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Comment incorporer la conception solaire passive dans vos projets d'architecture ?

Bien que le soleil soit à près de 150 millions de kilomètres, cette étoile a eu le plus grand impact sur notre planète. Mais pendant que certains sont occupés à courir après le soleil pour trouver des peaux embrassées par le soleil, les architectes s'emploient à créer des espaces qui en tirent profit.


Par définition, "l'énergie solaire passive est la collecte et la distribution de l'énergie obtenue par le soleil par des moyens naturels". Le concept simple et le processus de mise en œuvre de systèmes d'énergie solaire passive ont fourni aux bâtiments la chaleur, l'éclairage, l'énergie mécanique et l'électricité de la manière la plus respectueuse de l'environnement possible.


Dans cet article, nous vous fournirons un guide complet de la mise en œuvre de systèmes solaires passifs dans vos conceptions.


Principes de base de l'énergie solaire


L'énergie solaire passive est basée sur un seul élément, le soleil. Une fois que le rayonnement solaire atteint la surface de la Terre, les rayons peuvent être absorbés, réfléchis et/ou transmis. Les matériaux transparents transmettent le plus de rayonnement solaire ; cependant, les matériaux translucides transmettent tout autant de rayonnement solaire, mais les dispersent également lorsqu'ils passent à travers.


Tous les matériaux n'absorbent pas le soleil de la même façon. Par exemple, une surface polie/brillante réfléchit le rayonnement en plus grande quantité que des surfaces mates. De même, les surfaces sombres absorbent la chaleur en plus grande quantité que les surfaces claires. Certaines surfaces transmettront le rayonnement et l'emmagasineront en même temps, créant ce que nous appelons "l'effet de serre". Ce système stocke la chaleur obtenue par le soleil et la conserve pendant une longue période, contrairement à un "système de refroidissement" passif qui absorbe la chaleur à un stade ultérieur.


Que sont les systèmes passifs ?


Les systèmes passifs "collectent et transportent l'énergie par des moyens non mécaniques, naturels". La maçonnerie (béton, briques, pierres) et l'eau (mur d'eau, étangs de toiture) sont les deux matériaux les plus couramment utilisés pour le stockage du rayonnement. La configuration des systèmes passifs se compose de trois types : gain direct, gain indirect et gain isolé. Le gain direct est obtenu lorsque le projet est chauffé et alimenté par la lumière directe du soleil qui atteint sa surface (à travers une façade vitrée orientée au sud, par exemple). Le gain indirect se produit lorsque la lumière du soleil frappe une autre surface, est absorbée, convertie en énergie thermique, puis transférée dans l'espace (par exemple, un mur en maçonnerie absorbe la lumière du soleil et transporte la chaleur absorbée dans l'espace intérieur). Les " serres jumelées " sont une combinaison de systèmes à gain direct et indirect, puisqu'elles absorbent directement la lumière du soleil dans la structure elle-même, mais parviennent aussi à transformer cette énergie dans le bâtiment adjacent, forçant ainsi un gain indirect. Le gain isolé est une " boucle collective naturelle " qui implique l'utilisation d'un autre matériau pour absorber l'énergie. Ces matériaux comprennent un réservoir de stockage de chaleur, un collecteur à plaques métalliques, de l'eau, de l'air et de la roche. Un courant naturel se produit lorsque l'eau recueillie par le conteneur est chauffée par la lumière du soleil, lorsqu'elle monte et entre dans le haut du réservoir de stockage.


Conception de l'énergie solaire passive

(Les stratégies de conception suivantes concernent l'hémisphère Nord et peuvent être utilisées par des constructeurs de maisons passives)


1- Emplacement par rapport au soleil : L'absorption optimale du soleil est cruciale pour l'énergie solaire, c'est pourquoi le projet doit être construit de manière à profiter pleinement du soleil en été comme en hiver.


2- Conception de la structure : La forme et l'orientation générales d'un projet peuvent déterminer combien de soleil est transféré dans l'espace. On observe qu'un bâtiment allongé le long de l'axe est-ouest entraîne une absorption supplémentaire de la lumière du soleil sur le côté sud pendant la saison hivernale.


3- Attention au côté nord : Comme le soleil n'émet pas directement de rayonnement du côté nord, les architectes peuvent en réduire la hauteur, ce qui minimise l'exposition du mur nord. De plus, peindre un mur adjacent avec des couleurs claires peut aider à réfléchir la lumière du soleil sur le mur nord.


4- Affectation des pièces intérieures : Le fait de placer des pièces très utilisées le long des façades sud-est, sud ou sud-ouest assure une absorption maximale du chauffage et de l'éclairage. Les pièces qui nécessitent un minimum de chauffage et d'éclairage, comme les couloirs ou les pièces de service, peuvent être situées le long du côté nord.


