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Comment sortir votre appartement du réseau électrique

Tue, 17 May 2016 00:00:00 +0000

L’installation classique d’un système de production d’électricité par des panneaux solaires photovoltaïques nécessite d’avoir accès à un toit privé et à un gros budget. Ne serait-il cependant pas possible de contourner ces obstacles en installant de petits panneaux solaires, connectés à un réseau de distribution basse tension en courant continu (CC), sur des rebords de fenêtres ou sur des balcons ? Pour mettre cette théorie à l’épreuve, j’ai décidé d’alimenter en énergie solaire le siège social de Low-tech Magazine en Espagne et d’écrire mes articles hors réseau.

Bien que les panneaux solaires soient de moins en moins chers et de plus en plus efficaces, on est loin d’une utilisation massive, même dans les régions les plus ensoleillées. Une des raisons à cela est le coût d’une installation solaire photovoltaïque classique qui dépasse bien souvent le budget de la plupart des foyers. Le prix moyen d’un système photovoltaïque résidentiel de 5kW en 2014, variait de 11 000 $ en Allemagne à 16 450 $ aux Etats-Unis, ¹² dont environ la moitié concerne les coûts d’installation. ³

Un second obstacle à l’accès à l’énergie solaire est que tout le monde ne vit pas dans une maison individuelle avec accès à un toit privé. Ceux qui vivent en appartement ont peu de chance de récolter l’énergie solaire avec un système conventionnel installé sur le toit. De plus, les surfaces de toit des immeubles d’habitations deviendraient rapidement trop petites pour couvrir la totalité de la consommation d’électricité des résidents, un problème qui ne fait qu’augmenter à mesure qu’il y a d’étages dans l’immeuble. Et enfin, une installation solaire classique est problématique dès lors que vous êtes locataire, que ce soit d’une maison ou d’un appartement.

Je fais moi même partie de ces personnes qui doivent faire face à chacun de ces obstacles : je vis dans un appartement, je suis locataire et je n’ai pas le budget nécessaire pour un système solaire conventionnel. Cependant, mon appartement est très ensoleillé. Il est situé près de Barcelone en Espagne, une ville dont le taux d’ensoleillement est de près de 1 700 kWh / m2 / an (ce qui est également le taux moyen aux États-Unis). De plus, mon appartement de 60 m2 a un balcon et toutes les fenêtres, orientées sud-sud-ouest, ne reçoivent aucune ombre portée d’arbres ou d’autres bâtiments.

La vue depuis mon bureau à domicile.

Ces conditions me permettent de passer l’hiver sans système de chauffage, en ne comptant que sur la chaleur solaire et des sous-vêtements thermiques. L’eau chaude est fournie par une chaudière solaire installée par le propriétaire et mon linge sèche sur le balcon. C’est alors en bricolant des panneaux solaires pour un projet artistique que j’ai eu une idée : avec le soleil qui alimente déjà une grande partie de mon espace de vie, ne serait-il également pas possible de récupérer l’énergie solaire des rebords de fenêtres et du balcon pour finalement sortir mon appartement du réseau électrique ? Une telle installation pourrait me permettre de contourner les obstacles d’une installation classique :

Je n’aurais pas besoin d’un accès au toit.
Je pourrais installer le système moi-même, ce qui le rend bien moins coûteux.
Je pourrais prendre l’installation solaire avec moi si je déménage.

De toute évidence, la grande question est de savoir si un tel système solaire non conventionnel pourrait générer assez d’électricité. Comme première expérience, j’ai décidé d’alimenter mon bureau de 10 m2 avec des panneaux solaires placés sur le long rebord de 2,8 m qui longe les fenêtres du bureau et de la chambre adjacente.

