Une-Construction passive, habitat bioclimatique Capter les apports solaires

Construction passive, habitat bioclimatique : capter les apports solaires

Le soleil offre une énergie surabondante et gratuite… quelques trucs, dispositifs, calculs d’orientation, et d’inclinaisons permettent d’en tirer le meilleur.

Presque toute notre énergie dépend directement du soleil, ou en est dérivée. Même les jours les plus nuageux, les quelques photons qui nous atteignent portent en

cycle du soleil, inclinaison & orientation

cycle du soleil, inclinaison & orientation

eux de l’énergie solaire. Quelle que soit son intensité, cette lumière permet la photosynthèse qui fait croître la végétation. Celle-ci génère l’oxygène et les nutriments qui débutent les chaînes alimentaires. De ces végétaux, se produisirent aussi les énergies fossiles… Les rayonnements solaires réchauffent l’atmosphère générant le vent, l’évaporation de l’eau et la pluie amorçant le cycle de l’eau…

L’énergie solaire est produite par réaction de fusion nucléaire qui transforme l’hydrogène en hélium. A notre échelle, le soleil nous offre une source d’énergie sûre, continue, non polluante et gratuite.

Connaître l’orientation du soleil et ses variations

Favoriser ses apports revient à adapter la construction, l’orienter, lui donner la forme la plus apte à bénéficier des variations saisonnières, d’en tirer le meilleur parti et de la stocker en hiver, d’en profiter en s’en protégeant en été. En bref de s’adapter aux phénomènes naturels pour mieux les exploiter.
L’énergie solaire peut être captée pour plusieurs fonctions différentes : comme source lumineuse, comme chauffage, comme chauffe-eau et comme générateur électrique. Le chauffage solaire par exemple peut fournir 70 à 90 % de la totalité des besoins en hiver.

Les cycles solaires

Les jours, les saisons, les années forment des cycles énergétiques durant lesquels les apports solaires varient entre un apport maximal au moment du solstice d’été et minimal au moment du solstice d’hiver. Ces cycles sont donnés par la trajectoire annuelle de la terre autour du soleil formant un parcours elliptique, durant laquelle la terre incline de 23°27′ par rapport à l’axe de rotation annuel; et par la rotation journalière de la terre sur elle-même de 15 °/heure autour de l’axe polaire au cours de laquelle la moitié de la terre est dans l’ombre et l’autre est exposée au soleil. La partie éclairée, correspond le jour, la partie ombrée à la nuit.

La variation de l’angle d’inclinaison de l’axe terrestre par rapport à l’axe de rotation fait varier l’ensoleillement d’un hémisphère à un autre et produit les saisons qui s’inversent entre les deux hémisphères. Sa valeur est spécifique à chaque jour de l’année. Le plan qui contient cette trajectoire annuelle de la terre autour du soleil varie au cours de l’année, de -23 °27′ à +23°27′. Ses variations décrivent une sinusoïde.

Les quatre positions du soleil au cours d’une année

Le sens des variations de la déclinaison peut être appréhendé à travers 4 positions clés :

  • au solstice d’hiver (21 décembre) : les rayons solaires frappent la terre avec un angle de déclinaison de -23 °27′ ; c’est la valeur minimum de la déclinaison ;
  • à l‘équinoxe de printemps (21 mars) : le rayon solaire est dans le plan de l’équateur et la déclinaison vaut alors 0 ° ; cette position traduit l’égalité des jours et des nuits ; Le soleil se lève plein Est et se couche plein Ouest ;
  • au solstice d’été (21 juin) : la position de la terre est opposée à celle du 21 décembre et le soleil frappe l’hémisphère Nord avec l’angle maximum de déclinaison de 23°27′ ;
  • à l’équinoxe d’automne (22 septembre) : la situation est identique à celle du 21 mars et la déclinaison repasse à 0 °.

Variation en fonction du cycle journalier et du cycle diurne

Ce premier cycle montre l’importance du degré de latitude qui déterminera les climats, l’ensoleillement, la végétation, l’angle d’inclinaison du captage de l’énergie solaire et des dispositifs de protections. Cependant, si les valeurs moyennes se produisent de manière symétrique aux équinoxes de printemps et d’automne, les saisons ne s’accordent pourtant pas à l’intensité du rayonnement solaire et présentent un décalage d’environ 2 mois en retard par rapport aux solstices.

