Qu’est-ce que le chauffage solaire passif et comment fonctionne-t-il ?

Pendant des décennies, nous avons chauffé nos maisons avec des combustibles fossiles coûteux. Les prix de ces méthodes de chauffage domestique sont imprévisibles chaque mois. Des technologies plus récentes et moins coûteuses suscitent des interrogations : comment pouvons-nous abandonner ces méthodes de chauffage domestique au profit d’une méthode plus écologique et plus rentable ? Voici le chauffage solaire passif.

La conception solaire passive fait référence à l‘utilisation de l’énergie solaire pour le chauffage et le refroidissement des espaces de vie par exposition au soleil. Lorsque la lumière du soleil frappe un bâtiment, les matériaux de construction peuvent réfléchir, transmettre ou absorber le rayonnement solaire. En outre, la chaleur produite par le soleil provoque un mouvement d’air qui peut être contrôlé et donc utilisé dans des espaces spécialement conçus (on parlera de puits canadien ou puits provençaux) . Ces réponses de base à la chaleur solaire conduisent à des éléments de conception, des choix de matériaux et des placements qui peuvent fournir à la fois du chauffage mais aussi une forme de climatisation dans une maison.

Contrairement aux systèmes de chauffage solaire actif, les systèmes passifs sont simples et n’impliquent pas une utilisation importante de dispositifs mécaniques et électriques, tels que des pompes, des ventilateurs ou des commandes électriques pour déplacer l’énergie solaire.

Comment fonctionne le chauffage solaire passif ?

Une conception solaire passive complète comporte cinq éléments :

• Ouverture/Collecteur : La grande surface vitrée par laquelle la lumière du soleil pénètre dans le bâtiment. L’ouverture ou les ouvertures doivent être orientées à moins de 30 degrés du sud et ne doivent pas être ombragées par d’autres bâtiments ou des arbres de 9 h à 15 h tous les jours pendant la saison de chauffage.
• Absorbeur : La surface dure et foncée de l’élément de stockage. Cette surface, qui peut être un mur de maçonnerie, un plancher ou un réservoir d’eau, se trouve dans la trajectoire directe de la lumière du soleil. La lumière du soleil qui frappe la surface est absorbée sous forme de chaleur.
• Masse thermique : Matériaux qui retiennent ou stockent la chaleur produite par la lumière du soleil. Alors que l’absorbeur est une surface exposée, la masse thermique est le matériau situé sous et derrière cette surface.
• Distribution : Méthode par laquelle la chaleur solaire circule des points de collecte et de stockage vers les différentes zones de la maison. Une conception strictement passive utilisera exclusivement les trois modes naturels de transfert de chaleur : conduction, convection et rayonnement. Dans certaines applications, des ventilateurs, des conduits et des soufflantes peuvent être utilisés pour distribuer la chaleur dans la maison.
• Contrôle : Les débords de toit peuvent être utilisés pour ombrager la zone d’ouverture pendant les mois d’été. Parmi les autres éléments qui permettent de contrôler la sous-chauffe et/ou la surchauffe, citons les dispositifs de détection électroniques, tels que le thermostat différentiel qui signale à un ventilateur de se mettre en marche, les évents et les volets ouvrables qui permettent ou limitent le flux de chaleur, les stores à faible émissivité et les auvents.

Une fois cette chaleur retenue à l’intérieur de la masse thermique comment la distribuer dans la maison ? On l’a rapidement vu dans le point « Distribution », mais je voudrais revenir dessus de manière plus détaillée. Pour distribuer donc la chaleur dans la maison; il existe trois façons :

• Rayonnement – Chaleur qui se propage sous forme d’ondes, pensez à votre micro-ondes.
• Convection – Vous avez déjà vu ces lignes irrégulières dans l’air lorsqu’il fait très chaud ? Cette chaleur se déplace par convection. En général, cela signifie qu’elle se déplace dans l’air.
• Conduction – Si vous avez déjà touché une surface très chaude et que vous vous êtes brûlé, félicitations : la chaleur a été transférée à votre main par conduction.

