L'architecture solaire passive : Différence entre versions
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Version du 8 mai 2011 à 16:24
L'architecture solaire passive se définie comme l'art de bâtir une habitation en profitant au mieux du rayonnement solaire pour les besoins de chauffage ou de climatisation. La conception de l'habitation dépend avant tout de sa localisation et de son climat. Elle repose sur trois fondamentaux: l'apport de chaleur, la ventilation et l'isolation.
Sommaire
Histoire
Socrate, le célèbre philosophe grec du Vème siècle av. JC est sûrement le premier à parler d'architecture solaire passive. Il décrit la maison idéale, fraîche pendant l'été, chaude pendant l'hiver: "Eh bien, quand les maisons regardent le midi, le soleil ne pénètre-t-il pas, en hiver, sous les galeries extérieures, et, en été, passant au-dessus de nos têtes et par-dessus les toits, ne nous procure-t-il pas de l'ombre ?"[1].
On retrouve l'application des conseils de Socrate dans toute la Grèce antique, comme dans la ville de Prienne où la majorité des maisons sont tournées vers le soleil de midi.
L'empire romain s'intéresse tout autant que leurs ancêtres grecs à l'importance de l'architecture solaire dans la conception des bâtiments. Vitruve, un grand architecte romain du Ier siècle av. JC, décrit l'importance de l'environnement extérieur dans De Architectura: "La disposition d'une maison aura été avantageusement choisie, si, pour la bâtir, on a eu égard au pays et au climat."[2].
Toujours à la même époque, le philosophe romain Sénèque évoque pour la première fois l'utilisation de la pierre spéculaire qui est l'ancêtre d'un élément majeur de l'architecture solaire: la fenêtre vitrée[3].
Cette nouvelle invention permet ainsi d'améliorer la conservation de la chaleur dans les logements mais aussi de construire les premières serres maraîchères et de produire des légumes même en hiver[4].
La prise de conscience de l'importance du soleil pour l'habitat pendant l'époque romaine conduira même au VIème siècle ap. JC à l'élaboration d'une loi du droit au soleil dans le corpus juris civilis (Code de Justinien)[5].
Après la chute de Rome, toutes les connaissances en matière d'architecture solaire sont tombées dans l'oubli. Pendant le moyen-âge, l'homme était plus préoccupé à se barricader dans une maison fortifiée que d'y faire rentrer le soleil. C'est alors une autre civilisation, les amérindiens, qui découvrent petit à petit les bienfaits du soleil. Au XIème et XIIème siècle, les Anasazis, amérindiens du grand sud-ouest de l’Amérique du Nord, orientaient leurs maisons face au sud afin de mieux profiter de la chaleur du soleil. L'alignement des maisons est très visible dans la ville d'Acoma Pueblo[6].
En Europe, il faut attendre le XVIème siècle et le mini âge de glace de 1550 à 1850 pour retrouver un intérêt de l'architecture solaire. Certains recommencent ainsi à reconstruire des serres pour y faire pousser des légumes, d'autres font pousser les légumes au pied de murs spécialement érigés pour emmagasiner la chaleur.
Au XIXème siècle, lors de la révolution industrielle, des lois de droits au soleil sont promulgués en Angleterre et en Allemagne suite à l'entassement anarchique des populations dans les villes.
La révolution industrielle fait place à la révolution scientifique du XXème siècle. Les connaissances en matière d'architecture solaire s'améliorent. Par exemple en 1931, le Royal Institute of British Architects publie un manuel de référence sur le mouvement journalier et saisonnier du soleil. Une autre étude sur l'efficacité des premières maisons solaires modernes est menée par l'entreprise Libbey-Owens Ford Class Company qui est ni plus ni moins l'inventeur du double vitrage.
Après la seconde guerre mondiale, les progrès en matière d'architecture solaire se poursuivent, comme l'utilisation du mur accumulateur ou l'invention du mur Trombe.
Principe
L'architecture solaire passive à pour but de réduire au maximum la consommation énergétique d'un bâtiment. Elle repose sur l'exploitation judicieuse des phénomènes naturels comme le climat et le rayonnement solaire. Selon le Passivhaus Institut, une maison solaire passive doit consommer au maximum 15 kWh/m² par année.
