Design solaire passif : Qu’est-ce que c’est et comment ça fonctionne

Les systèmes de design solaire passif sont des solutions architecturales et technologiques qui exploitent l’énergie solaire passive (radiation solaire + composants de l’enveloppe) pour chauffer ou rafraîchir les espaces sans systèmes mécaniques dédiés.

Ils fonctionnent grâce à trois actions : capturer le soleil (vitres/collecteurs intégrés), accumuler la chaleur (masse thermique) et la distribuer dans le bâtiment par des processus naturels tels que le rayonnement, la conduction et la convection.

En construction, cette stratégie bioclimatique nécessite un équilibre entre la capture hivernale et l’ombrage estival, surtout aux latitudes moyennes et élevées. Parmi les systèmes les plus répandus, il y a la serre bioclimatique, qui peut contribuer à la réduction des besoins énergétiques si elle est conçue et dimensionnée correctement.

Qu’est-ce que l’énergie solaire passive et comment est-elle utilisée dans les bâtiments ?

L’énergie solaire passive est l’utilisation de la radiation solaire pour chauffer ou rafraîchir un bâtiment sans systèmes mécaniques dédiés, en exploitant exclusivement l’orientation, l’enveloppe du bâtiment, la masse thermique et les protections.

De la conception de design solaire passif naissent les soi-disant systèmes de design solaire passif, c’est-à-dire des solutions architecturales intégrées dans le bâtiment capables de contrôler les dynamiques d’échange thermique entre l’extérieur et l’intérieur, utilisant la radiation solaire comme source d’énergie primaire.

Comment fonctionnent les systèmes de design solaire passif ?

Les systèmes de design solaire passif utilisent le rayonnement solaire incident sur les surfaces de l’enveloppe du bâtiment et des mécanismes naturels (c’est-à-dire, sans l’aide d’énergie produite par des systèmes thermiques ou importée du réseau) pour le transfert de la chaleur absorbée à l’intérieur du bâtiment.

Les systèmes de design solaire passif contribuent à réduire significativement les besoins énergétiques, en particulier dans les bâtiments avec une enveloppe efficace et bien isolée.

Comme aucun système mécanique n’est utilisé, la consommation d’énergie associée à leur fonctionnement est nulle, bien qu’il faille rappeler qu’ils doivent être conçus comme une partie intégrante de l’architecture, prévoyant un dimensionnement correct et une orientation optimale.

Ainsi, les systèmes de design solaire passif permettent de collecter, stockage et distribuer de l’énergie thermique par des processus naturels, tels que le rayonnement, la conduction et la convection, dans le but de réguler le niveau thermo-hygrométrique de l’environnement.

Les systèmes de design solaire passif reposent sur 3 principes fondamentaux, qui constituent les piliers de l’architecture bioclimatique : 

• captation de l’énergie par effet de serre : ce principe exploite la capacité des vitres à laisser passer la radiation solaire, tout en empêchant le passage des radiations à ondes longues (environ 11 000 nm) émises par les surfaces chauffées. La chaleur reste piégée et peut être utilisée sous différentes formes, suivant le même principe qui régule la vie sur Terre ;
• accumulation : l’énergie est stockée dans des structures lourdes avec une grande inertie thermique, comme des murs et des dalles, avec un retard temporel et une atténuation de l’onde thermique ;
• distribution : la chaleur accumulée est ensuite distribuée et libérée dans l’environnement environnant, réduisant ainsi les besoins énergétiques du bâtiment.

Éléments qui composent les systèmes de design solaire passif

Les éléments essentiels des systèmes de captation passive de l’énergie solaire sont : 

• collecteurs : constitués d’une surface transparente ou translucide, intégrée sur les façades bien exposées du bâtiment ou en toiture, et d’un absorbeur, une surface opaque sombre, exposée à la radiation solaire qui pénètre la surface transparente ;
• masse de stockage : composées de matériaux de différents types et destinées à stocker la chaleur pour la restituer même en l’absence de radiation solaire ;
• composants de contrôle : peuvent être fixes ou mobiles, actionnés manuellement ou automatiquement et sont des protections pour réguler l’entrée de la radiation solaire, des réflecteurs pour augmenter la radiation atteignant les ouvertures, des vannes de différents types qui agissent sur le mouvement naturel des fluides caloporteurs entre les éléments, des ouvertures réglables pour le contrôle de l’air extérieur, etc.

