Toit et mur végétalisés

1 - Toit végétalisé

= 35 min

L’apparition de murs végétalisés vient résolument s’inscrire dans le cadre plus général d’une amélioration de l’espace urbain. De tels ouvrages lorsqu’ils sont associés à une microirrigation pilotée constituent un système vivant pérenne à plus-value multiple. Si en effet l’aspect écologique ne fait aucun doute (espace relais pour la biodiversité, absorption des eaux pluviales, bioclimatisation du quartier), elle se double d’un gain économique (voir diagramme des cas d’utilisation) ainsi que social par l’amélioration de la qualité de vie (bio-filtration de l’air par les plantes, absorption des particules par le substrat) dont le bénéfice est partagé par l’ensemble des habitants du quartier.



La société Canevaflor conçoit et développe une solution de toits et murs végétalisés présentant les caractéristiques décrites ci-dessus.

La solution Canevaflor consiste en une structure modulaire en acier mécano-soudée (gabion) contenant un substrat permettant le développement optimal de la végétalisation. Chaque structure possède un format standard de 200 x 100 x 20 cm.

L’exploitation d’un mur végétalisé requiert une maîtrise de l’irrigation des végétaux et de la fertilisation du substrat pour garantir l’efficacité. L’assemblage du mur et la plantation sont réalisés directement sur site ce qui permet un type de plantation spécifique à chaque projet.

 

               

Vue en coupe de l'enveloppe du toit et du mur végétalisé 4 couches :



Afin de respecter les normes de construction relatives aux normes BBC, l'architecte de la maison envisage l’emploi de l'enveloppe végétalisé 4 couches sur le toit et la façade 1 orientée nord-ouest. L’objectif de cette première partie est de valider cette solution d’un point de vue développement durable.



Pour valider les performances énergétiques du mur végétalisé, le bureau d’étude utilise un logiciel de simulation thermique qu’il est nécessaire de paramétrer.

Question 1 - Calculer approximativement la surface des toitures (sans le garage) et de la façade 1 .

Question 2 - Compléter sur le document DR1 les paramètres d’entrée du modèle de comportement thermique à l'aide des Données météorologiques en ressources, de la présentation de la solution Canevaflor ci-dessus et du tableau ci-dessous.



Question 3 - Parmi ces paramètres d’entrée, identifier en les entourant en vert sur le document DR1 les paramètres externes (qui vont variés au cours de la simulation) et en bleu les paramètres internes (qui sont fixe au cours de la simulation) du modèle.

Question 4 - Afin d'obtenir une isolation thermique optimale, préciser si l'épaisseur et la conductivité thermique des différentes couches doivent être maximisée ou minimisée (le choix peut être différent pour les deux caractéristiques).

Le modèle de comportement thermique permet de déterminer par simulation les températures à travers les couches de l’enveloppe du toit végétalisé. La solution d’isolation utilisant une enveloppe végétalisé comprend 4 couches.

Pour justifier ce choix, on souhaite comparer les impacts environnementaux de cette solution et d’une solution plus traditionnelle pour un toit horizontal à 2 couches (béton armé + mousse polyuréthane PU). Pour cela il est nécessaire de déterminer l’épaisseur qu’aurait la solution à 2 couches ayant le même niveau de performance que la solution à 4 couches.

Question 5 - Sur le document DR2, déterminer par traçage la valeur de l’épaisseur d’isolant type mousse PU permettant une performance d’isolation thermique à 2 couches (béton armé + mousse PU) équivalente à la solution à 4 couches (toit végétalisé). Vous précierez cette épaisseur en répondant à la Question 5 sur le document DR1.

Question 6 - Justifier, dans une approche de développement durable, le choix de la solution végétalisée par rapport à une solution classique d’isolation (avec un isolant de type mousse PU seul) à l’aide des réponses précédentes et du document ressource suivant.

2 - Système d'irrigation

= 35 min

La mise en œuvre de la solution proposée par la société Canevaflor représente un surcoût à l’installation par rapport à une solution traditionnelle. Afin de compenser ce surcoût initial, plusieurs solutions innovantes sont intégrées au toit et au mur pour en réduire les coûts d’exploitation.

La toiture et le mur sont entièrement recouvert de terre où quatre variétés de plantes indigènes se développent (ibéris, lierre, waldsteinia et alchémies). Leur développement requiert :

• une irrigation en eau claire ;
• un apport en fertilisant (engrais) adapté à chaque variété de plantes.

L’objectif de cette partie est de valider et dimensionner le système autonome d’irrigation et de fertilisation.

Le schéma hydraulique du système d’irrigation est donné ci-dessous :

Question 7 - Identifier l’électrovanne pilotant le circuit d’eau claire ainsi que celle pilotant le circuit d’eau fertilisée.

