L’Ensoleillement Architectural

L'ensoleillement est un facteur clé en architecture bioclimatique, influençantle confort thermique, l'éclairage naturel et les performances énergétiques des bâtiments. Cettenote examine les principes fondamentaux de l'ensoleillement, ses composantes, sa mesure, et son application dans la conception architecturale, à travers des exemples historiqueset des stratégies actives et passives.

Le Rayonnement Solaire et ses Composantes

Le rayonnement solaire est la sourced'énergie primordiale dont dépend l'ensoleillement sur Terre. Il se décompose en plusieurs types de flux atteignant une surface :

• Direct : Lumière et chaleur provenant directementdu disque solaire.

• Diffus : Rayonnement solaire dispersé par l'atmosphère (nuages, particules).

• Réfléchi : Rayonnement renvoyé par le sol oud'autres surfaces environnantes.

La constante solaire est le flux moyen d'énergie solaire atteignant l'extérieur de l'atmosphère terrestre, estimé à . Une partie de ce rayonnement est réfléchie vers l'espace avant d'atteindre le sol.

L'Albédo

L'albédo est une mesure de la fraction de rayonnement solaire réfléchie par une surface, exprimée en pourcentage ou comme un nombre entre 0 et 1 (où 0signifie une absorption totale et 1 une réflexion totale). Il peut varier considérablement selon le type de surface.

Augmenter l'albédo des villes, par exemple via des projets comme le « White Roof Project » à New York, contribue à la réduction des îlots de chaleur urbains en réfléchissant davantage de rayonnement solaire.

Puissance Solaire et Durée de l'Ensoleillement

L'irradiance au niveau du sol peut atteindre jusqu'à pour une surface perpendiculaire aux rayons solaires (par exemple, sur la mer à midi). La densité énergétique est maximale lorsque les rayons solaires sont perpendiculaires à la surface réceptrice.

L'épaisseur de l'atmosphère traversée par le rayonnement solaire influencedirectement sa puissance reçue au sol. Plus l'angle d'incidence est faible (soleil bas sur l'horizon), plus l'épaisseur atmosphérique est grande, et plus l'atténuation du rayonnement est importante.

La durée de l'ensoleillement, c'est-à-dire le nombre d'heures pendant lesquelles une surface est exposée au soleil, est cruciale pour déterminer la quantité totale d'énergie solaire reçue. Le rayonnement solaire reçu varie en fonction de la position du soleil et de la couverture nuageuse.

Distinction Fondamentale : Énergie vs. Composante Lumineuse

• Ensoleillement (ou insolation) : Quantité d'énergie solaire reçue par unité de surface pendant une durée donnée. Il inclut la somme des composants direct, diffus et réfléchi. Il y a donc rayonnementmême sans soleil direct.

• Éclairage naturel (ou éclairement) : Correspond à l'ensemble de la lumière du jour, directe et indirecte (diffuse), quelle que soit la couverture nuageuse. L'éclairage diffus (indirect) est particulièrement pris en compte pour mesurer l'éclairementdans les espaces intérieurs.

Les climats peuvent être caractérisés par la prépondérance de rayonnement direct (ciels ensoleillés, avec des ombres portées distinctes) ou de rayonnement diffus (ciels couverts, ciel voûté diffusant la lumière).

Géométrie de l'Ensoleillement : Le Parcours Solaire

La Terre reçoit une quantité constante de radiation solaire, mais son inclinaison axiale (23°) autour du Soleil entraîne des variations saisonnières et quotidiennes de la quantité et del'angle du rayonnement reçu à différents endroits. Cela détermine :

• Les saisons.

• Les différentes altitudes du soleil : plus bas en hiver et plus on va au nord ; plus haut à l'équateur et en été.

Angles Solaires

• Azimut (angle horizontal) : Angle que forme le plan vertical du soleil avec le plan méridien du lieu (direction Nord).

• Hauteur solaire (angle vertical) : Angle que fait la direction du soleil avec le plan horizontal.

Représentations de la Course Solaire

Deux types principaux de projections sont utilisées pour visualiser la trajectoire du soleil (pour chaque latitude) :

1. Projections Stéréographiques

Ces diagrammes représentent la voûte céleste vue enplan horizontal, permettant de visualiser les azimuts, les angles d'altitude solaire et les heures pour différents mois. Les cadrans solaires sont des applications pratiques de ces principes.

2. Projections Cylindriques

Ces diagrammes, développés notamment par Edward Mazria, représententles trajectoires solaires sur un plan vertical (en élévation). Les azimuts sont en abscisse (0° = midi solaire au sud) et les hauteurs en ordonnée. Elles sont utiles pour comprendre l'impact du soleil sur les façades.

