Système de construction solaire passif

Le système de construction solaire passif devient de plus en plus un style d’architecture indépendant, qui s’inscrit formellement dans la tradition du modernisme classique, de ses courants et de ses réceptions, dans la subordination de la conception à la pertinence (la forme suit la fonction, la sculpture reste en arrière-plan) être affecté au fonctionnalisme. Dans la conception de bâtiments solaires passifs, les fenêtres, les murs et les planchers sont conçus pour collecter, stocker, réfléchir et distribuer l’énergie solaire sous forme de chaleur en hiver et la rejeter en été. Cela s’appelle la conception solaire passive car, contrairement aux systèmes de chauffage solaire actifs, elle n’implique pas l’utilisation d’appareils mécaniques et électriques.

La clé pour concevoir un bâtiment solaire passif est de tirer le meilleur parti du climat local en effectuant une analyse de site précise. 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”.

Principales configurations de bâtiments solaires passifs
Il existe trois configurations primaires d’énergie solaire passive:

système solaire direct
système solaire indirect
système solaire isolé

Gain d’énergie passif
Les technologies solaires assives utilisent la lumière du soleil sans système mécanique actif (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 du côté de 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 obturateurs, 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 de chaleur 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 incluent le four solaire, mais cela nécessite généralement de l’énergie externe pour aligner leurs miroirs ou récepteurs de concentration, et n’a jamais été prouvé de manière pratique ou économique 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.

Système solaire direct
Dans un système solaire passif à gain direct, l’espace intérieur agit comme un capteur solaire, un absorbeur de chaleur et un système de distribution. Le verre orienté au sud dans l’hémisphère nord (orienté au nord dans l’hémisphère sud) admet de l’énergie solaire à l’intérieur du bâtiment où il chauffe directement (absorption d’énergie rayonnante) ou indirectement (par convection), comme le béton ou la maçonnerie. sols et murs. Les sols et les murs faisant office de masse thermique sont incorporés en tant que parties fonctionnelles du bâtiment et atténuent l’intensité du chauffage pendant la journée. La nuit, la masse thermique chauffée dégage de la chaleur dans l’espace intérieur.

Dans les climats froids, un bâtiment tempéré par le soleil est le type le plus fondamental de configuration solaire passive à gain direct qui consiste simplement à augmenter (légèrement) la surface vitrée exposée au sud, sans ajouter de masse thermique supplémentaire. Il s’agit d’un type de système à gain direct dans lequel l’enveloppe du bâtiment est bien isolée, allongée dans une direction est-ouest et présente une large fraction (environ 80% ou plus) des fenêtres du côté sud. Il a peu de masse thermique ajoutée au-delà de ce qui existe déjà dans le bâtiment (c.-à-d., Encadrement, panneau mural, etc.). Dans un bâtiment trempé par le soleil, la zone de la fenêtre orientée au sud devrait être limitée à environ 5 à 7% de la surface totale du sol, moins sous un climat ensoleillé, pour éviter la surchauffe. Des vitrages supplémentaires orientés vers le sud ne peuvent être inclus que si une masse thermique accrue est ajoutée. Avec ce système, les économies d’énergie sont modestes et le revenu solaire est très peu coûteux.

Dans les systèmes solaires passifs à gain direct, une masse thermique suffisante est nécessaire pour éviter de grandes fluctuations de température dans l’air intérieur; il faut plus de masse thermique que dans un bâtiment tempéré. Une surchauffe de l’intérieur du bâtiment peut entraîner une masse thermique insuffisante ou mal conçue. Environ la moitié aux deux tiers de la surface intérieure des sols, des murs et des plafonds doivent être construits avec des matériaux de stockage thermique. Les matériaux de stockage thermique peuvent être du béton, du pisé, de la brique et de l’eau. La masse thermique dans les planchers et les murs doit être maintenue aussi nue que possible du point de vue fonctionnel et esthétique; la masse thermique doit être exposée à la lumière directe du soleil. Les moquettes murales, les grands carpettes, les meubles volumineux et les grandes tentures murales doivent être évités.

Généralement, pour environ 1 pied carré de verre orienté au sud, il faut environ 5 à 10 pieds3 de masse thermique pour la masse thermique (1 m3 par 5 à 10 m2). Lorsque vous tenez compte des revêtements et des meubles de murs et de sols, de minimaux à moyens, cela équivaut généralement à environ 5 à 10 m2 (5 à 10 m2 par m2) de verre orienté au sud, selon que la lumière du soleil frappe directement la surface ou non. La règle la plus simple est que la surface de masse thermique doit avoir une surface de 5 à 10 fois la surface de la surface du capteur à gain direct (verre).

