Le chauffage solaire passif

Ne pas oublier le Soleil lors de la conception d’un bâtiment !

Qu’est-ce que le chauffage solaire passif ?

Il s’agit d’un apport d’énergie solaire entrant par les vitrages d’un bâtiment. C’est le moyen le plus simple et efficace d’utiliser l’énergie solaire.

Ces apports peuvent contribuer de façon significative à la couverture des besoins de chauffage (de l’ordre de 40%), sans surcoût important pour une construction neuve.

Comment obtenir ces apports d’énergie solaire ?

Pour obtenir ces apports d’énergie, une fenêtre ou baie vitrée doit apporter de la chaleur en hiver et éviter qu’elle ne rentre en été. Ainsi qu’il est expliqué dans l’article traitant de l’orientation des vitrages, ces deux objectifs vont en fait de pair avec une vitre verticale orientée au sud.

Chauffage solaire passif en hiver

L’orientation plein sud est préférable, tant du point de vue du confort d’été que pour les apports de chauffage l’hiver. Une vitre orientée au sud-ouest ou sud-est recevra encore des quantités non négligeables de rayonnement, mais qui seront inférieures de 25% (par jour clair) à une vitre orientée plein sud pour le mois de décembre. D’autre part les apports en juillet seront supérieurs de 33%. En fait, dès que l’orientation s’éloigne du plein sud, il y a une baisse rapide des performances. Ainsi, à l’ouest ou à l’est, les apports solaires sont inférieurs de 40% à ceux au sud sur l’hiver et même de 60% pour le mois de décembre.

Apport solaire sur surface verticalesuivant l'orientation

Par rapport à une orientation plein sud (courbe bleu foncé), on considère qu’une déviation de 15° ou 30° (courbes rose et jaune) n’a que peu d’influence sur les apports solaires en hiver.
On note aussi qu’une orientation Ouest (ou Est, courbe verte) entraîne une importante perte d’énergie solaire par rapport au sud et ce, particulièrement aux mois les plus froids.

Quel type de vitrage utiliser ?

Pour toutes les orientations, le vitrage doit être performant pour réduire les déperditions de chaleur, il faut utiliser par exemple des doubles vitrages dits « peu émissifs ». On pourrait par ailleurs croire un simple vitrage plus efficace : certes il laisse passer un peu plus le soleil, mais les pertes de chaleur sont beaucoup plus importantes : les études montrent que les simples vitrages ont un bilan forcément déficitaire en énergie, même au sud.

Pour connaître la performance d’un vitrage, on peut se renseigner soit sur sa classe thermique (de th5 à th11 : plus elle est élevée, meilleure est l’isolation), soit sur son coefficient de déperdition thermique (noté Ug)en W/m2.°C (noté aussi W/m2.K). Lorsqu’on parle de la performance de la fenêtre on parle du Uw. Plus ce coefficient est élevé, moins la fenêtre est performante. On peut aussi parfois trouver comme donnée la résistance thermique d’une menuiserie, en m2.°C/W , qui est simplement l’inverse du coefficient de déperdition. Ainsi, une résistance thermique de 0,5m2.°C/W correspond à un coefficient de déperdition de 2W/m2.°C.

Le graphique suivant donne des exemples de coefficient de déperditions globales pour différents types de fenêtre.

coefficient de déperditions globales pour différents types de fenêtre

Les valeurs 4/12/4 indiquent les épaisseurs de verre (4mm) et de la lame d’air (12mm) dont est fait le double vitrage.

Pour obtenir des vitrages performants (déperdition inférieure à 1,5W/m2.°C), aujourd’hui les fabricants remplissent l’espace du double vitrage par de l’argon ou du krypton, gaz lourd freinant mieux les transferts de chaleur que l’air.

Pour limiter encore les déperditions et renvoyer le rayonnement infra-rouge vers l’intérieur de la pièce, des particules métalliques sont projetées sur un, voire les deux, vitrages, formant des films dits peu émissifs, ou faiblement émissifs.