  • Au cours d’une journée, la terre tourne sur elle-même autour de l’axe des pôles, présentant ainsi un secteur géographique différent face au soleil. Ce deuxième mouvement de rotation s’effectue dans un mouvement uniforme, à vitesse constante de 15 °/heure, d’Ouest en Est.
  • Au cours de ce cycle diurne, à une date donnée, un point situé à la surface de la Terre va donc se déplacer par rapport au soleil et voir son état d’éclairement modifié. Il passera d’un état transitoire entre ombre et lumière, correspondant au lever du jour au moment où le rayon solaire est tangent au point, à un état d’ensoleillement maximum lorsque le point fera face au soleil (plus précisément lorsque le soleil sera dans le plan du méridien au point donné, plan qui contient l’axe des pôles et le point) ; il est alors 12 Heures Solaires pour ce point; de nouveau, à un état transitoire entre l’ombre et la lumière, indiquant ainsi la fin du jour pour le point donné et sa pénétration dans l’ombre de la nuit.

L’ensemble des points terrestre de même latitude constitue un parallèle terrestre (perpendiculaire à l’axe des pôles et parallèle au plan de l’équateur). Du fait, de la rotation journalière de la terre autour de son axe des pôles, chacun des points d’un même parallèle se trouve ainsi, à un décalage horaire près, dans une situation d’ensoleillement identique.

Comment déterminer l’orientation du soleil ?

Les cycles annuels et journaliers ainsi que la latitude font varier la position d’un point donné par rapport au soleil et ses conditions d’ensoleillement au cours de l’année. L’azimut du lever et la hauteur atteinte à midi varient chaque jour.

Orientation du soleil par rapport à un bâtiment

Pour optimiser l’orientation d’un bâtiment, maximisez la durée et l’intensité d’ensoleillement, il est important de calculer cette trajectoire, celle-ci est déterminée par sa latitude, angle entre la droite passant par ce point et le plan de l’équateur terrestre. Cette droite est à la verticale du lieu. La latitude de l’équateur est 0 °, celle des pôles 90 °, respectivement Nord ou Sud.

On peut, à chaque latitude, déterminer précisément ces conditions et obtenir la position du soleil correspondante.

Hauteur H et hauteur angulaire

Considérons le plan horizontal d’un lieu donné, tangent à la sphère terrestre et perpendiculaire à la verticale du lieu.

rayonnement solaire et confort à l'intérieur des pièces

rayonnement solaire et confort à l’intérieur des pièces

La hauteur H ou hauteur angulaire est l’angle formé par la hauteur du soleil et ce plan horizontal. La hauteur du soleil est un paramètre important en relation avec son intensité lumineuse. Entre les deux solstices, cet angle varie de 47 ° (deux fois l’angle d’inclinaison de la terre 23°27′). On peut calculer H par rapport à la latitude, le jour des équinoxes H=90°- latitude, au solstice d’été : H=90°-latitude+23°27′ et au solstice d’hiver : H=90°-latitude-23°27′

Hauteur et azimut A

L’azimut A est l’angle formé par la trajectoire du soleil et le plan vertical nord-sud, celui-ci se réduit en hiver et augmente en été. Le jour des équinoxes, A=180°, le soleil se lève plein Est et se couche plein Ouest.

Hauteur et Azimut, d’un lieu et à une date donnée, peuvent être reportés sur un diagramme, appelé diagramme solaire :

La voûte céleste du lieu y est décomposée par ces deux réseaux de cercles, les uns horizontaux marquant les hauteurs, les autres verticaux indiquant les directions azimutales. Ces deux réseaux de cercle permettent de repérer le parcours du soleil par rapport à un point donné.

Diagramme solaire

On peut tracer un diagramme solaire pour un site donné en calculant la position du levé et du couché, lorsque le parcours croise le plan horizontal du lieu ainsi que la hauteur du soleil et son angle azimutal maximal, au zénith du solstice d’été et minimal au solstice d’hiver.

On trouve également les enregistrements météo et les diagrammes solaires pour le monde entier sur ce site (en anglais): gaisma.com

Masque solaire

Pour compléter l’étude de l’ensoleillement d’un point donné, on trace sur le diagramme solaire tout objet, arbre, relief et construction voisine située au sud, d’est en ouest et pouvant potentiellement masquer le soleil et faire de l’ombre au projet, notamment en hivers alors que le soleil est au plus bas. On les détermine par les mêmes coordonnées angulaires, hauteur et azimut.

captage du rayonnement solaire

Captage du rayonnement solaire

Ainsi, l’environnement tel qu’il est vu d’un point d’un site peut ainsi être schématisé par ses points caractéristiques et être représenté comme un profil s’appuyant sur l’horizon, un panorama d’est en ouest projetant toutes les ombres portées sur le diagramme du parcours solaire. On peut y préciser les masques saisonniers comme les arbres à feuilles caduques, en notant aussi la croissance à venir de la végétation.