La masse thermique solide (béton, maçonnerie, pierre, etc.) doit être relativement mince et ne pas dépasser environ 100 mm (4 po). Les masses thermiques avec de grandes zones exposées et celles exposées au soleil pendant au moins une partie de la journée (minimum 2 heures) donnent les meilleurs résultats. Des couleurs moyennes à foncées, à haute capacité d’absorption, doivent être utilisées sur les surfaces des éléments de masse thermique exposés directement au soleil. La masse thermique qui n’est pas en contact avec la lumière du soleil peut être de n’importe quelle couleur. Les éléments légers (murs et plafonds en plaques de plâtre, par exemple) peuvent être de n’importe quelle couleur. Le fait de recouvrir le vitrage de panneaux d’isolation mobiles bien ajustés pendant les périodes sombres et nuageuses et les heures de nuit améliorera grandement les performances d’un système à gain direct. L’eau contenue dans une enceinte en plastique ou en métal et exposée à la lumière directe du soleil chauffe plus rapidement et plus uniformément que la masse solide en raison du transfert de chaleur par convection naturelle. Le processus de convection empêche également les températures de surface de devenir trop extrêmes, comme cela arrive parfois lorsque des surfaces massives de couleur sombre reçoivent la lumière directe du soleil.

Selon le climat et avec une masse thermique adéquate, la surface vitrée exposée au sud dans un système à gain direct devrait être limitée à environ 10 à 20% de la surface de plancher (par exemple, 10 à 20 pi2 de verre pour une surface de plancher de 100 pi2). Cela devrait être basé sur le verre ou le vitrage. Notez que la plupart des fenêtres ont une surface nette de 75% à 85% de la surface totale des fenêtres. Au-dessus de ce niveau, des problèmes de surchauffe, d’éblouissement et de décoloration des tissus sont probables.

Système solaire indirect
Dans un système solaire passif à gain indirect, la masse thermique (béton, maçonnerie ou eau) est située directement derrière la vitre exposée au sud et devant l’espace intérieur chauffé. Il n’y a donc pas de chauffage direct. La position de la masse empêche la lumière du soleil d’entrer dans l’espace intérieur et peut également obstruer la vue à travers le verre. Il existe deux types de systèmes de gain indirect: les systèmes de murs de stockage thermique et les systèmes de bassin de toit.

Murs de stockage thermique (Trombe)

Dans un système de mur de stockage thermique, souvent appelé mur Trombe, un mur massif est situé directement derrière une vitre exposée au sud, qui absorbe l’énergie solaire et la libère sélectivement vers l’intérieur du bâtiment la nuit. Le mur peut être construit en béton coulé sur place, en brique, en adobe, en pierre ou en maçonnerie en béton plein (ou chargé). La lumière du soleil pénètre à travers le verre et est immédiatement absorbée à la surface du mur de la masse et stockée ou acheminée à travers la masse de matériau vers l’espace intérieur. La masse thermique ne peut pas absorber l’énergie solaire aussi rapidement qu’elle pénètre dans l’espace entre la masse et la zone de la fenêtre. Les températures de l’air dans cet espace peuvent facilement dépasser 49 ° C (120 ° F). Cet air chaud peut être introduit dans les espaces intérieurs derrière le mur en incorporant des évents à diffusion de chaleur au sommet du mur. Ce système de murs a été conçu et breveté pour la première fois en 1881 par son inventeur, Edward Morse. Felix Trombe, pour qui ce système est parfois appelé, était un ingénieur français qui a construit plusieurs maisons en utilisant cette conception dans les Pyrénées françaises dans les années 1960.

Un mur de stockage thermique consiste généralement en un mur de maçonnerie de 4 à 16 po (100 à 400 mm) d’épaisseur revêtu d’un fini foncé absorbant la chaleur (ou d’une surface sélective) et recouvert d’une couche de verre à haute transmissivité, simple ou double couche. Le verre est généralement placé de ¾ po à 2 po du mur pour créer un petit espace aérien. Dans certaines conceptions, la masse est située à 0,6 m du verre, mais l’espace n’est toujours pas utilisable. La surface de la masse thermique absorbe le rayonnement solaire qui la frappe et le stocke pour une utilisation nocturne. Contrairement à un système à gain direct, le système de mur de stockage thermique fournit un chauffage solaire passif sans zone de fenêtre excessive et sans éblouissement dans les espaces intérieurs. Cependant, la possibilité de tirer parti des vues et de la lumière du jour est éliminée. La performance des murs Trombe est diminuée si l’intérieur du mur n’est pas ouvert aux espaces intérieurs. Les meubles, les étagères et les armoires murales installés à la surface intérieure du mur réduiront ses performances.