Bureau à domicile à énergie solaire

La fenêtre de mon bureau est relativement petite (d’une surface de 1,5 m2, elle ne prend que la moitié d’un mur). Néanmoins, il n’y a pas besoin d’alimentation électrique dans la chambre, qui est éclairée par trois lampes IKEA SUNNAN depuis des années. Par conséquent, la totalité du rebord des fenêtres est disponible pour alimenter en électricité le bureau. Il offre suffisamment d’espace pour cinq panneaux solaires de 10 W chacun, me fournissant chacun 50 watts-crête d’énergie solaire. Le balcon, quant à lui, servira à alimenter le reste de l’appartement. Les détails de ce deuxième projet sont décrits à la fin de cet article.

De par leur emplacement sur le rebord de la fenêtre, les panneaux solaires sont dans l’ombre le matin. Ils reçoivent une lumière directe de 10h à 17h dans le creux de l’hiver (soit un total de 7 heures), et de 13h à 21h en plein été (soit un total de 8h). Le maximum de la production d’énergie est d’environ 400 Wh par jour.

Les panneaux solaires sont connectés en parrallèle et couplés à un contrôleur de charge solaire et à des batteries au plomb de 550 Wh. En supposant une profondeur de décharge de 33% et une efficacité énergétique aller-retour de 80%, cela me donne un stockage d’énergie maximal d’environ 150 Wh.

Est-il possible d’alimenter un bureau avec des panneaux solaires photovoltaïques de 50 watts-crête et 150 Wh de stockage d’énergie ?

Observons maintenant la consommation d’énergie de mon bureau avant qu’il ne soit alimenté par l’énergie solaire. Je suis assis devant mon bureau à travailler la plupart du temps, soit à faire des recherches, soit à écrire, soit à construire ou à réparer des trucs. Les appareils qui nécessitent régulièrement de l’électricité sont :

Un ordinateur portable, qui a besoin de 20 W de puissance en moyenne.
Un écran externe d’ordinateur, qui a besoin de 16,5 W de puissance.
Deux lampes CFL (20 W et 12 W) et une lampe LED (3 W).

Consommation d’énergie d’un bureau

Cela demande donc jusqu’à 35 W de puissance pendant la journée (avec uniquement l’ordinateur portable et l’écran en cours d’utilisation) et 70 W après le coucher du soleil (l’ordinateur portable, l’écran et les lumières). Je travaille habituellement le matin et le soir, approximativement de 10h à 14h et de 20h à 1h. L’après-midi, je fais autre chose, ou je vais travailler à la bibliothèque.

La consommation totale d’électricité de mon bureau est donc de 500 Wh par jour (en moyenne), avec une légère variation entre l’hiver et l’été. Les jours nuageux, j’allume la lumière le matin, ce qui peut augmenter la consommation d’énergie à 640 Wh par jour. De plus, certains de ces appareils ont parfois besoin d’énergie supplémentaire :

Une imprimante laser, qui consomme 4 Wh d’énergie pour s’allumer et imprimer 8 pages de texte. Ce qui équivaut à faire fonctionner ma lampe de bureau (5 W) pendant plus de 45 min.
Une paire d’enceintes PC (1,5 W de puissance).
Trois lampes de vélo USB (chacune utilise 1,4 W de puissance pendant la charge).
Un appareil photo numérique, qui utilise 3 W pendant la charge.
Un ventilateur, qui utilise 30 à 40 W d’énergie.
Un téléphone portable (pas un smartphone) qu’il faut recharger toutes les 2 ou 3 semaines.

Il est clair que mon système de panneaux solaires photovoltaïques ne produit pas assez d’énergie pour la consommation totale de mon bureau. Alors que ma consommation quotidienne d’électricité est d’au moins 500 Wh lors d’une journée de travail de 9 heures, les panneaux installés sur le rebord des fenêtres ne me donnent qu’un maximum de 400 Wh par jour. Par temps couvert, la production d’énergie peut n’être que de 40 à 200 Wh par jour, en fonction de la couverture nuageuse. De plus, le stockage d’énergie n’est que de 150 Wh dans des circonstances idéales, alors que la majeure partie de la consommation d’énergie se fait après le coucher du soleil.

