Gain solaire - Solar gain
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Le gain solaire (également connu sous le nom de gain de chaleur solaire ou gain solaire passif ) est l'augmentation de l'énergie thermique d'un espace, d'un objet ou d'une structure lorsqu'il absorbe le rayonnement solaire incident . La quantité de gain solaire qu'un espace subit est fonction de l' irradiance solaire incidente totale et de la capacité de tout matériau intervenant à transmettre ou à résister au rayonnement.
Les objets frappés par la lumière du soleil absorbent ses composants infrarouges visibles et à ondes courtes, augmentent la température, puis réémettent cette chaleur à des longueurs d' onde infrarouges plus longues . Bien que les matériaux de construction transparents tels que le verre permettent à la lumière visible de traverser presque sans entrave, une fois que cette lumière est convertie en rayonnement infrarouge à ondes longues par des matériaux à l'intérieur, elle est incapable de s'échapper par la fenêtre car le verre est opaque à ces longueurs d'onde plus longues. La chaleur piégée provoque ainsi des apports solaires via un phénomène connu sous le nom d' effet de serre . Dans les bâtiments, un apport solaire excessif peut entraîner une surchauffe dans un espace, mais il peut également être utilisé comme stratégie de chauffage passif lorsque la chaleur est souhaitée.
Propriétés de gain solaire de la fenêtre
Le gain solaire est le plus souvent pris en compte dans la conception et la sélection des fenêtres et des portes. Pour cette raison, les mesures les plus courantes pour quantifier le gain solaire sont utilisées comme moyen standard de rapporter les propriétés thermiques des assemblages de fenêtres. Aux États-Unis, l'American Society of Heating, Refrigerating, and Air-Conditioning Engineers ( ASHRAE ) et le National Fenestration Rating Council (NFRC) maintiennent des normes pour le calcul et la mesure de ces valeurs.
Coefficient d'ombrage
Le coefficient d'ombrage (SC) est une mesure de la performance thermique radiative d'un vitrage (panneau ou fenêtre) dans un bâtiment . Il est défini comme le rapport du rayonnement solaire à une longueur d'onde et un angle d'incidence donnés passant à travers une unité de verre au rayonnement qui passerait à travers une fenêtre de référence de 3 millimètres (0,12 in) de verre flotté transparent sans cadre. Étant donné que les quantités comparées sont des fonctions à la fois de la longueur d'onde et de l'angle d'incidence, le coefficient d'ombrage pour un ensemble de fenêtre est généralement indiqué pour une seule longueur d'onde typique du rayonnement solaire entrant normalement au plan du verre. Cette quantité comprend à la fois l'énergie qui est transmise directement à travers le verre ainsi que l'énergie qui est absorbée par le verre et le cadre et re-rayonnée dans l'espace, et est donnée par l'équation suivante :
Ici, est la longueur d'onde du rayonnement et est l'angle d'incidence. "T" est la transmissivité du verre, "A" est sa capacité d'absorption et "N" est la fraction d'énergie absorbée qui est réémise dans l'espace. Le coefficient d'ombrage global est ainsi donné par le rapport :
Le coefficient d'ombrage dépend des propriétés de rayonnement de l'assemblage de fenêtre. Ces propriétés sont la transmissivité « T », l' absorptivité « A », l' émissivité (qui est égale à l'absorptivité pour une longueur d'onde donnée) et la réflectivité qui sont toutes des quantités sans dimension dont la somme est égale à 1. Des facteurs tels que la couleur , la teinte et les revêtements réfléchissants affectent ces propriétés, ce qui a incité le développement du coefficient d'ombrage comme facteur de correction pour en tenir compte. Le tableau des facteurs de gain de chaleur solaire de l'ASHRAE fournit le gain de chaleur solaire attendu pour le verre float clair de " à différentes latitudes, orientations et moments, qui peut être multiplié par le coefficient d'ombrage pour corriger les différences de propriétés de rayonnement. La valeur du coefficient d'ombrage varie de 0 à 1. Plus la cote est faible, moins la chaleur solaire est transmise à travers le verre et plus sa capacité d'ombrage est grande.
En plus des propriétés du verre, les dispositifs d'ombrage intégrés dans l'assemblage de la fenêtre sont également inclus dans le calcul du SC. De tels dispositifs peuvent réduire le coefficient d'ombrage en bloquant des portions du vitrage avec un matériau opaque ou translucide, réduisant ainsi la transmissivité globale.