Schéma d’une maison à chauffage solaire passif

Les systèmes de chauffage solaire passif

L’objectif des systèmes de chauffage solaire passif est de capter la chaleur du soleil dans les éléments du bâtiment et de libérer cette chaleur pendant les périodes où le soleil est absent, tout en maintenant une température ambiante confortable. Les deux principaux éléments du chauffage solaire passif sont le verre orienté vers le sud et la masse thermique pour absorber, stocker et distribuer la chaleur. Il existe plusieurs approches différentes pour mettre en œuvre ces éléments.

Systèmes à gain direct

Le gain direct est la chaleur du soleil qui est collectée et contenue dans un espace occupé principalement via des baies vitrées qui permettent au rayonnement solaire de chauffer les maçonneries à l’intérieur de la maison. Cette chaleur peut être retenue par la masse thermique du bâtiment ou – au contraire – être évitée grâce à des matériaux réfléchissants.

L’apport solaire direct est important pour tout site qui a besoin de chauffage, car c’est le moyen le plus simple et le moins coûteux de chauffer passivement un bâtiment. A contrario, il est également important d’éviter les gains solaires directs dans les mois chauds et ensoleillés.

Un bon gain direct est mesuré ou prédit en déterminant la quantité d’énergie thermique que le soleil fournit à l’espace intérieur tout au long de la journée et de l’année. Dans de nombreux climats, un gain de chaleur plus important est souhaité en hiver, lorsque le soleil est bas, tandis qu’un gain moindre ou nul est souhaité en été. De même, on souhaite généralement un gain plus important le matin, mais moins ou pas du tout en fin d’après-midi. L’apport direct n’est pas la quantité totale de rayonnement solaire incident, puisque la totalité de celui-ci n’entrera pas et ne sera pas retenu dans l’espace.

Gain direct à travers les murs / toits, et à travers les vitrages

La lumière du soleil peut chauffer un espace à travers les murs solides ou la toiture. La lumière du soleil entre également dans l’espace intérieur par les fenêtres et chauffe donc l’intérieur de la maison.

Une partie de la lumière du soleil est un rayonnement de grande longueur d’onde, qui est de la chaleur ; en outre, la lumière de toute longueur d’onde absorbée par les surfaces se transforme en chaleur dans ces matériaux. Ces matériaux réchauffent ensuite les personnes présentes dans la pièce en leur transmettant directement la chaleur, en réchauffant l’air qui transporte la chaleur par convection et en rediffusant leur chaleur par radiation.

Vitrage pour le gain solaire

L’emplacement et la surface de l’ouverture vitrée sont un facteur énorme dans la quantité de chaleur gagnée, à quelles heures de la journée et à quelles saisons de l’année. Sous la plupart des latitudes, elle est optimisée par de grandes surfaces de vitrage orientées vers l’équateur (donc au sud pour l’hémisphère Nord), les principaux espaces de vie étant exposés directement derrière. Les stores bloquent l’excès de soleil aux heures chaudes et laissent entrer la chaleur du soleil aux heures plus fraîches.

Une orientation, un dimensionnement et un ombrage judicieux doivent être associés à une sélection intelligente des propriétés des vitrages. Différents types de vitrage peuvent attirer la chaleur du soleil vers l’intérieur, la rejeter ou laisser la chaleur intérieure s’échapper. Plusieurs types de vitrage peuvent être appropriés sur différentes faces du bâtiment.

Éviter les pertes

Les grandes surfaces de vitrage qui laissent entrer la chaleur pendant la journée peuvent également laisser sortir la chaleur la nuit. La chaleur peut s’échapper par les fenêtres, soit par transfert thermique direct, soit en laissant passer le rayonnement à ondes longues lorsque les matériaux intérieurs réémettent leur chaleur. Il faut donc prévoir une forme de protection nocturne pour minimiser les pertes par conduction et convection à travers les fenêtres. Il est possible d’utiliser des rideaux épais avec une corniche fermée ou un lambrequin pour sceller le haut, ou des volets roulants internes/externes isolés.