Paramètres généraux
La conception d'une maison solaire passive doit respecter certaine règles essentielles. La plus importante est le choix du terrain sur lequel sera construit le bâtiment. Vient alors le choix de son orientation et de sa forme. Une fois tous ces paramètres déterminés, on peut penser à son agencement intérieur et la disposition des ouvertures.
Environnement extérieur
L'environnement extérieur est très important puisqu'il conditionne la façon de concevoir une maison solaire passive. La conception n'est pas la même si la maison est située en zone tempérée, sous les tropiques ou sous l'équateur de même qu'une maison situé en hémisphère sud n'est pas orientée de la même manière qu'une située en hémisphère nord.
Que l'habitation soit passive ou non, la première étape d'une construction est le choix du terrain. Ce choix est essentiel puisqu'il influencera toutes les prochaines étapes de construction; alors autant bien le choisir.
Ce choix se fait sur différents critères:
- Être proche des transports publics, du travail, des services publiques, ...
A quoi cela sert de construire une maison économe en énergie si vous ne l'êtes pas lors de vos déplacement quotidiens !
- S'assurer que le terrain n'est pas en zone inondable, cela peut vous éviter des soucis.
Demandez à consulter le PLU (Plan Local d'Urbanisme) auprès de votre mairie.
- Règle fondamentale pour une maison solaire passive: trouver un emplacement bien ensoleillé !
Vérifier la course du soleil bas de l'hiver (de l'été en hémisphère sud), il est nécessaire qu'il soit disponible entre 9h et 15h (heure solaire); c'est durant cette période que vous pouvez recevoir environ 90% des apports solaires de la journée.
- Renseignez-vous des projets en matière d'infrastructures.
Il serait dommage qu'un immeuble de 15 étages ne soit construit quelques mois après devant votre jardin, masque le soleil et rendent votre maison passive totalement inefficace. Afin de prévenir ce genre de désagrément, demandez également à consulter le PLU (Plan Local d'Urbanisme) auprès de votre mairie.
- Vérifiez la composition du terrain auprès du BRGM (Bureau de Recherche Géologique et Minière) pour envisager le type de fondation le mieux adapté à votre construction ou si vous souhaitez installer un chauffage utilisant la géothermie.
Une fois tous ces critères remplis, vous allez pouvoir vous concentrer sur le potentiel de votre terrain.
- Étudiez le climat local.
Une maison solaire construite sous un climat méditerranéen recherchera plus à se protéger de la chaleur en période chaude, alors qu'une maison construite sous un climat continental recherchera à s'isoler du froid de la période froide.
- Étudiez le relief environnant.
En principe il est très influant sur les courants d'air. Ceux-ci vous intéresse particulièrement lors de la période chaude, puisqu'ils permettent de refroidir votre habitation.
- Ne négligez pas la végétation.
Au nord (au sud pour l'hémisphère sud), privilégier une végétation "coupe-vent" efficace en période froide, à l'aide de résineux par exemple. Au sud (au nord pour l'hémisphère sud), privilégier une végétation qui laisse passer le soleil en période froide et la masque en période chaude, à l'aide d'arbres feuillus par exemple. Du même côté, optez également pour un jardin ou/et un point d'eau qui vous permettront de rafraîchir l'air en période chaude.
Forme du bâtiment et orientation
La forme optimale d'une maison solaire passive est celle qui nous permettra de gagner un maximum de chaleur en période froide et un minimum en période chaude.
En période froide, le soleil est bas et le maximum d'apport de chaleur se fait côté Sud (Nord dans l'hémisphère Sud), le côté Est et Ouest n'en récupère que très peu. Il est donc conseillé d'avoir le côté Sud très allongé.
En période chaude, le soleil est haut et ormis au niveau du toit, le maximum d'apport de chaleur se fait côté Est et Ouest (quelque soit la latitude). Il convient donc d'avoir une petite surface côtés Est et Ouest.
La forme optimale d'une maison solaire est donc une forme allongée Est-Ouest, quelque soit la latitude.
