L’effet isolant d’une toiture végétalisée

Oui ! Une toiture végétalisée peut jouer un rôle très positif en matière d’isolation thermique. Pour bien comprendre comment cela peut être possible, il faut s’intéresser à un phénomène naturel encore un peu mystérieux.  A la différence de ce que l’on connaît avec les isolants classiques, il  ne s’agit pas ici seulement d’emprisonner au mieux une couche d’air à l’intérieur de matériaux fibreux afin  d’éviter la perte de « calories » et/ou de « frigories ». Il s’agit aussi et surtout de favoriser un effet bioclimatique. Celui permis par l’évapotranspiration des plantes et l’humidification de l’air.

Thermique et bâtiment

Si le secteur du bâtiment représente à lui seul 40% de la demande d’énergie en Europe (source Leptab ), c’est, entre autres choses, qu’il y a encore beaucoup à faire en matière d’isolation thermique. Et en premier lieu, élargir le raisonnement.

Certes, il faut s’occuper du bâtiment lui-même. Et pour cela, il faut comprendre les différents phénomènes physiques entrant en jeu dans le bilan thermique d’un bâtiment. 

Il y a tout d’abord, le rayonnement du soleil. Il réchauffe les matériaux de l’immeuble. Une partie de ce rayonnement est donc “absorbée” par ce dernier.

Ensuite,  la convection : c’est le transport de la chaleur par l’air. Au contact d’un toit chaud, par exemple, l’air se réchauffera et repartira  vers le haut.


Egalement en jeu : la conduction. C’est l’échange thermique vers les matériaux du bâtiment lui-même. La conduction fonctionne dans les deux sens (c’est un échange) : elle conduit la chaleur vers l’intérieur mais peut aussi la laisser s’échapper de l’intérieur du bâtiment vers l’extérieur.

Enfin, l’évapotranspiration : il s’agit du cumul de l’eau renvoyée dans l’atmosphère par l’évaporation de l’eau de pluie qui tombe sur le toit d’une part et par la transpiration de la végétation présente sur les toits ou sur les murs d’autre part.

Ces quatre phénomènes jouent chacun leur rôle et aboutissent à deux possibilités :

  • soit le bâtiment capte plus d’énergie qu’il n’en libère et la température y augmente (ce qui est le cas en été).
  • soit le bâtiment libère plus d’énergie qu’il n’en capte et la température y baisse (ce qui est le cas en hiver).

Si l’on veut réduire la demande d’énergie absorbée par le bâtiment (pour contribuer à réduire le chiffre énorme de 40% évoqué ci-dessus) il convient donc de faire en sorte :

  • que le bâtiment capte moins d’énergie et en libère plus en été (cela réduira le recours aux climatiseurs très énergivores)
  • que le bâtiment capte plus d’énergie et en libère moins en hiver (pour réduire la demande en chauffage).

Isolation contre la chaleur : sur quels leviers agir

Voilà pour la théorie et les phénomènes en jeu. 

Mais concrètement, où va-t-on trouver les leviers les plus efficaces pour agir ?

En priorité sur les toits. On sait en effet qu’ils représentent 30% des déperditions énergétiques d’un bâtiment. C’est donc bien là que l’on peut agir.
Concrètement, le fait de végétaliser une toiture aura d’autant plus d’efficacité que l’on va jouer sur les quatre phénomènes en même temps. 

Le rayonnement solaire sera bien mieux absorbé que dans le cas d’un toit terrasse bitumineux, par exemple ( +5,5%) . Selon une étude de juin-juillet 2000 de UFA-Berlin Tempelhof, cette énergie sera immédiatement réutilisée dans le cas d’un toit végétalisé extensif pour produire de l’évapotranspiration. Celle-ci sera 10 fois supérieure à ce qui se passe sur le toit bitumineux.

Le  phénomène de convection, l’air au contact du toit végétalisé renvoyé dans l’atmosphère, sera lui, deux fois moindre que dans le cas du toit bitumineux.

Quant à la conduction, elle sera maîtrisée avec de bons isolants entre le toit et la charpente, afin d’éviter les ponts thermiques, comme dans une conception classique.

On le comprend, l’intérêt de la toiture végétalisée est qu’elle met en oeuvre une stratégie supplémentaire par rapport aux dispositifs classiques : la stratégie bioclimatique. Tout en provoquant  un effet rafraîchissant par l’évapo-transpiration, elle crée une protection solaire en absorbant plus de rayonnement et en limitant l’effet “îlot de chaleur” (convection).

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Lutter contre les îlots de chaleur

Cette affaire de l’îlot de chaleur est en effet un enjeu crucial. On le sait, le “gradient de température” ville-milieu rural, autrement dit la différence de température moyenne entre le centre-ville et la campagne voisine est de plus en plus important dans les villes. Il atteint à Athènes pas moins de 10°C (source : Heat Island Group) !

On l’a dit, il faut intégrer dans son raisonnement tous les effets thermiques liés au bâtiment lui-même, mais on le voit, le bâtiment n’est pas tout seul.  Il faut aussi tenir compte des alentours. Et quand les alentours peuvent jouer à 10°C près, on n’est plus dans le simple détail.

