Les toits verts pour le développement viable des villes

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Anciennement utilisés pour isoler et colmater les constructions de bois, les toits verts sont de plus en plus à la mode, évoqués par les uns comme un must esthétique architectural et par les autres comme un outil privilégié pour favoriser le développement durable en ville. Mais qu’en est-il réellement des impacts environnementaux des toits et des murs végétaux ? Ces concepts verts sont-ils viables sur les plans technique et économique ? C’est à ces questions que nous répondrons en vous relatant l’histoire d’un projet expérimental de toits et de murs végétaux initié par l’organisme Vivre en Ville.

La mission de Vivre en Ville

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Dans le cadre de sa mission qui vise à rechercher, innover et démontrer les bienfaits du développement viable des collectivités, Vivre en Ville s’est rapidement intéressé aux techniques de végétalisation des bâtiments. Ces techniques se déclinent sous trois principales formes soit, les toitures et les murs végétaux ainsi que les corniches végétales (nouvelle technique développée dans le cadre du présent projet). Dès 2001, l’équipe de Vivre en Ville a visité plusieurs réalisations de toitures végétales en Europe et en Amérique du Nord pour en connaître les impacts positifs sur les individus, le bâti et le milieu urbain. Les conclusions ont été unanimes : les toitures végétales réalisées avant tout pour des questions esthétiques offrent de nombreux autres avantages qu’il est nécessaire de promouvoir pour améliorer notre cadre urbain. Les raisons pour privilégier la technique de végétalisation des bâtiments sont multiples :

 

  • Contribuer â l’amélioration de l’efficacité énergétique du bâtiment. Les toitures végétales permettent d’améliorer l’isolation des bâtiments contre le froid en hiver et surtout la chaleur en été. Une baisse de 3 â 7 degrés de l’air intérieur d’un bâtiment amène des économies de 10 % en climatisation. Pour un bâtiment à un étage, on peut mème espérer des économies de 20 à JO % (Conseil national de recherches du Canada, 2002).
  • Prolonger la durée de vie des toitures en servant d’écran contre les ultraviolets et les rayons solaires, la couche de végétation évite que le toit subisse des variations de température trop importantes et fréquentes ;
  • Aider au contrôle et à la réduction des eaux de ruissellement À l’échelle d’une collectivité, les toitures végétales permettent de réaliser d’importantes économies de traitement des eaux en absorbant en moyenne 75 % des précipitations reçues et en relâchant graduellement les autres 25 %. Cette rétention réduit les débordements et les débits de pointe ne pouvant être traités en totalité dans les stations de traitement des eaux.
  • Mettre en valeur le parc immobilier urbain en contribuant à la durée de vie, à l’embellissement et au confort du cadre urbain, les toitures végétales donnent une valeur ajoutée aux bâtiments et à la ville.
  • Contribuer efficacement à l’assainissement de l’air en milieu urbain en augmentant la production d’oxygène et la diminution du taux de CO, par photosynthèse, les végétaux réduisent la pollution atmosphérique. De plus, ils filtrent une partie des particules volatiles contenues dans l’air ambiant en milieu urbain. Les toits verts retiennent en partie les poussières et la neige balayées par le vent. Enfin, en été, les végétaux humidifient l’air ambiant urbain et captent la chaleur des rayons solaires, réduisant ainsi l’effet de l’îlot de chaleur urbain.
  • Réduire les nuisances phoniques. Les couvertures végétales atténuent les bruits venant de la ville ou du trafic aérien en jouant le rôle d’isolant phonique. La protection contre le bruit est difficile à quantifier et à évaluer : cependant, on estime qu’une réduction de 50 décibels est possible.
  • Offrir des surfaces supplémentaires. La toiture est souvent un espace perdu. Son utilisation permet de limiter l’espace nécessaire au sol pour l’aménagement d’espaces de vie supplémentaires (jardins, toits-terrasses).