Disposition intérieure
L'un des grands principes de la maison solaire passive est le fait qu'elle doit consommer un minimum d'énergie, que se soit pour le chauffage que pour l'éclairage. On utilise donc ces deux critères, le besoin en éclairage et le besoin en chauffage dans le choix de disposition des différentes pièces. On prend aussi en compte la durée, le moment et la manière dont ces pièces seront utilisées.
Évidemment, chaque ménage a sa propre façon de vivre dans son habitation, il n'y a donc pas de disposition intérieure type. Cependant, nous pouvons disposer les pièces selon 4 zones distinctes (pour une habitation située en hémisphère Nord):
- Zone Sud: on retrouvera toutes les pièces "de vie"; bien éclairées et bien chauffées par une bonne exposition au soleil, ce sont les pièces les plus souvent occupées. On peut y implanter le salon, la cuisine, la salle à manger...
- Zone Nord: on s'assurera d'y créer un espace "tampon", dont les besoins en éclairage et chauffage sont faibles. Ce sont les pièces les moins occupées: couloirs, placards de rangement, buanderies, garages...
- Zone Est: on profitera du soleil matinal pour y installer les pièces ayant besoin de chaleur le matin et de fraîcheur en fin de journée. On peut y implanter les chambres, le coin "petit-déjeuner" comme la cuisine, la salle de bain, ...
- Zone Ouest: à l'inverse de la zone Est, on profitera du soleil du soir pour les pièces ayant besoin de fraîcheur le matin et de chaleur en fin de journée. On peut y implanter une salle de jeux, un bureau, la salle de bain, ...
Emplacement des ouvertures
L'emplacement et la taille des ouvertures détermineront les apports en éclairage et en chaleur. L'installation des ouvertures devront correspondre à un besoin maximal d'éclairage et de chaleur en période froide et minimal en période chaude.
Les caractéristiques des ouvertures ne sont donc pas les mêmes selon l'orientation des murs; on notera 3 types d'emplacements des ouvertures distinctes (pour une habitation située en hémisphère Nord):
- Côté Sud: elles doivent être en grand nombre et de grande tailles afin de capter un maximum de chaleur et de luminosité en période froide. On s'assurera de les protéger en été par des avancées (auvents, stores) en fonction de l'inclinaison des rayons du soleil.
- Côtés Est et Ouest: elles doivent être de surface modérée, de façon à éclairer correctement les pièces. Leurs bilans thermiques en période froide sont équilibrés ou négatifs, il conviendra de les doter d'un double vitrage.
- Côté Nord: le moins possible ! La face Nord ne reçoit pas d'apport de chaleur direct que ce soit en été ou en hiver. Elles restent donc une source ininterrompue de déperdition.
Quelques soient les ouvertures, il conviendra des les installer dans l'épaisseur des murs. Cela permet des les protéger du vent et pour celles situés au Sud, de créer une avancée qui les protégera des rayons du soleil d'été.
Apports de chaleur et de fraîcheur
Les besoins en chaleur ou en fraîcheur dépendent avant tout de la latitude et du climat sous lequel est construit l'habitation. En période froide, on privilégiera ainsi les apports directs ou indirects de chaleur provenant essentiellement du rayonnement lumineux. A l'inverse en période chaude, on utilisera au maximum l'ombre afin de protéger le logement d'une chaleur excessive.
Comme le veut une maison passive, l'ensemble des procédés utilisés doivent être passifs, c'est à dire qu'ils fonctionnent sans avoir à être actionnés. Immobiles, ces procédés sont également plus durables dans le temps.
Les apports directs de chaleur
L'apport direct de chaleur est la manière la plus efficace et la plus simple de chauffer son logement. Il consiste à laisser entrer le rayonnement solaire direct et diffus à travers de larges baies vitrées, généralement situées plein Sud (pour l'hémisphère Nord). La chaleur sera ainsi piégée par le vitrage. Ensuite, on s'assurera d'ériger face à l'ouverture, un mur assez massif pour conserver la chaleur emmagasinée pendant la journée, afin de la restituer pendant la nuit.
Les apports indirects de chaleur
L'apport indirect de chaleur est en général réalisé par une masse thermique interposée entre le soleil et l'espace intérieur à chauffer. le mur trombe est un bon exemple qui utilise ce procédé. La journée, le mur située plein Sud (masse thermique) accumule la chaleur du rayonnement solaire afin de la restituer de manière plus diffuse le jour et la nuit. Le mur est en général placé derrière une baie vitrée afin d'éviter les déperditions vers l'extérieur, sa surface est très absorbante, et son volume intérieur a une très grande capacité thermique.
