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LES APPORTS SOLAIRES Sommaire : I. Le soleil II. Le rayonnement III. L’effet de serre IV. Les apports dans le bâtiment I. Le soleil La Terre orbite entre 147 et 152 millions de kilomètres autour du Soleil. La lumière du soleil met environ 8min pour atteindre la Terre. Sa température est de l’ordre de 5770 K (5493 °C). Le soleil est le plus proche de la Terre en janvier (le 3 janvier en 2010 par exemple) mais cela ne signifie pas pour autant que ce soit le jour où on perçoit le plus de chaleur, (on verra cela en partie IV). Le flux thermique arrivant au sommet de l’atmosphère terrestre est de l’ordre de 1367 W/m². Ce flux thermique arrive sous forme de rayonnement. Seule une partie de ce rayonnement traverse l’atmosphère, une partie des rayons ultra-violet (UV B ) sont filtrés par la couche d’ozone, les rayons X sont également stoppés par l’atmosphère, les vapeurs d’eau et le dioxyde de carbone filtrent une partie du rayonnement infrarouge. Ainsi, au sol, le rayonnement varie toute l’année, en, fonction des saisons, de l’heure de la journée mais aussi de la nébulosité. Voici ce qui arrive au sol par m² de surface :

Ceci sera accentué en fonction des saisons :

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En effet, la position de la Terre par rapport au soleil fait qu’en durée, dans un premier temps, l’ensoleillement est moins important : Ainsi, en France, il est de 16h le jour du solstice d’été et de 8h le jour du solstice d’hiver. Ceci peut s’observer facilement en fonction de la hauteur du soleil :

On peut ainsi voir que la trajectoire du soleil la plus longue correspond au solstice d’été (21 juin) et que la trajectoire du soleil la plus courte correspond au solstice d’hiver (21 décembre). Ce ne sont pas les seules choses qui interviennent sur le flux solaire reçu au sol. Regardons ces projections du flux solaire sur Terre en fonction de la saison :

Le trait bleu représente le rayonnement solaire, le segment jaune, sa projection sur Terre. On s’aperçoit qu’en fonction de l’inclinaison de la Terre (et donc de la saison), le flux au sol sera forcément plus faible l’hiver que l’été,

alors que ce qui arrive du soleil est sensiblement identique à la base (le flux solaire représente le rapport entre l’épaisseur du segment bleu et la longueur du segment jaune ⇒W/m²)

De plus, on peut voir que l’épaisseur de la couche atmosphérique peut être également plus importante à des latitudes situées plus au nord, ce qui jouera un rôle de filtre de façon plus intense.

Le flux solaire arrivant au sol dépend donc surtout de l’inclinaison de la Terre (donc de la saison) mais aussi de la latitude (situation géographique) et de la nébulosité. Il est donc très difficile d’évaluer précisément un gain énergétique dû au soleil puisque le facteur météo est non-négligeable. Toutefois, de nombreuses simulations en ligne peuvent permettre de renseigner sur les gains possibles.

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Voici une différence de production d’électricité photovoltaïque engendrée uniquement par la nébulosité : Dans la séquence « optimisations des apports solaires », tous ces paramètres ont été pris en compte (latitude, orientation, heures, saison…) sauf bien évidemment la nébulosité. II. Le rayonnement Le rayonnement est le seul mode de transmission de chaleur qui se fait sans support matériel. Il faut savoir que tout corps rayonne, quelle que soit sa température. Ainsi, la Terre subit le jour du rayonnement solaire (flux descendant) mais rayonne elle-même en direction de l’espace. L’échange de chaleur est tel que le soleil apporte beaucoup plus d’énergie que la Terre en perd, d’où une augmentation de la température le jour. Par contre, la nuit, la Terre rayonne toujours vers le ciel qui lui aussi rayonne vers la Terre mais cette fois-ci, la Terre perd de l’énergie. Chacun d’entre nous a déjà gratté son pare-brise alors qu’une autre voiture à l’abri d’un arbre n’avait pas de présence de givre : ceci s’explique par le fait que la température de l’air est positive mais que le pare-brise non protégé rayonne vers le ciel qui est très froid et donc ce pare-brise perd beaucoup d’énergie jusqu’à atteindre une température négative. Il existe différents types de rayonnement (cf. page suivante), tous ne sont pas aussi calorifiques les uns que les autres : l’énergie calorifique venant du soleil se situe entre 0,1 et 100µm et est constituée d’environ 18% d’ultra-violet, 41% de rayonnement lumineux (le visible) et 41% d’infrarouge au sommet de l’atmosphère. Une grande partie des ultra-violets est filtrée par la couche d’ozone. Ainsi, en France, le rayonnement solaire thermique varie en fonction de la situation géographique de moins de 1000kWh/m² de surface horizontale à plus de 1400kWh/m² de surface au sol (conditions météorologiques comprises). Sur Terre, le gisement est très variable :

