1. Contexte - Projets de chauffage solaire passif
Le chauffage solaire passif convient mieux aux édifices dont la demande de chauffage est relativement importante par rapport à la demande de climatisation. Les bâtiments peu
élevés, en climat froid ou tempéré, en sont les meilleures applications.
Le chauffage solaire passif est plus difficile à intégrer aux immeubles à bureaux, commerciaux ou industriels puisque dans ce genre de bâtiments, les gains internes sont souvent très élevés pendant la journée. Cependant, même pour ces applications commerciales ou industrielles, les principes du chauffage solaire passif peuvent être appliqués avec succès, comme montré à la Figure 3.
Figure 3 :
Chauffage solaire passif dans une application de bâtiment commercial (NREL) aux États-Unis.
Crédit photo :
Warren Gretz/NREL Pix
1.1 Description des principes du chauffage solaire passif
Les fenêtres constituent l’élément principal d’un bâtiment solaire passif. Le verre a l’intéressante propriété de laisser passer la lumière visible du soleil et de retenir à l’intérieur du bâtiment la chaleur qui se dégage des surfaces échauffées par les rayons du soleil; le verre
étant opaque aux grandes longueurs d’onde de rayonnement thermique. Ce phénomène, connu sous le nom « effet de serre », est particulièrement bénéfique pour fournir de la chaleur en hivers (c.-à-d. pendant la saison de chauffage). Il serait trop simple de conclure qu’il suffit de mettre des fenêtres plus grandes ou plus nombreuses pour obtenir plus de gains solaires puisque les fenêtres sont beaucoup moins isolantes que les murs d’un bâtiment. La conception solaire passive demande donc de trouver la meilleure combinaison de surfaces, d’orientations et de propriétés thermiques des fenêtres pour optimiser les gains solaires et réduire les pertes de chaleur, tout en assurant le confort des habitants.
CSP.7
Chapitre Analyse de projets de chauffage solaire passif
La Figure 4 montre les plans des deux niveaux d’une maison conçue selon les principes du chauffage solaire passif (maison « Waterloo Green Home » montrée à la Figure 1). Soixante pour cent de la fenestration est en façade sud et représente sept pour cent de la surface de planchers de cette maison de faible masse thermique. Si une surface de fenestration plus grande avait été utilisée au sud, il aurait fallu que la maison ait une plus forte masse thermique afin d’absorber les surchauffes solaires. Les fenêtres utilisées dans cette maison sont du type : triple vitrage avec deux films basse émissivité, remplissage à l’argon, intercalaires isolés (pourtour scellant et espaçant les verres du vitrage) et cadre isolant en fibre de verre. Elles sont soit à battants, soit fixes et ont respectivement des valeurs
U
de 1,11 et
1,05 W/(m²-°C) et un cœfficient de gains solaires (CARS ) de 0,38 et 0,45.
Figure 4 :
Plans d’une maison solaire passive (Waterloo Green Home).
Le soleil ne brillant qu’une partie de la journée, son apport énergétique n’est pas toujours disponible. Une bonne conception solaire passive inclura des moyens de stocker la chaleur.
Pour les bâtiments avec une surface de fenestration modeste (moins de 10 % de la surface de planchers, excluant le sous-sol), la conception nord-américaine traditionnelle, privilégiant la construction de bâtiments légers avec ossature de bois ou d’acier et murs intérieurs en gypse, est suffisante; ces maisons offrant une masse thermique adéquate pour stocker les gains solaire et prévenir les surchauffes les journées les plus ensoleillées de l’hiver. Les matériaux lourds comme la pierre et le béton sont un bon moyen de stocker la chaleur durant la journée et pour la rediffuser lentement durant la nuit. La masse thermique est un élément important pour les bâtiments solaires passifs avec une grande surface de vitrage.
CSP.8
1. Contexte - Projets de chauffage solaire passif
La Figure 5 décrit le principe de base du fonctionnement d’un bâtiment conçu selon une architecture solaire passive, par comparaison avec un bâtiment de conception traditionnelle.
Figure 5 :
Principe de fonctionnement d’un bâtiment solaire passif.
Une conception solaire passive apporte cependant certains inconvénients, notamment pendant la saison chaude. Les gains solaires additionnels peuvent vite devenir inconfortables ou générer une charge supplémentaire de climatisation. Cependant, ce problème peut-être
évité en réduisant les gains solaires à l’aide de dispositifs pour apporter de l’ombre aux fenêtres et par conséquent, supprimer le rayonnement solaire direct à la source. Plusieurs moyens d’apporter de l’ombre existent : des arbres à feuilles caduques autour de la maison, des auvents ou des toits en saillie ou même des volets ou des stores. Une bonne conception solaire passive inclura de telles mesures pour assurer le confort des occupants et éviter de transformer les gains solaires des fenêtres en charges de climatisation pendant l’été. Une autre façon de réduire la surchauffe est de minimiser la surface de fenêtres sur le côté ouest du bâtiment. Ce principe est utilisé car le bâtiment sera habituellement plus chaud en fin de journée (les températures diurnes sont plus élevées que les températures nocturnes, le bâtiment a été exposé au soleil toute la journée, etc.) et par conséquent, aura besoin de moins d’énergie solaire pour le chauffage dans l’après-midi. Cette technique de construction est illustrée dans le complexe passif solaire multi-résidentiel montré à la Figure 6.
En conclusion, le chauffage solaire passif requiert une orientation convenable du bâtiment ainsi qu’un emplacement et une superficie convenables des fenêtres (ces impératifs sont plus faciles à mettre en œuvre dans le cas de constructions neuves). Il demande également l’utilisation correcte de fenêtres performantes, de dispositifs d’ombrage et de masse thermique pour réduire la demande aussi bien en chauffage qu’en climatisation. Un investissement minimal dans des principes de chauffage solaire passif (p. ex. : des fenêtres performantes) peut grandement améliorer la performance de l’enveloppe du bâtiment et s’accompagner de bénéfices financiers et environnementaux.
CSP.9
Chapitre Analyse de projets de chauffage solaire passif
Figure 6 :
Complexe multi-résidentiel de conception solaire passive.
Crédit photo :
Alexandre Monarque
CSP.10
