L'énergie solaire pour les bâtiments - SCHL

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L’énergie solaire pour les bâtiments Une excellente stratégie en matière de conception consiste à orienter les fenêtres pour qu’elles laissent entrer ou bloquent l’énergie solaire. En règle générale, les fenêtres orientées au sud admettent les gains solaires alors que les fenêtres orientées à l’est ou à l’ouest bloquent les gains du soleil levant ou couchant. Les stratégies conceptuelles axées sur l’orientation des fenêtres seront approfondies plus loin. Une autre démarche consiste à régir les gains solaires au moyen de stores motorisés, d’ailleurs largement utilisés dans les aéroports, les atriums et certains bâtiments commerciaux en Europe. À l’instar d’autres technologies de régulation, tels les enduits électrochromes, les stores motorisés pourraient bientôt devenir efficients. Si le contrôle de la technologie solaire active est pris en considération au moment de déterminer la capacité du système de refroidissement, des économies appréciables pourraient découler de la baisse de consommation d’énergie et de capacité du matériel. Obstructions au rayonnement solaire Les obstructions peuvent exercer un effet appréciable sur le potentiel solaire. Pour les bâtiments de faible ou de moyenne hauteur, les obstructions s’entendent généralement d’autres bâtiments, de la configuration du sol ou d’arbres. Quant aux immeubles de grande hauteur, les obstructions proviennent surtout d’autres bâtiments imposants. Les obstructions peuvent être caractérisées au moyen du graphique des trajectoires solaires de la figure 8. Les obstructions à l’est et à l’ouest réduisent l’exposition au soleil l’été, mais pas en hiver, alors que le soleil se lève au sud-est et se couche au sud-ouest. Techniques solaires passives misant sur les gains directs À proprement parler, la conception solaire passive tire parti directement de l’énergie solaire, sans l’intervention d’appareils mécaniques. Dans sa forme la plus simple, le soleil qui s’infiltre par la fenêtre réchauffe la pièce. La masse thermique à l’intérieur du bâtiment absorbe une partie de la chaleur et la libère le soir venu. La masse thermique interne réduit les fluctuations de température à l’intérieur d’une pièce. Dans un système solaire passif bien conçu, la masse thermique absorbe l’énergie solaire pendant la journée, prévenant ainsi la surchauffe du bâtiment, puis libère l’énergie le soir. La masse thermique a le plus d’efficacité lorsqu’elle peut capter directement l’énergie solaire. Pour le chauffage solaire passif, la masse thermique idéale se caractérise par une Température de l’air 8 Société canadienne d’hypothèques et de logement Période de la journée capacité calorifique élevée, une conductance modérée, une densité modérée et une émissivité élevée. Le coût supplémentaire est négligeable si le matériau remplit aussi une fonction structurale ou décorative. Le béton et la maçonnerie constituent d’excellents matériaux de masse thermique. (L’enduit au plâtre, les plaques de plâtre et les carreaux ont également une utilité sur ce plan, mais des calculs s’imposent pour déterminer s’ils ont une masse suffisante, comme cela a été fait dans le cadre de l’étude d’Halifax.) Une maison individuelle solaire passive peut abaisser de 30 à 50 % son énergie de fonctionnement grâce au dimensionnement des fenêtres et au stockage de la masse thermique. Une étude récente consacrée aux collectifs d’habitation en Suède révèle que la quantité d’énergie de fonctionnement consommée dans un bâtiment massif n’est que légèrement inférieure à celle d’un bâtiment semblable, mais à ossature légère 7 . L’analyse du coût global indique que le supplément d’énergie requise pour réaliser le bâtiment massif dépasse les avantages en matière de fonctionnement. Température extérieure Bâtiment à ossature légère en bois d’œuvre Bâtiment massif pourvu d’isolant extérieur Bâtiment massif enfoui et partiellement couvert de terre Figure 6 – Effet de la masse interne sur les fluctuations de la température intérieure 7 Stahl, Fredrik, The effect of thermal mass on the energy during the life cycle of a building, présenté lors du 6 e Symposium nordique sur la science du bâtiment 2.
