Modélisation des échanges énergétiques entre la surface d’une toiture végétalisée extensive et un panneau photovoltaïque

Energy exchange modelling between the surface of an extensive green roof and a photovoltaic panel

• Auteur / Autrice : Thomas Villemin
• Direction : Gilles Parent, Rémy Claverie
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Énergie et Mécanique
• Date : Soutenance le 07/06/2023
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale SIMPPé - Sciences et ingénierie des molécules, des produits, des procédés, et de l'énergie (Lorraine ; 2018-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Energies et Mécanique Théorique et Appliquée
• Jury : Président / Présidente : Rodolphe Vaillon
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Gilles Parent, Rémy Claverie, Cyril Caliot, Mouna El Hafi, Cécile De Munck
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Cyril Caliot, Mouna El Hafi

Mots clés

Mots clés contrôlés

Couplage, Théorie du

Énergie

Environnement -- Études d'impact

Habitations -- Consommation d'énergie

Toits végétalisés

Générateurs photovoltaïques

Mots clés libres

Modélisation

Panneau photovoltaïque

Toiture végétale

Énergie

Couplage

Modelling

Photovoltaic panel

Green roof

Energy

Coupling

Résumé

La densification et l'artificialisation croissante du milieu urbain ont induit de nombreux impacts négatifs à l'échelle de la ville et rendent ce milieu ultra contraint d'un point de vue des besoins d'énergie et du confort thermique. De plus, la demande en énergie a considérablement augmenté et le secteur du bâtiment est responsable, à lui seul, de 44% de l'énergie consommée en France chaque année. Les impacts négatifs sont d'ores et déjà perceptibles pour les habitants et le phénomène d'Ilot de Chaleur Urbain (ICU) est observé dans la plupart des grandes métropoles. L'ensemble des toitures planes en ville représente environ 20 à 25% de la surface totale de la ville. Cependant, ces surfaces sont globalement inexploitées alors qu'elles sont le lieu privilégié pour les échanges thermiques et hydriques entre le bâtiment et son environnement. Une solution intéressante pour végétaliser le milieu urbain et favoriser la production d'énergie en ville consiste à introduire des toitures végétales extensives sur les toitures planes associées à des panneaux photovoltaïques. La toiture végétalisée permet de répondre à un certain nombre de fonctions écosystémiques et les panneaux photovoltaïques produisent de l'électricité sur le lieu de consommation. Ces dernières années cette solution n'a pas été perçue comme une opportunité et les deux systèmes ont plutôt été mis en concurrence. Dans ce contexte, cette thèse doit permettre d'évaluer les impacts individuels et réciproques, qu'ils soient positifs ou négatifs, des deux sous-systèmes lorsqu'ils sont associés. En effet, il est attendu que le flux d'évapotranspiration de la toiture végétalisée induise un abaissement de la température des cellules photovoltaïques, favorisant la production électrique. Les travaux menés ont permis d'évaluer expérimentalement la performance de parcelles végétalisées sur la production électrique des panneaux photovoltaïques. De plus, plusieurs modèles ont été développés pour simuler le comportement thermique des panneaux en fonction des conditions météorologiques dans lesquelles ils se trouvent à l'aide la méthode de Monte Carlo. Ces modèles ont été appliqués à l'évaluation de la performance énergétique à l'échelle du système photovoltaïque seul mais également à l'échelle du bâtiment afin de déterminer ses besoins en énergie (chauffage et climatisation). Un modèle Monte Carlo a aussi été mis en place à l'échelle de la cellule photovoltaïque avec des premiers résultats prometteurs pour de tels systèmes en condition réelles de fonctionnement.

The increasing densification and artificialization of the urban environment have induced many negative impacts on the scale of the city and make this environment ultra-constrained from the point of view of energy needs and thermal comfort. Moreover, energy demand has increased considerably and the building sector alone is responsible for 44% of the energy consumed in France each year. The negative impacts are already perceptible for the inhabitants and the phenomenon of Urban Heat Island (UHI) is observed in most large cities. The total surface of flat roofs in a typical city represents about 20 to 25% of the city. However, these surfaces are globally unexploited although they are the privileged place for thermal and mass transfers between the building and its environment. An interesting solution to green the urban environment and promote energy production in the city consists in the introduction of extensive green roofs on flat roofs associated with photovoltaic panels. The vegetated roof allows to fulfill ecosystemic functions and the photovoltaic panels produce electricity at the place of consumption. In recent years this solution has not been seen as an opportunity and the two systems have instead been put in competition. In this context, this thesis is intended to evaluate the individual and reciprocal impacts, both positive and negative, of the two subsystems when combined. Indeed, it is expected that the evapotranspiration flow of the green roof induces a lowering of the temperature of the photovoltaic cells, favouring the electrical production. The work carried out has allowed to experimentally evaluate the performance of vegetated plots on the electrical production of photovoltaic panels. In addition, several models were developed to simulate the thermal behavior of the panels according to the weather conditions in which they are located using the Monte Carlo method. These models were applied to evaluate the energy performance at the scale of the photovoltaic system alone but also at the scale of the building in order to determine its energy needs (heating and cooling needs). A Monte Carlo model has also been implemented at the scale of the photovoltaic cell with promising first results for such systems in real operating conditions.