Les méthodes de conception des fenêtres se sont éloignées du coefficient d'ombrage pour se tourner vers le coefficient de gain de chaleur solaire (SHGC) , qui est défini comme la fraction du rayonnement solaire incident qui pénètre réellement dans un bâtiment par l'ensemble de la fenêtre sous forme de gain de chaleur (pas seulement la partie vitrée ). La méthode standard de calcul du SHGC utilise également une méthode longueur d'onde par longueur d'onde plus réaliste, plutôt que de simplement fournir un coefficient pour une seule longueur d'onde comme le fait le coefficient d'ombrage. Bien que le coefficient d'ombrage soit toujours mentionné dans la documentation sur les produits du fabricant et dans certains logiciels informatiques de l'industrie, il n'est plus mentionné comme une option dans les textes spécifiques à l'industrie ou les codes de construction modèles. Outre ses inexactitudes inhérentes, un autre défaut du SC est son nom contre-intuitif, qui suggère que des valeurs élevées sont égales à un ombrage élevé alors qu'en réalité, c'est le contraire qui est vrai. Les experts techniques de l'industrie ont reconnu les limites de SC et ont poussé vers SHGC aux États-Unis (et la valeur g analogue en Europe) avant le début des années 1990.
Une conversion de SC à SHGC n'est pas nécessairement simple, car ils prennent chacun en compte différents mécanismes et chemins de transfert de chaleur (assemblage de fenêtre vs verre uniquement). Pour effectuer une conversion approximative de SC en SHGC, multipliez la valeur SC par 0,87.
valeur g
La valeur g (parfois également appelée facteur solaire ou transmission totale de l'énergie solaire) est le coefficient couramment utilisé en Europe pour mesurer la transmission de l'énergie solaire des fenêtres. Malgré des différences mineures dans les normes de modélisation par rapport au SHGC, les deux valeurs sont effectivement les mêmes. Une valeur g de 1,0 représente la transmission totale de tout le rayonnement solaire tandis que 0,0 représente une fenêtre sans transmission d'énergie solaire. Dans la pratique cependant, la plupart des valeurs g se situeront entre 0,2 et 0,7, le vitrage à contrôle solaire ayant une valeur g inférieure à 0,5.
Coefficient de gain de chaleur solaire (SHGC)
SHGC est le successeur du coefficient d'ombrage utilisé aux États-Unis et c'est le rapport du rayonnement solaire transmis au rayonnement solaire incident d'un ensemble de fenêtre entier. Il va de 0 à 1 et fait référence à la transmission de l'énergie solaire d'une fenêtre ou d'une porte dans son ensemble, en tenant compte du verre, du matériau du cadre, du châssis (le cas échéant), des barres de verre divisées (le cas échéant) et des écrans (le cas échéant). La transmittance de chaque composant est calculée d'une manière similaire au coefficient d'ombrage. Cependant, contrairement au coefficient d'ombrage, le gain solaire total est calculé sur une base longueur d'onde par longueur d'onde où la partie directement transmise du coefficient de gain de chaleur solaire est donnée par :
Voici la transmittance spectrale à une longueur d'onde donnée en nanomètres et est l'irradiance spectrale solaire incidente. Lorsqu'il est intégré sur les longueurs d'onde du rayonnement solaire à ondes courtes, il donne la fraction totale de l'énergie solaire transmise sur toutes les longueurs d'onde solaires. Le produit est donc la partie de l'énergie absorbée et réémise à travers tous les composants de l'assemblage au-delà du verre. Il est important de noter que le SHGC standard est calculé uniquement pour un angle d'incidence normal à la fenêtre. Cependant, cela tend à fournir une bonne estimation sur une large gamme d'angles, jusqu'à 30 degrés par rapport à la normale dans la plupart des cas.
La SHGC peut être estimée à l'aide de modèles de simulation ou mesurée en enregistrant le flux de chaleur total à travers une fenêtre avec une chambre calorimétrique. Dans les deux cas, les normes NFRC décrivent la procédure pour la procédure d'essai et le calcul du SHGC. Pour une fenestration dynamique ou un ombrage fonctionnel, chaque état possible peut être décrit par un SHGC différent.
Bien que le SHGC soit plus réaliste que le SC, les deux ne sont que des approximations grossières lorsqu'ils incluent des éléments complexes tels que des dispositifs d'ombrage, qui offrent un contrôle plus précis du moment où la fenestration est à l'abri des apports solaires que les traitements du verre.