Naissance du projet, du concept…

Depuis 2002, le Fonds en efficacité énergétique, organisme québécois nouvellement créé et en lien direct avec la Régie de l’énergie du Québec, souhaite encourager l’innovation technique associée à l’amélioration de l’enveloppe extérieure des bâtiments. Les toitures végétales étant déjà connues par les professionnels du bâtiment, Vivre en Ville propose au Fonds de mesurer les effets conjugués d’une toiture et d’un mur végétal sur un même bâtiment dans un contexte climatique québécois. L’idée est retenue, le programme de végétalisation de bâtiments débute en avril 2002.

Contrairement au concept des toitures végétales, celui du mur végétal ne correspond à aucune technique précise de construction. Du simple écran végétal formé de plantes grimpantes à une structure métallique élaborée qui enveloppe un édifice, les modèles de murs végétaux sont nombreux et proviennent surtout des pays au climat tempéré ou chaud. Ainsi, sans concept précis à reproduire, Vivre en Ville souhaitait réaliser un modèle simple, peu coûteux dont les avantages économiques, écologiques et sociaux rejoignaient ceux des toitures végétales. En 2003, le cercle des principaux partenaires souhaitant participer au Programme de végétalisation de bâtiments est fondé. Les étudiants de l’École d’architecture de l’Université Laval collaborent à l’élaboration d’un nouveau concept de mur végétal alliant l’idée des plantes grimpantes et celle d’une structure métallique mobile et parallèle au bâtiment. À l’instar du Fonds en efficacité énergétique, la Société canadienne d’hypothèques et de logement et le Fonds municipal vert de la Fédération canadienne des municipalités encouragent l’innovation technologique et appuient notre collaboration étroite avec la Ville de Québec. De son côté, le Centre de l’environnement participe au projet et offre à Vivre en Ville le site d’expérimentation tant recherché, soit le Centre culture et environnement Frédéric Back à Québec. Plus communément appelé le Centre Frédéric Back, le site présente un ensemble de deux bâtiments à rénover et à agrandir pour regrouper des organismes environnementaux et culturels, conjuguer leurs expertises et réaliser un centre de démonstration des multiples technologies environnementales à développer au Québec, les toitures et les murs végétaux en faisant partie.

La réalisation des murs végétaux

Ainsi, dès juin 2004, les travaux s’amorcent avec la réalisation du mur végétal. Contrairement au temps important nécessaire à sa conception, l’installation du mur végétal est réalisée en quelques jours. Fondé sur le principe de tendre entre deux perches horizontales des grillages sur quatre étages de haut, la structure du mur végétal, entièrement en acier inoxydable, est fixée au mur du bâtiment par des ancrages réguliers qui maintiennent le grillage parallèle au mur. Par la suite, le travail consiste à implanter les végétaux grimpants au pied du grillage. Le choix de trois espèces végétales permettra de comparer leur impact en climatisation selon leur croissance, le couvert et la densité de leur feuillage. Même si les végétaux sont implantés dans un substrat riche en azote, le mur végétal n’atteindra sa pleine couverture qu’au cours de sa cinquième année.

La réalisation des toitures végétales

Une fois le mur végétal installé, la mise en œuvre des toitures végétales est entreprise et les contraintes techniques commencent. Le Centre Frédéric Back est une école datant des années 30 dont les structures n’ont pu être évaluées uniformément et assez précisément à l’échelle du bâtiment pour assurer la possibilité d’ajouter un poids supplémentaire sur le toit. La capacité de portée du bâtiment étant la première condition pour installer une toiture végétale, le Centre Frédéric Back ne peut recevoir une telle toiture. La seule solution réalisable à faible coût serait de supprimer le toit et l’entretoit existants pour installer un toit végétal de même poids. Malheureusement, le poids du toit et de l’entretoit s’avère très nettement insuffisant pour compenser le poids d’une toiture végétale (19 lbs/pil ou 92 Kg/ml contre 45 lbs/pil ou 220 Kgfmz). La contrainte poussant à innover, l’entreprise chargée d’installer les deux toitures végétales du Centre profite de cette occasion pour tester un nouveau concept de toiture végétale ultralégère répondant aux critères de poids imposés. Le principe est simple, plusieurs des matériaux composant le concept habituel sont remplacés par un seul matériau répondant à plusieurs fonctions, soit celles d’étanchéité, d’anti racinaire, de drainage et de géotextile. Un second matériau utilisé habituellement dans les serres dans le but de répondre aux fonctions de matelas de rétention d’eau et d’irrigation pour faciliter le développement des végétaux. Le nouveau concept ayant été retenu par tous, les travaux sont entrepris pour démonter les toits et les entretoits, refaire l’étanchéité et installer le nouveau concept a la grandeur des deux toitures.

