Géométrie Solaire, Confort Thermique et Lumière Naturelle

Cours sur l'Énergie Solaire et la Géométrie Terrestre

La Terre est la 3^e planète du Soleil. Elle est couverte principalement par l'eau, et son atmosphère est composée d'azote et d'oxygène. La température (T°) varie entre -50 °C et 50 °C, avec une moyenne de 22 °C.

Éléments de Géométrie Solaire

Le mouvement du Soleil est régi par la translation et la rotation de la Terre autour du Soleil, ainsi que la rotation de la Terre autour de son axe. L'orbite de la Terre est elliptique. Son axe de rotation a un angle de 23,45°, ce qui cause les saisons.

• Le 21 décembre correspond au solstice d'été dans l'hémisphère Sud (et au solstice d'hiver dans l'hémisphère Nord).
• Le 21 juin correspond au solstice d'hiver dans l'hémisphère Sud (et au solstice d'été dans l'hémisphère Nord).

La Sphère Céleste

C'est une sphère imaginaire utilisée pour situer la position d'un bâtiment. Chaque point marqué sur cette voûte, traçant le chemin du Soleil, représente une journée. Le déplacement total du Soleil dans son inclinaison va de l'hiver à l'été avec un angle de 49,6°.

Angle en Hauteur et Azimut Solaire

Avec ces deux angles, il est possible de définir à chaque instant la position du Soleil :

• La Hauteur Solaire est mesurée dans un plan vertical à partir d'un plan horizontal.
• L'Azimut est mesuré dans le plan horizontal.

Contrôle du Rayonnement Solaire Direct

Les fenêtres exposées au Nord (dans l'hémisphère Sud) captent le rayonnement solaire, obligeant à chercher des moyens pour empêcher la chaleur (les avant-toits ou des projections spéciales créent des ombres).

Éléments Naturels et Ombrage

La croissance des plantes à feuilles caduques en hiver et au printemps bloque le passage du rayonnement direct. Ces arbres permettent l'entrée du rayonnement direct en automne et en hiver (une fois les feuilles tombées).

Dimensionnement des Auvents (Orientation Nord)

Un élément horizontal empêche le rayonnement direct. Il peut être mobile.

Écrans Solaires pour les Orientations Est et Ouest

Les éléments horizontaux ne fonctionnent pas efficacement pour l'Est et l'Ouest. Le mieux est le treillis (qui couvre les fenêtres).

Confort Thermique et Conception Bioclimatique

Le Confort Thermique

Le corps humain peut maintenir sa température (T°) à 37 °C. Cette chaleur provient de deux sources : la température de l'air et la température des objets et murs environnants. La température de confort idéale est de 20 °C.

Facteurs Déterminant l'Équilibre Thermique

L'équilibre thermique entre le corps et l'environnement est déterminé par des facteurs :

• Physiques : Température de l'air, T° de surface à proximité, humidité relative, mouvement d'air en contact avec le corps, résistance thermique des vêtements.
• Physiologiques : Taille et poids, métabolisme ou production de chaleur du corps.

Facteurs de Conception pour le Confort

Les facteurs qui permettent d'atteindre le confort dans la construction incluent :

• Le caractère du lieu et les conditions météorologiques locales.
• Les stratégies de conception saisonnière.
• L'utilisation de matériaux performants et les stratégies dans leur application.

Le Comportement Thermique des Matériaux

Le flux de chaleur entre les objets ou les espaces se produit par trois mécanismes :

1. Conduction : Transmission de puissance à travers les molécules d'un solide.
2. Rayonnement : Transfert via les ondes électromagnétiques.
3. Convection : Transfert par le chauffage d'un fluide (air ou eau).

Mesures Thermiques Clés

• Conductivité Thermique : Mesure de la quantité d'énergie transférée à travers un matériau.
• Transmission Thermique : Mesure de la chaleur totale transférée à travers une section d'un matériau.
• Résistance Thermique : Mesure de l'opposition au transfert de puissance des composants d'un élément de bâtiment.

L'Isolation Thermique

L'isolation thermique présente plusieurs avantages :

• Elle maintient le confort intérieur et économise l'énergie.
• Au niveau national, elle diminue les besoins énergétiques des maisons, réduisant les dépenses en pétrole et en gaz.
• Elle permet de réduire les dépenses de santé publique.

Architecture Bioclimatique Historique : L'Alhambra

Le Palais de l'Alhambra de Grenade

L'Alhambra utilise des stratégies passives remarquables :

• Fenêtres des Tours : Elles sont orientées face à face pour capter et diriger le vent.
• Patio des Lions : Ce patio intègre plusieurs filtres thermiques : la végétation luxuriante, les fontaines et canaux d'eau, l'ombrage consécutif, le porche et la tour du vent.

Le Generalife

Le Generalife est la cour d'une maison qui recrée un paradis, exploitant l'architecture des sens : sentir les fleurs, le bruit de l'eau, les oiseaux, la fraîcheur de l'ombre, les jets des sources, et les textures des plantes, de l'eau, des murs et des sols.

D'autres éléments urbains bioclimatiques incluent les labyrinthes, les patios andalous et les rues très étroites.

Principes de Conception dans le Palais Arabe

Dans le palais et le logement arabe, les chambres donnent sur les jardins, bénéficiant des conditions environnementales. La cour crée un microclimat frais grâce au refroidissement par évaporation de l'eau et à la végétation.

Trois Éléments Thermophysiques Clés

1. Circulation (Effet de Tirage) : Les fenêtres zénithales permettent à la chaleur de monter et mettent l'air en mouvement (ventilation naturelle).
2. Venturi et Ventilation à Deux Niveaux : Le vent passant par les fenêtres supérieures crée une dépression, favorisant le mouvement de l'air du bas vers le haut (effet Venturi et ventilation par niveaux).
3. Entrée d'Air Forcée : Malgré la haute température extérieure, le comportement thermique est amélioré par des conditions venteuses. Une ventilation accrue rend la T° de l'air plus homogène.

La forme de la tour favorise la circulation et la ventilation transversale. La forme de la cour réduit la vitesse de l'air. Le portail permet de séparer strictement les microclimats.

Principes et Utilisation de la Lumière Naturelle

La lumière se comporte de trois manières principales : elle est réfléchie, transmise ou absorbée. La lumière nous guide et nous aide à comprendre les limites de l'espace inondé.

L'Ombre

L'ombre permet la connaissance de la réalité tridimensionnelle. La lumière naturelle se manifeste également dans le paysage par des phénomènes tels que : les éclipses solaire et lunaire, l'Aurore Boréale, l'Aurore Australe, le coucher de soleil, l'arc-en-ciel et la pleine lune.

Interaction de la Lumière avec les Surfaces

1. Réflexion

C'est le retour du rayonnement incident sur une surface.

• Réflexion Spéculaire : Se produit lorsque le matériau est très lisse. L'angle d'incidence est égal à l'angle de réflexion (effet miroir).
• Réflexion Diffuse : Se produit lorsque la surface du matériau est rugueuse.
• Réflexion Mixte : Se produit dans la plupart des matériaux, combinant les deux types.

2. Transmission

Si le matériau a un degré de transparence, la lumière passe à travers. Certains matériaux transmettent pratiquement toute la lumière (eau, verre clair), tandis que d'autres (papier) n'en transmettent qu'une partie.

• Transmission Directe : Produite par les corps transparents (cristaux et verre clair).
• Transmission Diffuse : Produite par le verre opalescent ou givré, réduisant l'éblouissement.

Sources de Lumière Naturelle

Pendant la journée, les sources sont :

• La lumière directe du soleil.
• Le ciel clair ou les nuages.
• Les reflets des bâtiments ou des sols.

La nuit, les sources sont la lune et la foudre.

Conseils de Conception (Orientation des Fenêtres)

L'orientation des fenêtres dépend du climat et de l'emplacement. L'orientation Nord (en Hémisphère Nord) permet une meilleure collecte de lumière diffuse. L'orientation Sud offre une bonne lumière mais nécessite un contrôle régulier du rayonnement direct en été pour le conserver en hiver.