Au fond, pour un architecte, tenir compte des alentours, c’est  exactement comme lorsqu’il pense à l’esthétique de son projet en simulant dans ses plans la façon dont celui-ci s’intégrera dans le paysage. 

Dans ce cas, il se demandera quelles sont les courbes ou les choix de matériaux qui s’imposent au projet à cause des maisons du voisinage. Il se demandera, également, à l’ inverse,  quelles  formes il peut, par la personnalité et la force de son futur projet, imposer à ce même paysage pour le faire évoluer…. 

Pour l’effet climatique, il doit raisonner de la même façon. D’un côté, il va étudier les échanges thermiques qui se produiront avec son environnementExemple : la réflexion du rayonnement solaire imposée par de grands immeubles en verre dans le voisinage pourra avoir un effet très important. Il faudra se demander quels végétaux pourront résister à cela et trouver son inspiration dans les déserts les plus arides.

D’un autre côté, il doit décider du “combat” qu’il convient de mener pour rendre plus vivable non seulement le bâtiment lui-même mais le quartier tout entier.  La végétation doit-elle être intense, légère ? Quelle rôle doit jouer l’eau ? Etc.

Raisonner “système complet” consiste donc bien sûr à rêver au scénario idéal. Plus un bâtiment se trouve dans un environnement où les toitures et terrasses végétalisées sont nombreuses et où les rues sont bordées d’arbres et remplis de trottoirs eux aussi végétalisés, moins l’effet îlot de chaleur sera prégnant et plus l’effet rafraîchissant et la stratégie bioclimatique de chaque bâtiment profitera à tous. 
Il s’agit donc de contribuer, avec chaque nouveau projet, à ce scénario idéal.

Le phénomène d’évapo-transpiration

Pour cela, l’architecte s’appuiera principalement, on l’a dit, sur le phénomène d’évapo-transpiration.

Son intérêt en termes d’économies d’énergie est évident.

Pour évaporer 1m3 d’eau, il faut 680 kWh. Cette énergie est prélevée au système . Celui-ci perd donc aussitôt en température. C’est le même résultat lorsqu’un corps humain, sous l’effet de la chaleur, émet de la sueur. La température du corps baisse.
Quand on sait qu’un mètre carré de gazon peut évaporer 5 litres d’eau par jour, on comprend l’effet de régulation de la température que peut avoir une toiture végétalisée.

Les facteurs qui jouent pour l’évapo-transpiration

Il n’en reste pas moins vrai que l’évapo-transpiration est fonction de quantité de facteurs (le rayonnement reçu, la température de l’air, la vitesse du vent, l’humidité de l’air et bien sûr l’espèce végétale choisie). Certains de ces facteurs seront systématiquement favorables à l’effet “rafraîchissant”, d’autres le seront moins. Il ne suffit donc pas de dire : “on va mettre des plantes sur le toit, on les fait transpirer et tout ira mieux”.
Ce n’est pas si simple, la conception du toit végétalisé est donc primordiale.

Sa cohérence d’ensemble, la façon dont il s’intègre naturellement dans le paysage seront déterminants  : végétalisation extensive, intensive, type de végétation, part de surface du toit recouverte, etc.

La technique d’isolation entre le substrat et le reste du bâti, pour éviter les infiltrations et tous les ponts thermiques sera, elle aussi, importante. Les techniques traditionnelles de végétalisation des toitures peuvent être une source d’inspiration (cf les techniques des Amérindiens d’Amérique du Nord  où des tuiles de bois imputrescible sont insérées entre la charpente et un mélange de terre et d’herbes posé sur le toit).

Mais en plus, le choix des végétaux, tout comme la nature du substrat et sa teneur en eau auront une importance capitale.

Lutter contre les chocs thermiques

Au final, le dispositif conçu aura pour effet d’apporter au bâtiment une plus grande inertie thermique.

Ceci permet  d’éviter les chocs thermiques. Et ainsi de devoir compenser par des à-coups de climatisation ou de chauffage des variations soudaines de température. Ce qui fait faire d’énormes économies.

Un élément de toiture exposé au soleil peut atteindre 65 °C alors que le même élément recouvert de végétaux conserve une température comprise entre 15 et 20 °C. La différence est énorme !

Ce que disent les expériences pilotes

Une étude du ministère canadien de l’Environnement a d’ailleurs démontré que la végétalisation de 6% de toute la surface de toits disponibles pourrait faire baisser la température de Toronto d’environ de 1 à 2°C, phénomène qui permettrait les jours de canicule, une baisse de 5% de la demande en électricité pour la climatisation et la réfrigération.

Cette autre étude montre l’effet sur la demande énergétique liée aux vagues de chaleur au Canada (British Columbia Institute of Technology – Vancouver).  Bien sûr, l’effet est plus important l’été que l’hiver.

(source cstb)

Mais quand on sait que de plus en plus de monde va habiter en ville et que les villes vont connaître des étés de plus en plus chauds, la contribution de chaque projet à la lutte contre les îlots de chaleur va devenir une exigence de plus en plus forte de la part des maîtres d’ouvrage.

Autant s’y préparer au plus tôt.

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