Introduction :Il existe plusieurs méthodes de chauffage solaire. Chacune d’elles a des conséquences sur l’aspect

de la maison, sur la consommation de l’énergie et sur le coût de la construction.L’utilisation de l’énergie solaire dans l’habitat peut recourir a des techniques différentes,

thermique ou photovoltaïques. Pour le seul solaire thermique on distingue le solaire passive et le solaire actif.

Cet exposé présente les méthodes fondamentales et le principe de fonctionnement des systèmes de chauffage solaire passifs et actifs.

I. LE SYSTEME SOLAIRE PASSIF

1. Définitions :Systèmes passifs : représentent les systèmes qui reposent sur la conception et la construction adéquates d’un bâtiment afin d’obtenir un gain direct de chaleur solaire. Ils n’utilisent pas d’autres sources d’énergie que les sources naturelles du soleil et du vent.

L'habitat passif : Est une notion initiée en 1990 par l'ingénieur Wolfgang Feist (en Allemane) pour qualifier un bâtiment dont la consommation énergétique au m² est très basseElle est construite pour bénéficier au maximum de la chaleur du soleil en raison du caractère judicieux de sa conception (forme, orientation, répartition des ouvertures, isolation, inertie thermique,...), de la qualité de ses composants (murs, toiture, sol, fenêtres et portes… ), les éléments de son milieu environnant et d'une ventilation performante pour maîtriser les apports d‘air et le degré d’humidité.

2. Objectifs du système solaire passif :L’objectif principal de système solaire passif est d’arriver à un confort thermique hivernal (chauffage), estival (climatisation) et un confort lumineux.

A. Chauffage solaire passif :

Principes de fonctionnement du chauffage solaire passif: Capter la chaleur:Dans l'hémisphère nord, en hiver, le soleil se lève au sud-est et se couche au sud-ouest, Pour capter

son énergie, il convient donc de placer les ouvertures vitrées principales au sud. Le verre laisse passer la lumière mais absorbe les infrarouges et va, en conséquence, piéger la chaleur du soleil à l'intérieur de l’édifice. Ce phénomène est aussi appelé « effet de serre ». La lumière du soleil sera convertie en chaleur par les surfaces opaques de l’édifice. Lorsque cette énergie sous forme d'infrarouges va tenter de ressortir, la vitre va l'absorber et la réémettre en partie vers l'intérieur de l’édifice. C'est ce qu'on appelle le «solaire passif »  : solaire car la source d'énergie est le soleil, passif car le système fonctionne seul sans système mécanique.

Toujours dans l'hémisphère nord, en été, le soleil se lève au nord-est et se couche au nord-ouest et est haut sur l'horizon à midi. L'angle d'incidence de ses rayons sur les surfaces vitrées orientées vers le sud est donc élevé. Toutefois, si les surfaces vitrées sont importantes, la quantité d‘énergie qui traverse peut suffire à faire surchauffer la maison. C'est pourquoi il convient de protéger ces surfaces vitrées par des volets, des avancées de toiture calculées en conséquence, ou des brises soleils extérieurs horizontaux, dimensionnés de manière à bloquer le rayonnement solaire direct en été mais pas en hiver. Sur les ouvertures des façades est et ouest, les protections solaires horizontales sont d'une efficacité limitée, car les rayons solaires ont une incidence moins élevée; seules les protections solaires verticales (volets) sont efficaces dans ce cas.

En résumé : une maison passive se caractérise par :1. des ouvertures de grande dimension au sud2. très peu d'ouvertures au nord3. peu d'ouvertures à l'est (soleil du matin)4. peu d'ouvertures à l'ouest (soleil du soir)

Transformer/Diffuser la chaleur: Pour convertir la lumière en chaleur, on utilise des matériaux opaques, comme une dalle ou des murs peints d'une couleur sombre. Ces éléments doivent être de teinte plutôt foncée sinon ils réfléchiraient la lumière sans la convertir en chaleur. Le matériau doit également être très dense et très lourd. Plus sa masse est importante, plus il pourra absorber une quantité d'énergie importante, l'objectif étant de capter pendant la journée suffisamment d'énergie pour la rediffuser pendant toute la nuit.

Conserver la chaleur: Une fois captée et transformée, l'énergie solaire doit être conservée à l'intérieur de la maison le plus longtemps possible. C'est la raison pour laquelle il faut isoler conséquemment les parois.). Par ailleurs, les pièces annexes seront idéalement placées au nord (façade fermée) et les pièces de vie côté sud (façade ouverte). Enfin, la végétation plantée autour de l’édifice a aussi un rôle à jouer : haie brise-vent, conifères au nord, feuillus au sud.

