Conception de bâtiment solaire passif

Dans la conception de bâtiments solaires passifs, les fenêtres, les murs et les sols sont conçus pour collecter, stocker, réfléchir et distribuer l’énergie solaire sous forme de chaleur en hiver et rejeter la chaleur solaire en été. C’est ce qu’on appelle la conception solaire passive car, contrairement aux systèmes de chauffage solaire actif, elle n’implique pas l’utilisation de dispositifs mécaniques ou électriques.

La clé pour concevoir un bâtiment solaire passif consiste à tirer le meilleur parti du climat local en effectuant une analyse précise du site. Les éléments à prendre en compte sont notamment la position et la taille de la fenêtre, le type de vitrage, l’isolation thermique, la masse thermique et l’ombrage. Les techniques de conception solaire passive peuvent s’appliquer plus facilement aux nouveaux bâtiments, mais les bâtiments existants peuvent être adaptés ou “réaménagés”.

Gain d’énergie passif
Les technologies solaires actives utilisent la lumière du soleil sans systèmes mécaniques actifs (contrairement au solaire actif). De telles technologies convertissent la lumière du soleil en chaleur utilisable (dans l’eau, l’air et la masse thermique), provoquent le mouvement de l’air pour la ventilation ou une utilisation future, avec peu d’utilisation d’autres sources d’énergie. Un exemple courant est un solarium situé à l’équateur d’un bâtiment. Le refroidissement passif consiste à utiliser les mêmes principes de conception pour réduire les besoins de refroidissement en été.

Certains systèmes passifs utilisent une petite quantité d’énergie conventionnelle pour contrôler les registres, les volets, l’isolation de nuit et d’autres dispositifs qui améliorent la collecte, le stockage et l’utilisation de l’énergie solaire et réduisent les transferts thermiques indésirables.

Les technologies solaires passives comprennent les gains solaires directs et indirects pour le chauffage des locaux, les systèmes de chauffage solaire de l’eau basés sur le thermosiphon, l’utilisation de matériaux à masse thermique et à changement de phase pour ralentir les fluctuations de la température de l’air intérieur, les fours solaires, la cheminée solaire pour améliorer la ventilation naturelle et terre abritant.

Plus largement, les technologies solaires passives comprennent le four solaire, mais cela nécessite généralement une énergie externe pour aligner leurs miroirs ou récepteurs de concentration et, historiquement, elles ne se sont pas avérées pratiques ou rentables pour une utilisation généralisée. Les besoins en énergie «de faible qualité», tels que le chauffage des locaux et de l’eau, se sont révélés au fil du temps de meilleures applications pour l’utilisation passive de l’énergie solaire.

En tant que science
La base scientifique de la conception de bâtiments solaires passifs a été développée à partir d’une combinaison de climatologie, thermodynamique (transfert de chaleur: conduction (chaleur), convection et rayonnement électromagnétique), mécanique des fluides / convection naturelle (mouvement passif de l’air et de l’eau sans utilisation). de l’électricité, des ventilateurs ou des pompes) et du confort thermique humain basé sur l’indice de chaleur, la psychrométrie et le contrôle de l’enthalpie des bâtiments habités par des humains ou des animaux, des solariums et des serres pour élever des plantes.

L’attention spécifique est divisée en: l’emplacement, l’emplacement et l’orientation solaire du bâtiment, la trajectoire solaire locale, le niveau d’insolation dominant (latitude / soleil / nuages ​​/ précipitations), la qualité de la conception et de la construction / les matériaux, l’emplacement / la taille / le type de fenêtre et murs, et incorporation de la masse thermique stockant l’énergie solaire à la capacité calorifique.

Bien que ces considérations puissent être orientées vers n’importe quel bâtiment, la réalisation d’une solution idéale de coût / performance optimisée nécessite une ingénierie d’intégration de système minutieuse et holistique de ces principes scientifiques. Les perfectionnements modernes grâce à la modélisation informatique (comme le logiciel complet de simulation énergétique du bâtiment «Energy Plus» du Département américain de l’énergie) et l’application de décennies de leçons apprises (depuis la crise énergétique des années 70) permettent de réaliser d’importantes économies d’énergie et de réduire les dommages environnementaux. sacrifier la fonctionnalité ou l’esthétique. En fait, les caractéristiques de conception passive-solaire telles que serre / solarium / solarium peuvent grandement améliorer la qualité de vie, la lumière du jour, les vues et la valeur d’une maison, à un faible coût par unité d’espace.

