Etude de l’impact des « cool roofs », de la ventilation naturelle et de l’inertie thermique du sol sur les performances énergétiques de bâtiments commerciaux

Abstract

Résumé - Les bâtiments commerciaux de faible hauteur sont souvent caractérisés par de faibles performances énergétiques dues aux transferts thermiques importants au niveau de la toiture et du sol. Dans cet article, le comportement d’un bâtiment de « référence » a été modélisé afin d’étudier les paramètres principaux qui impactent sur la demande d'énergie et le confort. On montre que l’utilisation simultanée de « cool roof » et de la ventilation naturelle combinées avec une forte inertie thermique du bâtiment peut être une solution de rafraîchissement passive suffisante en été.

Full text

Etude de l’impact des « cool roofs », de la ventilation
naturelle et de l’inertie thermique du sol sur les
performances énergétiques de bâtiments commerciaux
Remon LAPISA1, Emmanuel BOZONNET1, Marc O. ABADIE1, Patrick SALAGNAC1*,
Rémi PERRIN2
1LaSIE (FRE-CNRS 3474), Université de La Rochelle, La Rochelle, France
2SOPREMA, 14 Rue de Saint-Nazaire-67025, Strasbourg Cedex 01, France
*(auteur correspondant : patrick.salagnac@univ-lr.fr)
Résumé - Les bâtiments commerciaux de faible hauteur sont souvent caractérisés par de faibles
performances énergétiques dues aux transferts thermiques importants au niveau de la toiture et du sol.
Dans cet article, le comportement d’un bâtiment de « référence » a été modélisé afin d’étudier les
paramètres principaux qui impactent sur la demande d'énergie et le confort. On montre que
l’utilisation simultanée de « cool roof » et de la ventilation naturelle combinées avec une forte inertie
thermique du bâtiment peut être une solution de rafraîchissement passive suffisante en été.
1. Introduction
Le bâtiment est le premier secteur consommateur de l’énergie. En France, il représente
43,87% de la consommation annuelle d'énergie finale en 2010 [1] dont 20,9% concernent le
secteur tertiaire/commercial [2].
L’objectif de cette étude est de définir et de maîtriser les facteurs clés des déperditions
thermiques des bâtiments commerciaux de faible hauteur pour améliorer leurs performances
énergétiques, la finalité étant de réduire la consommation énergétique liée au système de
chauffage en assurant un confort thermique en été sans système de climatisation. L’utilisation
d’un revêtement à forte réflectivité solaire (« cool roof »), couplé avec une ventilation
naturelle (VN) peut être une solution intéressante pour le refroidissement passif.
Le principe fondamental des « cool roofs » est de réduire les gains thermiques dus au
rayonnement solaire en modifiant la réflectivité et l’émissivité thermique de la surface
extérieure de la toiture. La surface extérieure de la toiture est revêtue par un matériau ayant un
coefficient de réflexion solaire important, par ailleurs la chaleur stockée sera émise en grande
quantité vers le ciel grâce à une valeur élevée de l’émissivité thermique. L’utilisation de cette
technologie dans un bâtiment commercial réduit les pics de températures de la surface
extérieure de la toiture d’environ 33°C à 42°C en été [3]. La facture énergétique des systèmes
de climatisation peut être réduite jusqu'à 70 Wh.m-2/jour (52 % du besoin total). Une étude [5]
menée sur la région de Marseille a montré une diminution significative de la température
moyenne de la surface extérieure de la toiture d’environ 10°C en été.
La ventilation naturelle nocturne atténue la surchauffe de l’air intérieur en l’évacuant vers
l’extérieur. Une étude menée par Wang et al. [6] a montré que la ventilation nocturne est très
efficace pour faire baisser la température opérative surtout dans l'hémisphère nord. Elle
constitue un moyen de refroidissement passif et permet de réduire la température intérieure de
1,5°C à 3°C [7–10] en fonction de la localisation, des enveloppes et des scénarios d'utilisation
des bâtiments.
Par ailleurs, la surface du plancher importante et les caractéristiques du sol jouent un rôle
important dans le bilan énergétique et la performance thermique des bâtiments commerciaux

