Étude du rafraîchissement passif de bâtiment par l’intégration d’un système de rétention d’eau

Abstract

In this thesis, we have studied water retention techniques on flat roofs for passive cooling of commercial/industrial buildings, and more especially the open roof pond system. This roof pond acts as a heat sink, solar irradiance and building internal heat are converted into latent heat, while water thermal inertia mitigates heat flux peaks. A numerical model has been developed to study the theoretical behavior of an open roof pond. A parametric study has allowed to analyze the different heat and mass transfers between the roof and the external environment, and indoor environment impacts. This has allowed to determine the cooling potential of this technology according to design parameters (water level and radiative properties), location and climate change effects. This numerical study was confronted with an experimental study carried out on a scaled down device, under oceanic climate in La Rochelle (France). This experiment also allows to test other water retention techniques on roof such as the adding of a gravel or a porous material layer, and to compare them to high albedo solutions called "cool roofs". The cooling potential and the performance of these passive solutions have been evaluated experimentally and numerically by various indicators defined compared to a bitumen reference roof. Finally, the roof water retention model was coupled with a typical commercial building, large-scale. A study for different current and future climates, especially during heatwave periods and integrating the use of the rainwater resource has been carried out. The results have shown that the roof pond solution is relevant to reduce summer discomfort whatever the location or the climate and that the maximum potential of this technique is obtained when it is combined with the “cool roof” solution.Dans cette thèse, nous nous sommes intéressés aux techniques de rétention d’eau en toiture-terrasse pour le rafraîchissement passif de bâtiments commerciaux/industriels, et plus particulièrement le système de bassin de toit ouvert. Celui-ci agit comme un puits de chaleur, les apports d’énergie provenant du rayonnement solaire et du bâtiment sont convertis en chaleur latente, et les pics de chaleur sont atténués par l’inertie de la masse d’eau. Un modèle numérique a été développé afin d’étudier le comportement théorique du bassin de toit ouvert. Une étude paramétrique a permis d’analyser les différents échanges de chaleur et de masse entre la toiture et l’environnement extérieur, et son effet sur l’ambiance intérieure. Cela a permis de déterminer le potentiel de rafraîchissement de cette technologie en fonction des paramètres de conception (niveau d’eau et propriétés radiatives), de la localisation, et des effets du changement climatique. Cette étude numérique a été confrontée à une étude expérimentale réalisée sur un dispositif à échelle réduite en extérieur, pour le climat océanique de La Rochelle (France). Cette expérimentation a également permis de tester d’autres techniques de rétention d’eau en toiture comme la présence d’une couche de gravillons ou d’un matériau poreux, et de les comparer aux solutions à fort albédo dites « cool roofs ». Le potentiel de rafraîchissement de ces systèmes de toiture a été évalué expérimentalement et numériquement par différents indicateurs de performance définis par rapport à une toiture de référence en bitume. Enfin, le modèle développé de rétention d’eau en toiture a été couplé à un modèle de bâtiment commercial, de grande surface de toiture. L’étude de ce bâtiment type a été menée pour différents climats, actuels et futurs, en particulier sur des périodes caniculaires, et en intégrant l’utilisation de la ressource en eaux pluviales. Les résultats ont montré que la solution de bassin de toit est pertinente pour réduire l’inconfort d’été quel que soit la localisation ou le climat, et que le potentiel maximum de cette technique est obtenu lorsqu’elle est combinée à la solution « cool roof »