On a beaucoup appris sur la conception des bâtiments solaires passifs depuis la crise énergétique des années 1970. De nombreuses expériences de construction coûteuses, fondées sur l’intuition et non scientifiques, ont tenté et n’ont pas réussi à atteindre zéro énergie – l’élimination totale des factures d’énergie de chauffage et de refroidissement.

La construction de bâtiments solaires passifs peut ne pas être difficile ou coûteuse (en utilisant des matériaux et des technologies existants), mais la conception scientifique passive des bâtiments solaires est un effort technique non négligeable qui nécessite une étude approfondie des leçons antérieures le temps d’entrer, d’évaluer et d’affiner de manière itérative les entrées et les sorties de la simulation.

L’un des outils d’évaluation post-construction les plus utiles a été l’utilisation de la thermographie à l’aide de caméras numériques d’imagerie thermique pour un audit scientifique formel quantitatif de l’énergie. L’imagerie thermique peut être utilisée pour documenter les zones de faible performance thermique, telles que l’impact thermique négatif du verre sur le toit ou un puits de lumière par une nuit froide d’hiver ou une chaude journée d’été.

Les leçons scientifiques acquises au cours des trois dernières décennies ont été prises en compte dans des systèmes logiciels informatiques sophistiqués et sophistiqués de simulation énergétique des bâtiments (tels que US DOE Energy Plus).

La conception scientifique passive d’un bâtiment solaire avec une optimisation quantitative des avantages en termes de coûts n’est pas facile pour un novice. Le niveau de complexité a entraîné une mauvaise architecture permanente et de nombreuses expériences de construction non scientifiques basées sur l’intuition qui déçoivent leurs concepteurs et gaspillent une part importante de leur budget de construction en idées inappropriées.

La motivation économique pour la conception scientifique et l’ingénierie est significative. Si elle avait été appliquée de manière exhaustive à la construction de nouveaux bâtiments à partir de 1980 (sur la base des enseignements tirés des années 1970), les États-Unis pourraient économiser plus de 250 millions de dollars par an en énergie et en pollution.

Depuis 1979, la conception de bâtiments solaires passifs est un élément essentiel pour atteindre le niveau d’énergie nul par les établissements d’enseignement et les gouvernements du monde entier, y compris le Département américain de l’énergie et les chercheurs en énergie qu’ils soutiennent depuis des décennies. La preuve de concept rentable a été mise en place il y a des décennies, mais l’assimilation culturelle à l’architecture, aux métiers de la construction et à la prise de décision par les propriétaires a été très lente et difficile à changer.

Les nouveaux termes «science de l’architecture» et «technologie de l’architecture» sont ajoutés à certaines écoles d’architecture, avec pour objectif futur l’enseignement des principes scientifiques et d’ingénierie énergétique ci-dessus.

Le chemin solaire dans la conception passive
La capacité à atteindre simultanément ces objectifs dépend fondamentalement des variations saisonnières de la trajectoire du soleil tout au long de la journée.

Cela est dû à l’inclinaison de l’axe de rotation de la Terre par rapport à son orbite. La trajectoire du soleil est unique pour une latitude donnée.

Dans l’hémisphère Nord, les latitudes non tropicales situées à plus de 23,5 degrés de l’équateur:

Le soleil atteindra son point le plus élevé vers le sud (en direction de l’équateur)
À l’approche du solstice d’hiver, l’angle auquel le soleil se lève et se couche se déplace progressivement vers le sud et les heures de clarté deviennent plus courtes.
Le contraire est noté en été où le soleil se lèvera et se dirigera vers le nord et les heures de clarté s’allongeront
L’inverse est observé dans l’hémisphère sud, mais le soleil se lève à l’est et se couche vers l’ouest, quel que soit l’hémisphère où vous vous trouvez.

Dans les régions équatoriales à moins de 23,5 degrés, la position du soleil à midi solaire oscillera du nord au sud et inversement au cours de l’année.

Dans les régions situées à moins de 23,5 degrés du pôle nord ou sud, en été, le soleil trace un cercle complet dans le ciel sans se coucher, alors qu’il n’apparaîtra jamais au-dessus de l’horizon six mois plus tard, au plus fort de l’hiver.

La différence d’altitude du soleil à midi entre l’hiver et l’été à 47 degrés est à la base de la conception solaire passive. Ces informations sont combinées avec les données climatiques locales (degrés-jours) en matière de chauffage et de refroidissement afin de déterminer à quel moment de l’année les apports solaires seront bénéfiques pour le confort thermique et à quel moment. Grâce au placement stratégique d’éléments tels que des dispositifs de vitrage et d’ombrage, le pourcentage de gain solaire entrant dans un bâtiment peut être contrôlé tout au long de l’année.

