Principes d'architecture solaire passive
Informations du cours
Programme de 1ère - Enseignement scientifique - France
Introduction à l'architecture solaire passive
Principe de base
L'architecture solaire passive est une méthode de conception de bâtiments qui maximise l'utilisation du rayonnement solaire pour le chauffage et l'éclairage sans utiliser de dispositifs mécaniques ou électriques.
Elle repose sur la disposition architecturale, les matériaux et les surfaces pour capter, stocker et distribuer la chaleur solaire.
Ce concept est ancien mais connaît un regain d'intérêt dans le contexte de la transition énergétique.
- 1 Capture : capter le rayonnement solaire (fenêtres, surfaces absorbantes)
- 2 Stockage : conserver la chaleur dans des matériaux à haute capacité thermique
- 3 Distribution : transférer la chaleur aux zones nécessaires
- 4 Contrôle : gérer l'entrée et la sortie de la chaleur
- Économie d'énergie : réduction des besoins en chauffage
- Écologie : diminution des émissions de CO₂
- Confort thermique : température plus stable
- Coût réduit : pas d'équipements mécaniques complexes
- Fiabilité : pas de dépendance aux systèmes mécaniques
Orientation et disposition
Positionnement stratégique
En France, l'orientation sud est optimale pour la capture du rayonnement solaire.
Les surfaces vitrées doivent être orientées vers le sud pour maximiser la lumière reçue.
Un angle d'inclinaison de 30-60° est idéal pour les surfaces captantes.
- Pièces de vie : orientées sud pour bénéficier du soleil
- Garages et caves : orientés nord pour isoler du froid
- Chambres : orientation est pour lumière matinale
- Cuisine et salle de bain : peuvent être orientées ouest
Des protections (auvents, stores, végétation) sont nécessaires pour éviter le surchauffage en été.
Le Soleil est plus haut en été, donc l'angle d'incidence change.
Les protections doivent être conçues pour laisser passer le Soleil en hiver.
En hiver, le Soleil est plus bas, donc l'angle d'incidence est plus favorable.
À Paris (latitude 48°N), le Soleil culmine à 19° en hiver (90° - 48° - 23,5°).
En été, il culmine à 65,5° (90° - 48° + 23,5°).
Matériaux et isolation
Propriétés thermiques des matériaux
Les matériaux à haute capacité thermique peuvent stocker de la chaleur :
- Béton : c = 880 J·kg⁻¹·K⁻¹
- Brique : c = 840 J·kg⁻¹·K⁻¹
- Bois : c = 1200-2400 J·kg⁻¹·K⁻¹
- Eau : c = 4180 J·kg⁻¹·K⁻¹
Plus la capacité est élevée, plus le matériau peut stocker de chaleur.
La conductivité thermique détermine la rapidité de transfert de chaleur :
- Acier : λ = 50 W·m⁻¹·K⁻¹
- Béton : λ = 1,4 W·m⁻¹·K⁻¹
- Bois : λ = 0,1-0,2 W·m⁻¹·K⁻¹
- Laine de verre : λ = 0,04 W·m⁻¹·K⁻¹
Plus λ est faible, plus le matériau est isolant.
- Surface noire : absorption élevée (α ≈ 0,9), idéale pour les surfaces captantes
- Surface blanche : absorption faible (α ≈ 0,1), idéale pour les surfaces réfléchissantes
- Surface métallique : absorption variable selon le traitement
- Surface vitrée : transmission du rayonnement visible, absorption de l'infrarouge
Le coefficient U (ou U-value) mesure l'isolation thermique d'une paroi :
Où h_ext et h_int sont les coefficients de transfert convectif extérieur et intérieur, d l'épaisseur, et λ la conductivité thermique.
Systèmes de stockage thermique
Accumulation de chaleur
Le stockage sensible utilise la capacité thermique des matériaux pour accumuler de la chaleur.