Et pourtant, je suis ici, en train d’écrire cet article, sur un ordinateur portable alimenté par de l’énergie solaire dans une pièce éclairée par de l’énergie solaire. Comment est-ce possible ? En appliquant ces stratégies :

Maximiser la production d’énergie en donnant le bon angle d’inclinaison aux panneaux selon la saison. 2. Minimiser la consommation d’énergie en installant un réseau en courant continu basse tension et en utilisant des appareils en courant continu. 3. Se forcer à réduire sa demande en énergie les jours sans soleil en se déconnectant du réseau.

Nous examinons ces points plus en détail ci-dessous. Mon système d’énergie solaire fonctionne depuis novembre 2015, avec seulement deux panneaux solaires de 10 W chacun. Puis, trois autres panneaux ont été ajoutés au printemps dernier.

1. Adapter l’inclinaison des panneaux solaires.

Les panneaux solaires installés sur le toit ont généralement un angle fixe d’inclinaison. Parce que la hauteur du soleil varie tout au long de l’année, un angle fixe est toujours un compromis. Les panneaux posés horizontalement sur un toit plat sont relativement bien positionnés pour la production en été, mais beaucoup moins pour celle de l’hiver. En revanche, les panneaux solaires inclinés fonctionnent beaucoup mieux en hiver mais moins bien en été. Sur les toits en pente, l’angle des panneaux solaires est souvent déterminé par la pente du toit, qui n’est pas nécessairement la meilleure inclinaison pour la production d’énergie solaire.

Un panneau solaire photovoltaïque incliné de manière optimale en hiver peut tripler sa production d’électricité par rapport à un panneau placé horizontalement.

Ajuster l’angle d’inclinaison d’un panneau solaire en fonction de la saison peut augmenter considérablement sa production d’électricité en hiver. En décembre, un panneau solaire photovoltaïque à Barcelone qui est incliné de manière optimale vers le soleil d’hiver peut tripler sa production d’électricité par rapport à un panneau placé horizontalement. Parce que l’avantage est beaucoup plus faible au cours des autres saisons, l’augmentation annuelle moyenne de la production d’électricité est inférieure à 10%. Cependant, l’inclinaison des panneaux solaire est la clé pour récolter suffisamment d’énergie pendant les mois d’hiver, lorsque les pénuries d’électricité sont les plus probables.

Dans le cas d’un système de panneaux solaires photovoltaïques installés sur un balcon ou un rebord de fenêtre, régler l’inclinaison de ses panneaux devient donc aussi facile que d’arroser ses plantes. Bien que vous puissiez avoir envie de faire de petits ajustements toutes les heures, tous les jours ou tous les mois, adapter l’angle deux à quatre fois par an est largement suffisant.

Il y a un autre avantage à avoir ses panneaux solaires si proches et accessibles : Ils peuvent être nettoyés régulièrement. Les panneaux installés sur les toits sont rarement nettoyés car ils sont la plupart du temps difficilement accessibles. Les pertes dûes aux poussières et aux saletés sont supposées être de 1% de l’énergie produite, mais dans les régions sèches et poussiéreuses, tout comme dans les zones à fort trafic, elles peuvent montées jusqu’à 4 à 6 % si le nettoyage n’est pas régulier. ⁴

Régler l’inclinaison de ses panneaux solaires est aussi facile que d’arroser ses plantes

De toute évidence, il est important que les panneaux ne tombent pas du rebord de la fenêtre. Les rebords de fenêtre diffèrent en forme et en taille, ce qui nécessite de dessiner une structure porteuse sur-mesure. J’ai une rambarde fixe en métal sur le rebord de ma fenêtre, destinée à protéger les pots de fleurs et jardinières, ce qui me permet de sécuriser la fixation de mes panneaux solaires. J’ai de la chance d’avoir cette fixation possible, cela montre bien comment de petits changements de conception peuvent faire la différence. Comme sécurité supplémentaire, j’ai lesté la base en bois de chaque panneau avec de lourdes pierres.