Exemples de systèmes solaires passifs

Les systèmes solaires passifs peuvent être de différents types, chacun ayant ses propres caractéristiques spécifiques.

En fonction de la relation existante entre le point où la chaleur est captée et le lieu réel de son utilisation, les systèmes passifs peuvent être classés en : 

• système à gain direct : l’échange thermique prédominant est de type radiatif direct ;
• système à gain indirect : l’échange thermique prédominant est de type convectif, celui radiatif est indirect, à travers le mur de stockage ;
• système à gain isolé : la surface de captation est séparée du stockage thermique, l’échange est de type radiatif indirect avec une masse qui accumule sans introduire d’air chauffé directement dans l’environnement.

Le tableau comparatif suivant classe les systèmes solaires passifs en fonction de la relation entre captation, accumulation et mode de transfert de la chaleur vers l’environnement intérieur ; les paragraphes suivants approfondiront les spécificités constructives et de performance de chaque solution.

Système à gain direct

Les systèmes à gain direct sont l’application la plus simple de l’énergie solaire passive. Ils permettent à l’énergie radiante d’entrer directement dans l’environnement à chauffer. Cette énergie est généralement stockée par des éléments qui ont également d’autres fonctions, comme les murs et les sols, puis relâchée à l’intérieur du bâtiment pour le chauffage par adduction.

Le système prévoit l’installation de grandes surfaces vitrées sur les façades orientées au sud, tandis que les murs aveugles, en particulier ceux orientés au nord, doivent être bien isolés. Les radiations solaires traversent les surfaces vitrées et sont retenues à l’intérieur grâce à l’effet de serre. Les structures de bâtiment, comme les murs et les sols, grâce à leur masse, sont particulièrement efficaces en tant qu’accumulateurs de chaleur. Par conséquent, il est conseillé de positionner l’isolation à l’extérieur des surfaces murales, afin que celles-ci puissent servir de volant thermique interne.

Les surfaces vitrées doivent être conçues pour minimiser la dispersion de chaleur. De plus, il est fondamental que les plafonds, sols et murs intérieurs aient une masse suffisante pour agir comme accumulateurs, ce qui n’est pas toujours le cas en raison de l’utilisation fréquente de matériaux légers comme le plâtre, les sols synthétiques et le bois dans la construction moderne.

Systèmes à gain direct

Système à gain indirect

En ce qui concerne, en revanche, le gain indirect, la chaleur est générée dans un espace adjacent à celui habité : la lumière du soleil est absorbée par un mur exposé au sud, qui emmagasine la chaleur et, grâce aux mouvements d’air de l’environnement arrière, la transfère à l’espace intérieur.

Pour un meilleur contrôle de la température intérieure, en outre, un système de ventilation est souvent inclus au-dessus et en dessous du mur, afin d’aider à la régulation de la température.

Système à gain indirect

Les principaux systèmes à gain indirect sont représentés par : 

• mur solaire;
• mur de Trombe;
• toit étang (systèmes à couverture solaire).

Mur solaire

Ce système prévoit le gain thermique par la captation de l’énergie solaire à travers des surfaces vitrées spécialement conçues, placées devant un mur de stockage, connu sous le nom de mur solaire, qui absorbe, accumule et irradie l’énergie thermique vers l’intérieur du bâtiment. Le système est constitué principalement d’une surface vitrée captante située devant un mur de stockage (mur solaire).
La surface vitrée crée un espace d’interstice devant le mur solaire, générant un effet de serre qui augmente la température du mur de stockage, lequel absorbe et emmagasine la radiation solaire capturée. Pendant la phase de distribution, le mur solaire irradie l’énergie accumulée vers l’intérieur à travers sa face interne. La distribution de la chaleur peut être renforcée par des mouvements convectifs, activés par des ouvertures situées dans les zones inférieures et supérieures du mur, qui relient l’espace entre la surface vitrée et le mur avec l’environnement intérieur.