Les protections solaires
En période chaude, il est nécessaire de penser aux protections solaires, au lieu de se retrouver avec un logement inconfortable car surchauffé. Le principe consiste à stopper les apports directs et indirects de chaleur que l'on utilisent en période froide. Ces ombrages fixes ou amovibles, artificiels ou naturels, jouent souvent sur la course du soleil pour être "transparents" en hiver et efficaces en été.
Voici quelques exemples de protections solaires:
- Auvent horizontal:
L'auvent horizontal est une avancée extérieure située au dessus de la fenêtre. Elle permet d'occulter les rayons du soleil d'été lorsqu'ils sont très inclinés.
- Store:
Le store est la protection solaire la plus utilisée. Mobile, il peut être vertical ou horizontal. L'avantage de ce procédé est qu'il peut s'adapter parfaitement à la position du soleil. Cependant, il doit être actionné manuellement à moins d'y installer un automatisme. Autre point faible, étant mobile et de matière textile, il s'use plus rapidement dans le temps qu'un auvent.
- Treille naturelle:
La treille naturelle est une protection solaire réalisée grâce à des plantes grimpantes agrippées à un treillage. Généralement horizontale, la treille est disposée au dessus des baies vitrées situées plein Sud. Son principal avantage est que la végétation se développe en fonction des saisons, assurant de l'ombre en été, et laissant passer la lumière en hiver.
- Brises soleil:
Les brises soleil peuvent être horizontaux ou verticaux. Ils utilisent la différence d'inclinaison des rayons du soleil laissant ainsi passer les rayons d'hiver mais pas ceux d'été.
- Ombrages naturels:
Une végétation judicieusement plantée aux abords de l'habitation, peut servir d'ombrage naturel. On utilise le plus souvent des arbres ou arbustes "feuillus". Ils ont l'avantage de masquer le rayonnement solaire d'été, et de laisser passer celui d'hiver.
Conservation et diffusion de la chaleur
Récupérer l'énergie solaire par apports directs ou indirects ne suffit pas à rendre une maison confortable. Il faut également être capable de conserver et diffuser la chaleur durablement. Pour se faire, la maison solaire se repose sur deux grands principes: une bonne isolation et une ventilation adéquate. Dans les régions chaudes (de type méditerranéen par exemple), un autre principe doit être pris en compte: l'évacuation de la chaleur.
L'isolation
Une bonne isolation est indispensable dans la conception d'une maison solaire. En période froide, elle permet de conserver la chaleur emmagasinée pendant la journée, en période chaude, elle permet de conserver la fraîcheur emmagasinée pendant la nuit par une bonne ventilation. Pour être bien isolée, l'habitation doit avoir une enveloppe fortement isolée thermiquement et sans discontinuité.
Un logement possède 5 types d'isolations différents:
- L'isolation des murs: non isolés, ils sont responsables d'environ 25% des pertes de chaleur. L'isolation doit être conséquente, et pour être efficace elle ne peut se faire que de deux manières: soit "répartie"; le mur joue le rôle de l'isolant dans toute son épaisseur à l'aide de brique auto-isolante en terre cuite ou en ossature bois, soit "extérieure"; l'isolant, de préférence une laine minérale, recouvre le mur par l'extérieur afin d'éviter les ponts thermiques.
- L'isolation du toit: la toiture est la principale source de déperdition de chaleur (environ 30%) car l'air chaud monte ! Il existe deux solutions complémentaires d'isolation: la toiture végétalisée; adapté à un toit à faible pente, la couverture végétale permet d'améliorer l'isolation aussi bien l'été que l'hiver, et une isolation sous toiture, de préférence végétale (fibre de bois, chanvre, ...).
- L'isolation du sol: le sol est responsable d'environ 7% des pertes de chaleur, il est également important de l'isoler pour le simple confort d'y marcher pied-nu. Si le plancher est sur terre-plein on optera pour un isolant sous dalle flottante; si le plancher est sur vide-sanitaire ou un local non-chauffé (cave), on optera pour une isolation en sous-face ou par un plancher en dalles de béton cellulaire.
