En Soleil Lement
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ENSOLEILLEMENT
1. GEOMETRIE SOLAIREMouvements terre-soleilInclinaisons et saisonsTrajectoires apparentes du soleil depuis la terre
2. OUTILS D’ETUDE DE L’ENSOLEILLEMENTAbaques et diagrammes solairesGnomonHéliodon
PLAN DU COURS
La terre tourne autour du soleil selon unmouvement de translation sur une orbiteelliptique (assimilée à un cercle). L’axe despôles forme un angle d’inclinaison de 23° 27’par rapport à la normale au plan de l’elliptique etreste parallèle à lui-même au cours dumouvement annuel.
1. GEOMETRIE SOLAIRE1.1 Mouvement terre-soleil
ENSOLEILLEMENT
Sourc
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Mazr
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Sourc
e :
J.J
Delé
tré
On considère que le soleil émet comme une source située à l’infini,dont les rayons sont parallèles entre eux.
Généralités
1. GEOMETRIE SOLAIRE1.2 Inclinaison et saisons
ENSOLEILLEMENT
Source : Pierre Seille, ENS INSA Lyon, 2000http://www.ens-lyon.fr/Planet-Terre/Infosciences/Planetologie/Description/Articles/solstice.html
Les 4 positions clés (hémisphère nord)
Solstice d’été
Equinoxes
Solstice d’hiver
1. GEOMETRIE SOLAIRE1.3 Trajectoires solaires
ENSOLEILLEMENT
Sourc
e :
Danie
l Siret
- C
ER
MA
Exemples de trajectoires solaires depuisdifférents points de la terre
21 Juin
21 Mars
21 Déc.
21 Juin
21 Mars
21 Déc.
21 Juin
21 Mars
Latitu
de 9
0° NLatitude 45° N
Latitude 0° N
Pour une même direction des rayons solaires,la hauteur du soleil évaluée en différents pointsde la terre ne sera pas la même.
Le mouvement apparent du soleil depuis laterre dépend de la latitude du lieud’observation (P).
1. GEOMETRIE SOLAIRE1.3 Trajectoires solaires
ENSOLEILLEMENT
Sourc
e :
Danie
l Siret
- C
ER
MA
Mouvement apparent du soleil
• Latitude : angle formé par la droite joignant P au centrede la terre et le plan de l’équateur terrestre
• Plan horizontal du lieu : plan tangent à la sphère « terre »
• Verticale du lieu (zénith du lieu) : perpendiculaire auplan horizontal du lieu
Le lieu d’observation -point P -devient le centre d’une nouvelle sphère.
1. GEOMETRIE SOLAIRE1.3 Trajectoires solaires
ENSOLEILLEMENT
Sourc
e :
J.J
Delé
tré -
EA G
renoble
Mouvement apparent du soleil
Dans l’exemple ci-contre :
Latitude 45° (λ = 45°) λ0 = 23°27’ (solstices)α1 = 45° - 23°27’ α2 = 45° α3 = 45° + 23°27’
Reconstruction des positions solaires par rapport à la latitude du lieu
1. GEOMETRIE SOLAIRE1.3 Trajectoires solaires
ENSOLEILLEMENT
Sourc
e :
Danie
l Siret
- C
ER
MA
Coordonnées angulaires du soleil : hauteur, azimut
• Hauteur : angle formé par le rayon solaire etle plan horizontal (entre 0° et 90°)
• Azimut : angle formé par la trace du soleilsur le plan horizontal et la direction Nord(dans le sens des aiguilles d’une montre). Parcommodité, on utilise l’azimut par rapport ausud (< 0 côté Est, > 0 côté Ouest)
De manière générale, hauteur et azimut servent à définir la position d’un objet par rapportà un point de référence (point d’observation).
Sourc
e :
Mazr
ia
2. OUTILS D’ETUDE DE L’ENSOLEILLEMENT2.1 Diagrammes et abaques solaires
ENSOLEILLEMENT
Sourc
e :
Cart
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ou,
1980,
p.