Mur de Trombe

Dans le mur de Trombe, l’élément de stockage est constitué par un mur réalisé avec des matériaux à haute inertie thermique, orienté au sud et teinté d’une couleur sombre pour mieux absorber les radiations. Sur le mur, des prises d’air supérieures et inférieures sont judicieusement positionnées et peuvent être ouvertes ou fermées selon les besoins, et devant son côté extérieur, une surface vitrée est installée, servant d’élément captant.

Toit étang

Système isolé

Le système à gain solaire isolé utilise la chaleur générée à un point éloigné de l’environnement que l’on souhaite chauffer, la déplaçant ensuite par convection naturelle ou forcée. L’avantage de l’utilisation de ce dernier type est sa facile adaptabilité aux bâtiments existants.

Système de gain isolé

Tra les systèmes isolés, on trouve : 

• collecteurs d’air avec lit de pierres ;
• cheminées solaires Barra-Costantini ;
• collecteurs solaires à air ;
• serres solaires.

Collecteurs d’air avec lit de pierres

Ce système est particulièrement adapté aux bâtiments unifamiliaux ou aux bâtiments de un ou deux étages. Les collecteurs d’air, placés à l’extérieur du bâtiment, sont inclinés et plus bas, tandis qu’un lit de pierres sous le plancher du rez-de-chaussée sert de volumineux accumulateur de chaleur.

Il n’est généralement pas recommandé pour la rénovation, même pour des bâtiments bas, car cela nécessiterait des modifications significatives de la structure du plancher du rez-de-chaussée, sinon sa démolition complète. Cela pourrait décourager l’adoption du système, à moins qu’il n’y ait de graves carences dans les exigences statiques ou de confort de la base du bâtiment ou de grandes hauteurs entre les étages qui pourraient être réduites par l’insertion de la masse d’accumulation et d’un nouveau plancher.

Cheminées solaires

Le système décrit prévoit l’utilisation d’une maçonnerie isolée vers l’intérieur avec un collecteur vitré et une plaque métallique noire dans l’interstice qui absorbe la chaleur et augmente la vitesse de l’air chaud. L’air chaud monte, traverse des canaux dans la partition horizontale, entre dans l’environnement intérieur, se refroidit en libérant de la chaleur et retourne dans l’interstice.

Ce système offre des performances supérieures à celles d’un mur Trombe, mais à un coût d’installation plus élevé. Esthétiquement, il nécessite une attention particulière en raison des grandes surfaces vitrées devant des éléments sombres. Le flux d’air est contrôlé par des volets ou des vannes. Cependant, dans la construction résidentielle récente, avec des hauteurs entre les étages minimales, l’adoption de ce système est impraticable sans dérogations.

Collecteurs solaires à air

Les collecteurs solaires à air sont installés le long du périmètre du bâtiment et exploitent les mouvements convectifs naturels pour faciliter la circulation de l’air entre le collecteur et les espaces intérieurs.

Serres solaires

Les serres solaires (ou bioclimatiques) combinent les caractéristiques du gain direct avec celles d’un mur d’accumulation. Elles fonctionnent comme un système à gain direct car elles sont chauffées directement par les rayons solaires et la chaleur est transférée à l’environnement adjacent via un mur thermo-accumulateur. La radiation solaire est absorbée par le mur arrière de la serre, convertie en chaleur et une partie de celle-ci est transmise au bâtiment.

Le fonctionnement d’une serre bioclimatique repose sur le concept de l’effet de serre : elle utilise la radiation solaire pour élever la température interne de la structure.

Plus précisément, l’énergie de la lumière visible traverse le verre qui entoure la serre, est absorbée par les objets contenus dans la serre elle-même et est ensuite réémise avec une longueur d’onde plus grande (lumière infrarouge) qui n’est pas transmise à l’extérieur par le verre. Le résultat est le chauffage à l’intérieur de la serre.

Comment une serre solaire passive soutient le chauffage durable

Une serre solaire soutient le chauffage durable car elle capture et stocke naturellement la chaleur solaire, réduisant ou même éliminant le besoin de chauffage externe.

Réalisée principalement en matériau transparent comme le verre, elle a la capacité de maximiser la captation solaire et, une fois la surface vitrée dépassée, la radiation solaire se transforme en chaleur, grâce au célèbre effet de serre.