équateur

Tropique du cancer

Tropique du capricorne

Cercle polaire arctique

Cercle polaire antarctique

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De façon plus scientifique maintenant, il faut savoir que la puissance échangée Φ par rayonnement est proportionnelle à la température absolue (kelvin) à la puissance 4 ! Cela répond à la relation suivante :

( )42corps

41corps TTS −⋅⋅σ=Φ

où

σ est la constante de Stéfan-Boltzmann : σ = 5,67.10-8 W/m2.K4 S est la surface d'émission du corps en m2

Tcorps est la température du corps en K.

Rappel : T (K) = T (°C) + 273,15 Ainsi, plus les écarts de températures sont importants, plus la puissance échangée par rayonnement est élevée. Par contre, s’il y a un obstacle matériel entre les 2 corps, le rayonnement incident (celui qui a été émis) sera partiellement absorbé par ce corps, le reste de ce rayonnement pouvant être réfléchi et/ou transmis. De ce fait, on définit des coefficients qui caractériseront la part d'énergie étant transmise, absorbée ou réfléchie par rapport à l'énergie reçue :

Facteur d'absorption α Facteur de réflexion ρ

α + ρ + τ = 1

Facteur de transmission τ

La fraction de rayonnement électromagnétique absorbée est alors transformée en énergie thermique d'où l'élévation de température de cette surface. Si on prend l’exemple d’un mur brut mat, le rayonnement est majoritairement absorbé. Si on prend l’exemple d’une tôle galvanisée neuve, le rayonnement est majoritairement réfléchi. Si on prend l’exemple d’un simple vitrage ordinaire, le rayonnement est majoritairement transmis. Ainsi, on pourra choisir un matériau en fonction de ces capacités à absorber, transmettre ou réfléchir le rayonnement en fonction de l’usage qu’on souhaite en faire : les satellites utilisent des matériaux réflecteurs afin d’éviter les chocs thermiques lors de leur passage face au soleil, dans un capteur solaire, on utilise une vitre pour laisser passer le rayonnement (cf. III effet de serre) et derrière celle-ci, on utilise un absorbeur (matériau de couleur noir) afin d’absorber au mieux le rayonnement solaire. La lumière est une forme de rayonnement, il est donc assez facile de comprendre ce qu’il se passe avec une paroi opaque, un miroir et une vitre. Cependant, le rayonnement est bien plus complexe, et en fonction de la longueur d’onde, tous les matériaux ne réagissent pas de la même façon.

rayonnement incident

Rayonnement réfléchi

rayonnement transmis

rayonnement absorbé

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Par exemple, un tableau blanc qui ne réfléchit que très peu la lumière est un excellent miroir en infrarouge !