Masse thermique pour les gains solaires

La masse thermique est essentielle au confort en cas de gain de chaleur solaire. Elle absorbe et retient la chaleur, ralentissant la vitesse à laquelle le soleil chauffe l’espace et la vitesse à laquelle l’espace perd sa chaleur lorsque le soleil est absent. Sans masse thermique, la chaleur qui a pénétré dans un espace sera simplement ré-émise rapidement, rendant l’espace excessivement chaud avec la lumière du soleil et excessivement froid sans. Ainsi un dallage en pierre épaisse à l’intérieur de la maison – par exemple – se « remplira » beaucoup plus de chaleur et la restituera pendant un temps bien plus important.

Couleur de la surface et toits froids

La quantité de lumière solaire absorbée par un matériau (et donc convertie en chaleur) dépend de sa couleur. Les surfaces de couleur claire feront « rebondir » la lumière dans l’espace, la distribuant sur un plus grand nombre de surfaces alentours. Les matériaux de couleur foncée absorbent la majeure partie de l’énergie incidente dès qu’elle frappe. Les deux peuvent être utiles, en fonction de la situation. Imaginez un plancher clair entouré de murs plus sombres : la masse thermique des murs sera chauffé par la réverbération du sol.

Les toits doivent souvent éviter les apports solaires directs dans les climats chauds. Les « toits froids » utilisent des couleurs claires pour réfléchir la plus grande partie de la chaleur du soleil. Les surfaces de toit froides sont souvent bien plus efficaces que le simple ajout d’une isolation de toit. Par exemple, la surface d’un toit noir peut facilement devenir 40°C plus chaude que la surface d’un toit blanc lors d’une journée ensoleillée.

La couleur du matériau induit sa capacité à stocker ou refouler la chaleur : l’importance de l’albedo.

Une mesure courante de ce phénomène est l’albédo, c’est-à-dire la capacité du matériau à réfléchir la lumière du soleil. Les toits de couleur claire ont un « albédo élevé ». Mais la mesure la plus souvent utilisée pour les codes et les normes1 est l’indice de réflectance solaire (IRS), qui prend en compte à la fois la réflectance et l’émissivité.

L’IRS est une échelle où 0 correspond à la peinture noire standard la moins thermoréfléchissante (réflectance 0,05, émittance 0,90), et 100 à la peinture blanche standard la plus thermoréfléchissante (réflectance 0,80, émittance 0,90). Cela signifie qu’il est possible pour certains matériaux d’avoir un IRS légèrement inférieur à zéro ou légèrement supérieur à 100.

Pour être considéré comme un « toit froid » selon les normes courantes, l’IRS doit être supérieur à 78 pour les toits plats, et supérieur à 29 pour les toits pentus.

Systèmes à gain indirect

La masse thermique est située entre le soleil et l’espace habitable. La masse thermique absorbe la lumière du soleil qui la chauffe et la transfère à l’espace de vie par conduction. Le système à gain indirect utilise 30 à 45 % de l’énergie solaire reçu du coté exposé de la masse thermique.

Le système de gain indirect le plus courant est le mur Trombe.

Les murs Trombe sont un type de technologie qui peut être installé dans les maisons pour chauffer passivement le bâtiment. L’inclusion de murs Trombe réduit le besoin de chauffer le bâtiment à l’aide d’appareils de chauffage, réduisant ainsi la quantité d’énergie utilisée pour chauffer la maison. Comme une cheminée solaire ou un mur solaire, les murs Trombe sont un moyen de concevoir des bâtiments efficaces sur le plan énergétique. Ces murs sont avantageux car leur fonctionnement ne demande que peu ou pas d’effort et ils sont idéaux pour les espaces où le silence et l’intimité sont souhaitables.

Ces murs sont construits à partir d’un matériau de couleur sombre – parfois du béton – qui est construit face au soleil de sorte que le rayonnement solaire soit incident sur ce mur. Ce mur est ensuite recouvert d’un vitrage extérieur, avec une petite quantité d’air entre le mur et le vitrage. Ce vitrage piège la lumière du soleil comme une petite serre. Dans l’hémisphère nord, ces murs sont orientés vers le sud.

Comment fonctionne un mur Trombe ?