En exploitant l’effet de serre, elle accumule l’énergie thermique pendant la journée et la libère lentement à l’intérieur de la maison, c’est pourquoi il est utile d’insérer à l’intérieur des éléments massifs qui accumulent la chaleur et la dispersent progressivement dans l’environnement.

Elles sont un outil de haute durabilité car elles sont conçues pour s’adapter aux différentes saisons : 

• en saison hivernale, elles fonctionnent comme un véritable accumulateur de chaleur, la radiation solaire pénètre à travers les surfaces vitrées, se transforme en chaleur et est retenue à l’intérieur. L’énergie thermique absorbée pendant la journée est libérée lentement à l’intérieur de la maison, c’est pourquoi il est utile d’insérer à l’intérieur des éléments massifs qui accumulent la chaleur et la dispersent progressivement dans l’environnement. Cela contribue à chauffer et éclairer le logement de manière durable et à coût presque nul ;
• en saison estivale, en revanche, des systèmes d’ombrage, des verres sélectifs, des brise-soleil ou des ouvertures pour la ventilation naturelle sont utilisés pour empêcher le surchauffement interne et garantir le maintien d’un bon niveau de confort, favorisant le renouvellement de l’air et exploitant les courants naturels.

Comparaison entre systèmes solaires passifs et actifs : principales différences

Un système actif se distingue d’un système passif par l’utilisation de dispositifs mécaniques ou technologiques qui consomment de l’énergie, en effet, il emploie des installations et des dispositifs mécaniques pour collecter et transporter la chaleur.

Les installations mécaniques d’un système actif sont chargées de la capture, du stockage et de la distribution de l’énergie thermique, qui exercent leurs fonctions de manière indépendante par rapport à la forme et à la technologie de l’architecture proprement dite.

Ils diffèrent des systèmes solaires passifs par les spécificités suivantes : 

• le système de capture, qu’il soit à eau ou à air, est généralement un composant modulaire (collecteur solaire), de production industrielle, composé d’une plaque transparente (généralement en verre), d’une interstice d’air, d’une plaque noire absorbante avec un sous-couche isolante et d’un boîtier métallique ayant pour fonction de maintenir assemblés les couches susmentionnées ;
• le système de distribution est un véritable circuit d’installation, de pompes et de tuyaux (eau) ou de ventilateurs et de conduits (air), qui transporte le fluide aux terminaux d’échange thermique, qui peuvent être des radiateurs traditionnels ou des serpentins à basse température (au sol ou au plafond), dans le cas du fluide eau, ou des ventilo-convecteurs ou des bouches d’aération dans le cas du fluide air.

En général, les bâtiments qui intègrent des solutions passives dans leur architecture ne sont pas autosuffisants : cela signifie qu’ils ne sont pas capables de garantir les conditions de confort de projet pendant toute la durée.

Il est donc nécessaire de prévoir un système auxiliaire pour couvrir les besoins et les exigences qui ne peuvent pas être satisfaits passivement.

Parmi les principaux systèmes actifs qui exploitent l’énergie du soleil, nous pouvons citer les collecteurs solaires plans ou à concentration et les systèmes de stockage.

Les avantages du design solaire passif pour l’efficacité énergétique

Le design solaire passif est plus qu’un simple concept : c’est une approche holistique qui intègre des éléments architecturaux, des matériaux et l’environnement naturel pour optimiser l’énergie solaire pour le chauffage domestique.

Lors du processus de conception, il est bon de garder à l’esprit les piliers de l’architecture bioclimatique et de considérer : 

1. le positionnement des ouvertures vitrées : il est préférable qu’elles ne soient pas obstruées ou ombragées par d’autres bâtiments et qu’elles soient orientées au SUD (dans un angle de 30°) ;
2. l’insertion de l’absorbeur : l’absorbeur est la surface qui couvre l’élément de stockage thermique et qui absorbe la lumière transmise et la transmet au stockage thermique ; cela peut être par exemple le revêtement d’un mur ou d’un sol ;
3. l’insertion d’un élément avec une masse thermique élevée : cela représente le matériau, sous le revêtement absorbant de la lumière solaire, qui stocke la chaleur ;
4. la distribution de la chaleur : il est important, lors de la phase de conception, de considérer la manière dont la chaleur circule et se distribue dans les espaces. La conduction, la convection et le rayonnement sont les méthodes de transmission naturelle, mais cela peut également être facilité par l’utilisation de ventilateurs ou de diffuseurs ;
5. l’insertion d’éléments de contrôle solaire : des rideaux, des volets et des débords sont des éléments utilisés pour ombrager les surfaces vitrées pendant les mois d’été.