235
Généralités
En éclairage, les principales techniques pourreprésenter en plan les trajectoires solaires surla voûte céleste sont :
- les diagrammes cartésiens (projectioncylindrique), avec en abscisse les azimuts et enordonnées les hauteurs
- les diagrammes polaires (projection circulaire),avec comme rayons les azimuts et commecercles concentriques les hauteurs
Les diagrammes et abaques solaires sont des outils graphiques simplifiés(trajectoires solaires tracées au 21 du mois), qui permettent de lire :- les trajectoires solaires- la position du soleil à un moment t- la période durant laquelle le soleil est visible depuis un point donné.
ENSOLEILLEMENT
Les heures données par les diagrammes sont des heures solaires.Il est donc nécessaire de faire une correction de temps pour obtenir lerésultat en heure légale.
=> Pour la France : HEURE LEGALE =heure solaire + équation de temps ± longitude + (1h en hiver / 2h en été)
Janv. Fév. Mars Avril Mai Juin Juill. Août Sept Oct Nov. Déc.
1er 3 14 13 4 -3 -2 4 6 0 -10 -16 -11
15 9 14 9 0 -4 0 6 4 -5 -14 -15 -9
• Décalage légal (fonction de chaque Etat) En France : été = GMT + 2h ; hiver = GMT + 1h
• Ecart de longitude : 4 mn / 1° (positif pour l’Ouest, négatif pour l’Est)
• Décalage d’équation de temps
Exemple : pour un point situé à Montpellier (long : + 3,53° Est),un diagramme donne une ombre à 16h45 le 21 juillet. L’heurelégale correspondante est :
H lég. = 16h45 + 0h06 - 0h14 + 2h = 18h37
2. OUTILS D’ETUDE DE L’ENSOLEILLEMENT2.1 Diagrammes et abaques solaires
Heures solaires et heures légales
2. OUTILS D’ETUDE DE L’ENSOLEILLEMENT2.1 Diagrammes et abaques solaires
ENSOLEILLEMENT
Sourc
e :
CSTB
Diagrammes cartésiens
Les azimut sont donnés en abscisse(0° = midi solaire, quand le soleil estdans l’axe sud).Les hauteurs sont données enordonnées.Ces diagrammes sont fournis pourune latitude donnée.
N S NE W
2. OUTILS D’ETUDE DE L’ENSOLEILLEMENT2.1 Diagrammes et abaques solaires
ENSOLEILLEMENT
Sourc
e :
J.J
Delé
tré -
EAG
Diagrammes cartésiens
Pour déterminer ces masques :
- choisir un point et une hauteur de référence- relever (sur le terrain ou sur un plan) la hauteur et lesazimut que font les arrêtes de ces masques avec lepoint de référence
- reporter hauteurs et azimut sur le graphe
- tracer les non horizontales avec les indicateursd’occultation
Ces diagrammes permettent aussi detracer les masques de l’environnement etde déterminer leur influence.
masques proches
masques lointains
Attention, si vous utilisezune carte topographique(IGN), il faut soustrairel’altitude du point deréférence à l’altitude quevous lisez sur la carte.
2. OUTILS D’ETUDE DE L’ENSOLEILLEMENT2.1 Diagrammes et abaques solaires
ENSOLEILLEMENT
Sourc
e :
J.J
Delé
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EAG
Diagrammes cartésiens
On lit l’influence des masques en fonction desmois et des heures de la journée
2. OUTILS D’ETUDE DE L’ENSOLEILLEMENT2.1 Diagrammes et abaques solaires
ENSOLEILLEMENT
Diagrammes polaires
Le centre du diagramme correspond au zénithdu lieu.Le plan de projection correspond au planhorizontal du lieu
Ces diagrammes sont valables pour unelatitude donnée.Les angles sont donnés en coordonnéespolaires :- les cercles figurent les hauteurs- les rayons figurent les azimuts
2. OUTILS D’ETUDE DE L’ENSOLEILLEMENT2.1 Diagrammes et abaques solaires
ENSOLEILLEMENT
Sourc
e :
ABC
- E
A M
ars
eill
e
Diagrammes polaires
Les masques de l’environnement peuvent êtretracés manuellement. Mais ce diagramme estsurtout pratique associé à l’utilisation d’unobjectif photographique fish-eye.