L’ajout d’un mécanisme pour varier l’inclinaison des panneaux complique la conception, parce que la partie mobile doit être aussi solide que la base. Après plusieurs tentatives infructueuses, j’ai trouvé un mécanisme qui semble fonctionner, avec des barres de Meccano vintage (2-3 tiges superposées, des écrous et des boulons plus gros). Une barre est reliée à la base de la structure, tandis qu’une autre est reliée à la planche de bois qui porte le panneau. Les deux barres sont reliées l’une à l’autre au milieu. Desserrer cet assemblage me permet d’ajuster la longueur des supports et donc l’angle des panneaux solaires.

Fenêtres solaires photovoltaïques?

Certains d’entre vous considèreront peut-être mon approche comme étant presque déjà obsolète, parce que certaines compagnies sont en train de travailler sur des fenêtres solaires photovoltaïques : un verre qui se double d’un générateur d’électricité. Cependant, cette technologie ne devrait pas être aussi performante que des panneaux solaires inclinables positionnés sur un rebord de fenêtre, et cela pour plusieurs raisons.

Les panneaux sur la gauche sont inclinés de manière optimale pour le printemps, les deux panneaux sur la droite sont encore en position hiver.

Tout d’abord, les fenêtres solaires photovoltaïques sont le plus souvent entièrement verticales, ce qui n’est jamais un angle efficace pour générer de l’énergie solaire – leur production d’énergie est environ trois fois plus basse que pour des panneaux horizontaux. ⁵ Deuxièmement, en été, ce système rend impossible l’ouverture des fenêtres ou l’occultation par des stores, ce qui entrainerait rapidement une surchauffe de mon bureau et créerait donc un besoin d’ajouter de l’air conditionné.

Mon installation de panneaux solaires, quant à elle, peut toujours produire de l’énergie quand les stores sont fermés ou quand les fenêtres sont ouvertes. Pour finir, un dernier argument et non des moindre, un panneau solaire intégré à une fenêtre ne peut pas être retiré quand on déménage, alors que mon système, lui, est entièrement démontable.

2. Opter pour un système en courant continu basse tension

Les systèmes classiques de panneaux solaires photovoltaïques convertissent le courant continu (CC) produit par les panneaux solaires en courant alternatif (CA) dans le but de le rendre compatible avec le courant alternatif du système de distribution des bâtiments. Puisque de nombreux appareils modernes fonctionnent en interne sur CC, le CA produit est ensuite de nouveau converti en CC. La conversion du CA en CC est réalisée par un onduleur, qui se trouve entre le contrôleur de charge et la charge. La seconde conversion se produit dans l’adaptateur CA / CC (externe ou interne) des appareils utilisés.

Le problème avec cette double conversion d’énergie c’est qu’elle génère des pertes substantielles d’énergie. C’est particulièrement vrai dans le cas des appareils à semi-conducteurs comme les LED et les ordinateurs, où les pertes combinées de la conversion CC / CA / CC s’élèvent à environ 30% - voir notre article précédent pour plus de détails. Parce que ce sont également les appareils qui constituent la majeure partie de la consommation d’énergie dans mon bureau, il est logique d’essayer d’éviter ces pertes en construisant un système basse tension en courant continu.

Comme dans un bateau ou dans un camping-car, le courant continu 12 V de mes panneaux solaires est directement utilisé par mes appareils en courant continu 12 V, ou stocké dans des batteries en courant continu 12 V. Si mes panneaux solaires génèrent leur puissance maximale de 50 W, mes appareils ont 50 W disponibles. Lorsque la batterie est impliquée, la charge et la décharge de la batterie ajoutent 20% de perte d’énergie, ce qui laisse 40 W de disponibles pour les appareils.