Un mur Trombe classique, également appelé génériquement mur de stockage thermique ventilé, comporte des orifices de ventilation praticables près du plafond et du plancher du mur de masse qui permettent à l’air intérieur de circuler à travers eux par convection naturelle. À mesure que le rayonnement solaire chauffe l’air emprisonné entre le verre et le mur, il commence à s’élever. L’air est aspiré dans l’évent inférieur, puis dans l’espace entre le verre et le mur pour être chauffé par le rayonnement solaire, augmentant ainsi sa température et provoquant son élévation, puis ressortant par la ventilation supérieure (plafond) dans l’espace intérieur. Cela permet au mur d’introduire directement de l’air chauffé dans l’espace; généralement à une température d’environ 32 ° C (90 ° F).

Si les évents sont laissés ouverts la nuit (ou par temps nuageux), le flux d’air de convection s’inversera, entraînant un gaspillage de chaleur en le dissipant à l’extérieur. Les évents doivent être fermés la nuit pour que la chaleur radiante de la surface intérieure du mur de stockage réchauffe l’espace intérieur. En général, les bouches d’aération sont également fermées pendant les mois d’été, lorsque le gain de chaleur n’est pas nécessaire. En été, il est possible d’ouvrir un évent d’évacuation extérieur installé en haut du mur pour permettre l’évacuation vers l’extérieur. Une telle ventilation fait en sorte que le système fonctionne comme une cheminée solaire alimentant l’air à travers le bâtiment pendant la journée.

Les murs de stockage thermique ventilés ventilés à l’intérieur se sont avérés peu efficaces, principalement parce qu’ils dégagent trop de chaleur pendant la journée par temps doux et pendant les mois d’été; ils surchauffent simplement et créent des problèmes de confort. La plupart des experts en énergie solaire ont recommandé que les murs de stockage thermique ne soient pas ventilés vers l’intérieur.

Il existe de nombreuses variantes du système de mur Trombe. Un mur de stockage thermique non ventilé (techniquement pas un mur Trombe) capte l’énergie solaire sur la surface extérieure, se réchauffe et transmet la chaleur à la surface intérieure, où elle rayonne de la surface du mur intérieur vers l’espace intérieur plus tard dans la journée. Un mur d’eau utilise un type de masse thermique constitué de réservoirs ou de tubes d’eau utilisés en tant que masse thermique.

Un mur de stockage thermique non ventilé typique consiste en un mur de maçonnerie ou de béton orienté au sud avec un matériau sombre absorbant la chaleur sur la surface extérieure et recouvert d’une couche de verre simple ou double. Le verre à haute transmission maximise les gains solaires vers le mur de masse. Le verre est placé entre 20 et 150 mm du mur afin de créer un petit espace aérien. L’ossature de verre est généralement en métal (par exemple, en aluminium), car le vinyle ramollira et le bois deviendra parfaitement sec à la température de 180 ° F (82 ° C) pouvant exister derrière le verre dans le mur. La chaleur de la lumière solaire traversant le verre est absorbée par la surface sombre, stockée dans le mur et conduite lentement vers l’intérieur à travers la maçonnerie. En tant que détail architectural, le verre à motifs peut limiter la visibilité extérieure du mur sans sacrifier la transmissivité solaire.

Un mur d’eau utilise des récipients d’eau pour la masse thermique au lieu d’une paroi solide. Les murs d’eau sont généralement légèrement plus efficaces que les murs de masse, car ils absorbent plus efficacement la chaleur en raison du développement de courants de convection dans l’eau liquide chauffée. Ces courants entraînent un brassage rapide et un transfert de chaleur plus rapide dans le bâtiment que ne le permettent les murs massifs.