2. OUTILS D’ETUDE DE L’ENSOLEILLEMENT2.1 Diagrammes et abaques solaires
ENSOLEILLEMENT
Sourc
e :
ABC
- E
A M
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Diagrammes polaires
2. OUTILS D’ETUDE DE L’ENSOLEILLEMENT2.1 Diagrammes et abaques solaires
ENSOLEILLEMENT
Sourc
e :
CER
MA
Le Girasol
Le girasol est un abaque solaire universel (valablequelque soit la latitude), qui permet de lire lahauteur et l’azimut du soleil pour une situationdonnée
Sur le support sont représentés les courbesd’iso-azimut et les courbes d’iso-hauteur,figurant la sphère céleste en tout point de laterre.
Sur le disque transparent sont figurés lescourbes solaires autour du 21 de chaque mois,et les arcs horaires de 0 à 24h.
On fixe la latitude étudiée en faisant pivoter ledisque transparent et on lit, pour une datedonnée, les coordonnées du soleil au pointconsidéré.
2. OUTILS D’ETUDE DE L’ENSOLEILLEMENT2.1 Diagrammes et abaques solaires
ENSOLEILLEMENT
Sourc
e :
CSTB
Le gnomon
Le gnomon, associé à lagéométrie descriptive, estutilisé pour le tracé desombres.
2. OUTILS D’ETUDE DE L’ENSOLEILLEMENT2.1 Diagrammes et abaques solaires
ENSOLEILLEMENT
Sourc
e :
Danie
l Siret
- C
ER
MA
Le gnomon
Le gnomon repose sur leprincipe du cadran solaire,adapté à la latitude du lieu.
Une tige verticale dont on connaîtla dimension (d), est posée sur leplan horizontal.
Cette tige donne une traced’ombre qu’on représente pourchaque mois.
Les nombres situés sur les tracessolaires représentent les heuresen temps solaire.
Courbe A : 21 juin Courbe B : 21 mai et 21 juilletCourbe C : 21 av ril et 21 août Courbe D : 21 mars et 21 sept.Courbe E : 21 fév rier et 21 octobre Courbe F : 21 janv ier et 21 novembreCourbe G : 21 décembre
2. OUTILS D’ETUDE DE L’ENSOLEILLEMENT2.1 Diagrammes et abaques solaires
ENSOLEILLEMENT
Sourc
e :
work
shop J
.L.
Roux,
EN
SAM
2007
Le gnomonLa maquette et le gnomon sont fixés sur un plateau. Ilfaut faire correspondre le nord du gnomon avec lenord de la maquette.
La longueur de la tige est donnée par le diagramme(tige de hauteur égale au petit cercle).
On incline et on oriente le plateau de la maquette demanière à ce que l’ombre de la tige corresponde à ladate et à l’heure considérées.
Les ombres v isibles sur la maquette sont alors cellede l’instant choisi.
2. OUTILS D’ETUDE DE L’ENSOLEILLEMENT2.2 L’héliodon et la maquette
ENSOLEILLEMENT
Principe
Il est possible de simuler lesdifférentes positions solaires surune maquette avec un héliodon etun projecteur à rayons parallèles.
2. OUTILS D’ETUDE DE L’ENSOLEILLEMENT2.2 L’héliodon et la maquette
ENSOLEILLEMENT
Principe
Les 3 axes de rotation de l’héliodon :
-le basculement du plateau (0° à 90°) surlequel est posé la maquette permet de réglerla latitude
- le pivotement du pied permet de choisir lesmois
- on fait varier les heures en faisant tourner leplateau sur lui-même.
Axe des heuresAxe des latitudes
Axe des mois
2. OUTILS D’ETUDE DE L’ENSOLEILLEMENT2.2 L’héliodon et la maquette
ENSOLEILLEMENT
Exemples
2. OUTILS D’ETUDE DE L’ENSOLEILLEMENT2.2 L’héliodon et la maquette
ENSOLEILLEMENT
Exemples
Sourc
e :
J.J
Delé
tré -
EA G
renoble
ECLAIRAGE NATUREL
Audience(CERMA - école d’architecture de Nantes)
Outil de simulation en accès libre sur le web, qui permet d’évaluer ou de dimensionner lesprotections solaires placées devant un vitrage.
http://audience.cerma.archi.fr/cerma/pageweb/outils
Sourc
e :
audie
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2. OUTILS D’ETUDE DE L’ENSOLEILLEMENT2.3 Outils de calcul
3. CAPTER ET CONTROLERdispositifs de protection solaire
Protection solaire et orientation
Sourc
e :
ABC
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A M
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eill
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J. D
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EAG
Pour nos latitudes tempérées, on peut distinguer5 orientations principales qui tiennent comptedes déséquilibres de température entre matin etaprès-midi.