de faible hauteur. La plupart des études portent sur des bâtiments spécifiques, mais néanmoins
dans ces études on constate que le rôle du sol ne doit pas être négligé. Une étude menée par
Labs et al. [11] sur les déperditions thermiques à travers un plancher a montré que si le
bâtiment est non-isolé, ces déperditions représentent 10 % des pertes totales et de 30 % à
50 % pour les enveloppes bien isolés. De plus, le sol constitue un facteur clé à prendre en
considération en raison de son inertie thermique pour les bâtiments de faible hauteur qui sont
souvent construits avec des matériaux à faible inertie (surtout pour la construction
métallique). L'étude numérique d'une cellule virtuelle par Aste et al. [12] a montré qu’il existe
une différence de charge thermique pour le système de chauffage d’environ 10 % en
comparant les performances de l’enveloppe à forte et à faible inertie thermique. Les
performances énergétiques du bâtiment vont dépendre fortement de l’inertie thermique du sol
et des éléments le constituant. Une attention particulière doit être portée pour le choix
optimum de ces paramètres.
Dans cet article, nous démontrons l'effet des stratégies des systèmes de refroidissement
(« cool roof » et ventilation naturelle) en étudiant un bâtiment commercial « type » de faible
hauteur. Une analyse paramétrique est effectuée pour étudier les impacts du « cool roof », de
la ventilation naturelle et de l’inertie thermique du sol sur les besoins énergétiques et le
confort.
2. Problématique et cas étudié
2.1. Description du bâtiment commercial
Un bâtiment commercial d’une surface au sol de 36×36 m2, d’une hauteur de 6 m, situé à
Marseille, a été considéré (Figure 1).
Figure 1 : Géométrie du bâtiment étudié
Sa structure est en acier. La toiture comprend 16 lanterneaux représentant une surface de
31,36 m2, soit 2,4 % de la surface totale. Les parois verticales (sauf celle au nord)
comprennent 30 m2 de fenêtres. Les murs extérieurs sont isolés et ont une épaisseur totale de
30,5 cm (1,3 cm de plâtre, 14 cm de laine de verre, 15 cm de laine de roche et un bardage
externe en acier de 2 mm). L'inertie thermique du sol de ce bâtiment est principalement due à
la dalle en béton de 160 mm d'épaisseur sans isolation thermique. On suppose que les
rayonnages occupent 10 % du volume total du bâtiment. Ils sont constitués de cartons (40 %),
de liquides (30 %), de métaux (10 %) et de matières plastiques (20 %). Le bâtiment est équipé
d’un système de chauffage mais pas de système de climatisation. Afin d’assurer le
renouvellement d’air, une ventilation mécanique contrôlée (VMC) double flux fournit un
débit d’air de 0,75 vol/h pendant la journée. Le bâtiment est occupé tous les jours de 7 h à
22 h sauf le dimanche.