Voici le cliché en infrarouge et le même dans le visible Et enfin l’association des deux dans la même proportion :

On voit bien que dans ce cas on voit l’opérateur en infrarouge seulement, on voit l’écriture seulement dans le visible. Cependant, les corps lisses et polis qui ont tendance à briller sont très souvent d’excellents réflecteurs en infrarouge. Tout corps rayonne. Comment savoir sur quelle longueur d’onde il rayonne ? Pour cela il y a la loi de Wien qui décrit la relation liant la longueur d'onde λmax, correspondant au pic d'émission lumineuse du corps noir, et la température T (exprimée en kelvin), par :

( ) ( )KenT10.898,2men

3

max

−

=λ

Il découle de cette loi que plus un objet est chaud, plus la longueur d'onde du rayonnement qu'il émet est courte : Par exemple, la température de surface du Soleil est 5 780 K, ce qui correspond à un maximum d'émission vers 500 nm, au milieu du spectre visible (du violet au rouge). Cette lumière nous apparaît comme jaune. Les étoiles plus chaudes émettent à des longueurs d'onde plus courtes et apparaissent bleutées ; les étoiles plus froides nous semblent rougeâtres.

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Dans des conditions typiques, notre environnement a une température d'environ 300 K et émet ainsi dans l'infrarouge moyen, aux alentours 10 µm. Cela a de multiples conséquences, par exemple : La plupart des caméras à vision nocturne fonctionnent sur le principe de la détection de ce rayonnement thermique.

Les astronomes ont du mal à observer dans l'infrarouge moyen car le rayonnement ambiant se mêle au signal provenant de l'objet étudié.

Cela explique aussi l'effet de serre sur Terre. C'est grâce à cette loi qu'on comprend pourquoi la Terre émet des rayonnements infrarouges ...

Limitations :

Il est à noter que beaucoup de sources lumineuses émettent un flux lumineux qui ne suit pas la loi du corps noir (un filament d'ampoule, par exemple) et que la loi de Wien ne s'applique pas à eux. En revanche, il reste avéré qu'ils émettent à une longueur d'onde d'autant plus courte qu'ils sont chauds.

Il faut également garder à l'esprit que le flux lumineux provenant d'un objet n'est pas forcément de nature thermique ; autrement dit sa couleur ne renseigne pas toujours sur sa température. Par exemple, la couleur du ciel provient de lumière solaire bleue diffusée par l'air et non d'une hypothétique température de 15 000 K. De même un arbre est vert, non pas parce qu'il est à 8 000 K, mais parce qu'il réfléchit la lumière verte qui compose la lumière du jour.

III. L’effet de serre Le principe de l’effet de serre est relativement simple : l’idée est de laisser pénétrer le rayonnement provenant du soleil et de retenir le rayonnement interne. Ceci est possible en ayant un matériau comme le verre car celui-ci est transparent aux longueurs d’ondes inférieures à 2,5µm. Voici un document qui montre la transmission du verre en fonction de son épaisseur et de la longueur d’onde. On s’aperçoit qu’en deçà de 2,5µm tout passe, et qu’au-delà de 4µm quasiment plus rien ne passe.

Ainsi, dans un premier temps, on peut considérer qu’un vitrage laisse passer 88% de l’énergie solaire, le reste étant réfléchi ou absorbé.

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Toutefois, si l’angle du rayonnement solaire par rapport au vitrage atteint les 45°, on constate alors une chute importante de la transmission au profit de la réflexion. Or on vient de voir que les corps dont la température est comprise entre 0 et 50°C (comme c’est le cas dans une serre) émettent aux alentours de 10µm ce qui signifie que le verre ne les laissera pas passer (donc en absorbera et en réfléchira). Un capteur solaire fonctionne sur ces effets. Observons tout d'abord sa composition :

Le rayonnement solaire émet sur toute sa gamme de longueur d'onde. Cependant une partie sera réfléchie et par ailleurs, les infrarouges sont absorbés par le vitrage (IR où λ>2,5µm.). Le rayonnement transmis par le vitrage va être en très grande partie absorbée par l'absorbeur de chaleur dont la couleur est noire afin d'obtenir un coefficient d'absorption maximal. Cet élément va donc voir sa température augmenter, il va céder alors sa chaleur par convection au fluide se trouvant dans les tuyaux (eau ou air) mais aussi par rayonnement vers l'extérieur. Cependant, il va émettre en infrarouge et de ce fait, son rayonnement va être absorbé par le vitrage qui va à son tour se réchauffer et donc émettre sur ces deux faces. L'intérêt de ce vitrage est donc de limiter les pertes de chaleur par rayonnement vers l'extérieur, c'est ce qu'on appelle l'effet de serre. Cet effet de serre est utilisé également pour le dessalement de l'eau (l'eau douce contenue dans l'eau de mer va s'évaporer sous l'effet de serre, une paroi froide permettra sa condensation, l'inclinaison de cette paroi fera qu'on pourra récupérer l'eau douce), dans les serres agricoles mais on le rencontre également en été dans notre voiture, sous notre véranda…