La masse est reconnue pour être en mesure de réduire la charge de climatisation de pointe lorsque les températures nocturnes sont plus fraîches que celles du jour. Les masses extérieures et intérieures se rafraîchissent le soir et atténuent la demande de climatisation de pointe tout en retardant également la période de gains solaires de pointe au cours de la journée. Par contre, l’efficacité de la masse thermique est proportionnelle à la variation admissible de la température ambiante pendant une journée. Fenêtres L’orientation, l’agencement et la performance des fenêtres revêtent de l’importance dans la conception d’un bâtiment solaire passif. L’objectif consiste à prévoir l’aire de vitrage tout indiquée au bon endroit. Sans fenêtre, le mur ordinaire isolé fait obstacle au rayonnement solaire, transmettant ainsi peu d’énergie à l’intérieur. Dimensionnement des fenêtres Il existe deux façons de déterminer l’aire de vitrage orientée au sud. Elle peut se calculer en pourcentage de l’aire totale du mur extérieur, méthode peu utile puisqu’elle n’a aucune incidence sur ce qui se passe audelà du mur, ou en pourcentage de l’aire de plancher chauffée, qui tient compte du volume du bâtiment. Le bâtiment type bénéficiant de la technique passive de chauffage solaire peut être pourvu d’une aire de vitrage orientée au sud équivalant à 10 à 15 % de l’aire de plancher chauffée. La masse à l’intérieur doit également augmenter en fonction de l’aire de vitrage donnant au sud. Le site Web Advanced Buildings Technologies and Practices, à l’adresse http://www.advancedbuildings.org, propose un ratio fenêtres-mur extérieur (RFM) de 25 à 35 %, comme pour un collectif d’habitation typique. Le RFM peut augmenter en agissant comme il se doit sur les gains solaires (par exemple, en prévoyant des stores motorisés) et transmettre le surplus d’énergie aux zones donnant au nord. L’aménagement d’un vaste atrium doté d’une capacité suffisante de stockage thermique pourrait amener le rapport vers les 50 %. Le recours à une double façade pourvue de stores entre les deux parois, ou de dispositifs d’ombrage extérieurs permet de réduire la charge de climatisation l’été. (Figure 4 – Villa urbaine, Amstelveen). 8 Vitrage La section fait état de quelques-uns des paramètres de la plus haute importance en conception de fenêtres et de vitrage. Coefficient d’apport par rayonnement solaire (CARS) Le coefficient d’apport par rayonnement solaire (CARS) est une mesure utile de la capacité d’une fenêtre à laisser passer l’énergie solaire. Le CARS est la quantité de gains solaires qu’autorise une fenêtre, divisée par la quantité d’énergie solaire disponible sur sa paroi extérieure; il s’agit d’un chiffre se situant entre 0 (mur massif) et 1 (fenêtre ouverte). Le CARS peut se mesurer pour la fenêtre, y compris son dormant, ou l’aire de vitrage. Plus le CARS est élevé, plus la fenêtre capte l’énergie solaire avec efficacité. Si la surchauffe cause un motif d’inquiétude, l’emploi de fenêtres à faible coefficient d’apport par rayonnement solaire permettra L’énergie solaire pour les bâtiments d’exclure l’énergie solaire pour ainsi réduire la charge de climatisation. Un seul carreau de verre transparent faisant face au soleil laisse passer la majeure partie des rayons solaires visibles, une partie des rayons infrarouges et très peu de rayons ultraviolets, mais accusera aussi les plus importantes déperditions de chaleur de l’intérieur vers l’extérieur. Voici comment modifier les fenêtres pour en accroître la performance : ■ L’ajout d’une deuxième ou d’une troisième couche de verre fait diminuer grandement la valeur U (et augmenter la valeur R) tout en conservant un important CARS. Les couches supplémentaires de verre peuvent recevoir un enduit à faible émissivité. L’enduit à faible émissivité admet toujours des gains solaires (rayons de courtes longueurs d’ondes) et contribue à conserver la chaleur en réduisant les pertes par rayonnement infrarouge. Cette caractéristique est très avantageuse du point de vue du chauffage solaire passif. ■ Il existe également des enduits réfléchissants qui bloquent l’énergie solaire indésirable (et réduisent le CARS) et ont pour effet d’abaisser les besoins de climatisation. On trouve de nombreux verres sélectifs qui bloquent certaines longueurs d’onde et qui risquent de modifier le CARS et le niveau de transmission de lumière visible. ■ Les vitrages sous vide, dont la lame d’air est remplie d’un gaz inerte tel l’argon ou le krypton, ou encore d’un isolant transparent, permettent de réduire les pertes de chaleur par conduction ou par convection. Comme les lames de gaz offrent un bon rendement à peu de frais, leur emploi est recommandé dans les fenêtres comportant un enduit à faible émissivité. 8 Voir l'étude de cas tirée de la série « L'innovation dans les immeubles » intitulée Atrium, protection solaire et ventilation destinés au confort des résidents – Amstelveen : http://www.cmhc.ca/fr/prin/coco/toenha/inim/loader.cfm?url=/commonspot/security/getfile.cfm&PageID=60602 Société canadienne d’hypothèques et de logement 9
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