Un problème de conception de la trajectoire solaire solaire passive est que, bien que le soleil soit dans la même position relative six semaines avant et six semaines après le solstice, en raison du “retard thermique” de la masse thermique de la Terre, sont très différents avant et après le solstice d’été ou d’hiver. Les volets roulants, les stores, les écrans d’ombrage ou les couvre-fenêtres peuvent s’adapter aux besoins en matière d’ensoleillement et d’isolation solaire au quotidien et d’heure en heure.

Un aménagement soigné des pièces complète la conception solaire passive. Une recommandation commune pour les habitations résidentielles est de placer les zones de vie faisant face au midi solaire et aux chambres à coucher du côté opposé. Un héliodon est un dispositif d’éclairage mobile traditionnel utilisé par les architectes et les concepteurs pour aider à modéliser les effets du parcours solaire. Dans les temps modernes, les images 3D peuvent simuler visuellement ces données et calculer les prévisions de performance.

Principes de transfert de chaleur solaire passif
Le confort thermique personnel est fonction de facteurs de santé personnels (médicaux, psychologiques, sociologiques et situationnels), de la température ambiante, de la température radiante moyenne, du mouvement de l’air (refroidissement éolien, turbulence) et de l’humidité relative (refroidissement par évaporation). Le transfert de chaleur dans les bâtiments se produit par convection, conduction et rayonnement thermique à travers le toit, les murs, le sol et les fenêtres.

Transfert de chaleur par convection
Le transfert de chaleur par convection peut être bénéfique ou préjudiciable. Une infiltration d’air incontrôlée due à une mauvaise météorisation / coupe-froid / étanchéité à l’air peut contribuer jusqu’à 40% à la perte de chaleur en hiver; Cependant, le placement stratégique des fenêtres ou des évents fonctionnels peut améliorer la convection, la ventilation croisée et le refroidissement estival lorsque l’air extérieur est d’une température et d’une humidité relative confortables. Les systèmes de ventilation à récupération d’énergie filtrés peuvent être utiles pour éliminer l’humidité indésirable, la poussière, le pollen et les micro-organismes présents dans l’air de ventilation non filtré.

La convection naturelle provoquant une montée de l’air chaud et la chute d’air plus frais peuvent entraîner une stratification inégale de la chaleur. Cela peut entraîner des variations de température désagréables dans les espaces conditionnés supérieur et inférieur, servir de méthode de ventilation de l’air chaud ou être conçue comme boucle de convection naturelle pour la distribution passive de chaleur solaire et l’égalisation de la température. Le refroidissement naturel de l’homme par la transpiration et l’évaporation peut être facilité par le mouvement de l’air de convection naturelle ou forcée par les ventilateurs, mais les ventilateurs de plafond peuvent perturber les couches d’air isolantes stratifiées situées au sommet d’une pièce et accélérer le transfert de chaleur depuis un grenier chaud ou par les fenêtres à proximité. . De plus, une humidité relative élevée empêche le refroidissement par évaporation par les humains.

Transfert de chaleur par rayonnement
La principale source de transfert de chaleur est l’énergie rayonnante et la source principale est le soleil. Le rayonnement solaire se produit principalement à travers le toit et les fenêtres (mais aussi à travers les murs). Le rayonnement thermique passe d’une surface plus chaude à une surface plus froide. Les toits reçoivent la majorité du rayonnement solaire fourni à une maison. Un toit frais ou un toit vert en plus d’une barrière radiante peut aider à empêcher que votre grenier ne devienne plus chaud que la température maximale de l’été en plein air (voir albédo, absorptivité, émissivité et réflectivité).

Windows est un site prêt et prévisible pour le rayonnement thermique. L’énergie des radiations peut passer par une fenêtre le jour et par la même fenêtre la nuit. Le rayonnement utilise des photons pour transmettre des ondes électromagnétiques à travers un vide ou un milieu translucide. Le gain de chaleur solaire peut être important même par temps froid. Le gain de chaleur solaire à travers les fenêtres peut être réduit par le vitrage isolé, l’ombrage et l’orientation. Les fenêtres sont particulièrement difficiles à isoler par rapport au toit et aux murs. Le transfert de chaleur par convection à travers et autour des couvre-fenêtres dégrade également ses propriétés d’isolation. Lors de l’ombrage des fenêtres, l’ombrage externe est plus efficace pour réduire le gain de chaleur que les revêtements de fenêtre internes.