5- Emplacement de la fenêtre : L'installation de grandes fenêtres sur les côtés sud du bâtiment assure un ensoleillement maximal dans l'espace intérieur. Les façades nord devraient avoir des fenêtres relativement plus petites puisqu'elles absorbent le moins d'énergie thermique.


6- Entrée abritée : Pour empêcher l'air froid d'entrer dans la maison chaque fois que la porte est ouverte en hiver, orientez la porte d'entrée loin de la direction du vent et/ou ajoutez un pare-brise près de l'entrée.


7- Choix des matériaux : Plus d'énergie est consommée si chaque matériau est utilisé à sa place adéquate. Consultez le tableau ci-dessous pour comparer les pourcentages d'absorption d'énergie de chaque matériau.


8- Sélection du système : Chaque projet a des exigences de conception spécifiques, c'est pourquoi différents projets nécessitent des systèmes différents. Il arrive souvent que certains systèmes d'énergie passive ne conviennent pas, comme par exemple avoir de grandes façades vitrées dans un projet entouré de bâtiments plus élevés, ce qui, dans ce cas, la meilleure solution serait d'installer un système sur le toit.


9- Façades vitrées / Fenêtres solaires : Les façades vitrées orientées plein sud et les grandes fenêtres absorbent la plus grande partie du rayonnement solaire dans l'espace. "Recommandation : Dans les climats froids, prévoyez entre 0,19 et 0,38 pi2 de verre orienté plein sud pour chaque pi2 de surface de plancher. Dans les climats tempérés, prévoir de 0,11 à 0,25 pi2 de verre orienté plein sud pour chaque pi2 de surface de plancher.


10- Lanterneaux : Il arrive souvent qu'il ne soit pas possible d'avoir une façade vitrée, c'est pourquoi la création d'un puits de lumière et/ou d'un claire-voie permet une distribution directe de la lumière solaire dans l'espace.


11- Accumulateur de chaleur en maçonnerie : Il est recommandé de construire les murs avec une épaisseur minimale de 4 pouces pour éviter les fluctuations de température intérieure. Un intérieur légèrement coloré, un plancher foncé, ainsi que de petites baies vitrées sur le mur permettent une plus grande diffusion de la lumière du soleil dans l'espace.


12- Mur d'eau intérieur : Lorsque vous utilisez un mur d'eau intérieur dans le bâtiment, assurez-vous que le mur est situé dans un endroit qui fait face à la lumière du soleil aux heures de pointe (11 h - 15 h). Choisissez un mur de couleur foncée pour optimiser l'absorption du soleil.


13. Thermique / Mur Trombe : Tout comme le principe des serres, les murs de trombe sont une couche extérieure construite à côté du "côté ensoleillé" d'un bâtiment, qui aide à préserver la chaleur pendant la journée et à la libérer lentement pendant la nuit. Ces murs, qui sont souvent faits de maçonnerie et de verre, réchauffent le bâtiment grâce à la couche de verre et aux ouvertures dans le mur.


14- Dimensions du mur : Le dimensionnement adéquat de tout type de mur thermique permet de conserver le plus de chaleur possible tout au long de l'hiver. "Recommandation : Dans les climats froids, utilisez entre 0,43 et 1 pi2 de mur de stockage thermique à double vitrage orienté sud pour chaque pi2 de surface de plancher (0,31 à 0,85 pi2 de mur d'eau). Dans les climats tempérés, utilisez entre 0,22 et 0,6 pi2 de mur thermique (0,16 à 0,43 pi2 pour les dimensions d'un mur d'eau) pour chaque pi2 de surface de plancher. "*


Détails : L'épaisseur de la paroi, le matériau, la couleur et la finition déterminent l'efficacité de la paroi thermique. Pour tirer le meilleur parti de ce mur de trombe, choisissez une couleur foncée sur le côté faisant face au soleil, ajoutez des évents sur les côtés supérieur et inférieur du mur pour augmenter sa performance, et insérez des panneaux articulés sur ces évents pour éviter un flux d'air inverse.


15- Serre attenante : L'utilisation efficace du concept de "serre adjacente" peut s'avérer un peu compliquée puisque l'énergie transférée dans le bâtiment passe par une structure au préalable ; par conséquent, les dimensions de la serre doivent être calculées correctement. "Recommandation : Dans les climats froids, utilisez entre 0,65 et 1,5 pi2 de double vitrage orienté plein sud pour chaque pi2 de surface de bâtiment. Dans les climats tempérés, utilisez de 0,33 à 0,9 pied carré de verre pour chaque pied carré de surface de bâtiment.