Les variations de température entre les surfaces des murs extérieurs et intérieurs entraînent la chaleur à travers la paroi de masse. À l’intérieur du bâtiment, toutefois, le gain de chaleur diurne est retardé, ne devenant disponible à la surface intérieure de la masse thermique que le soir, car le soleil s’est couché. Le décalage temporel est la différence de temps entre le moment où la lumière du soleil frappe le mur pour la première fois et le moment où la chaleur pénètre à l’intérieur du bâtiment. Le décalage dans le temps dépend du type de matériau utilisé dans le mur et de son épaisseur. une plus grande épaisseur donne un plus grand retard. Le décalage temporel caractéristique de la masse thermique, combiné à l’amortissement des fluctuations de température, permet d’utiliser l’énergie solaire diurne variable comme source de chaleur nocturne plus uniforme. Les fenêtres peuvent être placées dans le mur pour des raisons d’éclairage naturel ou d’esthétique, mais cela a tendance à réduire l’efficacité.

L’épaisseur d’un mur de stockage thermique doit être d’environ 250 à 350 mm (10 à 14 po) pour la brique, de 300 à 450 mm (12 à 18 po) pour le béton, de 200 à 300 mm (8 à 12 po) pour la terre / pisé. et au moins 150 mm (6 po) pour l’eau. Ces épaisseurs retardent le mouvement de la chaleur, de sorte que les températures de la surface intérieure atteignent leur maximum en fin de soirée. La chaleur prendra environ 8 à 10 heures pour atteindre l’intérieur du bâtiment (la chaleur traverse un mur de béton à une vitesse d’environ un pouce par heure). Une bonne connexion thermique entre les finitions des murs intérieurs (p. Ex. Les cloisons sèches) et le mur de masse thermique est nécessaire pour maximiser le transfert de chaleur vers l’espace intérieur.

Bien que la position d’un mur de stockage thermique minimise la surchauffe diurne de l’espace intérieur, un bâtiment bien isolé doit être limité à environ 0,2 à 0,3 ft2 de surface de paroi de masse thermique par ft2 de surface de plancher chauffée (0,2 à 0,3 m2 par m2 de surface au sol), en fonction du climat. Un mur d’eau doit avoir environ 0,15 à 0,2 ft2 de surface de mur d’eau par ft2 (0,15 à 0,2 m2 par m2) de surface de plancher.

Les murs de masse thermique sont mieux adaptés aux climats d’hiver ensoleillé qui connaissent de fortes variations de température diurnes (jour-nuit) (par exemple, sud-ouest, montagne-ouest). Ils ne fonctionnent pas aussi bien dans les climats nuageux ou extrêmement froids ou dans les climats où il n’y a pas de grande variation de température diurne. Les pertes thermiques nocturnes à travers la masse thermique du mur peuvent encore être importantes dans les climats nuageux et froids; le mur perd la chaleur accumulée en moins d’une journée, puis perd de la chaleur, ce qui augmente considérablement les besoins en chauffage de secours. Le fait de recouvrir le vitrage de panneaux isolants mobiles et ajustés pendant les périodes nuageuses prolongées et les heures nocturnes améliorera les performances d’un système de stockage thermique.

Le principal inconvénient des murs de stockage thermique est leur perte de chaleur vers l’extérieur. Le double verre (en verre ou en plastique) est nécessaire pour réduire les pertes de chaleur dans la plupart des climats. Dans les climats doux, le verre simple est acceptable. Une surface sélective (surface hautement absorbante / faiblement émettrice) appliquée sur la surface extérieure du mur de stockage thermique améliore les performances en réduisant la quantité d’énergie infrarouge renvoyée à travers le verre; En règle générale, il améliore de la même manière les performances sans devoir installer et retirer quotidiennement des panneaux isolants. Une surface sélective consiste en une feuille de métal collée à la surface extérieure du mur. Il absorbe presque tout le rayonnement dans la partie visible du spectre solaire et émet très peu dans le domaine infrarouge. Une absorption élevée transforme la lumière en chaleur à la surface du mur et une faible émittance empêche la chaleur de rayonner vers le verre.

Système de bassin de toit

Un système solaire passif de bassin de toit, parfois appelé toit solaire, utilise de l’eau stockée sur le toit pour tempérer les températures intérieures chaudes et froides, généralement dans des environnements désertiques. Il est généralement constitué de conteneurs contenant de 150 à 300 mm d’eau sur un toit plat. L’eau est stockée dans de grands sacs en plastique ou des contenants en fibre de verre pour maximiser les émissions radiantes et minimiser l’évaporation. Il peut être laissé non émaillé ou peut être recouvert par un vitrage. Le rayonnement solaire chauffe l’eau, qui sert de moyen de stockage thermique. La nuit ou par temps nuageux, les conteneurs peuvent être recouverts de panneaux isolants. L’espace intérieur situé au-dessous du bassin de toit est chauffé par l’énergie thermique émise par le stockage du bassin de toit situé au-dessus. Ces systèmes nécessitent de bons systèmes de drainage, une isolation mobile et un système structurel amélioré pour supporter une charge morte de 1,7 à 3,3 kN / m2 (35 à 70 lb / pi2).