Question 8 - Identifier le composant assurant le dosage d’engrais.

Question 9 - Repérer sur le  diagramme de blocs interne de la pompe doseuse, l’énergie de fonctionnement du Dosatron. Justifier la pertinence de l’utilisation d’une telle énergie.

Dans une approche de développement durable et de réduction des coûts d’exploitation, la maîtrise d’œuvre a proposé de récupérer l'eau de pluie dans un réservoir afin d’irriguer le mur végétalisé. On se propose à présent de valider cette solution.

Pour cela, le bureau d’étude a conçu une démarche de vérification pouvant être décrite par l’algorigramme du document DR3. Cet algorigramme permet, pour une durée d’un mois, de :

• calculer la quantité d’eau de pluie minimale récupérable par la toiture de la maison ;
• calculer la quantité d’eau qui ne sera pas absorbée par les plantes de la toiture ;
• vérifier si la quantité d’eau de pluie disponible est suffisante pour l’irrigation autonome du mur (c’est-à-dire sans apport complémentaire d’eau).

Paramètres d'irrigation :

	Symbole	Valeur numérique
Superficie du toit (en m²)	Stoit	Question 10
Superficie de la façade 1 (en m²)	Smur	Question 1
Consommation en eau du mur (litre par m² par an)	Consomur	120 (moyenne)
Capacité d’absorption du toit (litre par m²)	Capatoit	17
Précipitation minimale	Pmin

Question 10 - Calculer S_toit la surface des toitures avec le garage.

Question 11 - A l'aide des symboles du tableau ci-dessus, compléter littéralement sur le document DR3 l’algorigramme de validation d’une irrigation autonome avec :

• A : La quantité minimale d’eau récupérée pendant un mois sur la toiture.
• B : La quantité d’eau absorbée par les plantes de la toiture.
• C : Le surplus d’eau non absorbée par la toiture.
• D : La quantité d’eau nécessaire à l’irrigation mensuelle de la façade 1.

Question 12 - Exprimer littéralement la « CONDITION D’IRRIGATION AUTONOME » sur l’algorigramme.

Question 13 - Réaliser les applications numériques de l'algorigramme.

Question 14 - Conclure quant à la possibilité d’une irrigation autonome du mur.

3 - Récupération d'eau de pluie

= 10 min

L’eau de pluie collectée en aval de toitures peut être utilisée pour des usages domestiques extérieurs au bâtiment, pour les toilettes, le lavage des sols et pour le lavage du linge.

Question 15 - Calculer le surplus d'eau mensuelle moyen en m³ après irrigation du mur nord-ouest.

Question 16 - Compte tenu du fait que le prix du m³ d’eau est de 3,6 € TTC, que l’investissement du toit végétalisé, irrigation, système de stockage et de renvoi de l’eau de pluie couterait 4000 € environ, calculer la durée d’amortissement.

 

4 - Gestion asservie de l’arrosage automatique

= 30 min

Le module qui exécute les programmes des cycles d’arrosage automatique est interfacé à différents capteurs, dont des sondes hygrométriques (photo ci-contre) qui mesurent le taux d’humidité du substrat en différents points du mur et de la toiture.

Une sonde est assimilable à une résistance dont la valeur varie en fonction du taux d’humidité du substrat.

Le schéma de principe du conditionneur lié à la sonde ainsi que les données de calibration du capteur sont donnés ci-dessous :



Un exemple de relevé de données tirées d’une sonde hygrométrique, indiquant le taux d’humidité dans le substrat à différentes heures de la journée, est reproduit ci-dessous :

Question 17 - En vous basant sur le relevé ci-dessus, indiquer quel était le taux d’humidité à 20h35.

Question 18 - A l'aide de l'intensité, de la résistance R2 et de la loi d'Ohm, calculer la valeur de la tension V_R2 pour les deux cas extrêmes d’un taux d’humidité relative de 0 % et de 100 %.

Au sein de chaque sonde hygrométrique se trouve un convertisseur analogique-numérique (CAN) qui permet de convertir la valeur de la tension V_R2. Cette valeur est mémorisée dans un registre de la sonde concernée appelé Current Register.

On donne ci-dessous le format de ce registre :



La tension est codée sur 13 bits :     

• 12 bits sont alloués à la valeur absolue,
• 1 bit est alloué au signe (S = 0 pour une valeur positive).

La résolution du codage numérique de la tension est de 15,622 μV par bit.

Question 19 - Fontion de la valeur calculée à la Question 18 pour un taux d'humidité de 100%, calculer le nombre de bits correspondant.

Question 20 - Convertir ce nombre en binaire pour avoir la valeur mémorisée dans le « Current Register ».