De nouveaux intercalaires font leur apparition permettant la suppression ou l’atténuation des ponts thermiques entre les vitrages, on parle de warm edge.

Les fabricants de fenêtres et de vitrages sont en constante recherche d’amélioration, les coefficients Uw et Ug ne sont plus les seuls affichés, on parle également du Sw et Tw.

Sw est le facteur solaire de la baie vitrée, il est compris entre 0 et 1, il traduit la capacité de la fenêtre à laisser entrer la chaleur à l'intérieur de la maison.

Plus Sw est haut, plus la quantité de chaleur transmise augmente. (Attention un Sw élevé en été, favorisera les surchauffes, il est donc important de penser aux protections solaires).

TLw est le facteur de transmission lumineuse de la baie vitrée, il est compris entre 0 et 1, il traduit la capacité de la fenêtre à laisser passer la lumière naturelle à l'intérieur de la maison.

Plus TLw est haut, plus la quantité de lumière naturelle augmente.

Les apports solaires passifs représentent-ils une part importante du chauffage ?

On note tout d’abord que les apports solaires par un vitrage isolant ayant une déperdition thermique moyenne (2 W/m2.°C) compensent presque toujours les déperditions de jour. En effet, le flux thermique de déperdition par une température extérieure de –10° sera de 60W par m2. Or les apports solaires pendant une journée d’hiver sont de 800W/m2 dans les conditions favorables, mais ne descendent presque jamais en dessous de 100 W/m2 : l’éclairage du soleil est toujours présent, même par temps très nuageux. On voit donc que de jour, le bilan « apports moins déperditions» de chaleur est toujours favorable pour une vitre, tandis qu’un mur opaque ne fait que laisser la chaleur s’échapper par conduction.
Les vitres performantes ne laissent donc pas partir la chaleur le jour. La nuit, un store réduit les déperditions, toutefois elles restent supérieures à celles d’un mur opaque.

Un calcul approximatif permet de connaître un ordre de grandeur de la contribution des apports solaires pour le chauffage sur l’année.

On considère, par exemple, une maison récente RT2012 à Clermont-Ferrand de surface au sol 100m2, de déperdition 100W/°C. Cette maison se chauffe partiellement au solaire passif : elle possède 12m2 de vitrages au sud sur lesquels ne porte aucune ombre. Ces vitrages laissent passer 70% de l’énergie incidente.

Des logiciels (tels que Calsol de l’INES) nous permettent de connaître l’ensoleillement moyen, tandis que des moyennes de température (2003-2016) relevées par Météo France, nous déduisons les valeurs de déperditions de chaleur du bâtiment.

On obtient le tableau suivant pour la période de chauffe :

Octobre Novembre Décembre Janvier Février Mars Avril Mai Total
Température moyenne °C 13,1 8,2 4,5 4,1 4,1 7,8 11,3 14,8 8
Déperditions en kWh 439 777 1078 1108 1001 833 554 312 6102
Apports par les vitrages en kWh 655 496 386 437 504 714 706 664 4562
Taux de couverture par le solaire passif 100% 64% 36% 39% 50% 86% 100% 100% 70%*

Comme on le voit, la contribution du solaire passif peut être très importante à Clermont-Ferrand : 70% des besoins de chauffage sur l’année et ce, pour un investissement minime à la construction d’une maison.

*Cette valeur est donnée à titre indicatif. Dans la pratique, l’intermittence du chauffage solaire passif et la difficulté pour stocker la chaleur fait probablement baisser de quelques points ce taux de couverture.

Recommandations pour une bonne utilisation du chauffage solaire passif

Que votre maison soit en projet ou déjà construite, quelques éléments sont à prendre en compte pour ne pas perdre les apports gratuits du soleil. Il ne faut pas oublier qu’une maison possédant des fenêtres au sud peut d’ores et déjà profiter de cette énergie, sans rénovation.