Les diagrammes solaires varient considérablement selon la latitude, influençant la durée du jour, la hauteur du soleil et les périodes d'ensoleillement (par exemple, le soleil de minuit aux pôles). Ces diagrammes sont des outils essentiels pour l'analyse et la conception bioclimatique.

Applications et Stratégies

Utilisation du Diagramme Solaire pour une Façade

Le potentiel d'ensoleillement d'une façade est déterminé par son orientation par rapport au Nord, permettant de définir la plage angulaire d'exposition au soleil.

L'impact des masques (intégrés au bâtiment comme des balcons, tableaux de baies, ou lointains comme le relief environnant) est analysé à l'aide du diagramme solaire pour déterminer l'angle maximal de pénétration du rayonnement et la périoded'occultation.

Orientation et Compacité

• Orientations favorables :

  • Sud : Ensoleillement maximal, soleil haut en été (facilite la protection via casquettes), bas en hiver (maximise les apports).

  • Nord : Pas d'ensoleillement direct en hiver, peu en été, plus facile à maîtriser pour l'éclairage.

• Orientations moins favorables :

  • Est et Ouest : Rayonnement solaire faible en hiveret très important en été (surtout en climats chauds). La protection solaire est plus complexe (dépendant du moment de la journée) et doit être latérale et souvent amovible.

La quantité d'énergie reçue sur une surface (irradiation) dépendde son orientation et de son inclinaison. Une surface inclinée à 40° au sud recevra un maximum d'énergie. Les indicateurs d'irradiation permettent de quantifier ces apports pour différentes inclinaisons et orientations.

Compacité

La compacité d'un bâtiment, ou coefficient de forme (CF), est le rapport entre la surface de l'enveloppe déperditive et le volume habitable ().

• Un CF bas indique une forme plus compacte, réduisant les déperditions thermiques.

• À volume égal, la compacité varie en fonction de l'articulation du bâtiment (ex: loggias augmentent la surface déperditive, balcons désolidarisés ne l'augmentent pas).

• La compacité doit être évaluée conjointement avec l'ensoleillement pouroptimiser les gains solaires en fonction de l'orientation et des surfaces déperditives.

Rythmes et Rituels

L'ensoleillement influence les rythmes circadiens (environ 24h), synchronisés par la lumière, affectant les processus biologiques et les activités humaines. L'architecture a historiquement intégré ces rythmes :

• Bâtiments orientés EST-OUEST : Expérience des saisons, l'ombre descend avec l'été.

• Bâtiments orientés NORD-SUD : Expérience des heures, lever/coucher du soleil.

Les traditions architecturales montrent une adaptation aux cycles solaires, comme les migrations saisonnières (« Ritulais et Rythmes » de Ralph L. Knowles) et le nomadisme vertical ouhorizontal (ex: maisons tunisiennes, villas de Tibère à Capri, villes estivales du M'Zab en Algérie, habitations Anasazi de Mesa Verde).

Ces exemples historiques illustrent comment les sociétés ont utilisé l'ingéniosité architecturale et l'organisation spatiale pour s'adapter aux variations d'ensoleillement et de température, souvent en exploitant des microclimats.

Espaces Extérieurs et Masques Solaires

La conception des espaces extérieurs doit tenir compte de l'ensoleillement etdes vents dominants. Des principes tels que le « principe du fauteuil » (G. Sathor) ou l'orientation des villes grecques antiques démontrent l'importance de créer des microclimats favorables.

• Les villes grecques coloniales (ex: Priène) intégraient des plans ordonnés avec des cours orientées au sud pour maximiser l'ensoleillement des espaces de vie.

• La Cité Interdite à Pékin (XVe siècle) suit une orientation cardinale stricte, adaptant les ouvertures et la distributiondes fonctions.

Distance entre Bâtiments et Masques Solaires

La distance entre les bâtiments est cruciale pour éviter l'ombrage mutuel :

• Localiser les bâtiments hauts au Nord limite leur ombre sur les bâtiments plus bas.

• Sur une pente, la distance peut être réduite sans impacter l'ensoleillement.

• L'exemple d'Acoma Pueblo (Nouveau Mexique) montre un espacement critique pour assurer l'accès solaire.

Usage des Espaces Publics

L'ensoleillement et les protections solaires définissent le confort et l'usage des espaces publics (places, jardins) :

• Places dégagées : Très ensoleillées.

• Ensoleillement équilibré ou contrasté : Peut varierselon l'orientation et la forme.

• Des éléments comme les arbres permanents, les placettes ou les jardins créent des microclimats variés.