Avec les angles d’incidence de la lumière solaire pendant la journée, les étangs sous le toit ne permettent de chauffer que sous des latitudes moyennes et basses, dans les climats chauds à tempérés. Les systèmes de bassin de toiture fonctionnent mieux pour le refroidissement dans des climats chauds et peu humides. Peu de toits solaires ont été construits et il existe peu d’informations sur la conception, les coûts, les performances et les détails de construction des toits à stockage thermique.

Système solaire isolé
Dans un système solaire passif à gain isolé, les composants (par exemple, le collecteur et le stockage thermique) sont isolés de la zone intérieure du bâtiment.

Un espace solaire attenant, également appelé parfois salle solaire ou solarium, est un type de système solaire à gain isolé comportant un espace intérieur vitré ou une pièce faisant partie d’un bâtiment, ou se rapportant à un bâtiment, mais pouvant être complètement isolée des principales zones occupées. Il fonctionne comme une serre attachée utilisant une combinaison de caractéristiques de système à gain direct et à gain indirect. Un espace solaire peut être appelé et apparaître comme une serre, mais une serre est conçue pour faire pousser des plantes, tandis qu’un espace solaire est conçu pour fournir de la chaleur et de l’esthétique à un bâtiment. Les espaces solaires sont des éléments de conception passifs très populaires car ils élargissent les espaces de vie d’un bâtiment et offrent un espace pour la culture de plantes et autres types de végétation. Dans les climats modérés et froids, un chauffage supplémentaire est nécessaire pour empêcher les plantes de geler par temps extrêmement froid.

Le verre exposé au sud d’un espace solaire associé recueille l’énergie solaire comme dans un système à gain direct. La conception la plus simple du sunspace consiste à installer des fenêtres verticales sans vitrage en hauteur. Les zones d’espace solaire peuvent enregistrer un gain de chaleur élevé et une perte de chaleur importante en raison de l’abondance de leurs vitrages. Bien que les vitrages horizontaux et en pente accumulent plus de chaleur en hiver, ils sont minimisés pour éviter les surchauffes en été. Bien que le vitrage supérieur puisse être esthétique, un toit isolé offre une meilleure performance thermique. Les puits de lumière peuvent être utilisés pour fournir un potentiel de lumière du jour. Le vitrage vertical permet de maximiser le gain en hiver, lorsque l’angle du soleil est faible, et de générer moins de gain de chaleur en été. Le verre vertical est moins coûteux, plus facile à installer et à isoler et moins sujet aux fuites, à la formation de buée, à la casse et à d’autres défaillances du verre. Une combinaison de vitrage vertical et de certains vitrages inclinés est acceptable si un ombrage estival est fourni. Un surplomb bien conçu peut suffire à masquer le vitrage en été.

Les variations de température provoquées par les pertes et gains de chaleur peuvent être modérées par la fenêtre thermique de masse et les fenêtres à faible émissivité. La masse thermique peut inclure un sol en maçonnerie, un mur en maçonnerie bordant la maison ou des réservoirs d’eau. La distribution de la chaleur dans le bâtiment peut s’effectuer par des bouches d’aération, des fenêtres, des portes ou des ventilateurs. Dans une conception commune, un mur de masse thermique situé à l’arrière du soleil, adjacent à l’espace habitable, fonctionnera comme un mur de masse thermique à gain indirect. L’énergie solaire pénétrant dans l’espace solaire est retenue dans la masse thermique. La chaleur solaire est transmise au bâtiment par conduction à travers le mur de masse commun situé à l’arrière du soleil et par des bouches d’aération (comme un mur de stockage thermique non ventilé) ou par des ouvertures dans le mur permettant la circulation d’air du soleil vers l’espace intérieur par convection ( comme un mur de stockage thermique ventilé).