Le soleil de l’ouest et de l’est peut fournir chaleur et éclairage, mais il est sujet à une surchauffe en été s’il n’est pas ombragé. En revanche, le soleil bas de midi laisse facilement entrer la lumière et la chaleur en hiver, mais peut être facilement ombragé avec des surplombs de longueur appropriée ou des lamelles inclinées en été et des arbres d’ombrage d’été à feuilles qui perdent leurs feuilles à l’automne. La quantité de chaleur radiante reçue est liée à la latitude, à l’altitude, à la couverture nuageuse et à l’angle d’incidence saisonnier / horaire (voir la trajectoire du soleil et la loi du cosinus de Lambert).

Un autre principe de conception solaire passive est que l’énergie thermique peut être stockée dans certains matériaux de construction et libérée à nouveau lorsque le gain de chaleur diminue pour stabiliser les variations de température diurnes (jour / nuit). L’interaction complexe des principes thermodynamiques peut être contre-intuitive pour les concepteurs débutants. Une modélisation informatique précise peut aider à éviter des expériences de construction coûteuses.

Considérations spécifiques au site lors de la conception
Latitude, trajectoire du soleil et insolation (ensoleillement)
Variations saisonnières du gain solaire, par exemple degrés-jours de refroidissement ou de chauffage, insolation solaire, humidité
Variations diurnes de la température
Détails micro-climatiques liés aux brises, à l’humidité, à la végétation et au contour des terres
Obstructions / Surmontage – à un gain solaire ou à des vents latéraux locaux

Éléments de conception pour les bâtiments résidentiels dans les climats tempérés
Placement des types de chambres, des portes et des murs intérieurs et de l’équipement dans la maison.
Orienter le bâtiment face à l’équateur (ou à quelques degrés vers l’est pour capter le soleil du matin)
Extension de la dimension du bâtiment sur l’axe est / ouest
Dimensionner correctement les fenêtres pour faire face au soleil de midi en hiver et être ombragé en été.
Minimiser les fenêtres des autres côtés, en particulier les fenêtres à l’ouest
Ériger des surplombs de toiture ou des éléments d’ombrage (arbustes, arbres, treillis, clôtures, volets, etc.) correctement dimensionnés.
Utiliser la quantité et le type d’isolant appropriés, y compris les barrières radiantes et l’isolant en vrac, pour minimiser les gains ou les pertes thermiques excessifs saisonniers
Utiliser la masse thermique pour stocker l’excès d’énergie solaire pendant la journée d’hiver (qui est ensuite re-rayonnée pendant la nuit)

La quantité précise de verre et de masse thermique faisant face à l’équateur devrait être basée sur un examen attentif de la latitude, de l’altitude, des conditions climatiques et des degrés-jours de chauffage / refroidissement.

Facteurs susceptibles de dégrader les performances thermiques:

Déviation de l’orientation idéale et rapport d’aspect nord / sud / est / ouest
Surface de verre excessive (“sur vitrage”) entraînant une surchauffe (entraînant également un éblouissement et une décoloration des tissus d’ameublement) et une perte de chaleur lorsque la température ambiante diminue
Installer des vitrages où le gain solaire pendant la journée et les pertes thermiques pendant la nuit ne peuvent pas être contrôlés facilement, par exemple, vitrage incliné orienté vers l’ouest, puits de lumière
Pertes thermiques à travers des vitrages non isolés ou non protégés
Manque d’ombrage adéquat pendant les périodes saisonnières de fort apport solaire (en particulier sur le mur ouest)
Application incorrecte de la masse thermique pour moduler les variations de température quotidiennes
Escaliers ouverts entraînant une répartition inégale de l’air chaud entre les étages supérieurs et inférieurs lorsque l’air chaud monte
Superficie du bâtiment à volume – Trop de coins
Intempéries inadéquat conduisant à une forte infiltration d’air
Manque de barrières radiantes ou mal installées pendant la saison chaude. (Voir aussi toit frais et toit vert)
Matériaux d’isolation non adaptés au mode principal de transfert de chaleur (p. Ex. Transfert de chaleur par convection / conductrice / par rayonnement indésirable)

Efficacité et économie du chauffage solaire passif
Techniquement, PSH est très efficace. Les systèmes à gain direct peuvent utiliser (c.-à-d. Convertir en chaleur “utile”) 65 à 70% de l’énergie du rayonnement solaire qui frappe l’ouverture ou le collecteur.

