Conception d'un bâtiment en fonction du soleil

Cet article a pour but de poser quelques pistes sur la prise en compte du soleil pour la conception d'un bâtiment, notamment afin de déterminer certains choix techniques afin de gérer au mieux l'énergie.

Le soleil chauffe fort en été, et moins en hiver, l'objectif est donc de favoriser l'ombrage des pièces de travail / de vie en été et de favoriser leur ensoleillement en hiver.

Typiquement, cela peut se gérer par une "casquette" : un débord de la toiture suffisamment longue pour faire de l'ombre sur la façade du bâtiment aux heures les plus chaudes en été, et suffisamment courte pour profiter des rayons du soleil en hiver.

 

Tiré de la fiche "Conception écologique des bâtiments agricoles"

Pour pouvoir calculer la longueur idéale de la casquette, il faut connaître la "hauteur" ou "l'inclinaison" du soleil à chaque saison. Ça dépend de la latitude du lieu de la construction.

Le site "SunEarthTools" propose un excellent module pour ce faire.

https://www.sunearthtools.com/dp/tools/pos_sun.php

Voici ce que ça donne à la latitude 43º (là où je construirai) :

Ce graphique donne la hauteur (c'est à dire l'angle horizon - point d'observation - soleil) à différents moments de l'année (les différentes courbes). Plus la courbe se rapproche du centre, plus le soleil est haut dans le ciel. Pour une date donnée, on lit depuis le côté droit du disque (le soleil se lève à l'Est) et on suit les heures jusqu'au côté gauche (le soleil se couche à l'Ouest). NB les graduations en degrés sur le tour du disque représentent les azimuts, les notations en degré sur la ligne verticale au milieu du disque représentent la hauteur du soleil (à lire en suivant les cercles concentriques). Les points marqués sur les courbes correspondent aux différentes heures de la journée (à lire sur la courbe jaune au centre et à reporter sur les autres).

Par exemple : la courbe la plus en haut dans ce graphique représente la course du soleil durant le 21 juin (date du solstice d'été dans l'hémisphère nord), il se lève près du nord-est vers 4h30 environ (heure solaire) à ce moment, puisque le soleil est juste à l'horizon, il est à 0º, puis vers 5h30 il est à 10º de hauteur, et il continue de "grimper" jusqu'à atteindre 70º à midi.

Ainsi à la question, de quelle heure à quelle heure le soleil dépasse-t-il la "hauteur" de 40º un jour d'équinoxe (21 mars ou 21 septembre) ? la réponse est : "de 10h à 14h".

NB : Le soleil n'est que rarement exactement au sud à midi. C'est représenté par l'espèce de boucle en forme de 8 sur le graphique : il est au sud à midi uniquement le jour du solstice d'hiver (et s'en rapproche beaucoup sans vraiment l'atteindre vers le 10 avril, le 10 septembre et le jour du solstice d'été), le reste du temps, à midi il est (très) légèrement décalé par rapport au sud. On s'en fiche, mais c'est pour expliquer le "8" du graphique.

Le schéma ci-dessous représente à peu près la même information de manière un peu plus directement visuel :

Inclinaison / "hauteur" du soleil à midi selon les saisons

Sur ce schéma, 1 carreau = 1 m. Les rayonnements sont projetés à la base du mur et reportés à travers la fenêtre pour midi au solstice d'été et au solstice d'hiver. 

On voit donc directement que le débord du toit ne doit pas être supérieur à 1,5 m si l'on veut éviter de perdre de la lumière directe (et donc éventuellement un peu de chaleur) en hiver.

Une fois cette limite fixée, la "limite courte" dépend des objectifs de gestion de la chaleur en été.

NB : un éventuel étage serait installé vers 2,2 - 2,5 m et l'entrée de lumière au 1er étage sera assuré par des vélux et des fenêtres côté pignon.

On pourrait imaginer une façade sud avec un mur en argile faisant masse afin d'emmagasiner la chaleur pour la restituer ensuite, dans cette hypothèse, il faudrait protéger au maximum la façade en été (pour éviter d'accumuler trop de chaleur) et donc opter pour une casquette longue.

Cet article sera éventuellement enrichi au fur et à mesure de mes réflexions sur cette thématique.