Pour cela, il est essentiel de bien laisser pénétrer le rayonnement par ces fenêtres l’hiver : or certaines personnes peuvent être gênées visuellement, et ferment des stores extérieurs lorsque le soleil brille. Cela réduit à néant les apports solaires. Si vous êtes gêné par le soleil hivernal, il faut prévoir un store intérieur de couleur sombre comme protection solaire, laissant bien passer l’air, par exemple des « stores américains ».

Pour l’été, il est important d’équiper les surfaces vitrées de stores isolants, extérieurs cette fois. Les surchauffes d’été sont ainsi mieux contrôlées.

L’hiver, à partir du moment où le soleil est couché, le rayonnement est nul et il est donc préférable d’un point de vue énergétique de fermer stores et volets.

Qu’en est-il des vérandas ?

Une véranda contribue elle aussi au chauffage solaire passif. Son intégration est beaucoup plus facile que d’importants travaux de rénovation. D’autre part, elle réduit les déperditions de chaleur sur la façade où elle se trouve.

Cependant, les apports d’énergie par m2 sont trois fois plus faibles par ce moyen que par l’entrée directe du rayonnement dans le bâtiment.

Pour un bon confort d’été, il faut réduire les apports solaires estivaux, pour cela évitez de vitrer le toit de la véranda. Attention ! Vouloir chauffer une véranda l’hiver autrement que par le soleil implique d’importantes dépenses d’énergie.

Solaire passif ou solaire actif ?

Ce tableau donne un comparatif des avantages et inconvénients de ces deux modes de chauffage :

Chauffages solaires
Capteurs solaires (actifs) Baies vitrées (passifs)
Productivité surfacique Au maximum 350 kWh/m2.an (chauffage + ECS) Au maximum 500 kWh/m2.an pour le chauffage
Coût d’investissement Environ 1000€ par m2 de capteur. Comprend le coût de l’ensemble de l’installation, aides non déduites Environ 150 euro/m2 pour les meilleurs vitrages (pour une construction neuve, par rapport à un mur isolé)
Prix de fonctionnement et d’entretien Faible. Coût de l’électricité pour la régulation et circulateur d’eau : moins de 15€/an Pas de production d’ECS solaire. Prévoir un chauffe-eau solaire pour cela
Eau chaude sanitaire Production entièrement solaire en dehors de la période de chauffe Très faible (entretien occasionnel)
Stockage de chaleur Stockage important dans le cas d’un plancher ou d’un mur chauffant Faible stockage d’énergie, notamment en cas d’isolation par l’intérieur
Déperditions de chaleur l’hiver Inchangées ou même réduites par la présence de l’isolant du capteur Augmentées par la présence d’une vitre plutôt que d’un mur isolé
Apports de chaleur l’été Très peu augmentée. Eventuellement, on peut rafraîchir la nuit en faisant circuler l’eau dans les capteurs Augmentés le jour si on ne ferme pas de store extérieur
Masque Etant généralement en hauteur, les capteurs sont moins affectés par les masques Un vitrage au rez-de-chaussée peut se trouver souvent à l’ombre en hiver, si l’environnement n’est pas dégagé
Conception du bâtiment Peut éventuellement s’intégrer sans rénovation du bâtiment Nécessité d’avoir une face sud et d’organiser le bâtiment en fonction de la surface vitrée. Intégrer de préférence dans la conception de constructions neuves
Conception du système Système de régulation relativement complexe, donc peut être éventuellement sujet de panne Simple et sans dépendance à l’électricité
Appoint de chauffage Appoint nécessaire, mais peut utiliser le même circuit de distribution pour le chauffage Appoint nécessaire, distribution de chauffage à prévoir en plus (sauf chauffage par poêle central)
Risques Surchauffes estivales (se prévient : boucle de décharge, soupape de sécurité) Chocs, vitres cassées (risque faible)

Les données chiffrées de productivité sont valables pour la région Auvergne

Réglementations

Nos coordonnées

Espace INFO ENERGIE

Maison de l'Habitat
129, avenue de la République
63100 Clermont-Ferrand

04 73 42 30 75