Où Q est la chaleur stockée, m la masse, c la capacité thermique spécifique, et ΔT la variation de température.
Exemples : murs massifs, planchers chauffants, accumulateurs d'eau.
Les PCM (Matériaux à Changement de Phase) stockent la chaleur lors du changement d'état.
Où L est la chaleur latente de fusion ou de vaporisation.
Avantages : stockage à température constante, densité énergétique élevée.
Exemples : sels hydratés, paraffines, cires.
- Murs Trombe : murs absorbants avec vitrage pour stocker la chaleur
- Pavés thermiques : dalles en matériaux à haute capacité thermique
- Accumulateurs d'eau : cuves d'eau pour stocker la chaleur
- Parois thermiques : murs avec matériaux à changement de phase
Un mur de 10 m² en béton (ρ = 2400 kg·m⁻³, c = 880 J·kg⁻¹·K⁻¹) de 0,2 m d'épaisseur :
m = ρ × V = 2400 × (10 × 0,2) = 4800 kg
ΔT = 5°C (variation raisonnable)
Q = 4800 × 880 × 5 = 21,12 MJ = 5,87 kWh
Exercice d'application 1
Calcul de stockage thermique
Un mur de 20 m² est construit en béton de 30 cm d'épaisseur.
La conductivité thermique du béton est λ = 1,4 W·m⁻¹·K⁻¹.
La capacité thermique spécifique est c = 880 J·kg⁻¹·K⁻¹.
La densité est ρ = 2400 kg·m⁻³.
1. Calculer la masse du mur.
2. Déterminer la quantité de chaleur stockée si la température augmente de 8°C.
3. Convertir cette énergie en kWh.
4. Si le mur reçoit 200 W·m⁻² de rayonnement pendant 6 heures, quelle fraction de cette énergie est absorbée si le rendement est de 70% ?
Solution exercice 1
Correction détaillée
- Surface du mur : S = 20 m²
- Épaisseur du mur : e = 0,3 m
- Conductivité thermique : λ = 1,4 W·m⁻¹·K⁻¹
- Capacité thermique : c = 880 J·kg⁻¹·K⁻¹
- Densité : ρ = 2400 kg·m⁻³
- Augmentation de température : ΔT = 8°C
- Irradiance reçue : E = 200 W·m⁻²
- Rendement d'absorption : η = 0,7
Volume : V = S × e = 20 × 0,3 = 6 m³
Masse : m = ρ × V = 2400 × 6 = 14 400 kg
Q = m × c × ΔT = 14 400 × 880 × 8 = 101 376 000 J
Soit Q = 101,4 MJ
1 kWh = 3 600 000 J
Q(kWh) = 101 376 000 / 3 600 000 = 28,16 kWh
Énergie reçue : E_reçue = E × S × t = 200 × 20 × (6 × 3600) = 86 400 000 J
Énergie absorbée : E_absorbée = η × E_reçue = 0,7 × 86 400 000 = 60 480 000 J
Soit 60,48 MJ ou 16,8 kWh
Exercice d'application 2
Coefficient U d'une paroi
Une paroi est constituée de :
- Plâtre : 1,5 cm, λ = 0,2 W·m⁻¹·K⁻¹
- Laine de verre : 10 cm, λ = 0,04 W·m⁻¹·K⁻¹
- Brique : 20 cm, λ = 0,7 W·m⁻¹·K⁻¹
Le coefficient de transfert convectif est h_ext = 20 W·m⁻²·K⁻¹ et h_int = 10 W·m⁻²·K⁻¹.