Section bâtiment avec éléments clés de la conception passive

Une conception solaire passive précise, accompagnée d’une utilisation intelligente des matériaux, permet de : 

• réduire significativement les consommations énergétiques ;
• réduire les émissions de carbone ;
• obtenir une construction de qualité supérieure ;
• augmenter le confort résidentiel ;
• améliorer la qualité de vie.

FAQ sur les systèmes solaires passifs

Qu’est-ce que l’énergie solaire passive ?

L’énergie solaire passive est l’utilisation du rayonnement solaire pour chauffer ou rafraîchir un bâtiment sans systèmes mécaniques dédiés. Elle repose sur l’intégration entre orientation, surfaces vitrées, masse thermique et protections, permettant à l’architecture elle-même de capter, accumuler et distribuer la chaleur à travers des processus naturels.

Que sont les systèmes solaires passifs ?

Les systèmes solaires passifs sont des solutions architecturales intégrées dans le bâtiment qui exploitent l’énergie solaire passive pour chauffer ou rafraîchir les espaces sans recourir à des systèmes mécaniques dédiés. Ils utilisent des surfaces vitrées pour capter le rayonnement solaire, des matériaux à forte inertie thermique pour accumuler la chaleur et des processus naturels tels que le rayonnement, la conduction et la convection pour la distribuer à l’intérieur du bâtiment.

Leur fonctionnement dépend d’une orientation correcte, d’une dimension adéquate et de l’intégration avec des éléments de contrôle solaire, tels que des protections et des ouvertures réglables.

Quels sont les principaux systèmes solaires passifs ?

Les systèmes solaires passifs se classifient en trois catégories principales en fonction de la relation entre captation et utilisation de la chaleur : 

• Gain direct, où le rayonnement entre directement dans l’environnement à travers des surfaces vitrées.
• Gain indirect, où la chaleur est accumulée dans un mur ou une masse intermédiaire avant d’être libérée à l’intérieur.
• Gain isolé, où la captation se fait dans un espace séparé et la chaleur est ensuite transférée à l’environnement habité.

Comment fonctionne un système à gain direct ?

Dans le système à gain direct, l’énergie solaire traverse des surfaces vitrées orientées de préférence au sud et est absorbée par des murs et des sols à forte masse thermique. La chaleur accumulée est ensuite libérée progressivement à l’intérieur du bâtiment, contribuant au chauffage naturel des espaces.

Qu’est-ce qu’un mur de Trombe ?

Le mur de Trombe est un système à gain indirect constitué d’un mur massif à haute inertie thermique, orienté au sud et protégé par une surface vitrée extérieure. Le mur absorbe le rayonnement solaire, accumule de la chaleur et la libère vers l’intérieur, également à travers des mouvements convectifs régulés par des ouvertures supérieures et inférieures.

Les systèmes solaires passifs sont-ils suffisants pour garantir le confort toute l’année ?

Généralement non. Les bâtiments qui intègrent des systèmes solaires passifs ne sont pas complètement autosuffisants et nécessitent un système auxiliaire pour couvrir les besoins énergétiques pendant les périodes où l’apport solaire n’est pas suffisant pour garantir les conditions de confort prévues.

Quelle est la différence entre les systèmes solaires passifs et les systèmes solaires actifs ?

Les systèmes solaires passifs intègrent captation, accumulation et distribution de la chaleur directement dans l’architecture du bâtiment et fonctionnent par des processus naturels. Les systèmes solaires actifs, en revanche, utilisent des composants techniques tels que des collecteurs modulaires, des pompes, des ventilateurs et des circuits de distribution pour recueillir et transporter l’énergie thermique.