16- Serre autoportante : Puisque les serres dépendent fortement du verre (ou d'autres matériaux translucides), le soleil rayonnera dans tout l'espace ; cependant, le côté nord de la serre recevra moins de soleil que le reste des côtés. Il est préférable d'allonger l'axe est-ouest et de peindre le côté nord avec des couleurs claires pour réfléchir le soleil dans cette zone.


Détails : Pour éviter les fluctuations de température intérieure dans les serres, installez un mur d'eau intérieur, utilisez un système d'entreposage dans la roche et/ou utilisez une construction en maçonnerie solide.


17- Étang de toiture : La surface d'un bassin de toit dépend de son utilisation pour le chauffage ou la climatisation, des matériaux dont il est constitué et du type d'isolation utilisé. Voici un tableau permettant de comparer les rations des étangs de toiture en fonction des caractéristiques de chaque étang.


Détails : Les étangs de toiture exigent une attention particulière aux détails puisqu'ils dépendent de la structure et de la toiture du bâtiment. Le toit doit être supporté par un tablier de métal ou de béton imperméable et laissé exposé pour absorber le plus de chaleur possible. L'étang pourrait avoir une profondeur de 6 à 12 pouces et être fait de contenants imperméables de couleur foncée avec des couvercles transparents pour permettre aux rayons du soleil de frapper l'eau lorsqu'ils sont cachés. En ce qui concerne les panneaux isolants, il est préférable que les panneaux soient faits de matériaux réfléchissants aussi grands que possible, ce qui réduit le risque de fuite d'eau et augmente l'efficacité du système.


18- Isolation mobile : Le verre et/ou les matériaux translucides admettent la plus grande quantité de soleil dans l'espace ; pourtant, certains de ces rayonnements sont perdus la nuit à cause de la même source qui les a laissés entrer. En recouvrant les panneaux de verre avec des systèmes d'isolation mobiles, on diminue la quantité de chaleur dégagée la nuit.


19- Réflecteurs : Parfois, le fait d'avoir de grandes façades vitrées ne fait pas partie de la conception proposée, c'est pourquoi l'ajout de réflecteurs augmente la quantité de soleil qui pénètre dans l'espace. "Recommandation : Pour les vitrages verticaux, utilisez un réflecteur horizontal d'une largeur à peu près égale et d'une à deux fois la hauteur de l'ouverture vitrée en longueur. Pour les puits de lumière inclinés vers le sud, placer les réflecteurs au-dessus du puits de lumière à un angle d'inclinaison d'environ 100 degrés, de sorte que les dimensions du réflecteur soient égales à celles du puits de lumière ".


20- Ombrage : Le contrôle de la quantité et de la trajectoire de la lumière du soleil dans l'espace est très efficace et l'empêche d'entrer dans les pièces où il n'est pas nécessaire de prendre du soleil. "Recommandation : Ombrager le vitrage sud avec un porte-à-faux horizontal alloué au-dessus du vitrage. Les ombres doivent être d'une longueur égale à environ un quart de la hauteur de l'ouverture aux latitudes méridionales et à la moitié de la hauteur aux latitudes septentrionales ".


21- Isolation extérieure : Si les murs extérieurs sont utilisés comme murs thermiques, placez des panneaux isolants sur le côté extérieur pour empêcher la chaleur accumulée de s'échapper.


Autres conseils


Stockage par temps nuageux : Les emplacements nuageux nécessitent une augmentation des systèmes solaires passifs. L'augmentation de la quantité de vitrage sud, la mise en place d'un mur d'eau plus grand (plusieurs si possible), ainsi que l'épaississement des murs thermiques (par rapport aux recommandations standard mentionnées ci-dessus) absorberont des quantités plus élevées de soleil dans l'espace.


Refroidissement estival : L'accent principal mis sur le système solaire passif est souvent l'importance de laisser la chaleur et la lumière pénétrer dans l'espace pendant l'hiver, sans tenir compte de l'importance du refroidissement pendant l'été. Choisir un toit de couleur claire, ventiler la maison la nuit et fermer le bâtiment pendant la journée sont quelques-unes des procédures simples qui peuvent être mises en place pour assurer le refroidissement en été.


Outils : Plusieurs outils et applications sont disponibles pour calculer la quantité de soleil qui pénètre dans l'espace. La carte solaire cylindrique étudie l'altitude, l'azimut, le dôme du ciel, la position du soleil, la trajectoire du soleil, les trajets mensuels, la latitude et les variations magnétiques. D'autres outils tels que le calculateur de rayonnement solaire et les masques de protection solaire peuvent aider à déterminer toutes les estimations nécessaires avant de construire le projet.


Note : Toutes les recommandations sont tirées du livre The Passive Solar Energy Book d'Edward Mazria.

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