La réalisation d’une corniche

Dernière étape de conception qui n’était pas prévue au projet, l’équipe de réalisation a dû mettre au point une corniche végétale pour répondre à une nouvelle contrainte. En démontant les entretoits des bâtiments, l’organisme s’est exposé aux conditions d’obtention du permis de construction de la Commission d’urbanisme de Québec lui demandant la reconstitution de la ligne d’ombre et du couronnement des façades sur chacun des bâtiments. L’installation d’une corniche classique étant rendue impossible en l’absence d’appui suffisant sur les parapets existants, il a été proposé et accepté d’installer une alternative qui, à long terme, habillerait le haut des façades. L’alternative proposée correspond au nouveau concept de corniches végétales composées de montants horizontaux dépassant du toit sur le pourtour des deux toitures et entre lesquelles sont tendus des câbles. Dès l’été 2006, les végétaux plantés en bordure des toits pourront s’étendre sur les câbles et retomber en cascade à l’extérieur du toit. L’objectif étant qu’à long terme, la combinaison des toitures, des corniches et du mur végétaux forment une continuité dans le couvert végétal du Centre Frédéric Back et en marque la vocation écologique.

La mesure des impacts environnementaux

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L’un des objectifs principaux du projet était de mesurer les impacts de ces techniques sur l’ensemble des bâtiments du Centre Frédéric Back. Les toits et les murs végétaux sont connus au Québec mais ces techniques sont-elles aussi résistantes et efficaces dans un contexte climatique nordique comme au Québec ? Pour vérifier la résistance et l’efficacité de ces deux techniques, Vivre en Ville a d’une part, exposé l’une de ses deux toitures végétales à des conditions de sécheresse et d’entretien minimal ; d’autre part, testé cette même toiture au niveau de ses capacités de rétention d’eau de pluie et d’isolation.

Exposée à des conditions climatiques et d’entretien difficiles, la toiture végétale s’est tout de même développée, mais de façon inégale et clairsemée. Les végétaux semés avant l’hiver ont réussi à germer et à couvrir la majeure partie de la surface du toit en présentant les différents stades de floraison souhaités. Toutefois, en comparaison avec la seconde toiture irriguée, entretenue et plus ombragée, la première toiture présentait une couverture végétale réduite composée des versions miniatures des variétés choisies pour leur caractère indigène et leur rusticité.

Concernant les prises de mesures en rétention d’eau, un système de récupération des eaux de pluie a été installé à partir du drain du toit pour d’une part, réutiliser l’eau de pluie à des fins domestiques ; d’autre part, mesurer le volume d’eau rejeté par le toit végétal. Ce système a été conçu pour dévier en totalité le volume d’eau de pluie qui n’est pas absorbé par la toiture végétale.

En comparant ce volume rejeté et le volume d’eau de pluie reçu par la toiture, calculé à partir de données pluviométriques locales à la fois journalières et cumulatives, il est possible de calculer le volume moyen de rétention d’eau du toit végétal. Le résultat de ces mesures nous montre que l’eau de pluie est retenue à 100 % lors de pluies normales (au-dessous de 8 mm) et en moyenne a 98 % lors de fortes pluies (entre 8 mm et 12 mm). Malgré la faible épaisseur de substrat installé sur le toit, cette forte rétention d’eau, supérieure aux données issues d’études précédentes, s’explique par les capacités conjuguées du matelas capillaire, du substrat et des racines des plantes pour absorber rapidement l’eau. À cela s’ajoute, l’évaporation de l’eau qui est optimisée par une végétation encore peu dense et un substrat relativement chauffé par sa pleine exposition aux radiations solaires même par temps couvert. Aux mesures de rétention d’eau s’ajoutent celles associées à l’isolation du bâtiment.

ll est reconnu que les toits végétaux contribuent à l’amélioration de l’efficacité énergétique du bâtiment en l’isolant essentiellement contre la chaleur en été. Une étude faite par la Ville de Chicago a démontré que le verdissement de toutes les toitures de la ville pourrait amener des économies d’énergie annuelles de 100 millions SUS ou, dans une autre perspective, pourrait permettre la fermeture de plusieurs centrales au charbon extrêmement polluantes (Université Temple, 20031).