Dans les climats froids, le double vitrage doit être utilisé pour réduire les pertes conductrices à travers le verre. Les pertes de chaleur nocturnes, bien qu’importantes pendant les mois d’hiver, ne sont pas aussi essentielles dans l’espace solaire que dans les systèmes à gain direct, car l’espace solaire peut être isolé du reste du bâtiment. Dans les climats tempérés et froids, il est important d’isoler thermiquement la sole du bâtiment pendant la nuit. De grands panneaux de verre, des portes vitrées ou des portes coulissantes en verre entre le bâtiment et l’espace solaire attaché conserveront une sensation d’ouverture sans la perte de chaleur associée à un espace ouvert.

Un espace solaire avec un mur thermique en maçonnerie nécessitera de chauffer environ 0,3 ft2 de surface de mur de masse thermique par ft2 de surface de plancher chauffée (0,3 m2 par m2 de surface de plancher), en fonction du climat. L’épaisseur des murs doit être similaire à celle d’un mur de stockage thermique. Si un mur d’eau est utilisé entre l’espace solaire et la surface habitable, environ 0,20 ft2 de surface de paroi de masse thermique par ft2 de surface de plancher chauffée (0,2 m2 par m2 de surface de plancher) est approprié. Dans la plupart des climats, un système de ventilation est nécessaire en été pour éviter la surchauffe. En règle générale, les vastes surfaces vitrées (horizontales) et orientées est et ouest ne doivent pas être utilisées dans un espace solaire sans précautions particulières en cas de surchauffe estivale, telles que l’utilisation de verre réfléchissant la chaleur et la création de zones de protection estivale.

Les surfaces internes de la masse thermique doivent être de couleur sombre. On peut utiliser de l’isolant mobile (p. Ex., Des couvre-fenêtres, des stores, des volets) pour retenir l’air chaud dans la plage après le coucher du soleil et par temps nuageux. Lorsqu’ils sont fermés pendant les journées les plus chaudes, les couvre-fenêtres peuvent aider à empêcher le soleil de surchauffer.

Pour maximiser le confort et l’efficacité, les murs, le plafond et les fondations de l’espace solaire sans verre doivent être bien isolés. Le périmètre du mur de fondation ou de la dalle doit être isolé sur la ligne de gel ou autour du périmètre de la dalle. Dans un climat tempéré ou froid, les murs est et ouest du soleil doivent être isolés (pas de verre).

Mesures supplémentaires
Des mesures devraient être prises pour réduire les pertes de chaleur la nuit, par exemple les couvre-fenêtres ou les isolants pour fenêtres mobiles.

Stockage de chaleur
Le soleil ne brille pas tout le temps. Le stockage de chaleur, ou masse thermique, garde le bâtiment au chaud lorsque le soleil ne peut pas le chauffer.

Dans les maisons solaires diurnes, le stockage est conçu pour un ou quelques jours. La méthode habituelle est une masse thermique construite sur mesure. Cela inclut un mur Trombe, un sol en béton ventilé, une citerne, un mur d’eau ou un étang sur le toit. Il est également possible d’utiliser la masse thermique de la terre elle-même, soit telle quelle, soit par incorporation à la structure, par mise en réserve ou en utilisant de la pisé comme support structurel.

Dans les zones subarctiques, ou dans les zones à long terme sans apport solaire (par exemple des semaines de brouillard givrant), la masse thermique construite à cet effet est très coûteuse. Don Stephens a été le premier à utiliser une technique expérimentale pour utiliser le sol sous forme de masse thermique suffisante pour un stockage de chaleur annualisé. Ses dessins exécutent un thermosiphon isolé de 3 m sous une maison et isolent le sol avec une jupe étanche de 6 m.

Isolation
L’isolation thermique ou la super isolation (type, emplacement et quantité) réduit les fuites de chaleur indésirables. Certains bâtiments passifs sont en réalité construits d’isolation.

Vitrages spéciaux et revêtements de fenêtres
L’efficacité des systèmes à gain solaire direct est considérablement améliorée par l’isolation isolante (double vitrage, par exemple), la sélection spectrale du verre (low-e) ou l’isolation des fenêtres mobiles (fenêtres, couvertures isolantes intérieures, stores, stores, etc.).

En règle générale, les fenêtres faisant face à l’Équateur ne devraient pas utiliser de revêtements de vitrage inhibant l’acquisition de l’énergie solaire.

La norme allemande de la maison passive est largement utilisée. La sélection de différents revêtements de fenêtre sélectifs du point de vue du spectre dépend du rapport entre le nombre de jours de chauffage et le nombre de jours de refroidissement correspondant au lieu de travail.