1. Calculer la résistance thermique de chaque couche.
2. Déterminer la résistance thermique totale.
3. Calculer le coefficient U de la paroi.
4. Comparer avec une paroi sans isolation (seulement brique).
Solution exercice 2
Correction détaillée
- Plâtre : e₁ = 0,015 m, λ₁ = 0,2 W·m⁻¹·K⁻¹
- Laine de verre : e₂ = 0,10 m, λ₂ = 0,04 W·m⁻¹·K⁻¹
- Brique : e₃ = 0,20 m, λ₃ = 0,7 W·m⁻¹·K⁻¹
- h_ext = 20 W·m⁻²·K⁻¹, h_int = 10 W·m⁻²·K⁻¹
Pour chaque couche : R = e / (λ × S) (pour une surface unitaire)
- Plâtre : R₁ = 0,015 / 0,2 = 0,075 K·W⁻¹
- Laine de verre : R₂ = 0,10 / 0,04 = 2,5 K·W⁻¹
- Brique : R₃ = 0,20 / 0,7 = 0,286 K·W⁻¹
R_totale = 1/h_ext + R₁ + R₂ + R₃ + 1/h_int
R_totale = 1/20 + 0,075 + 2,5 + 0,286 + 1/10
R_totale = 0,05 + 0,075 + 2,5 + 0,286 + 0,1 = 3,011 K·W⁻¹
U = 1 / R_totale = 1 / 3,011 = 0,332 W·m⁻²·K⁻¹
La paroi est très bien isolée (U faible).
Paroi sans isolation : R_seule = 1/20 + 0,286 + 1/10 = 0,436 K·W⁻¹
U_sans_isolation = 1 / 0,436 = 2,29 W·m⁻²·K⁻¹
La paroi isolée est 7 fois plus efficace (2,29 / 0,332 ≈ 7).
Applications technologiques
Conception des bâtiments
- Orientation sud : maximisation de la lumière solaire
- Grandes fenêtres : surfaces captantes
- Isolation thermique : U < 0,15 W·m⁻²·K⁻¹
- Stockage thermique : matériaux massifs
- Ventilation double flux : récupération de chaleur
Les capteurs solaires thermiques peuvent être intégrés dans l'architecture passive :
- Collecteurs plans pour eau chaude
- Collecteurs à tubes sous vide pour haute température
- Capteurs intégrés dans les surfaces extérieures
- Combinaison avec les systèmes passifs
Le design varie selon le climat local :
- Climats froids : maximisation de la capture hivernale
- Climats chauds : minimisation de la capture estivale
- Climats tempérés : équilibre entre été et hiver
Des bâtiments exemplaires montrent l'efficacité de l'architecture solaire passive :
- Maison de la Cité des Sciences (Paris)
- Bâtiments BBC (Bâtiment Basse Consommation)
- Constructions bioclimatiques
Bilan énergétique
Équilibre thermique
Le bilan énergétique d'un bâtiment s'exprime :
Où Q_gains inclut le rayonnement solaire, le métabolisme, les appareils électriques, etc.
Q_pertes inclut les transferts par conduction, convection et rayonnement.
ΔQ_stockage est la variation d'énergie interne.
Les gains solaires dépendent de :
- Surface vitrée exposée
- Orientation par rapport au sud
- Transmittance du vitrage
- Température extérieure
- Rayonnement incident
Les pertes thermiques sont données par :
Où U est le coefficient de transmission thermique global, S la surface, et T les températures intérieure et extérieure.
Pour une architecture solaire passive, il faut maximiser les gains solaires en hiver et minimiser les pertes :
- Maximiser la surface vitrée sud
- Minimiser les surfaces vitrées nord
- Optimiser l'isolation
- Contrôler les apports internes
- Utiliser le stockage thermique
Résumé
Points clés
- Capture : orientation sud, surfaces vitrées
- Stockage : matériaux à haute capacité thermique
- Distribution : circulation naturelle de l'air
- Contrôle : isolation, protections estivales
- Capacité thermique : détermine la capacité de stockage
- Conductivité : détermine la rapidité de transfert
- Absorption/réflexion : détermine l'interaction avec la lumière
- Maisons passives
- Bâtiments à énergie positive
- Constructions bioclimatiques
- Projets de développement durable
Conclusion
Félicitations !
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