B. Climatisation :

La climatisation passive consiste à minimiser l'énergie thermique du Soleil par diverses techniques : il s'agit, d'une part, d'isoler le bâtiment contre l'air chaud et l'énergie lumineuse du Soleil et, d'autre part, d'évacuer vers l'extérieur, à l'aide d'une ventilation naturelle, l'apport de chaleur attribuable aux appareils ménagers et aux occupants. On peut réduire l'apport thermique du rayonnement solaire grâce à des stores ou des rideaux, fixes ou réglables, à des haies, des arbustes et des arbres plantés à des endroits stratégiques et à des fenêtres dont le verre est spécialement traité. Tout en laissant filtrer une quantité importante de lumière. On peut aussi améliorer l'isolation, réduire les dimensions des fenêtres et utiliser des matériaux réfléchissants sur le toit et les murs extérieurs.

C. La lumière :

La conception architecturale doit exploiter le plus possible la lumière du jour. Il faut donc tenir compte de la configuration de l'espace à éclairer, de l'emplacement, de la forme et des dimensions des ouvertures par lesquelles passent la lumière du jour, de l'emplacement des surfaces intérieures capables de réfléchir la lumière et de l'emplacement des objets mobiles ou fixes, qui offrent une certaine protection contre une lumière envahissante ou l'éblouissement.

3. Éléments de système passif:

Formes compactes:

Afin de limiter les déperditions, il faut minimiser les surfaces en contact avec l'extérieur, l'enveloppe du bâtiment doit être donc la plus compacte possible.

Une forte inertie thermique:

Les matériaux de forte inertie, qui fonctionnent comme des masses d'accumulation de chaleur, servent à retenir l'énergie incidente reçue pendant la journée pour la restituer la nuit. Citons le béton ou la pierre. Il est alors préférable de concevoir une isolation par l'extérieur plutôt que par l'intérieur.

L'isolation:

Une bonne isolation permet de diminuer les déperditions thermiques donc il est utile de renforcer celle des parois opaques (notamment sur les façades Nord) et utiliser des fenêtres isolantes car dans les bâtiments conventionnels, une bonne part de la chaleur s'échappe par les fenêtres, même les fenêtres à double vitrage. C'est pourquoi les bâtiments qui exploitent l'énergie solaire emploient de la fenêtre ultra isolante. Serties dans un cadre isolant, ces fenêtres sont caractérisées par un triple vitrage scellé avec cales d’espacement isolant ; l'espace entre les panneaux est rempli d'un gaz inerte, et le verre est traité d'un revêtement à faible émissivité. De telles fenêtres permettent de conserver efficacement la chaleur solaire et de réduire au minimum l'emploi d'appareils de chauffage.

Des matériaux adéquats:L'utilisation de matériaux qui respirent (non étanches), tels que bois non verni, peinture et revêtement microporeux, chanvre, liège, etc., assurent la régulation de l'humidité du logement et contribuent au confort.Les matériaux des murs et des planchers aident à prévenir le chauffage excessif et à conserver la chaleur après la tombée du jour. Ils doivent avoir une certaine masse pour absorber l'énergie, prévenir le chauffage excessif durant les heures de grand apport solaire et irradier l'énergie thermique petit à petit après la tombée du jour. Pour les planchers, on utilise de préférence des pierres ou des carreaux de carrière étendus sur un sol fait de mortier d'arasement ; on utilise pour les murs une paroi continue de briques ou une double paroi de placoplâtre.

Des zones tampons:

Des zones tampons aménagées sous forme d'espaces peu ou non chauffés (garage, cellier) du côté Nord se comportent comme une isolation thermique et diminuent les pertes de chaleur.

Les vérandas:

Pour qu’elle chauffe la maison le plus efficacement possible en hiver les composants d’une véranda devront être les suivants :

Les surfaces vitrée :

Elles servent a piéger les rayonnements solaires

Ouvertures entre la maison et la véranda :

Elles servent à chauffer immédiatement la maison.

Les murs entre la maison et la véranda :

Ils vont accumuler la chaleur solaire pendant la journée et la restituer le soir à l’intérieure de la maison.

Les ouvertures entre la véranda et l’extérieure :

Ils permettre de rafraîchir efficacement la véranda et d’accumuler de la fraîcheur pour la maison

En hiver les rayons solaires entrent dans la véranda et pénètrent également dans la maison.

En été pour éviter les surchauffes, il convient de fermer les portes et fenêtres de la maison et d’ouvrir les ouvertures de la maisons

Orientation:

Une maison solaire doit largement s'ouvrir au Sud et privilégier les surfaces vitrées dans le secteur Sud Est Sud Ouest et en les réduisant au Nord pour réduire les déperdition

Favoriser la circulation de l'air:

Pour un meilleur confort à l'intérieur du logement, il faut favoriser la circulation de l'air par convection.