2.2. Stratégies de rafraîchissement : « cool roof » et ventilation naturelle
Deux techniques passives ont été utilisées pour rafraîchir le bâtiment en été : le « cool roof »
(CR) qui consiste à traiter spécialement le revêtement de toiture afin d’avoir des réflectivités
solaires élevées et la ventilation naturelle. Pour le bâtiment de référence, une réflectivité
solaire (albédo) de 0,3 a été considérée pour le revêtement de la toiture et une émissivité aux
grandes longueurs d’ondes (λ > 4 µm) de 0,9. Lors de l'étude paramétrique, l’albédo peut
varier de 0,1 à 0,9. En ce qui concerne la ventilation naturelle (VN), elle est assurée par
l'ouverture des lanterneaux durant l’été pendant la période nocturne de 20 h à 6 h et lorsque la
température intérieure est supérieure à la température extérieure (écart de 2°C). L’entrée d’air
se fait uniquement par infiltration. La VMC fonctionne pendant l'été et peut être réglée en
fonction des besoins de ventilation.
3. Modèle du bâtiment
La simulation thermique du bâtiment a été réalisée en couplant un modèle thermique
développé sous TRNSYS et un modèle aéraulique via le logiciel CONTAM. Comme illustré
par la Figure 2a, le bâtiment est modélisé comme un bâtiment mono-zone qui interagit avec
les éléments suivants : un modèle « aéraulique » qui permet de calculer le débit de ventilation
et la perméabilité à l’air à travers l’enveloppe, un modèle de toiture pour tenir compte des
propriétés radiatives du « cool roof » et un modèle de sol pour évaluer le transfert de chaleur
par le sol.
Figure 2 : a) Couplage thermo-aéraulique ; b) Modèle de sol RT+I
Pour évaluer les transferts thermiques à travers le sol, deux modèles ont été utilisées : un
modèle unidimensionnel avec inertie du sol (RT+I) et un modèle basé sur la réglementation
thermique qui ne prend pas en compte l’impact de l’inertie du sol (RT). Le transfert
d’humidité n’est pas considéré ici. Ces deux modèles représentent respectivement une dalle
non isolée et une dalle parfaitement isolée.
Le modèle RT est utilisé afin d’identifier l'effet de l'inertie du sol sur les besoins énergétiques
du bâtiment et le confort d’été par comparaison avec le modèle suivant (RT+I). Les échanges
thermiques sont modélisés comme des ponts thermiques.
Le modèle RT+I, illustré par la Figure 2b, reprend les échanges du modèle RT et divise le sol
en-dessous de la dalle en deux couches. La première couche est considérée comme un sol
massif représentant une inertie thermique. La deuxième couche est assimilée à une résistance
thermique (sans masse et sans inertie thermique). Le modèle simule un sol de 10 m
d’épaisseur. Adjali et al [13] ont montré que la variation de la température du sol peut être
considérée comme indépendante du comportement thermique du bâtiment au-delà de 10 m de
a) b)

profondeur. Le calcul de cette température est précisé dans la référence [14]. Une étude
paramétrique a été réalisée par Lapisa et al. [15] afin d’évaluer l'épaisseur minimale de la
couche massive du sol nécessaire pour assurer une bonne représentation de l'inertie
thermique. Le modèle proposé, avec une épaisseur de 30 cm de la couche massive, donne des
résultats se rapprochant d’un modèle tridimensionnel de sol. Ce dernier modèle, plus précis, a
été exclu car il nécessite des temps de simulation trop importants [16] vis-à-vis des études
paramétriques effectuées dans le présent article.
Pour les deux modèles (RT et RT+I), les ponts thermiques parois verticales/plancher sont
calculés selon les normes internationales (EN ISO 13370, 2007).
4. Le potentiel de rafraichissement passif du « cool roof » et de la
ventilation
L'étude paramétrique est basée sur le bâtiment de référence défini précédemment : la
toiture a une faible réflectivité solaire (0,3), la ventilation mécanique fonctionne uniquement
au cours de la période d'occupation et les lanterneaux sont fermés (pas de ventilation
naturelle). L’inertie intérieure (rayonnage) est prise en compte. Dans ce qui suit, les critères
de surchauffe de l’air intérieur sont basés sur la température opérative pendant l'été et la
période d'occupation :
• Les degrés-heures (DH) au-dessus de la température du confort adaptatif d’été (EN-
ISO-15251). Ces DH [°Ch] sont proportionnels aux besoins d’énergie pour le
rafraîchissement.
• Le taux d'inconfort au-dessus de la température du confort adaptatif pendant la période
d'occupation (EN-ISO-15251).
Les simulations ont été réalisées sur deux années consécutives afin de s’affranchir des
conditions initiales.
4.1. Impact de l’albédo
La Figure 3 présente l’évolution de la température opérative (Top) sur trois jours d’été
(1-3 Août) pour les deux modèles de sol et deux réflectivités solaires (0,3 pour la toiture de
référence et de 0,9 pour le cool roof). Text est la température extérieure et Ts est la
température de la surface de la toiture.
Figure 3 : Evolution des températures opérative et de surface de la toiture en été