. Nord : jamais de soleil direct ; importance desréflexions extérieures. Sud : soleil haut quand les apports énergétiquessont importants• Ouest : apport énergétique le plus élevé (après-midi) ; soleil bas• Est : même caractéristiques que Ouest maissans surchauffe de la journée
• Toiture : partie la plus exposée en été
ENSOLEILLEMENT
3. CAPTER ET CONTROLERdispositifs de protection solaire
Protection solaire et orientation
Sourc
e :
ABC
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A M
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EAG
Orientation sud
L’orientation sud est la plus facile à traiter.Sous nos latitudes, la hauteur du soleil entre avrilet août est supérieure à 60°. C’est généralementcette hauteur qu’on prend comme référence.
La dimension de l’avancée est fonction de lahauteur entre l’avancée et le bas de la prise dejour.Tan H = H / P
On peut aussi fractionner la protection :l’espacement des lames sera alors fonction deleur épaisseur
Schéma pour midirayons solaires de hauteur 70°
Coupe sur la lame
Attention : les réflexions extérieures dans la partiebasse peuvent fortement renforcer l’apport dechaleur.
ENSOLEILLEMENT
3. CAPTER ET CONTROLERdispositifs de protection solaire
Protection solaire et orientation
Sourc
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J. D
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EAG
Orientation ouest
La hauteur de référence des rayonssolaires est 30°. L’avancée doit devenirtrès importante.
L’utilisation d’écrans fractionnés sont les pluscourantes. Incliner les lames permet de lesespacer et maintenir une vue sur l’extérieur.
Schéma pour midirayons solaires de hauteur 30°
Coupe sur les lames : horizontales et inclinées
On peut aussi utiliser des lames verticales, avec unangle horizontal de position de ces lames de 15° à30°.
ENSOLEILLEMENT
ECLAIRAGE NATUREL
S. FIORI2004-2005
Fonctions
- Protéger de l’éblouissement- Protéger de la surchauffe en été
tout en- Conservant une ventilation naturelle-Maintenant la vue extérieure- pouvant améliorer l’apport de lumière en fond de local
Sourc
e:
J.J
Delé
tré -
EAG
Avancéeen façade
Lamesextérieures
Lamellesintérieures
Fenêtrenonouvrante
3. CAPTER ET CONTROLERdispositifs de protection solaire
ECLAIRAGE NATUREL
S. FIORI2004-2005
Stores intérieurs
Stores vénitiens etstore extérieur
Sourc
e :
daylig
ht
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uild
ings
Une protection interne laisse pénétrer les IR ; lachaleur est piégée entre la baie et le store.
Par rapport à des stores classiques, ce système « fish »permet d’augmenter la distribution de la lumière dans la pièce
Sourc
e :
St
Gobain
Sourc
e:
M.
Fonto
ynont
3. CAPTER ET CONTROLERdispositifs de protection solaire
ECLAIRAGE NATUREL
Lames extérieures
Sourc
e :
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w.a
rch.u
cl.a
c.be/e
clairage
Brise soleil en alu, lames fixes ou orientables
Sourc
e:
PM
A
Façade double peau avec modules de brise-soleilorientables par commande électrique programmable
Les lames sont composées de 2 feuilles de verreenserrant un film multicouche dont la face externe estréfléchissante et la face interne micro-perforée pourmaintenir la vue
3. CAPTER ET CONTROLERdispositifs de protection solaire
Longitudes et latitudes de quelques villes
http://perso.wanadoo.fr/pgj/latlong.htm
ENSOLEILLEMENT
S. FIORI2005/06
30.11.05