La fraction solaire passive (PSF) est le pourcentage de la charge thermique requise satisfaite par la PSH et représente donc une réduction potentielle des coûts de chauffage. RETScreen International a déclaré une PSF de 20 à 50%. Dans le domaine du développement durable, les économies d’énergie, même de l’ordre de 15%, sont considérées comme substantielles.

D’autres sources rapportent les PSF suivants:

5-25% pour les systèmes modestes
40% pour les systèmes “hautement optimisés”
Jusqu’à 75% pour les systèmes “très intenses”
Dans des climats favorables tels que le sud-ouest des États-Unis, des systèmes hautement optimisés peuvent dépasser 75% de PSF.

Aménagement paysager et jardins
Les matériaux d’aménagement paysager écoénergétiques pour des choix solaires passifs minutieux comprennent les matériaux de construction en dur et les plantes «softscape». Utilisation des principes de conception paysagère pour la sélection des arbres, des haies et des éléments de treillis-pergola avec des vignes; tout peut être utilisé pour créer des ombres d’été. Pour les apports solaires hivernaux, il est souhaitable d’utiliser des plantes à feuilles caduques dont les feuilles tombent en automne offrent des avantages solaires passifs toute l’année. Les arbustes et les arbres à feuilles persistantes non caduques peuvent être des brise-vent, à des hauteurs et à des distances variables, pour créer une protection et un abri contre le refroidissement éolien hivernal. L’utilisation d’espèces indigènes et de plantes tolérantes à la sécheresse, l’irrigation au goutte-à-goutte, le mulching et les pratiques de jardinage biologique réduisent ou éliminent la nécessité d’une irrigation intensive, à forte consommation d’énergie et d’eau, d’équipements de jardin fonctionnant au gaz et réduisant les déchets d’enfouissement empreinte. L’éclairage paysager à énergie solaire et les pompes à fontaine, ainsi que les piscines couvertes et les bassins avec des chauffe-eau solaires peuvent réduire l’impact de ces installations.

Jardinage durable
Aménagement paysager durable
Architecture paysagère durable

Autres principes solaires passifs

Eclairage solaire passif
Les techniques d’éclairage solaire passif permettent de mieux tirer parti de l’éclairage naturel pour les intérieurs et de réduire ainsi le recours aux systèmes d’éclairage artificiel.

Cet objectif peut être atteint en concevant avec soin la construction, l’orientation et l’emplacement des sections de fenêtre pour capter la lumière. D’autres solutions créatives impliquent l’utilisation de surfaces réfléchissantes pour laisser entrer la lumière du jour à l’intérieur d’un bâtiment. Les sections de fenêtre doivent être correctement dimensionnées et, pour éviter un éclairage excessif, elles peuvent être protégées par un soleil Brise, des auvents, des arbres bien placés, des revêtements de verre et d’autres dispositifs passifs et actifs.

Un autre problème majeur pour de nombreux systèmes de fenêtres est qu’ils peuvent être des sites potentiellement vulnérables en termes de gain thermique excessif ou de perte de chaleur. Tandis que les fenêtres hautes montées et les puits de lumière traditionnels peuvent introduire la lumière du jour dans les sections mal orientées d’un bâtiment, le transfert de chaleur indésirable peut être difficile à contrôler. Ainsi, l’énergie économisée en réduisant l’éclairage artificiel est souvent plus que compensée par l’énergie nécessaire au fonctionnement des systèmes CVCA pour maintenir le confort thermique.

Diverses méthodes peuvent être employées pour résoudre ce problème, notamment les revêtements de fenêtres, les vitrages isolants et les nouveaux matériaux tels que l’isolant semi-transparent à base d’aérogel, les fibres optiques intégrées aux murs ou au toit ou l’éclairage solaire hybride du Oak Ridge National Laboratory.

Les éléments réfléchissants, des capteurs de lumière du jour actifs et passifs, tels que les étagères lumineuses, les couleurs claires des murs et des sols, les sections murales en miroir, les murs intérieurs avec panneaux en verre supérieurs et les portes à charnières vitrées transparentes ou translucides ainsi que les portes coulissantes en verre capturent la lumière capturée et réfléchissent de manière passive plus loin à l’intérieur. La lumière peut provenir de fenêtres ou de puits de lumière passifs et de tubes de lumière solaire ou de sources d’éclairage naturel actives. Dans l’architecture japonaise traditionnelle, les portes à panneaux coulissants Shōji, avec leurs écrans translucides en Washi, constituent un précédent original. Style international, modernisme et architecture moderne du milieu du siècle ont été les innovateurs de cette pénétration passive et de cette réflexion dans les applications industrielles, commerciales et résidentielles.