On doit aussi faire attention lors de la conception de notre bâtiment et de son implantation de ne pas occulter les bâtiments voisins et en particulier les surfaces de captage solaire.

L’héliodon

Un héliodon est un outil permettant d’étudier l’ensoleillement et les ombres d’un bâtiment à une date, une heure et une position donnée. Des logiciels de modélisation 3D comme Skechup ou 3D studio sont devenus des moyens rapides d’obtenir des résultats réalistes d’ensoleillement.

Le captage d’énergie solaire

La quantité d’énergie solaire disponible varie de 0 à 3724 kWh/m2, mais cette quantité change en fonction des heures du jour, de la latitude, des saisons, du temps, de la nébulosité, des conditions de l’atmosphère… Le rayonnement est absorbé et réfléchi ou diffusé par les molécules de poussière et les microgouttes d’eau en suspension. On doit ainsi tenir compte de ces trois composantes du rayonnement reçu ( direct, diffus, et réfléchi).

De plus, le rayonnement solaire est filtré par la couche d’ozone et l’atmosphère qui ne laisse passer que très peu d’ondes courtes, rayon X, et ultraviolet (1 à 5 %), les ondes moyennes correspondent au spectre visible et représente 44 à 50 % des ondes qui atteignent le sol, enfin les ondes infrarouges (45 à 53 % ) sont responsables de l’effet thermique.

La quantité d’énergie est fournie dans les tables d’ensoleillement pour un lieu donné permettant de déterminer la taille et la position des capteurs.

L’ensoleillement est pondéré par la fraction d’insolation possible pour un lieu donné. Cette fraction d’insolation correspond à tous les phénomènes venant occulter l’ensoleillement théorique sur une année : Fumées industrielles, couvertures nuageuses, poussières, brume, brouillard venant réduire le rayonnement solaire de 40 à 90 %

Localisation | Fraction d’insolation de certaines villes en Europe

  • Lucerne: 34 %
  • Bruxelles: 35 %
  • Strasbourg: 38 %
  • Paris: 41 %
  • Nantes: 44 %
  • Genève: 46 %
  • Rome: 54 %
  • Perpignan: 57 %
  • Nice: 62 %

Le captage peut avoir une infinité de positions différentes, son efficacité dépend de l’orientation par apport au sud. Une orientation plein sud, avec un rayonnement perpendiculaire à la façade est optimum, un écart de 15 % vers l’est ou vers l’ouest fait décroître cette efficacité de seulement 2 %. Plus l’angle entre le rayonnement et la surface de la paroi réceptrice est grand et plus la quantité d’énergie reçue diminue.

Si l’orientation parfaite n’est pas possible, il suffit d’augmenter la surface de captage. Le mieux est de l’intégrer parfaitement à la construction tout en lui faisant bénéficier d’un maximum d’ensoleillement pour un meilleur rendement. Cette variation angulaire vient ainsi pondérer l’ensoleillement possible du capteur.

Angle d’incidence – % de rayonnement reçu

  • 0 ° – 100 %
  • 10 ° – 98,5 %
  • 30 ° – 86,6 %
  • 45 ° – 70,7 %
  • 60 ° – 50 %
  • 75 ° – 25,8 %
  • 90 ° – 0 %

Une étude précise des possibilités de captations solaires devra tenir compte de l’albédo, le rayonnement diffus, la lumière incidente ou réfléchie. La lumière réfléchie par les nuages, la neige, la lune, le sable, les plans d’eau… prend une part non négligeable dans le calcul du bilan énergétique global. La mise en place de dispositifs de réflexion permet d’augmenter le rendement en réduisant la surface de captage.

De plus selon le lieu, la part de rayonnement diffus peut être prépondérante par rapport au rayonnement direct, principalement à cause de la couverture nuageuse. Dans ce cas, l’orientation de la surface de captage devra être plus inclinée que pour les sites recevant plus de rayonnement direct.

Calcul de la surface de captage

Suivant tous ces différents paramètres, on peut calculer la surface de captage Ac ainsi :

Avec Qd correspond à l’énergie nécessaire, la consommation énergétique et les déperditions.
Qs étant l’énergie solaire reçu en kW/m2.jour pondéré par l’angle de la surface et la fraction d’insolation
On doit aussi considérer le rendement moyen de l’installation : soit r=50%.

La surface de captage Ac doit être calculée avec un surplus pour les journées sans soleil (soit environ 25 %) et sera donnée par Ac= Qd x 1,25 / Qs x r

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