Un volume architectural crée au moins six microclimats différents (façades Est, Ouest, Nord, Sud, intérieur, toit), permettant aux occupants de choisir le plus adapté à leurs besoins.

Exemples de Micro-climats Artificiels ou Naturels

• Les jardins familiaux de Isabelle Kraemer et Martin Drescher utilisent différents matériaux en fonction de l'orientation pour optimiser l'accumulationsolaire (mur en pisé au sud) ou la protection (palissade en châtaigner au nord).

• Les « promenades tempérées » (« warm walks ») sont des chemins en pierre exposés au sud pour absorber l'énergie solaire et la restituer par rayonnement (ex: jardins de l'Alcazar, Villa Adriana).

• Le Potager du Roi à Versailles (La Quintinie, XVIIe siècle) utilise des murs pour créer des microclimats favorables à la culture de fruits et légumes (figuerie, murs à pêches deMontreuil).

Protection des Baies

La protection solaire doit être optimale pour éviter les surchauffes en été tout en maximisant les apports solaires en hiver. Les protecions solaires sont catégorisées en fonction de leur efficacité et de leur position.

Protections Solaires Extérieures

Il est crucial que les protections solaires soient extérieures pour être efficaces car, une fois le rayonnement à l'intérieur, l'effet de serre rend son évacuation difficile.

Dispositifs Fixes

• Débords, casquettes, auvents : Fixes ou mobiles, pleins ou lamellaires. Ils sont efficaces en été en façades sud et sud-est/sud-ouest. Mais les dispositifs fixes horizontaux peuvent contrarier les apports solaires d'hiver s'ils sont surdimensionnés.

• Les masques verticaux (ex: sur les Unités d'Habitation de Le Corbusier) ont peu d'efficacité en été et peuvent limiter les apports en hiver sur les façades est/ouest.

• Les masques combinant protections horizontales et verticales sontperformants en été sur les façades sud, mais peuvent bloquer le soleil d'hiver – il est donc préférable de les rendre démontables ou mobiles.

Dispositifs Mobiles

Les protections mobiles offrent une adaptabilité aux variations journalières et saisonnières del'ensoleillement et de l'intensité du rayonnement.

• Screens verticaux : Stores extérieurs verticaux, stores à toile à projection, stores enroulables.

• Volets : Battants persiennés (réglables ounon), coulissants, à pantographe, coulissants pliants.

• Brise-soleil orientables (BSO) : Permettent de moduler l'apport solaire et l'éclairage.

• Végétation caduque : Arbres ou plantes grimpantes qui perdent leurs feuilles en hiver, laissant passer le soleil, et les reprennent en été pour créer de l'ombre.

Le facteur solaire (< 0.20 pour une protection efficace) est un indicateur clé de la capacité d'une protection àréduire la transmission d'énergie solaire.

Adaptabilité et Perméabilité

Les structures flexibles, comme les façades dynamiques (ex: Kiefer Technich, Graz), une végétation adaptable, l'artisanat local perméable (ex: Salam Centre, Soudan) ou des dispositifs traditionnels (rues de Séville avec des toiles), permettent de s'adapter aux conditions fluctuantes.

• Les lamelles (bois, métal) évitent l'incidence directe du rayonnement, favorisent l'évacuation de l'air chaud etde l'humidité. Exemple : l'« Estufa Fria » à Lisbonne utilise un toit en lamelles de bois pour créer de l'ombre et non de la chaleur.

• Le toit commun (indiens Yokut, Villa Shodhan de Le Corbusier) oules pergolas végétalisées protègent du soleil tout en permettant la ventilation.

Rafraîchissement par la Végétation et l'Eau

La végétation et les surfaces d'eau sont des éléments efficaces pour le rafraîchissement passif. Elles ont un albédo faible, absorbent de l'énergie pour l'évaporation et créent des zones thermiquement stables. Exemples :

• Arbres stratégiquement placés (ex: Nouvelle Angleterre) pour ombrager les maisons en été.

• Lebosquet : Pièce extérieure d'arbres densément plantés, créant un microclimat frais, souvent au nord pour contrer les vents.

• La pinède : Groupe de pins dense, souvent au sud pour capturer les brises, formant une canopée élevée etproduisant une lumière douce.

• Les « cool walks » / chemins ombragés : Allées bordées d'arbres à espacement régulier, suffisamment proches pour créer une artère d'ombre (ex: Villa La Foce).

• Les tunnels ombragés (ex: Laburnum Tunnel, Bodnant) et les pergolas avec plantes grimpantes.

• Les façades végétalisées : Améliorent le confort thermique et l'esthétique.