- L'isolation des fenêtres: les fenêtres sont responsables d'environ 13% des déperditions de chaleur. Il est nécessaire d'installer des fenêtres double vitrage, voir triple vitrage pour les façades orientées au nord. Un autre point important est l'étanchéité entre le mur et la menuiserie.
- L'isolation des portes: la porte d'entrée ou celle du garage est également source de déperdition de chaleur. Elles doivent être au moins en bois, voir intégrer un isolant. Si la porte comporte une surface vitrée, assurez-vous que ce soit un double vitrage.
La ventilation
Une maison solaire est quasiment étanche par son isolation importante. Ainsi, l'air doit être renouvelé en conséquence par une bonne ventilation, et ce pour plusieurs raisons: avoir suffisamment d'oxygène, évacuer la pollution intérieur, et limiter le taux d'humidité.
- La première des solutions est la ventilation naturelle; accessible à tous, elle est plus réalisée par une bonne habitude à prendre plutôt que par une solution technique complexe: aérez la maison quotidiennement. En hiver, ouvrez les fenêtres en grand pendant 5 minutes, l'air sera renouvelé rapidement et les murs n'auront pas le temps de refroidir. Autre solution naturel; les grilles d'aération au dessus des fenêtres. Elle renouvelle l'air en continu grâce à la différence de température en tre l'intérieur et l'extérieur. Cependant, elle est source de déperdition de chaleur.
- La deuxième solutions qui est complémentaire est la ventilation mécanique, appelée communément VMC. La solution est certes loin d'être passive, mais elle est un élément clé d'une maison solaire. Il existe deux grands types de VMC: la VMC simple flux, où la ventilation ne fait qu'extraire l'air intérieur, et la VMC double flux, qui récupère la chaleur contenue dans l'air extrait pour réchauffer l'air neuf à souffler.
Les moyens de réfrigération
Les moyens de réfrigération en période estivale sont souvent négligés à cause de la priorité donnée à la recherche de chaleur en hiver. Pourtant, ce manque de fraîcheur peut rendre l'habitation très inconfortable alors qu'ils existent des moyens simples pour la rafraîchir. Deux facteurs complémentaires permettent de rafraîchir un logement: une bonne ventilation et l'occultation du soleil.
Quelque soit le climat, pourvu qu'il soit chaud en période estival, on peut conseiller 4 solutions techniques:
- La première solution technique est le puit canadien.Ce procédé consiste à refroidir l'air extérieur en le faisant passer à l'intérieur d'un circuit enterré dans le sol où la température est plus fraîche en été.
- Une deuxième solution technique consiste à planter de la végétation ou d'installer un plan d'eau à l'extérieur; principalement là d'où vient les vents dominants. La végétation permettra de réduire le rayonnement réfléchi, et masquera le soleil principalement côtés Est et Ouest. Le plan d'eau humidifiera l'air et le rafraîchira par evapotranspiration, ce qui est particulièrement efficace dans les climats chauds et secs.
- Troisième solution technique: choisissez une toiture végétalisée, à teinte claire ou en matériau réfléchissant. En effet, en été la toiture reçoit la plus grande partie du rayonnement solaire.
- Dernière solution technique: protégez les ouvertures du soleil; La meilleur solution consiste tout simplement à fermer les volets. Sinon optez pour des auvents, des stores, ou encore une treille naturelle.
A part toutes ces solutions techniques, des gestes simples permettent de garder une température fraîche à l'intérieur de votre habitation. Que le climat soit chaud et sec ou chaud et humide, la méthode est un peu différente:
- En climat chaud et sec: laissez entrer la fraîcheur de la nuit afin de rafraîchir la masse d'inertie (les murs). Pour ce faire, ouvrez du côté des brises dominantes de la nuit et associez des sorties d'air sur la façade opposée, ce qui permettra une bonne circulation de l'air à travers l'habitation. En journée, fermez toutes les ouvertures et protégez les des rayons du soleil (par les volets, stores, ...).