Le choix d’un système en courant continu basse tension augmente l’efficacité énergétique de 40%

D’autre part, dans une installation solaire photovoltaïque classique où une conversion CC / CA / CC a lieu, les appareils ne disposeraient alors que de 35 W et le reste serait perdu sous forme de chaleur lors de la conversion d’énergie. Si un accumulateur au plomb est utilisé dans un tel système, il ne resterait alors que 28 W de puissance. Pour résumer, dans mon cas spécifique, le choix d’un système en courant continu multiplie par 1,4 la production d’énergie.

Le choix d’un système en courant continu ne permet pas seulement d’économiser de l’énergie, mais aussi de la place et de l’argent. Moins de panneaux solaires sont nécessaires et il n’y a pas besoin d’acheter un onduleur CC / CA, qui est un appareil coûteux et qui doit être remplacé au moins une fois pendant la vie d’un système de production d’énergie solaire. Mais le plus important dans tout ça, c’est que vous pouvez construire vous même un système d’énergie solaire CC, même si vous êtes aussi maladroit que moi. Un réseau en courant continu basse tension (jusqu’à 24 V) n’est pas dangereux à manipuler car il ne comporte aucun risque de choc électrique. ⁶ En additionnant tous les coûts, j’ai sorti mon appartement du réseau pour moins de 400 euros.

Où trouver des appareils en courant continu

Le montage d’un système en courant continu implique d’utiliser des appareils compatibles. Cependant, comme de très nombreux appareils fonctionnent déjà en interne en CC, cela ne signifie pas que vous devrez tout racheter. Pour adapter l’éclairage de mon bureau, j’ai simplement coupé les fiches d’alimentation des cordons d’alimentation, je les ai remplacées par des fiches compatibles CC qui s’insèrent directement dans mon contrôleur de charge solaire et j’ai remplacé les ampoules par des ampoules LED de 12 V. Pour faire fonctionner l’ordinateur portable sur CC, j’ai remplacé l’adaptateur secteur par un cordon d’alimentation compatible CC, le même que celui utilisé dans les voitures. Ces cordons d’alimentation existent et peuvent être achetés pour tous les modèles d’ordinateurs qui existent.

Ma lampe de 3 W en courant continu.

Mon ordinateur portable avec cordon d’alimentation en courant continu.

Certains autres appareils sont plus difficiles à adapter parce que leurs adaptateurs CA / CC sont directement placés à l’intérieur des appareils. Par exemple, je n’ai pas encore trouvé comment convertir mon écran d’ordinateur externe pour qu’il fonctionne directement sur l’alimentation CC.

Les appareils qui ne peuvent pas être convertis sont généralement disponibles en version CC 12 V, comme par exemple: les réfrigérateurs, les mijoteuses, les compresseurs, ou les outils électriques. Ils peuvent être plus chers que leurs équivalents en CA, car ils sont produits en quantités beaucoup plus petites. Les réfrigérateurs en CC sont beaucoup plus chers parce qu’ils utilisent une isolation sous vide. Bien que cela ait du sens dans un camping-car ou un voilier où l’espace est limité, c’est un coût inutile dans un bâtiment.

La prise allume cigare des voitures, initialement conçu pour alimenter un allume-cigare chauffé électriquement, est devenu de fait depuis des décennies le connecteur en CC standard. Plus récemment, il a été rejoint par un autre système de distribution en CC basse tension: le connecteur USB. Les câbles USB fonctionnent sur 5 V en CC et peuvent transférer à la fois des données et de l’énergie. De nombreux appareils électroniques grand public sont désormais alimentés de cette manière.

Ces appareils sont généralement chargés par le port USB d’un ordinateur portable ou fixe, mais ils peuvent aussi être directement branchés sur un système solaire photovoltaïque. Alors qu’un câble USB standard supporte une puissance maximale de seulement 10 watts, le nouveau modèle USB-Power Delivery peut alimenter des appareils avec une consommation électrique allant jusqu’à 100 watts.