vitrage

Ailettes (absorbeur de chaleur) + tube

d'eau

isolant

τ

α

ρ

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Par ailleurs, au niveau planétaire, l'effet de serre est indispensable à la vie : le rôle du vitrage est en fait joué par les gaz présents dans l'atmosphère, par les nuages aussi qui la nuit émettent de la chaleur (car la journée, ils ont subi le rayonnement solaire mais aussi celui du sol ce qui signifie que leur température a augmenté) en plus de jouer le rôle de couvercle. Plus il y a de gaz dans l'atmosphère, plus l'effet de serre est marqué ce qui entraîne le réchauffement de la planète. Cependant, sans cet effet de serre, la planète serait très probablement gelée. Par ailleurs, un gaz, l'ozone (O3) joue également le rôle de filtre aux UVB, rayons susceptibles d'endommager la peau, les yeux… et laisse passer les UVA responsables du bronzage. Cette couche d'ozone est donc importante à la vie mais est perturbée par la présence en trop grande quantité de certains gaz tels que les CFC (éléments utilisés dans les aérosols et fluides frigorigènes dont la structure est à base de chlore sachant qu'un atome de chlore peut détruire 50000 à 100000 molécules d'ozone).

IV. Les apports solaires Tous les vitrages ne réagissent pas exactement de la même façon. Depuis une trentaine d’années, le double vitrage s’est imposé pour ses qualités isolantes. Il a bien évidemment permis de diviser les déperditions de chaleur par 2 à 5.

Mais une fenêtre permet aussi de bénéficier d’apports gratuits lorsque le soleil brille.

Ainsi, il a été établi le bilan énergétique d’une fenêtre sur la saison de chauffe en fonction du type de vitrage et de l’exposition de la fenêtre :

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Bilan énergétique annuel en kWh/m2.an

Le U est le coefficient de transmission thermique de la fenêtre, plus il est petit, plus la fenêtre est isolante.

On s’aperçoit qu’à l’exception du nord, toutes les fenêtres engendrent plus d’apports que de déperditions.

Toutefois, on parle aujourd’hui de triples vitrages qui ont un caractère encore plus isolant mais ce n’est pas le seul critère important. En effet, si on compare la capacité à transmettre la lumière (TL) notamment, le pouvoir isolant (UG) et éventuellement les parts de réflexion (RL) et d’absorption (AL), on s’aperçoit que le gain énergétique se fera au détriment de l’éclairage naturel d’où une vraie réflexion à avoir sur les tailles à mettre en place (sans compter le poids supplémentaire et les modifications structurelles des ouvrants).

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Quant à l’exposition, l’idée est de profiter des apports gratuits pendant la saison de chauffe et de s’en protéger pendant la saison estivale.

On s’aperçoit ainsi qu’une exposition plein Sud favorise naturellement tout cela car le soleil est “bas” l’hiver et donc pénétrera dans l’habitat alors qu’il est “haut” l’été, et qu’un simple débord de toit en protégera de son rayonnement.

Pour une orientation Est, le soleil pénètre toute l’année, ce n’est pas forcément gênant alors que cela peut l’être à l’Ouest, même si le bilan est identique à celui de l’Est, car en fin de journée, cet apport s’ajoute à une élévation de température journalière.

Conclusion :

Le soleil est une source énergétique très importante, gratuite et permanente. Cette source n’est pas pour autant en adéquation avec nos besoins en chauffage mais peut nous permettre de réduire considérablement ces besoins en choisissant une bonne exposition et dimension des vitrages.

De plus, une mauvaise exposition peut impliquer un besoin de climatisation l’été et donc un surplus de consommation d’énergie.