- En climat chaud et humide: l'écart de température est faible entre le jour et la nuit. Il faudra donc protéger avant tout l'habitation du rayonnement solaire par des stores, auvents, la végétation, par une teinte de la toiture et des murs très claire, puis favorise la ventilation du logement. Laissez donc entrer au maximum l'air extérieur venant des brises dominantes pendant la journée et la soirée. Pour que la circulation de l'air soit plus efficace, assurez-vous d'avoir les sorties d'air plus grandes que les entrées.
États des lieux
L'architecture solaire passive est encore une science très méconnue malgré sa grande simplicité. En France, on ne dénombre 2010 quelques 7 maisons certifiées passives[7], alors qu'en 2007, l'Europe en comptait déjà plus de 10 000, la plupart en Allemagne[8].
Une maison solaire à l'avantage de consommer très peu d'énergie pour ses besoins en chauffage, moins de 15 kWh/(m².an). Un chiffre qui est très en dessous de la consommation moyenne du parc existant français, soit 400 kWh/(m².an) . Heureusement, la réglementation en vigueur (RT 2005) oblige les nouvelles constructions à une meilleure performance énergétique, la consommation maximale doit être comprise entre 80 et 250 kWh/(m².an) selon le type de chauffage et la zone climatique[9]. La prochaine réglementation est la RT 2012, elle préconise que les bâtiments aient une consommation d’énergie primaire inférieure à 50 kWh/(m².an). Elle devrait s'appliquer aux bâtiments tertiaires dès le 1er juillet 2011 puis aux bâtiments résidentiels le 1er janvier 2013[10].
Les labels
Certains organismes ont créé des labels dans le but de promouvoir la construction de maison passive. A ce jour, seuls quelques pays européens ont mis en place des certifications dont celle du PassivHaus Institut reste une référence.
Labels | Objectifs de consommation | Critères pris en compte | |
---|---|---|---|
Passivehaus (Allemagne - 1990) | < 15kWh/m²/an (chauffage) < 120kWh/m²/an (au total) |
Etanchéité à l'air, isolation, suppression des ponts thermiques, orientation par rapport au soleil, ventilation, électroménager performant. | |
Maison passive (France - 2007) | |||
Bâtiment passif (Belgique - ) | |||
Passiefhuis (Belgique - ) | |||
Passiefhuis (Pays-Bas - ) | |||
Minergie (Suisse - 2009) |
< 38 kWh/m²/an (Chauffage + Eau Chaude + Ventilation) pour un habitat collectif ou individuel. | Étanchéité à l'air, isolation, suppression des ponts thermiques, ventilation, coût de l'habitat. | |
Minergie P (plus) (Suisse - 2009) |
< 30 kWh/m²/an (Chauffage + Eau Chaude + Ventilation) pour un habitat collectif ou individuel. | Étanchéité à l'air, isolation, suppression des ponts thermiques, ventilation, coût de l'habitat, électroménager performant. | |
Minergie Eco/P-Eco (Suisse - 2009) |
mêmes objectifs que Minergie / Minergie P | mêmes critères que Minergie / Minergie P + critères sur le bruit, la lumière, les matières premières, la fabrication, la déconstruction. |
Liens
Magazines |
Recherche & Formation |
Entreprises |
Emplois |
Organismes & Association |
Sites de particuliers |
Notes et références
- ↑ Xenophon, Memorables, Livre III, Ch.viii:[1]
- ↑ Vitruve, l'architecture de Vitruve, Tome 2 / traduction nouvelle par M. Ch.-L. Maufras, Livre VIème, Intro:[2]
- ↑ Sénèque, Lettres à Lucilius, Lettre XC:[3]
- ↑ Pline l'Ancien, Histoire naturelle, livre XIX, Ch.xxiii:[4]
- ↑ Upian, Digeste ou Pandectes, livre VIII, titre ii, art.17:[5]
- ↑ Historic American Buildings Survey, Pueblo of Acoma:[6]
- ↑ lepopulaire.fr, La première maison passive du nord de la Haute-Vienne bientôt achevée:[7]
- ↑ lamaisonpassive.fr, Qu’est ce qu’une maison passive ? :[8]
- ↑ ADEME, Amélioration de la performance énergétique des constructions neuves :[9]
- ↑ Réglementation thermique « Grenelle Environnement 2012 » :[10]