On note que les pics de température se produisent sur l'intervalle 12h00-15h00. En raison
de la présence d’un revêtement « cool roof », on constate que la moyenne des températures
maximales de la surface extérieure de la toiture diminue fortement de 45,2°C à 26,7°C. En
revanche, l’impact sur la température opérative est seulement de 0,63°C. Cela est
principalement dû à la forte isolation thermique de la toiture. L'impact de l'inertie thermique
du sol, qui est évalué à partir des différents résultats entre les modèles RT+I et RT, est
important sur le moyenne de la température opérative maximale en été avec un écart d'environ
1,64°C dans le cas de référence et d’environ 1,57°C dans le cas d’un bâtiment avec « cool
roof ». Ces effets sont favorisés par les échanges en-dessous de la dalle qui limitent la
surchauffe de l'air intérieur.
La Figure 4 présente les effets du revêtement « cool roof », évalués sur les critères de
confort d'été préalablement définis (DH et taux d’inconfort) dans le cas d’un bâtiment avec et
sans inertie thermique (liée au sol) et avec ou sans présence de rayonnage.
Figure 4 : Effet de l'albédo de la toiture sur a) DH et b) taux d’inconfort
Pour le cas du bâtiment de référence, une réduction de 79,1 % des DH a été constatée si
l’inertie du sol est prise en compte. Dans le cas contraire (sans inertie), la réduction n’est que
de 40,6 %. Ces diminutions sont observées dans un intervalle d'albédo variant entre 0,1 et 0,9
(Figure 4.a). L'inertie thermique du sol contribue à une réduction de 1063,8°Ch des DH et de
694,8°Ch pour le bâtiment avec le revêtement « cool roof ». D'autre part, on peut noter que
les rayonnages absorbent une partie importante de la chaleur de l'air intérieur et réduisent les
DH d'environ 49,4 % par rapport à un bâtiment vide. Pour ce type de bâtiment bien isolé, on
constate qu’on ne peut pas négliger l'impact de l'inertie du sol.
La Figure 4.b présente la variation du taux d'inconfort en fonction de l'albédo. Une
tendance similaire est constatée pour le modèle RT+I. En revanche, l'effet de l’inertie des
rayonnages (modèle RT) est plus important dans le cas d’un bâtiment avec « cool roof ». Ce
résultat met en évidence l’effet important de l’inertie thermique des rayonnages sur le
comportement thermique de ce type de bâtiment.
4.2. Impact de la ventilation naturelle
La Figure 5 montre l'impact de l'ouverture des lanterneaux sur le débit de ventilation
naturelle et les DH au-dessus de la limite de la température du confort adaptatif.
Le débit de ventilation naturelle augmente de façon quasi linéaire en fonction du degré
d'ouverture des lanterneaux. Cela indique que l’effet du vent est le facteur déterminant par
rapport à la différence de la température intérieure et extérieure. Le cas RT avec des
a) b)

températures intérieures plus élevées présente le plus fort débit ce qui montre que le gradient
de température agit sur la ventilation par l’effet du tirage thermique.
Les Figures 5b et c montrent l’efficacité de la ventilation naturelle pendant la nuit même
avec un faible débit d'air. Les DH du bâtiment de référence, pendant la période d'occupation,
diminuent proportionnellement avec l’augmentation de la surface des lanterneaux. Dans ce
cas, le stockage de la chaleur par les rayonnages favorise le rafraîchissement pendant la nuit et
contribue à la réduction de la température intérieure. Pour le modèle RT+I, la ventilation
naturelle réduit les DH de 21,3%, dans le cas d’un bâtiment vide (sans rayonnage), et de
18,2 % dans le cas du modèle RT.
Figure 5 : Effet du ratio de la surface des lanterneaux sur (a) le débit de ventilation
naturelle, (b) DH pour le bâtiment avec des étagères et (c) DH pour le bâtiment sans étagères
4.3. Les stratégies de rafraîchissement passif
Cette partie a pour objectif d’évaluer l’effet de la combinaison entre la ventilation naturelle
et les revêtements « cool roofs » en tenant compte de l’effet de l’inertie thermique du sol et
des étagères. La surchauffe pendant la période d’occupation en été est exprimée par la
moyenne des températures maximales journalières et les degrés-heures.
4.3.1. Effet du couplage du cool roof et de la ventilation naturelle
Le potentiel du couplage de l’effet du « cool roof » et de la ventilation naturelle en
fonction de la surface des lanterneaux et de l'albédo de la toiture est présenté par la Figure 6.
Les deux graphes présentent les mêmes effets sur les stratégies de rafraîchissement passif.
Figure 6 : Abaque d’iso valeur entre l’albédo de la toiture et le ratio de la surface des
lanterneaux - a) pour la température opérative, b) pour les DH d’inconfort

