PRIORITE 3 : APPORTS SOLAIRES

Les apports solaires viennent se retrancher aux besoins en énergie, il est donc intéressant d’essayer de capter cette énergie gratuite.

Puissance solaire disponible

Le rayonnement solaire est un flux d’énergie transmis par rayonnement. La puissance de ce rayonnement est de 1.36 kWh/m2 juste avant d’entrer dans l’atmosphère terrestre. Il est ensuite altéré par les 5 phénomènes suivants : 

1- Une partie de ce rayonnement atteint directement la surface terrestre, l’autre est absorbée par les particules de poussière et les molécules de gaz contenues dans l’atmosphère puis rayonné en partie à nouveau vers la terre, le reste étant « perdue ». En fin de compte, le rayonnement qui atteint la surface terrestre est de 1 kWh/m2.

2- Le rayonnement est projeté sur la surface de la terre, en « s’étalant » selon l’angle de la latitude L et de la déclinaison D du schéma ci-dessous. La déclinaison varie selon les saisons, de + 23° au solstice d’hivers à -23° au solstice d’été. La latitude est celle de votre lieu d’habitation. Sur l’axe Brest Paris Strasbourg, de latitude 48.5°, le rayonnement sera divisé par 3.1=1/cos(23°+48.5°) le 23 décembre.

3- Les obstacles disposés sur la course du soleil entre l’est et l’ouest constitueront des masques qui feront perdre encore de la puissance disponible. La hauteur du soleil à l’horizon est noté H et exprimé en degré sur le graphe ci-dessous. En hiver, un arbre bas et proche ou bien haut et éloigné qui laisserait une ombre d’un angle H supérieur à 15° pourrait altérer la puissance solaire disponible de façon significative.

4- La couverture nuageuse agit comme une ombrelle. Par ciel clair, l’habitation recevra le rayonnement diminué des 3 phénomènes précédents, par ciel très nuageux, le rayonnement sera proche de 0 kW/m2

5- Enfin, le rayonnement résiduel est projeté sur la surface de la maison. Une paroi verticale ne recevra pas la même quantité d’énergie qu’un toit à 45°. Le rayonnement est ainsi projeté sur la surface de la maison, en « s’étalant » selon l’angle de la paroi.

Voici ce qu’il reste de puissance solaire pendant 1 heure de soleil au zénith, sur une paroi plein sud, par ciel bleu :

Puissance solaire cumulée sur une journée

Ainsi une baie vitrée au sud de largeur 2.4 m et de hauteur 2.0 m (4.8 m2) recevra 0.44 x 4.8 = 2.1 kWh pendant l’heure de midi le 23 décembre, si le ciel est clair, ou rien du tout si le ciel est très nuageux.

Le même jour dans les même conditions, la fenêtre de toit de 1 m2 recevra 0.44 x 1 = 0.44 kWh pendant l’heure de midi.

L’ensoleillement n’est bien sûr pas limité à la seule heure de midi. Ainsi, l’irradiation de la baie vitrée sera de 1.04 kWh/m2 le 23 décembre selon le tableau suivant, soit 1.04 x 4.8 = 5 kWh, soit l’équivalent d’un radiateur de 1 kW fonctionnant pendant 5 heures.

Pour mieux comprendre la différence entre l’insolation journalière de 1.04 kWh/m2 et celle de l’heure de midi de 0.44 kWh/m2, il suffit de regarder les hauteurs angulaires H du soleil selon l’heure et la date. Le 23 décembre, il faudra compter environ 4 heures d’ensoleillement sur la journée, avec une atténuation du rayonnement en début et en fin de journée, soit 0.44 kWh/m2 pendant l’heure de midi et environ 0.3 kWh/m2 le matin et l’après-midi.

Attention, nous parlons du midi solaire, pas de l’heure locale, et l’échelle horaire du graphe devra être adaptée selon que vous habitez à Strasbourg ou à Brest.

A titre d’exemple, un relevé de température extérieure réalisé à la mi-septembre à Brest donne le graphe suivant. La température grimpe dès le lever du soleil, à 9h heure locale, et baisse rapidement dès que le soleil passe sous l’horizon, à 18h heure locale, soit un ensoleillement de 9 heures sur la journée.

Pour cette date, les heures solaires sont de 7h30 pour le lever du jour et 16h30 pour le coucher, soit un décalage de 1h30.

La température extérieure augmente de 7°C, se stabilise, puis baisse rapidement après le coucher du soleil. Vous remarquerez que les niveaux de température entre les nuits avant et après cette journée sont différents de 2°C. Ce phénomène est lié à l’évolution météorologique, il ne faut regarder ce diagramme que pour les tendances qu’il montre, pas pour ces valeurs de température.

Pendant ce temps d’ensoleillement, la baie vitrée aura reçu 2.81 kWh/m2 sur 4.8 m2. C’est ainsi une puissance solaire de 13.5 kWh qui sera entrée dans la maison par cette paroi vitrée.

Dans le même temps, les 2 fenêtres de toit auront reçu 3.86 kWh/m2 sur 1 + 1 m2, soit 7.7 kWh.

La maison aura ainsi reçu ce jour 13.5 + 7.7 = 21.2 kWh.