Conception de chauffage solaire passif

Qu'est-ce que c'est ?

La conception de chauffage solaire passif est la pratique consistant à façonner l'orientation d'un bâtiment, l'emplacement des fenêtres, le vitrage, la masse thermique et l'ombrage de manière à ce que le parcours changeant du soleil au cours de l'année assure la majeure partie du chauffage — et évite la surchauffe — sans pompes, ventilateurs ou commandes électroniques. Le « mur Trombe », un mur de maçonnerie lourd et sombre placé derrière un vitrage orienté sud (dans l'hémisphère nord), en est l'exemple classique, mais les mêmes principes façonnent la conception de l'ensemble du bâtiment.

À quoi ça sert ?

Réduire ou éliminer l'énergie de chauffage (et de refroidissement) achetée pour les maisons, ateliers, serres et autres bâtiments occupés. C'est particulièrement utile hors réseau ou partout où le combustible ou l'électricité pour le chauffage est rare ou coûteux, et généralement utile partout où la réduction de la dépendance aux systèmes CVC actifs est un objectif.

La physique derrière tout ça

L'angle du soleil change avec les saisons en raison de l'inclinaison axiale de la Terre : le soleil de midi est bas dans le ciel en hiver et haut en été, les angles exacts dépendant de la latitude. Un mur ou une fenêtre faisant face à l'équateur (sud dans l'hémisphère nord, nord dans l'hémisphère sud) peut être dimensionné et ombragé avec un débord de toit correctement calculé afin que le soleil d'hiver bas atteigne profondément l'intérieur du bâtiment ou frappe directement un mur à masse thermique, tandis que le soleil d'été haut est bloqué par ce même débord avant qu'il n'entre. La lumière du soleil traversant le verre est absorbée par des matériaux sombres et denses à l'intérieur — maçonnerie, béton, pierre, eau — qui ont une capacité thermique volumique élevée et stockent ainsi la chaleur solaire entrante pendant la journée et la libèrent lentement par conduction et rayonnement sur de nombreuses heures, lissant l'écart entre les températures diurnes et nocturnes. Un mur Trombe place cette masse thermique directement derrière le verre avec un petit espace d'air : sa surface sombre absorbe le rayonnement solaire, et la chaleur migre à travers le mur par conduction pour réchauffer la face intérieure des heures plus tard — un décalage temporel de plusieurs heures, réglable par l'épaisseur du mur — parfois assisté par des évents en haut et en bas qui permettent à l'air ambiant de circuler par convection à travers l'espace pour une livraison de chaleur plus rapide, bien que moins retardée.

Historique

La construction orientée solaire est une pratique ancienne. Les habitations troglodytes Pueblo (par exemple à Mesa Verde) ont été construites sous des débords de toit orientés sud dimensionnés de manière à ce que le soleil d'hiver bas atteigne l'intérieur des habitations tandis que le soleil d'été haut était bloqué par la falaise au-dessus ; les anciens écrivains grecs rapportent des maisons délibérément orientées vers le soleil d'hiver. La version moderne et quantifiée s'est développée au cours du 20e siècle, avec le physicien Félix Trombe et l'architecte Jacques Michel construisant et popularisant le mur à masse thermique vitré qui porte le nom de Trombe à Odeillo, France, dans les années 1960. La conception solaire passive est devenue un sujet de recherche et de construction courant pendant les crises énergétiques des années 1970.

Version simple

Orienter le mur le plus long du bâtiment et la majeure partie de son vitrage vers la direction faisant face à l'équateur, en conservant un plan compact et un rapport fenêtre/masse modeste, et en dimensionnant un débord de toit fixe à partir de la différence locale d'angle solaire hiver/été afin qu'il bloque le soleil d'été haut mais admette le soleil d'hiver bas sur un plancher ou un mur intérieur en maçonnerie.