Chauffage solaire passif à l’eau
Il existe de nombreuses façons d’utiliser l’énergie solaire thermique pour chauffer l’eau à usage domestique. Différentes technologies de chauffe-eau solaires actives et passives ont des implications différentes en termes d’analyse coûts-avantages et d’emplacement.

Le chauffage solaire passif à eau chaude fondamental ne nécessite aucune pompe ou autre élément électrique. Il est très rentable dans les climats qui ne sont pas soumis à des conditions météorologiques prolongées de sous-gel ou très nuageux. D’autres technologies actives de chauffage solaire de l’eau, etc. peuvent être plus appropriées pour certains endroits.

Il est possible d’avoir de l’eau chaude solaire active qui peut également être hors réseau et qualifiée de durable. Cela se fait par l’utilisation d’une cellule photovoltaïque qui utilise l’énergie du soleil pour alimenter les pompes.

Climat et confort
Chaque bâtiment est construit afin de nous protéger et de nous protéger de l’environnement extérieur en créant un climat intérieur. Lorsque les conditions extérieures empêchent le confort de l’espace intérieur, des systèmes de chauffage ou de refroidissement sont utilisés.

L’économie d’énergie grâce à l’isolation thermique est l’une des mesures les plus efficaces. Mais conserver l’énergie, c’est nous isoler de l’extérieur, la conception passive cherche à ouvrir le bâtiment à l’extérieur de manière à ce que le conditionnement naturel soit possible.

Ainsi, le climat dans lequel le bâtiment doit être localisé est défini par la température, les niveaux d’humidité, la vitesse et la direction des vents et la lumière solaire du site. Les conditions climatiques peuvent alors constituer un inconvénient ou un avantage pour une efficacité énergétique adéquate de la maison. Des concepts simples de la vie quotidienne sont alors appliqués, tels que:

S’il fait trop froid pour se sentir à l’aise, alors nous nous enveloppons = isolation thermique
si le temps est venteux et qu’il fait froid, nous cherchons un objet pour nous protéger et pour revenir au confort = protection contre le vent
s’il fait trop chaud et que nous sommes au soleil, nous cherchons l’ombre = protection solaire
s’il fait chaud, même à l’ombre, nous cherchons la brise pour nous rafraîchir = ventilation
s’il fait chaud et que l’air est très sec, recherchez un peu d’ombre et un sous-sol frais = masse thermique

Maison de montagne
Pour une maison de montagne située dans un endroit où il fait très froid et où il y a beaucoup de vent, nous voulons que l’emplacement soit sur une pente ensoleillée protégée du vent, incorporer une isolation thermique aux plafonds, aux murs et aux fenêtres; placez les fenêtres vers le soleil de midi de préférence; construire de manière à ce qu’il y ait le moins de fentes possible là où l’air froid pénètre et dissipe la chaleur à l’intérieur.

Maison du désert
Une maison dans le désert devrait être protégée de l’irradiation solaire. D’autre part, comme la variation de température entre le jour et la nuit est élevée en raison du manque d’humidité dans l’air, il est conseillé d’utiliser la masse thermique en construisant des murs épais avec des matériaux locaux. Il est nécessaire de profiter de la basse température nocturne pour refroidir la masse du bâtiment par le biais d’ouvertures stratégiquement situées qui permettent la ventilation.

La base de toute conception soucieuse de l’environnement et destinée à être efficace est une réponse adéquate aux inconvénients et aux avantages du climat du lieu. Si cela n’est pas pris en compte, nous devrons passer aux systèmes mécaniques de conditionnement thermique, avec la consommation d’énergie et les émissions de gaz à effet de serre qui en résultent.

Comparaison avec le standard de la maison passive en Europe
En Europe, l’approche adoptée par l’Institut de la maison passive (Passivhaus en allemand) prend de l’élan. Plutôt que de s’appuyer uniquement sur les techniques traditionnelles de conception solaire passive, cette approche vise à utiliser toutes les sources de chaleur passives, à réduire la consommation d’énergie et à souligner le besoin d’une isolation de haut niveau renforcée par une attention méticuleuse aux détails afin de répondre aux besoins des ponts thermiques. infiltration d’air froid. La plupart des bâtiments construits selon la norme Passive House intègrent également une unité de ventilation à récupération de chaleur active avec ou sans petit composant de chauffage incorporé (généralement 1 kW).

