2-3 - Trajectoires solaires
14/07/2017 -
Comprendre les trajectoires du soleil permet de faire les bons choix
Dès l’école primaire, et pendant pratiquement toute votre scolarité, on vous a appris, comme à moi d’ailleurs, que le soleil se lève à l’est et se couche à l’ouest. On vous a également expliqué que le soleil est à la verticale à midi en été. Certaines décisions ont peut-être été prises en fonction de ce savoir parfaitement établi et qui pourtant est parfaitement… faux. Si vous appliquez ce que vous considérez être un acquis à une maison passive ou une maison bioclimatique, les conséquences de la méconnaissance de la vraie course du soleil pourront être, par exemple, un manque d'apports solaires en hiver, ou encore des risques de surchauffe en été, notamment en période de canicule.
Dans l’hémisphère nord, celui de la France, le soleil ne se lève à l’est et ne se couche à l’ouest que 2 fois par an, aux équinoxes de printemps et d’automne, aux alentours du 21 mars et du 21 septembre. Lors du solstice d’hiver, le 21 décembre, il se lève au sud-est et se couche au sud-ouest tandis qu’au solstice d’été, le 21 juin, il se lève au nord-est et se couche au nord-ouest. La hauteur maximale du soleil, le 21 juin à midi, est de 72° à Perpignan tandis qu’elle n’est que de 63° à Dunkerque. Dans les 2 cas, on est très loin de la verticale qui serait de 90°. La hauteur minimale du soleil, le 21 décembre à midi, est de 24° à Perpignan tandis qu’elle n’est que de 15° à Dunkerque. Ces écarts entre les hauteurs du soleil, aux extrêmes sud et nord du pays, aux équinoxes comme aux solstices et plus généralement toute l’année, proviennent de l’écart de latitude qui est égal à 9°.
Ces quelques informations sont très différentes de ce que nombre d'entre nous sont persuadés de savoir. Elles vous donnent une idée des erreurs que les connaissances considérées acquises peuvent générer. Les vraies informations permettent par contre d’intégrer tous les aspects bioclimatiques des constructions sans risque de se tromper. Si elles permettent de bénéficier des apports solaires maximums en période d’hiver ou de minimiser les apports solaires intempestifs en été, elles permettent également de prendre bien d'autres décisions parfaitement justifiées. Les exemples suivants découlent de la connaissance des vraies trajectoires du soleil dans l'hémisphère nord, à des latitudes équivalentes à celle de la France:
- Les terrasses ne seront à l’ombre pour y manger le soir, en été, que si l’orientation réelle du soleil est prise en compte. Pendant cette saison en effet, une terrasse orientée au sud sera plus facilement utilisable en fin de soirée, car protégée du soleil qui est alors au nord-ouest. Une orientation nord sera par contre préférable en fin de matinée.
- Les pare-soleil fixes, installés au sud, ne seront efficaces que s’ils sont réalisés en fonction de la région ou ils sont implantés. Leur positionnement en hauteur et leur profondeur varieront considérablement suivant la région, même en France ou l’écart est important entre les extrémités sud et nord du pays.
- Les fenêtres triple vitrage orientées à l'est et à l'ouest n'auront pas suffisamment de soleil en fin d'année pour compenser leurs déperditions toujours supérieures à celles des murs, même à ce niveau de performance.
- Les fenêtres situées au nord, mais non équipées d'une protection solaire, ne pourront pas stopper les rayons du soleil levant et couchant en été. Même avec cette orientation, elles pourront aggraver le risque de surchauffe estivale. Les risques découlant de fenêtres orientées à l'est et à l'ouest sont évidemment bien pires pendant cette saison.
Utilisation des diagrammes solaires
Déterminer le dimensionnement d’un pare-soleil pour, par exemple, qu’il laisse la totalité des vitrages exposés au soleil le 21 décembre à midi solaire, soit officiellement à 13 heures, mais qu’ils soient totalement à l’ombre le 21 juin de 10 heures à 14 heures solaire, soit officiellement de 12 h à 16 h, ne peut se déterminer qu’en connaissant les trajectoires du soleil définies soit mathématiquement soit par des diagrammes solaires tel celui-ci après qui correspond à la latitude de Toulouse.
Ces diagrammes, bien plus simple et rapide à utiliser que les calculs, permettent de plus de déterminer les ombres portées par l’environnement sur la construction dans son ensemble, celles portées sur les fenêtres, les panneaux photovoltaïques ou les panneaux thermiques et la proportion du rayonnement solaire réellement efficace en fonction de la période de l’année ou sur l’année globale.
Pour connaître la position du soleil à une date donnée et une heure précise, il suffit de :
- Repérer la parabole, en bleu, figurant la date la plus proche de celle recherchée et éventuellement de tracer une courbe similaire plus proche de la date donnée
- Repérer la courbe cyan figurant les heures et éventuellement estimer une courbe supplémentaire correspondant au décalage réel par rapport à cette courbe
- Déterminer l’intersection entre ces 2 nouvelles courbes
- Le point d’intersection rapporté sur l’axe gauche donne la hauteur angulaire du soleil tandis que la projection sur l’axe horizontal donne l’azimut, le décalage longitudinal.
La hauteur du soleil le 18 février à 10 h, par exemple, peut être estimée à 29,5° tandis que l’azimut du soleil est d’environ 35° vers l’est.
Les hauteurs du soleil nécessaires pour la conception d'un pare-soleil correspondant aux critères précédents sont, en région toulousaine, de 23° en hiver, le 21 décembre à 12h solaire, et 58° en été, le 21 juin à 10 et 14h solaire
Les performances des maisons passives dépendent de la course du soleil
Les maisons passives sont avant tout des maisons bioclimatiques. Leurs fenêtres passives et leurs différentes méthodes de pose ainsi que la conception des pare-soleil sont des éléments incontournables à leur conception. Leurs performances dépendent totalement des trajectoires solaires dont la connaissance est capitale pour éviter les erreurs de conception qui en découlent.
Tous les exemples de projets de ce site sont dotés de pare-soleil déterminés géométriquement suivant les principes ci-avant.
En résumé :
- En hiver, le soleil se lève au sud-est et se couche au sud-ouest
- À l’équinoxe, le 21 mars et le 21 septembre, le soleil se lève à l’est et se couche à l’ouest
- En été, le soleil se lève au nord-est et se couche au nord-ouest
- Le soleil est toujours au sud à midi solaire
- La hauteur du soleil est maximale au sud à midi solaire, toute l’année
- La hauteur maximale du soleil en été, à l’est et à l’ouest, est d’environ 38°
- Le décalage hivernal de l’heure utile par rapport à l’heure solaire est de +1 heure
- Le décalage estival de l’heure utile par rapport à l’heure solaire est de +2 heures
Thème 2 - Les connaissances de base