Version avancée

Un mur Trombe dédié — un mur de maçonnerie ou de béton, typiquement de quelques dizaines de centimètres d'épaisseur et de couleur foncée côté soleil — placé avec un petit espace d'air derrière le vitrage, parfois avec des évents en haut et en bas pour permettre à l'air ambiant de circuler par convection, plus une isolation nocturne mobile ou des volets pour réduire la perte de chaleur à travers le verre après la tombée de la nuit, et un ombrage caduc (plantes grimpantes ou arbres) qui se couvre de feuilles en été et les perd en hiver pour compléter le débord de toit fixe.

Version industrielle

Il n'existe pas d'équivalent mécanique à l'échelle industrielle au sens habituel, car la conception solaire passive est fondamentalement une stratégie géométrique et architecturale plutôt qu'un dispositif manufacturé. Sa forme à grande échelle est la conception solaire passive appliquée à l'ensemble des développements et codifiée dans les codes du bâtiment et les systèmes de classification (tels que les normes Passivhaus et les règles d'accès solaire qui protègent le droit d'un voisin au soleil d'hiver), ainsi que des bâtiments institutionnels plus grands conçus avec des outils de simulation solaire informatisés et des systèmes de masse thermique plus grands et ajustés — systèmes de murs d'eau ou panneaux à matériaux à changement de phase — intégrés à un chauffage d'appoint mécanique.

Construire le vôtre

1. Déterminez votre latitude et les données locales d'angle solaire (ou utilisez un outil de recherche solaire) pour trouver l'altitude du soleil à midi aux solstices d'hiver et d'été.
2. Orientez le vitrage principal du bâtiment vers l'équateur — le vrai sud dans l'hémisphère nord — à environ 15–20 degrés près pour la majeure partie du bénéfice.
3. Dimensionnez un débord de toit fixe, ou planifiez un ombrage saisonnier, en utilisant la différence d'angle solaire afin qu'il ombre entièrement le verre au midi d'été mais le laisse entièrement exposé au midi d'hiver.
4. Placez une masse thermique adéquate — un plancher en maçonnerie, un mur Trombe, des conteneurs d'eau — exactement là où le soleil d'hiver direct la frappera ; une masse que le soleil n'atteint jamais fait peu d'effet.
5. Équilibrez la surface vitrée par rapport à la masse et au climat : trop de verre sans assez de masse provoque une surchauffe diurne et une grande perte de chaleur nocturne ; trop peu de verre sous-chauffe.
6. Isolez partout où le soleil n'atteint pas — le mur nord, le toit et les fondations — afin que la chaleur gratuite gagnée côté soleil ne soit pas perdue ailleurs.
7. Ajoutez des éléments mobiles là où c'est utile — isolation nocturne sur le vitrage, ombrage réglable ou évents — pour un contrôle au fil des saisons et entre les jours nuageux et ensoleillés.

Erreurs courantes

• Se tromper dans la géométrie du débord de toit pour la latitude réelle — un débord copié d'un climat différent peut sous-ombrager ou sur-ombrager.
• Trop de vitrage sans assez de masse thermique, provoquant une surchauffe diurne et une perte de chaleur nocturne rapide à travers le verre.
• Placer la masse thermique là où le soleil ne l'atteint jamais réellement — derrière des meubles, ou dans une pièce sans exposition directe.
• Négliger l'isolation sur les côtés non solaires du bâtiment, perdant les gains réalisés côté solaire.
• Aucune véritable disposition pour l'ombrage estival, se fiant uniquement à des suppositions et laissant l'espace surchauffer en été.
• Masse thermique sombre installée sans surface vitrée suffisante ou sans la bonne orientation pour la charger réellement.

Comment mesurer

Suivez l'amplitude de la température intérieure sur 24 heures par rapport à la température extérieure — une amplitude plus petite indique une masse thermique efficace. Mesurez la température de surface de la masse thermique à différents moments de la journée, et enregistrez la consommation d'énergie de chauffage auxiliaire saison après saison par rapport à un bâtiment comparable sans conception passive. Vérifiez directement la performance de l'ombrage : observez, ou modélisez avec un outil de recherche solaire, si le débord de toit ombre réellement entièrement le verre au midi du solstice d'été et le dégage entièrement au midi du solstice d'hiver.

Vidéos

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