Par temps nuageux

Le choix pour un système en CC a considérablement réduit la consommation d’énergie de mon bureau. La consommation de mon ordinateur portable a diminué d’environ 20%. Opter pour des lampes à LED en CC a réduit de moitié la consommation pour l’éclairage (de 35 à 16 W). Sur la base de la journée de travail de 9h décrite précédemment, la consommation quotidienne des appareils régulièrement utilisés dans mon bureau est passée de 500 à 350 Wh/jour. Cela porte la consommation moyenne en dessous de la production d’énergie lors des jours ensoleillés (400 Wh), qui sont très nombreux là où je vis.

Trois panneaux solaires de 10 W sur le rebord de la fenêtre de la chambre.

En réalité, l’écran d’ordinateur externe et l’imprimante laser fonctionnent toujours sur le réseau électrique. Les 350 Wh de consommation d’énergie mentionnés ci-dessus incluent l’utilisation hypothétique d’un écran externe en CC (économie de 15% par rapport à une version en CA), mais pas l’utilisation de l’imprimante. Cependant, par temps ensoleillé, un surplus d’électricité assez important est produit, ce qui suggère que je pourrais également faire fonctionner l’écran externe et l’imprimante. Même les jours partiellement nuageux, l’énergie est abondante.

Cependant, la consommation d’énergie reste toujours trop grande pour les jours nuageux où la production se situe entre 40 et 200 Wh. Pour résoudre ce problème, on pourrait bien évidemment ajouter plus de panneaux solaires et de batteries. Cette solution ne semble cependant pas judicieuse car le système deviendrait trop coûteux, moins pratique et donc moins durablement écologique.

Pour garantir une consommation quotidienne de 350 Wh d’électricité pendant trois jours consécutifs sans soleil en décembre (dans le cas du pire scénario de production de seulement 40 Wh par jour), j’aurais besoin de multiplier par quatre la capacité de l’énergie solaire, passant de 50 à 200 W de capacité de pointe, et d’avoir au moins cinq fois plus de batteries.

Bien qu’il soit possible d’installer l’équivalent de 200 W de panneaux solaires sur le rebord des fenêtres, ce serait contre-productif car ils empêcheraient la lumière mais aussi la chaleur solaire d’entrer dans les pièces. Ajouté à cela, beaucoup trop d’électricité serait produite, et donc gâchée, pendant la majeure partie de l’année.

3. Adapter la demande d’énergie à l’offre disponible

Le contrôleur de charge solaire et la moitié des batteries du bureau.

Il y a une autre manière de faire correspondre les chiffres s’il n’y a pas assez de soleil disponible : utiliser moins d’énergie. Suggérer une réduction de consommation d’énergie est plutôt controversé, mais il existe pourtant un nombre étonnamment élevé de façons de réduire sa consommation, sans pour autant avoir à revenir à l’âge de pierre. Voici quelques pistes que je pourrais mettre en œuvre dans mon bureau :

Je pourrais installer un second bureau juste à côté de la fenêtre. De cette manière je pourrais me passer de lumière artificielle lors des jours les plus sombres de l’hiver, ce qui me permettrait de sauver encore au moins 40 Wh lors des jours où la production d’électricité est à son plus bas niveau.
Je pourrais utiliser moins de lumière pendant les soirées des jours où la production n’a pas été élevée. La majeure partie de l’année, j’ai suffisamment d’énergie disponible pour utiliser toutes les lumières de la pièce. Cependant, la plupart du temps, je me débrouille avec seulement deux lampes, et si nécessaire je pourrais n’utiliser qu’une seule lampe de 5 W ou même de 3 W. Lorsque la production solaire est au plus bas, cette dernière me donne plus de 13 heures de lumière. Je n’aurais donc jamais à passer une nuit dans le noir.
Je pourrais reporter les charges aux après-midi ensoleillés. