Limiter les gains solaires

Un bâtiment est toujours exposé au soleil et par conséquent à des gains solaires, principalement à travers les fenêtres. Selon le type de bâtiment et la saison, ces gains solaires peuvent contribuer à la réduction des besoins de chaleur (gains solaires utiles) ou à l'augmentation de l'énergie nécessaire au refroidissement (gains solaires inutiles) :

• dans les bâtiments résidentiels, les gains solaires sont plus souvent utiles en raison du caractère limité des gains de chaleur internes (occupation, appareils) ;
• dans les bâtiments de bureaux, les gains solaires sont souvent inutiles (même en mi-saison) en raison du niveau élevé des gains de chaleur internes (occupation, appareils).

Lors de la conception d'un bâtiment, il appartient au concepteur de veiller à ce que les gains solaires puissent entrer aux moments et aux endroits utiles et à ce qu'ils soient évités aux moments et aux endroits où ils sont inutiles.

Les paramètres dont disposent les concepteurs pour y parvenir sont les suivants :

• orientation du bâtiment et des ouvertures de la façade ;
• dimensions et forme des ouvertures de la façade ;
• choix du vitrage et de la protection solaire des ouvertures de la façade.

Optimiser l'orientation du bâtiment et des ouvertures

L'exposition à la lumière du soleil dépend de la date, de l'heure et de l'orientation, comme le montre le graphique ci-dessous.

© Bruxelles Environnement

Les effets de l'exposition au soleil

Pour chaque orientation principale, les effets suivants peuvent être distingués :

• Sud  : la différence de hauteur du soleil entre l'été (haute) et l'hiver (basse) est ici la plus grande. Une fenêtre orientée au Sud reçoit globalement plus de rayonnement solaire que les autres orientations avec un maximum en automne. En été, la hauteur du soleil réduit la densité de rayonnement atteignant une surface verticale ;
• Est ou Ouest : la fenêtre reçoit très peu de rayonnement solaire en hiver, un peu plus en mi-saison, et un maximum en été. La différence de hauteur du soleil entre l'été (haute) et l'hiver (basse) est ici inférieure à celle qui est observée pour le sud. Ces orientations sont caractérisées par des positions basses du soleil toute l'année. Dès lors, elles ne conviennent pas aux avancées horizontales et présentent un risque d'éblouissement important parce que le soleil éclaire loin ;
• Nord  : il n'y a ici aucune lumière solaire directe (un rayonnement solaire indirect est toutefois présent) ;
• la fenêtre dans un plan  horizontal  (par exemple un lanterneau) reçoit un maximum d'énergie en été. Au total, c'est celle cumulant le plus d'irradiation sur l'année.

Recommandations pour optimiser l'exposition au soleil

• positionnement des pièces  au sein du bâtiment (par exemple, les pièces humides peuvent être placé côté nord et les pièces de vie côté sud) ;
• Choisir une  orientation nord-sud si possible. Les gains solaires des fenêtres orientées au sud sont plus faciles à prendre en charge que ceux des fenêtres orientées à l'est et à l'ouest. En  mi-saison , le rayonnement solaire passe partiellement. Cela ne vaut que pour l'orientation au sud, étant donné que le soleil atteint sa position la plus élevée dans cette orientation. Les façades orientées à l'est et à l'ouest sont confrontées toute l'année à des positions basses du soleil (soleil levant ou soleil couchant).

Le schéma ci-dessous montre que pour une façade orientée au sud, les gains solaires en été peuvent être bloqués à l'aide d'un auvent, tandis que le rayonnement solaire peut pénétrer complètement en hiver.

© Bruxelles Environnement

Voir plus bas pour le dimensionnement des auvents.

Choisir la dimension et la forme des ouvertures

Les dimensions et la forme des ouvertures sont des thèmes étroitement liés au Choix du vitrage et de la protection solaire. Une protection solaire performante offre en effet une plus grande liberté de choix des dimensions des ouvertures vitrées. Quelques recommandations d'ordre général peuvent cependant être formulées :

• éviter les grandes surfaces vitrées , sauf si :

  • elles sont vraiment nécessaires d'un point de vu thermique en hiver ;
  • elles peuvent être suffisamment protégées en été ;
• pour chaque local, définir la  proportion de vitrage  par rapport à la surface au sol permettant de garantir un apport suffisant de lumière naturelle suivant le critère de confort que le projet s'est fixé ou au minimum suivant les impositions réglementaires du  RRU ;
• à surface de vitrage égale, privilégier les  fenêtres avec allège  plutôt que les fenêtres descendant jusqu'au niveau du sol (la partie inférieure de la baie apporte un faible niveau d'éclairement) ;
• Privilégier une  grande fenêtre  plutôt que plusieurs petites pour augmenter la proportion de vitrage vis-à-vis des châssis ;
• placer les pièces ayant des  gains internes importants  (bureaux, salles de réunion, classes, etc.) du côté nord ou opter si possible dans ces pièces pour des ouvertures au nord ;
• placer les pièces ayant des  besoins de chaleur importants  (pièces d'habitation) du côté sud du bâtiment ou opter si possible dans ces pièces pour des ouvertures au sud (sauf si l'environnement apporte un ombrage important) ;
• opter pour des  ouvertures latérales  (verticales) plutôt que pour des ouvertures zénithales (horizontales). Les gains solaires des fenêtres de toit notamment sont très élevés et difficiles à maîtriser. Ces ouvertures sont donc problématiques sur le plan de la surchauffe. En outre, elles présentent des inconvénients dans le domaine des gains de chaleur et sont donc à éviter dans le projet. En hiver, le faisceau de rayonnement que laissent passer les fenêtres de toit est plus petit qu'en été, au contraire du vitrage vertical qui laisse passer un faisceau de rayonnement plus large en hiver ;
• Une  lucarne à vitrage vertical  offre une alternative aux fenêtres de toit horizontales. Les fenêtres étant verticales, ce type de construction laisse entrer un faisceau plus large en hiver qu'en été.

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• Évitez les grandes surfaces vitrées, sauf si (a) elles sont vraiment nécessaires (besoin établi par le bilan thermique) pour « capter » une chaleur suffisante en hiver et (b) elles peuvent être suffisamment protégées en été (à l'aide d'une protection solaire).
• Pour chaque orientation, déterminez la proportion de surface vitrée dans la surface de la façade. Ce rapport est défini par les gains solaires nécessaires et le besoin de lumière naturelle. Chaque façade présente pour chaque type de local une valeur optimale d'entrée de chaleur solaire et de lumière naturelle et de protection contre la chaleur solaire et la lumière naturelle, en fonction des saisons ou non, via une protection solaire.
• Définissez pour chaque fenêtre d'un espace utilisé la proportion de vitrage par rapport à la surface au sol. Cette valeur dépend de la garantie d'un apport suffisant de lumière naturelle pour les « espaces utilisés ». Le Règlement Régional d'Urbanisme (RRU) impose une surface vitrée minimale correspondant à 20% de la surface au sol du local pour les fenêtres verticales et à au moins 1/12 de la surface au sol pour les fenêtres de toit.
• À surface égale, les fenêtres avec allège laissent entrer plus de lumière naturelle que les fenêtres descendant jusqu'au niveau du sol. Le choix judicieux de la forme et de la position des fenêtres permet de réduire la surface nécessaire pour la lumière naturelle et d'améliorer la maîtrise des gains solaires.
• Pour une même surface vitrée, deux petites fenêtres présentent généralement une proportion supérieure de profil et une proportion moindre de vitrage qu'une grande fenêtre.

Choisir le facteur solaire du vitrage

Outre les dimensions et la forme des ouvertures, les fenêtres, lucarnes, lanterneaux, etc. constituent toujours une part importante de la conception du bâtiment. Les caractéristiques de ces ouvertures (mais aussi encore partiellement leurs dimensions et leur forme) est défini dans le cadre de la conception par toute une série de paramètres (contact avec l'extérieur, gains solaires, lumière naturelle, risque de surchauffe, etc.). Les aspects multiples du vitrage sont représentés de manière schématique dans la figure ci-dessous.

Différents aspects à prendre en compte dans le choix du vitrage

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Combinaison du facteur g et du facteur LTA

Dans le contexte de la limitation des gains thermiques, deux paramètres du vitrage revêtent une importance particulière : Le facteur solaire (g) et le facteur de transmission lumineuse (LTA). L'importance de la performance thermique du vitrage et d'autres paramètres constructifs du vitrage est moindre.

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Ce graphique s'applique aux bâtiments caractérisés par une demande réelle de chaleur (soit la plupart des bâtiments) et montre qu'un facteur solaire élevé est optimal en hiver et un facteur solaire faible est optimal en été. La transmission lumineuse est toujours utile. Si le choix se porte uniquement sur un vitrage, sans protection solaire, le facteur solaire (facteur g) est identique toute l'année. Il est alors sélectionné sur la base du bilan thermique. Un facteur g donné indique une valeur optimale entre le facteur g d'une part, la demande d'énergie en hiver et l'inconfort en été d'autre part.

Une protection solaire permet cependant d'adapter le facteur g en fonction de la saison ou des conditions correspondant à la journée, l'heure ou la minute prise en compte. Comme nous le précisions plus haut, on parle d'un facteur g combiné du vitrage et de la protection solaire. Le choix se porte alors sur un vitrage clair avec un facteur g élevé pour obtenir des gains solaires importants en hiver, et sur une protection solaire permettant de faire baisser le facteur g en été. Cette combinaison permet d'obtenir un meilleur optimum pour la demande d'énergie et le confort d'été que le vitrage seul.

Paramètres énergétiques des principaux types de vitrage

Paramètres énergétiques de différents types de vitrage

Le facteur solaire (facteur g) peut être amélioré en associant le vitrage à une protection solaire (et le facteur g total peut ainsi éventuellement être rendu dynamique). L'optimisation dans le cadre du bilan thermique permet de déterminer le degré de protection que doit offrir la protection solaire pour éviter le recours à un refroidissement actif. En résumé, les principales conclusions attendues du bilan thermique sont les suivantes :

• une protection solaire dynamique (fonctionnant sur base de capteurs internes et externes) offre toujours le meilleur compromis entre lumière naturelle, demande de chaleur en hiver et protection thermique en été. Des lamelles dynamiques sont généralement deux fois plus performantes que les écrans classiques et elles offrent également un meilleur confort visuel ;
• pour les fenêtres orientées au sud, les auvents horizontaux sont également très performants ;
• le vitrage solaire peut être indiqué si le rayonnement solaire doit être bloqué (presque) toute l'année. C'est par exemple le cas des bâtiments qui présentent en permanence des charges thermiques très élevées.

Par ailleurs, il convient de noter que le principe du facteur solaire (facteur g) s'applique difficilement au dimensionnement des auvents, puisque la protection qu'ils offrent varie dans le temps.

Dimensionnement des auvents

Limitation des gains solaires en fonction de la hauteur du soleil et du rapport entre la profondeur de l'auvent et la hauteur de la fenêtre

Il convient d'essayer d'obtenir une protection totale de la fenêtre correspondant à la  position la plus haute du soleil  au mois de mai (55° au sud, ce qui correspond à un rapport de 70% entre la profondeur de l'auvent et la hauteur de la fenêtre). La protection présente alors la meilleure efficacité en été. Une protection solaire de ce type est surtout efficace au sud. Pour les orientations à l'est et à l'ouest, la position plus basse du soleil nécessite de recourir à des auvents plus profonds pour un fonctionnement efficace.

La règle suivante peut également être utilisée : pour protéger complètement une fenêtre orientée au sud à l'aide d'un auvent lorsque le soleil est très haut au cours des plus longues journées d'été, la profondeur de l'auvent doit être au moins égale à la moitié de la hauteur de la fenêtre. Une avancée horizontale convient nettement moins bien aux autres orientations.

Limiter les surchauffes dans les espaces tampons

Afin d’optimiser les apports énergétiques en hiver et les apports lumineux, les espaces tampons de type « solarisés » (véranda, jardin d’hiver, etc.) et atrium sont largement vitrés.  Mais, si cette situation est favorable en période de chauffe, elle peut entrainer des surchauffes importantes en été, pouvant également affecter tous les locaux contigus.  Dans ce contexte, une bonne stratégie de conception consiste à prévoir une série de dispositifs limitant les risques de surchauffe.

• Protections solaires
  Utiliser des protections solaires extérieures mobiles et tirer parti des protections solaires naturelles permettra de limiter et contrôler les apports solaires lors des périodes critiques.
  Il est conseillé de recourir à une automatisation des protections solaires pour éviter les erreurs d’utilisation (surfaces vitrées importantes, lieu de passage, etc.).
• Ventilation
  Il s’agit de mettre en place une stratégie de free-cooling en ventilant par effet cheminée ou de manière transversale. Les ouvertures peuvent être motorisées et contrôlées par des sondes de température intérieure et extérieure ainsi qu’une sonde de vent.
• Inertie thermique
  Une masse thermique suffisante peut être adjointe à l’espace tampon au niveau des murs et des sols, pour stocker l’énergie solaire captée en journée et la restituer de manière déphasée dans le temps.
• Utilisation
  L’espace tampon peut être soumis à des variations de températures élevées, s’éloignant des plages de confort conventionnelles. Par conséquent, il est important que l’usage de cet espace soit réalisé en adéquation avec le scénario prévu. Par exemple, dans un atrium servant de circulation entre étages, les portes d’accès aux étages doivent rester fermées. Par contre, en été, si l’atrium est utilisé comme dispositif de sur-ventilation, il est conseillé aux utilisateurs de laisser les portes ouvertes. Un espace tampon mal utilisé peut rapidement dégrader les performances thermiques du bâtiment, ce qui devient contreproductif. L’usager est un élément clé, devant être informé des comportements à adopter et à éviter.

  Voir le dispositif | Guides pour le gestionnaire et l'utilisateur

Choisir la protection solaire

En complément aux éléments précédents, le projet peut opter pour des protections solaires issues des familles suivantes :

• protections solaires extérieures *** lien vers dispo ***

  • structurelles
  • mobiles
  • naturelle
• protections solaires intégrées
• protections solaires intérieures

Voir aussi le tableau comparatif des différentes protections solaires