Pour qu’un mur Trombe fonctionne correctement, il doit être construit de manière à maximiser le gain total de chaleur du soleil tout en minimisant les pertes qui se produisent pendant les périodes froides. De même, il ne doit pas gagner de chaleur pendant les périodes chaudes. Pendant la journée, les murs de Trombe orientés vers le soleil sont exposés à la lumière du soleil. Le mur absorbe et stocke la chaleur provenant du rayonnement solaire direct. L’air frais du bâtiment pénètre dans le canal d’air entre le mur et le vitrage par un évent situé au bas du mur. L’air frais entre par le bas et est réchauffé par la chaleur stockée dans le mur en béton. Pendant ce temps, l’air réchauffé monte et est renvoyé dans le bâtiment par un évent situé en haut du mur. De plus, le mur lui-même réchauffe lentement la pièce intérieure en rayonnant sa chaleur dans la pièce.

La nuit, un mur Trombe fonctionne différemment. Les bouches d’aération situées en haut et en bas du mur sont fermées afin d’éviter que l’air désormais frais présent dans le canal entre le vitrage et le mur ne réintègre la maison. La chaleur absorbée par le mur en béton est toujours capable de maintenir un espace intérieur confortablement chaud pendant la nuit.

Afin d’éviter une surchauffe en été, une avancée de toit ou d’autres technologies d’ombrage peuvent être utilisées pour empêcher le rayonnement solaire excessif de frapper le mur Trombe et de le chauffer.

Le refroidissement solaire passif

Les systèmes de refroidissement solaire passif fonctionnent en réduisant les gains de chaleur indésirables pendant la journée, en produisant une ventilation non mécanique, en échangeant l’air intérieur chaud contre de l’air extérieur plus frais lorsque cela est possible, et en stockant la fraîcheur de la nuit pour modérer les températures chaudes de la journée. Dans leur forme la plus simple, les systèmes de refroidissement solaire passif comprennent des surplombs ou des stores sur les fenêtres orientées au sud, des arbres d’ombrage, une masse thermique et une ventilation transversale.

Ombrage

Pour réduire les gains de chaleur indésirables en été, toutes les fenêtres doivent être ombragées par un surplomb (une forme de corniche qui les maintiennent à l’ombre quand le soleil est haut) ou d’autres dispositifs tels que des auvents, des volets et des treillis. Si un auvent sur une fenêtre orientée au sud dépasse de la moitié de la hauteur de la fenêtre, les rayons du soleil seront bloqués pendant l’été, mais pénétreront quand même dans la maison pendant l’hiver – car alors le soleil est plus bas – même à son zenith. Le soleil étant bas sur l’horizon pendant le lever et le coucher du soleil, les surplombs sur les fenêtres orientées à l’est et à l’ouest ne sont pas aussi efficaces. Essayez de minimiser le nombre de fenêtres orientées à l’est et à l’ouest si le refroidissement est une préoccupation majeure. La végétation peut être utilisée pour ombrager ces fenêtres. L’aménagement paysager en général peut être utilisé pour réduire le gain de chaleur indésirable pendant l’été en utilisant des arbres à feuille caduques (ils font de l’ombre en été et laisse passer la lumière quand ils ont perdus leurs feuilles en hivers).

Masse thermique

La masse thermique est utilisée dans une conception de refroidissement passif pour absorber la chaleur et modérer les augmentations de température interne pendant les journées chaudes. Pendant la nuit, la masse thermique peut être refroidie par ventilation, ce qui lui permet d’être prête le lendemain à absorber à nouveau la chaleur. Il est possible d’utiliser la même masse thermique pour le refroidissement pendant la saison chaude et le chauffage pendant la saison froide.

Ventilation

La ventilation naturelle maintient une température intérieure proche de la température extérieure. Elle ne constitue donc une technique de refroidissement efficace que lorsque la température intérieure est égale ou supérieure à la température extérieure. Le climat détermine la meilleure stratégie de ventilation naturelle : en été par exemple elle doit être forte la nuit et limitée en pleine journée.

Dans les régions où il y a des brises diurnes et un désir de ventilation pendant la journée, ouvrez les fenêtres du côté du bâtiment qui fait face à la brise et du côté opposé pour créer une ventilation croisée. Lors de la conception, placez des fenêtres dans les murs faisant face à la brise dominante et dans les murs opposés.

