L'énergie solaire passive est basée sur l'utilisation directe du rayonnement solaire, sans avoir besoin d'utiliser des mécanismes de support externes, tels que des moteurs électriques pour orienter les panneaux solaires ou d'autres systèmes similaires. L’objectif principal de ce type d’énergie renouvelable est d’obtenir un confort thermique naturel dans les espaces sans recourir à des sources d’énergie externes. Les systèmes solaires passifs sont parfois combinés avec des technologies actives, comme l’installation de panneaux photovoltaïques, pour maximiser l’efficacité énergétique.
Pour profiter de l’énergie solaire passive, il est essentiel d’effectuer une série d’échanges d’énergie, dans lesquels l’énergie solaire est transférée d’un système à un autre. Un exemple de cela est le transfert de chaleur du rayonnement solaire vers un réservoir d’eau, qui est utilisé pour chauffer l’eau et obtenir de l’eau chaude à usage sanitaire.
Ce transfert d’énergie thermique se produit par le biais de trois processus thermodynamiques fondamentaux : le rayonnement , la conduction et la convection . Ces concepts sont détaillés ci-dessous :
Transfert de chaleur par conduction
Le transfert de chaleur par conduction est basé sur le transport de chaleur d'un corps à un autre à travers un milieu conducteur, qui peut être de l'air ou de l'eau. Dans le domaine de l’énergie solaire passive, la conduction à travers l’air est particulièrement pertinente.
En termes d’énergie solaire passive, la conduction thermique peut être à la fois bénéfique et néfaste. En hiver, par exemple, il faut profiter de la chaleur, tandis qu’en été, une chaleur excessive peut générer des températures inconfortables à l’intérieur des espaces. De plus, les infiltrations d’air froid non contrôlées peuvent contribuer jusqu’à 40 % aux pertes de chaleur en hiver.
Un placement correct des fenêtres et des systèmes de ventilation peut améliorer la convection naturelle, favorisant la ventilation croisée et le refroidissement pendant les mois les plus chauds.
Les systèmes de ventilation à récupération d’énergie sont essentiels car ils peuvent éliminer l’humidité, la poussière, le pollen et les micro-organismes indésirables de l’air sans avoir besoin de systèmes de filtration à forte consommation d’énergie.
La convection naturelle, qui provoque la montée de l’air chaud et la descente de l’air froid, peut entraîner une stratification inégale de la chaleur, ce qui peut provoquer des variations de température inconfortables dans les espaces. Cependant, cette stratification peut également être exploitée comme méthode de ventilation de l’air chaud, voire comme circuit de circulation d’air pour distribuer passivement la chaleur solaire.
Transfert de chaleur par convection
Le transfert de chaleur par convection est basé sur l'échange thermique entre deux corps à températures différentes qui sont en contact. Ce processus est régi par le premier principe de la thermodynamique.
Un exemple courant de ce processus est lorsque nous touchons un radiateur chaud avec notre main. À ce moment-là, la chaleur est transférée du radiateur (plus chaud) à notre main (plus froide) par convection.
Dans les bâtiments construits selon les principes de l’architecture passive, il est essentiel d’utiliser des matériaux ayant une capacité d’isolation thermique élevée. La présence de ponts thermiques dans les joints des portes et fenêtres extérieures doit être évitée pour assurer l'efficacité énergétique du système.
Transfert de chaleur par rayonnement
Le transfert de chaleur radiatif se produit par le biais d’ondes électromagnétiques, sans nécessiter de milieu conducteur. C’est le mécanisme par lequel l’énergie solaire atteint la Terre depuis le Soleil, en voyageant à travers le vide de l’espace.
Le rayonnement solaire est absorbé principalement par les fenêtres et les toits. L’énergie thermique est transférée des surfaces chaudes vers les surfaces froides, permettant à la maison de se réchauffer naturellement pendant la journée. Cependant, la nuit, ce même rayonnement peut s’échapper à travers les mêmes surfaces.
Lors des journées froides et claires, le rayonnement solaire est essentiel au chauffage. Pour contrôler la chaleur entrant par les fenêtres, il est possible de la réduire en utilisant du vitrage isolant, un ombrage adéquat et une orientation correcte des fenêtres.
Le rayonnement solaire fournit non seulement de la chaleur, mais aussi de l’éclairage. Pour éviter la surchauffe en été, on peut prévoir de l'ombrage par des avant-toits, des stores ou des arbres d'ombrage qui perdent leurs feuilles en automne, permettant ainsi une meilleure utilisation de la lumière du soleil en hiver.
Un principe essentiel de la conception solaire passive est le stockage de l’énergie thermique dans certains matériaux de construction, ce qui contribue à stabiliser les variations de température diurnes. Ces matériaux libèrent l’énergie accumulée pendant la nuit ou pendant les périodes de plus grande demande thermique.