La conception énergétique des bâtiments de la maison passive est développée à l’aide d’un outil de modélisation basé sur un tableur, appelé PHPP (Passive House Planning Package), mis à jour périodiquement. La version actuelle est PHPP2007, où 2007 est l’année de publication. Un bâtiment peut être certifié comme “maison passive” lorsqu’il peut être démontré qu’il répond à certains critères, le plus important étant que la demande de chaleur annuelle spécifique pour la maison ne dépasse pas 15 kWh / m2a.

Systèmes solaires passifs
Les systèmes solaires passifs sont principalement utilisés pour capter et stocker la chaleur de l’énergie solaire. Ils sont qualifiés de passifs car d’autres dispositifs électromécaniques ne sont pas utilisés pour faire recirculer la chaleur. Cela se produit en raison de principes physiques de base tels que la conduction, la radiation et la convection thermique.

Gain direct: c’est le système le plus simple qui consiste à capturer l’énergie du soleil par des surfaces vitrées, dimensionnées pour chaque orientation et en fonction des besoins en chaleur du bâtiment ou des locaux à chauffer.

Mur d’accumulation non ventilé: également connu sous le nom de mur trombe, qui est un mur construit avec de la pierre, des briques, du béton ou même de l’eau, peint en noir ou de couleur très sombre à l’extérieur. Pour améliorer la capture, une propriété du verre est utilisée, qui est de générer un effet de serre, par lequel la lumière visible pénètre et lorsque la paroi est touchée, il la chauffe, émettant un rayonnement infrarouge, qui ne peut pas pénétrer dans le verre. Pour cette raison, la température de la surface sombre et de la chambre à air entre le mur et le verre augmente.

Mur ventilé de l’accumulation: semblable au précédent mais incorporant des orifices dans la partie supérieure et inférieure pour faciliter l’échange de chaleur entre la paroi et l’atmosphère par convection.

Serre attachée: dans ce cas, le mur à midi intègre une zone vitrée, qui peut être habitable, améliorant la capture de chaleur pendant la journée, réduisant les pertes de chaleur à l’extérieur.

Toit d’accumulation de chaleur: sous certaines latitudes, il est possible d’utiliser la surface du toit pour capter et accumuler l’énergie du soleil. Également appelés bassins solaires, ils nécessitent des appareils mobiles complexes pour empêcher la chaleur de s’échapper la nuit.

Collecte solaire et accumulation de chaleur: c’est un système plus complexe qui permet de combiner le gain direct des fenêtres avec des capteurs solaires d’air ou d’eau chaude pour les accumuler sous le plancher. Ensuite, de la même manière que le mur d’accumulateur ventilé, la chaleur est amenée dans l’environnement intérieur. Correctement dimensionné permet d’accumuler de la chaleur pendant plus de sept jours.

Dans presque tous les cas, il peut être utilisé comme système de refroidissement passif en inversant le sens de fonctionnement.

Outils de conception
Traditionnellement, un héliodone était utilisé pour simuler l’altitude et l’azimut du soleil qui brillait sur un bâtiment modèle à tout moment de l’année. Dans les temps modernes, les programmes informatiques peuvent modéliser ce phénomène et intégrer les données climatiques locales (y compris les impacts sur le site tels que les obstructions et les obstructions physiques) pour prédire le potentiel de gain solaire pour une conception de bâtiment particulière au cours d’une année. Les applications de smartphone basées sur GPS peuvent désormais le faire de manière peu coûteuse sur un appareil portable. Ces outils de conception permettent au concepteur solaire passif d’évaluer les conditions locales, les éléments de conception et l’orientation avant la construction. L’optimisation de la performance énergétique nécessite normalement un processus de conception et d’évaluation de l’affinement et du raffinement. Il n’existe pas de concept de bâtiment solaire universel «à taille unique» qui convienne pour tous les sites.

Niveaux d’application
De nombreuses maisons de banlieue isolées peuvent réduire leurs dépenses de chauffage sans modifier leur apparence, leur confort ou leur facilité d’utilisation. Ceci est fait en utilisant un bon positionnement et un bon positionnement des fenêtres, de petites quantités de masse thermique, une isolation thermique mais conventionnelle, une source de chaleur supplémentaire occasionnelle, comme un radiateur central relié à un chauffe-eau solaire. Les rayons du soleil peuvent tomber sur un mur pendant la journée et augmenter la température de sa masse thermique. Cela irradiera ensuite la chaleur dans le bâtiment dans la soirée. L’ombrage externe, ou une barrière radiante plus un entrefer, peut être utilisé pour réduire le gain solaire estival indésirable.