Entre 0 % et 0,5 % d’ouverture des lanterneaux, on constate que la ventilation naturelle est
plus efficace. La moyenne de la température maximale diminue de 0,4°C à 0,9°C. L’effet
combiné de la ventilation et du « cool roof » engendre une réduction d’environ 1,5°C de la
température opérative (Figure 6a) et des DH (Figure 6b).
4.3.2. Comparaison entre les différentes stratégies de rafraîchissement
Afin de comparer les stratégies de rafraîchissements (CR-0,9, VN nocturne, VMC
nocturne) définies précédemment, nous avons analysé les températures absolues (Figure 7) et
les DH (Figure 8) pour le modèle RT+I. Dans cette étude, l’effet de la ventilation (naturelle
et/ou mécanique) est plus important de point de vue rafraîchissement par rapport à celui du
cool roof. La moyenne de la température opérative maximale en été pour le cas de référence
est 30,8°C. Il diminue d'environ 0,7°C pour le cool roof, et jusqu'à 1,6°C pour la VN
nocturne. Avec une VMC nocturne, la diminution de la température opérative est presque
similaire au cas de la ventilation naturelle (1,4°C). L'efficacité de la ventilation est cependant,
fortement dépendante du débit d'air et de la température de l'air extérieur. L’effet combiné de
ces stratégies permet de réduire la température opérative de 2,8°C (Figure 7).
Les DH de température d'inconfort pour le bâtiment de référence sont de 163,7°Ch et se
réduisent respectivement à 34,2°C et 8°Ch pour le CR et la VN. Lorsque l’on combine ces
différentes techniques, l’inconfort est annulé (Figure 8).
Figure 7 : Impact des techniques de
rafraîchissement passif sur la température
opérative
Figure 8 : Impact des techniques de
rafraîchissement passif sur les DH
5. Conclusions
À travers l’étude d’un bâtiment commercial, bien isolé, situé dans un climat méditerranéen,
nous avons montré l'intérêt des stratégies du rafraîchissement passif telles que la ventilation
naturelle assurée par les lanterneaux qui contribue à une forte réduction de l'inconfort d'été de
163,7°Ch à 8°Ch et aux revêtements « cool » qui permettent une diminution à 34,2°C. La
ventilation mécanique nocturne contribue d’une manière similaire à la ventilation naturelle.
Pour une meilleure efficacité, la combinaison de ces techniques est souhaitable, et permet
d’assurer le confort thermique. Par ailleurs, nous avons démontré que ces solutions ne
pourraient pas être totalement efficaces sans la contribution de l'inertie thermique du sol. En
effet, cette dernière contribue à une réduction importante des DH. Cela signifie que pour les
bâtiments de grands volumes et faible hauteur, le sol est un facteur important à prendre en
considération. En revanche, l’isolation du sol pourrait avoir un effet négatif pendant la
période estivale. D’autre part, l'inertie des rayonnages contribue également au

rafraîchissement passif, et elle réduit de 49,4% les DH par rapport à un bâtiment sans
rayonnage.
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Remerciements
Les auteurs tiennent à remercier le gouvernement indonésien pour son soutien financier.