment

6 Solaire incident

7 Solaire réfléchi

Figure 6 : modèle toiture végétalisée (source : GAFFIN, 2008).

Leur objectif étant de comparer les performances des couvertures rafraîchissantes et des toitures végétalisées, ils définissent un « albédo équivalent » pour ces dernières.

Leur résultat les conduit à un « albédo équivalent » proche de celui des couvertures réfléchissantes (voir positionnement « green roof » sur la figure 2).

APPLICATIONS AUX COUVERTURES EN ZINC

La mise en œuvre des options présentées précédemment sur une couverture en zinc nécessite d’examiner de multiples questions parmi lesquelles :

l’impact thermique effectif de la végétalisation sur les bâtiments et les occupants, notamment en période de canicule pendant laquelle l’eau est rare

la faisabilité technique compte tenu des efforts mécaniques (poids, effets du vent) liés à ces techniques ;

les conditions de maintien des performances initiales (nettoyage, arrosage, réfection périodique),

les effets secondaires liés par exemple au lessivage du substrat et des produits phytosanitaires qu’il contient,

APPLICATIONS AUX TOITURES TERRASSES

Des questions similaires se posent pour les toitures terrasses avec toutefois une moindre contrainte concernant les effets mécaniques du fait que le support de la terrasse est très généralement en béton armé.

La réfection de l’étanchéité d’une toiture terrasse ancienne peut être un moment opportun d’étudier l’éventualité de mise en œuvre d’une des options présentées.

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SCENARIOS

Les caractéristiques (initiales) des peintures/membranes blanches retenues sont : albédo= 0,9, émissivité= 0,9

Trois scénarios sont proposés.

scénario Couverture zinc Toitures terrasses

1 Maintien à l’identique Membrane/enduit blanc

2 Membrane/enduit/peinture blanc Maintien à l’identique

3 Membrane/ enduit/peinture blanc Membrane/enduit blanc

Tableau 5 : scénarios ouvrages de couvertures

Dans la mesure où il se confirmerait que les toitures végétalisées se « comportent comme » des couvertures réfléchissantes avec un albédo voisin de ceux que nous retenons, ces trois scénarios intégreraient également le verdissement des toitures terrasses et/ou des couvertures en zinc. Cette hypothèse doit être vérifiée avant de se prononcer sur la validité de cette perspective.

RESUME DES SCENARIOS

Couverture zinc Toitures terrasses Murs

Albédo Emissivité Albédo Emissivité Albédo Emissivité

Situation de départ 0,6 0,1 0,2 0,8 0,4 0,9

Scénario 1 0,6 0,1 0,9 0,9 0,8 0,9

Scénario 2 0,9 0,9 0,2 0,8 0,8 0,9

Scénario 3

Verdissement total (identique scénario 3

si confirmation hypothèse Gaffin)

0,9 0,9 0,9 0,9 0,8 0,9

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REFERENCES

CSTC, 2006. Les toitures vertes : note d’information technique 229, Septembre 2006

DICOBAT, 1992 . Dictionnaire général du Bâtiment. Editions Arcature, 1992

GAFFIN et al., 2006. Energy balance modeling applied to a comparison of white and green roof cooling efficiency,