Une extension de l’approche “solaire passive” à la capture solaire saisonnière et au stockage de la chaleur et du refroidissement. Ces conceptions tentent de capter la chaleur solaire pendant la saison chaude et de la transporter vers un magasin thermique saisonnier pour l’utiliser plusieurs mois plus tard pendant la saison froide (“solaire passif annualisé”). Les rapports anecdotiques suggèrent qu’ils peuvent être efficaces mais aucune étude formelle n’a été menée pour démontrer leur supériorité. L’approche peut également déplacer le refroidissement dans la saison chaude. Exemples:

Stockage thermique passif annuel (HAP) – par John Hait
Chauffage géothermique annualisé (AGS) – par Don Stephen

Toit de terre
Une maison “purement passive” chauffée à l’énergie solaire ne comporterait pas de générateur de chaleur mécanique, mais dépendrait plutôt de l’énergie captée par le soleil, mais uniquement de l’énergie thermique “accessoire” émise par des lumières, des ordinateurs et d’autres appareils spécifiques (tels que la cuisine, le divertissement, etc.), la douche, les gens et les animaux de compagnie. L’utilisation de courants d’air de convection naturelle (plutôt que d’appareils mécaniques tels que des ventilateurs) pour faire circuler l’air est liée, bien que sa conception ne soit pas strictement solaire. La conception passive des bâtiments solaires utilise parfois des commandes électriques et mécaniques limitées pour faire fonctionner des registres, des volets isolants, des stores, des stores ou des réflecteurs. Certains systèmes font appel à de petits ventilateurs ou à des cheminées à chauffage solaire pour améliorer le flux d’air de convection. Une manière raisonnable d’analyser ces systèmes consiste à mesurer leur coefficient de performance. Une thermopompe peut utiliser 1 J pour chaque 4 J délivrés, ce qui donne un COP de 4. Un système qui utilise uniquement un ventilateur de 30 W pour distribuer plus uniformément 10 kW de chaleur solaire dans une maison entière aura un COP de 300.

La conception de bâtiments solaires passifs est souvent un élément fondamental d’un bâtiment zéro énergie rentable. Bien qu’une ZEB utilise plusieurs concepts de conception de bâtiments solaires passifs, une ZEB n’est généralement pas purement passive et comporte des systèmes de génération d’énergie mécaniques actifs actifs tels que: les éoliennes, les systèmes photovoltaïques, les microcentrales hydroélectriques, géothermiques et autres.

Conception solaire passive sur les gratte-ciel
Récemment, on s’est intéressé à l’utilisation de grandes surfaces sur les gratte-ciel pour améliorer leur efficacité énergétique globale. Les gratte-ciel étant de plus en plus omniprésents dans les environnements urbains, mais nécessitant de grandes quantités d’énergie pour fonctionner, il existe un potentiel d’économies d’énergie considérables grâce aux techniques de conception solaire passive. Une étude analysant le projet de tour 22 Bishopsgate à Londres a révélé qu’une réduction de 35% de la demande énergétique pouvait théoriquement être obtenue par gains solaires indirects, en faisant pivoter le bâtiment pour obtenir une ventilation et une pénétration de la lumière du jour optimales, ainsi que des revêtements de sol à masse thermique élevée pour diminuer les fluctuations de température à l’intérieur du bâtiment et utiliser un verre à double ou triple vitrage à faible émissivité pour le gain solaire direct. Les techniques de gain indirect indirect du soleil comprenaient un écoulement thermique modéré des parois (de 20 à 30 cm) en utilisant des vitrages sur l’espace extérieur pour éviter les déperditions de chaleur, consacrant 15 à 20% de la surface au stockage thermique et mur pour absorber la chaleur entrant dans l’espace.Les surplombs sont utilisés pour bloquer la lumière directe du soleil en été et la laisser en hiver. Des stores réfléchissant la chaleur sont insérés entre le mur thermique et le vitrage afin de limiter l’accumulation de chaleur pendant les mois d’été.

Une autre étude a analysé la façade en double peau verte (DGSF) à l’extérieur d’immeubles de grande hauteur à Hong Kong. Une telle façade verte, ou une végétation recouvrant les murs extérieurs, permet de lutter considérablement contre l’utilisation de la climatisation – jusqu’à 80%, comme l’ont découvert les chercheurs.

Dans des climats plus tempérés, des stratégies telles que les stratégies de vitrage, d’ajustement du rapport fenêtre sur mur, de protection solaire et de toit peuvent offrir des économies d’énergie considérables, comprises entre 30% et 60%.