Dans un climat comme celui de la France, où les températures nocturnes sont plus basses que les températures diurnes, il faut s’efforcer de faire entrer de l’air frais la nuit et de fermer la maison à l’air chaud extérieur pendant la journée. La ventilation mécanique est un moyen d’introduire de l’air frais la nuit, mais le refroidissement par convection est une autre option.

Le refroidissement par convection

La forme la plus ancienne et la plus simple de refroidissement par convection est conçue pour faire entrer l’air frais de la nuit depuis l’extérieur et expulser l’air chaud de l’intérieur. S’il y a des brises nocturnes dominantes, des évents hauts ou ouverts du côté sous le vent (le côté opposé au vent) permettront à l’air chaud près du plafond de s’échapper. Des évents bas du côté opposé (le côté face au vent) permettront à l’air frais de la nuit de remplacer l’air chaud.

Dans les endroits où il n’y a pas de vents dominants, il est toujours possible d’utiliser le refroidissement par convection en créant des cheminées thermiques. Les cheminées thermiques sont conçues de manière à ce que l’air chaud monte ; elles créent une zone d’air chaud (souvent grâce à un gain solaire) et ont une sortie d’échappement extérieure élevée. L’air chaud sort du bâtiment par la sortie haute ce qui créé dans la maison une dépression aspirant l’air plus frais par une entrée d’air basse.

Il existe de nombreuses approches différentes pour créer l’effet de cheminée thermique. L’une d’elles consiste en un solarium attenant orienté au sud et ventilé par le haut. L’air est aspiré de l’espace de vie par les évents inférieurs et évacué par les évents supérieurs du solarium (les évents supérieurs du solarium vers l’espace de vie et toutes les fenêtres ouvrantes doivent être fermées et le mur de masse thermique du solarium doit être ombragé).

Le chauffage solaire passif est-il rentable ?

Le chauffage solaire passif est l’un des meilleurs investissements que vous puissiez faire lorsque vous achetez ou construisez une nouvelle maison. Les systèmes de chauffage solaire passif permettent de réaliser des économies; des études ont montré que les études ont montré que les économies réalisées par une maison fonctionnant au gaz peuvent aller de 200 à 450 Euros par an. De même, une maison qui utilise le fioult pour le chauffage peut s’attendre à économiser entre 250 et 600 euros par an

Il est important de noter que l’énergie solaire passive est un élément à prendre en compte lors de l’achat d’une nouvelle maison ou d’un bâtiment..et non pour l’installer dans votre maison actuelle. Pour installer un système de chauffage solaire passif, il vous faudrait démolir complètement l’intérieur de votre maison pour repositionner les fenêtres, les avancées de toit, etc. Ne tenez donc pas compte de cette option.

Quel est l’avenir du chauffage solaire passif ?

Le chauffage solaire passif existe depuis des dizaines d’années et les récentes améliorations de la conception ont permis d’accroître l’efficacité à chaque étape du processus. Alors pourquoi la plupart des Français ne possèdent-ils pas de maison équipée d’un système de chauffage solaire passif ?

Tout d’abord, tirer parti du chauffage solaire passif nécessite un investissement initial et un travail de préparation pour que tout soit en place. Mais il en va de même pour la plupart des projets d’amélioration de l’habitat, et celui-ci peut vous faire économiser beaucoup d’argent. Cela nous amène à la deuxième raison :

Trop peu de gens ont entendu parler du solaire passif. L’aspect pratique est là : le solaire passif permet de réduire les émissions de gaz à effet de serre tout en faisant des économies. Mais il n’est pas encore devenu une idée courante comme l’ont été le chauffage au gaz naturel ou même les panneaux solaires installés sur les toits. Cela devrait bientôt changer.

À mesure que le monde devient plus conscient de l’environnement, il faut s’attendre à ce que de plus en plus de gens profitent de la possibilité de réduire leur empreinte écologique et d’économiser de l’argent sur leurs factures de chauffage. Et comme notre technologie devient plus efficace, les raisons de profiter de l’énergie solaire ne font que croître