Un avant toit

Un avant toit ou des protections solaires fixes ou mobiles (encore appelées "casquette") bien dimensionnées évitent la surchauffe estivale mais laisse pénétrer le soleil hivernal.

Des Plantes Les arbres sont des climatiseurs naturels : ils génèrent de l'ombre, humidifient l'air par évaporation, baissent sa température et le purifie.Les plantes disposées aux endroits appropriés de la maison contribuent à régler le degré d'humidité de l'air intérieur. Des arbres et des haies plantées du côté Nord protègent du vent. Des arbres à feuilles caduques du côté Sud ne limitent la pénétration du soleil qu'en été.

4. Exemple :

Ce projet consiste à la construction d’une maison passive (bioclimatique) à ossature bois, une maison qui prend en compte les données locales, à savoir le climat et l'environnement dans lequel elle va être construite.Cette maison est une habitation privée (de Mr. Mme train Christophe) qui comporte un rez de chaussée, un étage (comble aménagé) et un garage double.

Présentation du projet :

Étude de site :

a. Situation :Le projet se situe en centre de la France dans une petite ville du Loir-et-Cher, à Neung-sur-Beuvron (1134 habitants) au lieu dit <la Basiniére> dans le lotissement <les Pins > qui se composera de 6 maisons. Le projet est réalisé sur le terrain qui était, plus large que les autres (Lot n 06) et qui est caractérisé par la richesse de son couvert végétal.

b. Accessibilité :On accède au projet par une voie publique, la façade principale sera implantée à 20m de cette voie.

Topographie :Le terrain est en légère pente descendante vers l’arrière (4℅)

c. Superficie :Le projet à une surface habitable de 105,43m2, une surface hors d’œuvre nette de 109,88m2 et une surface hors d’œuvre brute de 209,54m2.

Genèse du projet (aspect bioclimatique) :

a. objectifs:Afin d’arriver a leurs objectif de construire une maison passive à ossature bois Lors de la conception les constructeurs, sont intéresses à: :-Une analyse détaillée du terrain qui va permettre de décider de l'orientation de la maison sur le terrain, de sa localisation précise, des protections naturelles dont ils vont l'entourer, de la végétation...-L'architecture sera adaptée aux conditions climatiques caractéristiques du lieu: surchauffe, vents dominants, neige, pluie...-Une bonne orientation de la maison qui peut générer d'importantes économies de chauffage tirer partie des apports solaires en hiver, mais s'en protéger l'été,-L’utilisation des matériaux adéquats -Protection contre des vents dominants.

b. Solutions adoptées :Afin d’arriver à leurs objectif les constructeurs ont utilise les éléments suivants :

Orientation:

-Orientation des pièces :Les espaces à vivre sont placés au Sud alors que les espaces produisant de la chaleur et les locaux non chauffés sont placés au Nord et Ouest servant ainsi comme espace tampon.Les pièces sont reparties selon leurs orientation comme suit

pièceOrientation Remarque

Séjour, salon Sud Le salon est la pièce à vivre par excellence. Elle doit être claire, panoramique, chaude en hiver et fraîche en été.

Chambres Est ou Sud Est Les chambres doivent être orientes à l’Est pour profiter du lever du soleil mais rester fraîches enfin de la journée

Pièces froides (garage, cellier…)

Nord ou l’Ouest Elle joueront le rôle de tampon ou de sas avec les pièces principales et permettrons de réduire les déperditions de chauffage

Cuisine Ouest La cuisine est une pièce qui à cause de la cuisson des repas, produit de la chaleur.

Orientation des fenêtres

Aménagement de la maison en privilégiant les ouvertures au Sud – (baies vitrées orientées au sud) et en les réduisant au Nord pour réduire les déperdition. Réalisation des fenêtres de toit

Un avant toit:   * débord de toiture protégeant ainsi du soleil l'été afin d’arriver a un confort d'été,  * mais laissant passer le soleil l'hiver (apport solaire l'hiver), donc économie d'énergie.

Isolation et matériaux:Ils ont opté pour les matériaux naturels comme le bois, la chaux, les laines végétales et animales pour l'isolation, les revêtements de sols naturels, végétaux ou minéraux, le chauffage est conçu pour une énergie non fossile (pas de fioul, gaz ou charbon...).La couverture est et tuiles plates en terre cuite ardoisée.

Exploitation de la lumière naturelle :Le confort lumineux et l’économie d’électricité sont réglés grâce a la réalisation d’une mezzanine et l’orientation des fenêtres vers le Sud.

Végétation :Pour se protéger des vents dominants (Nord, ouest) ils ont gardé la végétation existante dans ces cotes