Gain solaire dans les composants opaques du bâtiment
Outre les fenêtres, les murs et les toits servent également de voies d'apport solaire. Dans ces composants, le transfert de chaleur est entièrement dû à l'absorption, à la conduction et au re-rayonnement puisque toute transmittance est bloquée dans les matériaux opaques. La métrique principale des composants opaques est l'indice de réflectance solaire qui tient compte à la fois de la réflectance solaire (albédo) et de l'émittance d'une surface. Les matériaux avec un SRI élevé réfléchiront et émettront une majorité d'énergie thermique, les gardant plus frais que les autres finitions extérieures. Ceci est assez important dans la conception des toits, car les matériaux de toiture sombres peuvent souvent être jusqu'à 50 °C plus chauds que la température de l'air ambiant, ce qui entraîne des contraintes thermiques importantes ainsi qu'un transfert de chaleur vers l'espace intérieur.
Gain solaire et conception du bâtiment
Le gain solaire peut avoir des effets à la fois positifs ou négatifs selon le climat. Dans le contexte de la conception de bâtiments solaires passifs, l'objectif du concepteur est normalement de maximiser le gain solaire dans le bâtiment en hiver (pour réduire la demande de chauffage des locaux ) et de le contrôler en été (pour minimiser les besoins de refroidissement). La masse thermique peut être utilisée pour égaliser les fluctuations au cours de la journée, et dans une certaine mesure entre les jours.
Contrôle des apports solaires
Un apport solaire incontrôlé est indésirable dans les climats chauds en raison de son potentiel de surchauffe d'un espace. Pour minimiser cela et réduire les charges de refroidissement, plusieurs technologies existent pour la réduction des gains solaires. SHGC est influencé par la couleur ou la teinte du verre et son degré de réflectivité . La réflectivité peut être modifiée par l'application d'oxydes métalliques réfléchissants à la surface du verre. Le revêtement à faible émissivité est une autre option plus récemment développée qui offre une plus grande spécificité dans les longueurs d'onde réfléchies et réémises. Cela permet au verre de bloquer principalement le rayonnement infrarouge à ondes courtes sans réduire considérablement la transmittance visible .
Dans la conception adaptée au climat pour les climats froids et mixtes , les fenêtres sont généralement dimensionnées et positionnées de manière à fournir des gains de chaleur solaire pendant la saison de chauffage. Pour cela, des vitrages à coefficient d'apport solaire relativement élevé sont souvent utilisés afin de ne pas bloquer les apports solaires, notamment du côté ensoleillé de la maison. SHGC diminue également avec le nombre de vitres utilisées dans une fenêtre. Par exemple, dans les fenêtres à triple vitrage , le SHGC a tendance à être compris entre 0,33 et 0,47. Pour les fenêtres à double vitrage, le SHGC est le plus souvent compris entre 0,42 et 0,55.
Différents types de verre peuvent être utilisés pour augmenter ou diminuer le gain de chaleur solaire grâce à la fenestration, mais peuvent également être réglés plus finement par la bonne orientation des fenêtres et par l'ajout de dispositifs d'ombrage tels que des surplombs , des persiennes , des ailettes, des porches et autres. éléments d'ombrage architecturaux.
Chauffage solaire passif
Le chauffage solaire passif est une stratégie de conception qui tente de maximiser la quantité de gain solaire dans un bâtiment lorsqu'un chauffage supplémentaire est souhaité. Il diffère du chauffage solaire actif qui utilise des réservoirs d'eau extérieurs avec des pompes pour absorber l'énergie solaire, car les systèmes solaires passifs ne nécessitent pas d'énergie pour pomper et stocker la chaleur directement dans les structures et les finitions de l'espace occupé.
Dans les systèmes à apport solaire direct, la composition et le revêtement du vitrage du bâtiment peuvent également être manipulés pour augmenter l'effet de serre en optimisant leurs propriétés de rayonnement, tandis que leur taille, leur position et leur ombrage peuvent être utilisés pour optimiser l'apport solaire. L'apport solaire peut également être transféré au bâtiment par des systèmes d'apport solaire indirect ou isolé.
Les conceptions solaires passives utilisent généralement de grandes fenêtres orientées au sud avec un SHGC élevé et des surplombs qui bloquent la lumière du soleil pendant les mois d'été et lui permettent d'entrer dans la fenêtre en hiver. Lorsqu'elles sont placées sur le trajet de la lumière solaire admise, les éléments à masse thermique élevée tels que les dalles de béton ou les murs de trombe stockent de grandes quantités de rayonnement solaire pendant la journée et le libèrent lentement dans l'espace pendant la nuit. Lorsqu'il est conçu correctement, cela peut moduler les fluctuations de température. Certaines des recherches actuelles dans ce domaine portent sur le compromis entre la masse thermique opaque pour le stockage et le vitrage transparent pour la collecte grâce à l'utilisation de matériaux transparents à changement de phase qui admettent la lumière et stockent l'énergie sans avoir besoin d'un poids excessif.