Concernant les impacts écoénergétiques des toitures végétales en hiver, la toiture végétale a un effet bénéfique sur l’enveloppe extérieure d’un bâtiment sans entretoit ou avec un entretoit non ventilé. L’épaisseur et la constitution de la toiture végétale contribuent à la réduction de la déperdition de chaleur venant de l’intérieur du bâtiment. En contrepartie, la couverture végétale ne permet pas un gain solaire hivernal. D’autre part, la faible couche de glace qui peut se former dans le fond du substrat représente une source de froid à proximité de l’enveloppe extérieure du bâtiment.

Conclusions du projet

Dans le cadre du projet, les mesures prises quotidiennement pendant 18 mois ont abouti aux mêmes conclusions. Disposées en 5 points du bâtiment, des sondes ont permis de comparer les températures extérieures et intérieures du bâtiment avant et après la réalisation du toit et du mur végétaux. Concernant le toit végétal installé sur un bâtiment sans entretoit, les résultats démontrent qu’à elles seules, les couches de substrat et de végétation absorbent 29% de la chaleur reçue. Cette réduction de l’échauffement du toit est suffisante pour éviter les pics de chaleur dépassant les 26°C prescrits par les normes de confort et de travail, et nécessitant l’installation d’un système de climatisation mécanique pour l’ensemble du bâtiment.

Aux économies énergétiques s’ajoutent les gains environnementaux associés à la non-installation d’un tel système. Concernant le mur végétal, qui pour l’instant couvre un cinquième du mur le plus ensoleillé du bâtiment, les sondes ont permis de comparer les températures en avant et en arrière de l’écran végétal durant la période de foliation. Le mur végétal retient en moyenne 33 % de la chaleur qu’il reçoit.

L’analyse complète des données de température et celle des propriétés des matériaux qui composent le toit et le mur végétaux, ont permis d’évaluer l’économie d’énergie et la réduction des émissions de gaz à effet de serre (GES) associées aux deux techniques. Avec une surface de 661 ml, la toiture végétale représente annuellement une économie de 10 000 kWh et une réduction de 330 C02-équivalent. Indépendamment de la toiture, le mur végétal de 60 ml représente 5 600 kWh d’économie d’énergie et 123 C02-équivalent.

Actuellement, les émissions associées à la production d’énergie hydroélectrique ne sont pas considérées dans les calculs. Toutefois, dans d’autres provinces du Canada où la source, l’approvisionnement et la production d’énergie sont plus polluantes, les toitures végétales offrent un intérêt significatif pour réduire les émissions de GES.

Les perspectives

En somme, le Programme de végétalisation de bâtiments de Vivre en Ville a réuni toutes les composantes d’un projet intégrant les principes du développement durable : application de techniques environnementales, utilisation de matériaux innovants en partie produits localement, réponse aux besoins de la collectivité en matière de rétention des eaux de pluie et par la même occasion, sensibilisation et participation d’une partie de la population. Par ailleurs, en atteignant son objectif de démontrer que les techniques de végétalisation de bâtiments sont non seulement faciles à appliquer, mais aussi pertinentes dans un climat tel que celui du Québec, il est à espérer que ce projet permettra dans un avenir proche d’encourager davantage d’élus et de professionnels en couverture, en construction et en architecture d’inclure celles-ci dans leurs réalisations. Encore trop souvent, les toitures végétales participent à la promotion de certains projets immobiliers tout en étant sujettes à disparaître en cas de restrictions budgétaires. Installées en plus grand nombre en milieu urbain, ces techniques apporteraient davantage de bénéfices au sein de nos collectivités. Aussi, c’est à chacun de nous de choisir si les toits végétaux sont amenés à fleurir au- dessus de nos villes québécoises à long terme ou à répondre à un effet de mode qui durera ce que durent les roses 7.