Sélection de vitrage

Verre face à l’équateur
Les exigences relatives au verre vertical faisant face à l’équateur sont différentes de celles des trois autres côtés d’un bâtiment. Les revêtements de fenêtres réfléchissants et les multiples vitres peuvent réduire les apports solaires utiles. Cependant, les systèmes à gain direct dépendent davantage du double ou du triple vitrage pour réduire les pertes de chaleur. Les configurations à gain indirect et à gain isolé peuvent toujours fonctionner efficacement avec un seul vitrage. Néanmoins, la solution rentable optimale dépend à la fois du lieu et du système.

Verre de toit et lucarnes
Les puits de lumière admettent les rayons directs du soleil et les reflets, soit horizontalement (toit plat), soit inclinés selon le même angle que la pente du toit. Dans certains cas, des puits de lumière horizontaux sont utilisés avec des réflecteurs pour augmenter l’intensité du rayonnement solaire (et de l’éblouissement sévère), en fonction de l’angle d’incidence du toit. Lorsque le soleil d’hiver est bas sur l’horizon, la plupart des rayons solaires sont réfléchis par le verre incliné sur le toit (l’angle d’incidence est presque parallèle à celui du verre incliné sur le toit, matin et après-midi). Lorsque le soleil d’été est haut, il est presque perpendiculaire au verre en angle, ce qui maximise le gain solaire au mauvais moment de l’année et agit comme un four solaire. Les puits de lumière doivent être couverts et bien isolés pour réduire les pertes de chaleur par convection naturelle (montée d’air chaud) lors des nuits froides d’hiver et les gains de chaleur solaire intenses lors des journées chaudes / été / automne.

Le côté d’un bâtiment faisant face à l’équateur est situé au sud dans l’hémisphère nord et au nord dans l’hémisphère sud. Les puits de lumière sur les toits opposés à l’équateur fournissent un éclairage principalement indirect, sauf en été, lorsque le soleil peut se lever du côté non équateur du bâtiment (à certaines latitudes). Les puits de lumière sur les toits orientés à l’est fournissent un apport maximal de lumière directe et de chaleur solaire le matin d’été. Les puits de lumière orientés à l’ouest offrent aux rayons du soleil l’après-midi et un gain de chaleur pendant la partie la plus chaude de la journée.

Certains puits de lumière ont un vitrage coûteux qui réduit partiellement le gain de chaleur solaire en été, tout en permettant une certaine transmission de la lumière visible. Cependant, si de la lumière visible peut la traverser, un gain de chaleur rayonnante peut également en résulter (ce sont deux ondes de rayonnement électromagnétiques).

Vous pouvez réduire partiellement les gains de chaleur solaire en été pour les vitrages à angle de toit indésirables en installant un puits de lumière à l’ombre des arbres à feuilles caduques ou en ajoutant une couverture de fenêtre opaque isolée et mobile à l’intérieur ou à l’extérieur du puits de lumière. . Cela éliminerait les avantages du jour en été. Si des branches d’arbres pendent au-dessus d’un toit, elles aggraveront les problèmes de feuilles dans les gouttières, risqueront d’endommager les barrages de glace, endommageront le toit, raccourciront la durée de vie du toit et faciliteront l’entrée des insectes nuisibles dans votre grenier. Les feuilles et les brindilles sur les puits de lumière sont peu attrayantes, difficiles à nettoyer et peuvent augmenter le risque de bris de vitrage dans les tempêtes de vent.

Le “vitrage de toit en dents de scie” avec uniquement du verre vertical peut apporter certains des avantages de la conception de bâtiments solaires passifs au cœur d’un bâtiment commercial ou industriel, sans nécessiter de verre ou de puits de lumière à angle de toit.

Les puits de lumière fournissent la lumière du jour. La seule vue qu’ils fournissent est essentiellement droite dans la plupart des applications. Des tubes lumineux bien isolés peuvent faire entrer la lumière du jour dans les pièces septentrionales sans utiliser de puits de lumière. Une serre solaire passive fournit une lumière du jour abondante pour le côté équateur du bâtiment.

Les caméras thermiques infrarouges à thermographie couleur (utilisées dans les audits énergétiques formels) peuvent rapidement documenter l’impact thermique négatif du verre à angle de toit ou du puits de lumière par une nuit froide ou par une chaude journée d’été.

Le département américain de l’Énergie déclare: «Le vitrage vertical est la meilleure option pour les espaces solaires». Les vitres à angle de toit et les vitres à parois latérales ne sont pas recommandées pour les espaces solaires solaires passifs.