Solaire Actif et Passif

Les systèmes solaires se divisent en deux grandes catégories :

Dispositifs Solaires Actifs

Ces systèmes convertissent l'énergie solaire en une autre forme d'énergie utilisable nécessitant des composants mécaniques ou électriques.

• Panneaux photovoltaïques : Transforment la lumière (photons) en électricité.

• Capteurs solaires thermiques : Chauffent l'eau (pour le chauffage ou l'eau chaude sanitaire).

Dispositifs Solaires Passifs

Ces systèmes exploitent directement l'énergie solaire pour le chauffage, le rafraîchissement et l'éclairage sans l'aide de dispositifs mécaniques complexes. Les principes clés sont : CAPTER, STOCKER, DISTRIBUER.

Stratégie du Chaud

• Effet de serre : Les ondes courtes du rayonnement solaire traversent les parois transparentes (vitre), sont absorbées par les surfaces intérieures et réémises sous forme d'ondes infrarouges (longues) que le verre ne laisse pas ressortir, piégeant ainsi la chaleur. Les protections solaires doivent être extérieures pouréviter ce piégeage.

• Prince de la serre : Optimisation de l'orientation (sud +/- 30°), accumulation (mur massif), convection/ventilation, et protection solaire.

  • Une serre bien conçue peut réduire les besoins de chauffage de 15 % à 30 %.

  • Les serres encastrées sont les plus performantes thermiquement.

  • La distribution de l'air chaud peut se faire par ventilation mécanique ou via un lit de gravier accumulateur de chaleur.

• Murs capteurs :

  • Murs capteur à eau : (ex: Zome Cluster de Steve Baer)

  • Mur Trombe : Mur orienté au sud, ventilé par un vitrage, qui accumule la chaleur et la redistribue par thermocirculation. L'importance du dimensionnement du mur est cruciale pour un déphasage thermique suffisant.

• Isolants translucides et façades double peau : Réduisent les pertes thermiques et le bruit. La paroi intérieure doit être massive. Les atriums vitrésagissent comme des espaces tampons, gagnant des degrés en hiver et gérant la surchauffe en été (ex: Hôtel de la Région Auvergne, 20 logements Rue des Orteaux à Paris).

• Les espaces tampons (verandas, atriums) peuventservir de zones intermédiaires et optimiser les apports solaires (ex: Tour Bois le Prêtre).

Stratégie du Froid

La protection solaire des baies, la végétation et l'eau sont les piliers de la gestion du froid.

• Les protections solaires extérieures (casquettes, brise-soleil, volets) sont essentielles en été ou dans les climats chauds pour limiter les surchauffes.

• La végétation (caducs, bosquets, pinèdes, chemins ombragés), l'utilisation stratégique de l'eau et des matériaux clairs (albédo) permettent de modérer les températures et de créer des microclimats confortables.

Livres de Référence

• Courgey, S., & Oliva, J.-P. (2006). La conception bioclimatique. Terre Vivante.

• Heschong, L. (1979). Thermal Delight in Architecture. The Massachusetts Institute of Technology.

• Taylor, J. S. (1983). Commonsense Architecture.W.W. Norton & Company.

• Neila Gonzalez, F. J. (2004). Arquitectura Bioclimática en un entorno sostenible. Munilla-Leria.

• Knowles, R. L. (années 1970).Rhythm and Ritual / Energy and Form / The Solar Envelope / Interstitium. University of Southern California.

• Lam, W. M. C. (1986). Sunlighting as a Formgiver for Architecture.

• Olgyay, V. (1963). Design with Climate, Bioclimatic approach to architectural regionalism. Princeton University.

• Sullivan, C. (2002). Garden and Climate. McGraw-Hill.

Points Clés à Retenir

• Le rayonnement solaire n'est pas uniquement la lumière directe du soleil ; il inclut également les composants diffus (atmosphère) et réfléchi (surfaces).

• L'albédo est un facteur critique dans la gestion de la chaleur urbaine et doit être maximisé pour les surfaces exposées au soleil.

• Les diagrammes solaires (stéréographiques et cylindriques) sont des outils indispensables pour analyser le parcours solaire et dimensionner les protections.

• L'orientation et la compacité des bâtiments sont fondamentales pour optimiser les gains solaires passifs et réduire les déperditions.

• Les stratégiespassives privilégient la captation, le stockage et la distribution de la chaleur solaire, notamment via les serres et les murs Trombe.

• L'adaptabilité des dispositifs de protection solaire est essentielle pour répondre aux variations saisonnières et journalières.

• La végétation et l'eau sontdes alliés précieux pour le rafraîchissement et la création de microclimats favorables.

• Les protections solaires extérieures sont toujours plus efficaces que les intérieures.