Le US DOE explique les inconvénients des vitrages à angle de toit: Le verre et le plastique ont une faible résistance structurelle. Lorsqu’il est installé verticalement, le verre (ou le plastique) porte son propre poids car seule une petite surface (le bord supérieur du vitrage) est soumise à la gravité. Au fur et à mesure que le verre s’incline par rapport à l’axe vertical, une zone plus grande (maintenant la section transversale inclinée) du vitrage doit supporter la force de gravité. Le verre est également cassant. il ne fléchit pas beaucoup avant de casser. Pour remédier à cela, vous devez généralement augmenter l’épaisseur du vitrage ou augmenter le nombre de supports structurels destinés à maintenir le vitrage. Les deux augmentent le coût global, et le dernier permettra de réduire la quantité de gain solaire dans l’espace solaire.

Un autre problème commun avec le vitrage en pente est son exposition accrue aux intempéries. Il est difficile de maintenir une bonne étanchéité sur le verre à angle de toit en plein soleil. La grêle, la neige fondue, la neige et le vent peuvent provoquer une défaillance matérielle. Pour la sécurité des occupants, les organismes de réglementation exigent généralement que le verre incliné soit constitué de verre de sécurité, stratifié ou une combinaison de ceux-ci, ce qui réduit le potentiel de gain solaire. La majeure partie du verre sur le toit du Crowne Plaza Hotel Orlando Airport a été détruite en une seule tempête. Le verre à angle de toit augmente les coûts de construction et peut augmenter les primes d’assurance. Le verre vertical est moins sensible aux intempéries que le verre coudé.

Il est difficile de contrôler le gain de chaleur solaire dans un espace solaire avec des vitrages en pente pendant l’été et même au milieu d’une journée d’hiver douce et ensoleillée. Les puits de lumière sont l’antithèse du refroidissement solaire passif des bâtiments à énergie zéro dans les climats soumis à des exigences en matière de climatisation.

Angle de rayonnement incident
La quantité de gain solaire transmise à travers le verre est également affectée par l’angle du rayonnement solaire incident. La lumière du soleil frappe une seule feuille de verre à moins de 45 degrés de la perpendiculaire est principalement transmise (moins de 10% est réfléchie), tandis que pour la lumière du soleil frappant à 70 degrés de la perpendiculaire, plus de 20% de la lumière est réfléchie et au-dessus de 70 degrés, ce pourcentage augmente fortement. .

Tous ces facteurs peuvent être modélisés plus précisément avec un photomètre et un héliodon ou un banc optique, qui permettent de quantifier le rapport de la réflectivité à la transmissivité, en fonction de l’angle d’incidence.

Un logiciel d’ordinateur solaire passif peut également déterminer l’impact du rayonnement solaire et des degrés-jours de refroidissement et de chauffage sur les performances énergétiques.

Dispositifs d’ombrage et d’isolation fonctionnels
Une conception avec trop de vitrage faisant face à l’équateur peut entraîner un chauffage excessif en hiver, au printemps ou en automne, des espaces de vie mal éclairés à certaines périodes de l’année et un transfert de chaleur excessif les nuits d’hiver et d’été.

Bien que le soleil soit à la même altitude 6 semaines avant et après le solstice, les besoins en chauffage et en refroidissement avant et après le solstice sont sensiblement différents. Le stockage de chaleur à la surface de la Terre provoque un “retard thermique”. La couverture nuageuse variable influence le potentiel de gain solaire. Cela signifie que les surplombs de fenêtres fixes spécifiques à la latitude, bien qu’importants, ne constituent pas une solution complète de contrôle du gain solaire saisonnier.

Les mécanismes de contrôle (tels que les draperies, volets, stores extérieurs escamotables ou stores enroulables) peuvent compenser les différences causées par le retard thermique ou la couverture nuageuse et aider à contrôler les variations journalières / horaires des besoins en énergie solaire.

Les systèmes domotiques qui surveillent la température, la lumière du soleil, l’heure de la journée et l’occupation de la pièce peuvent contrôler avec précision les dispositifs motorisés d’ombrage et d’isolation de fenêtres.

Couleurs extérieures reflétant – absorbant Les
matériaux et les couleurs peuvent être choisis pour refléter ou absorber l’énergie thermique solaire. L’utilisation des informations sur une couleur pour un rayonnement électromagnétique afin de déterminer ses propriétés de rayonnement thermique, de réflexion ou d’absorption peut faciliter les choix.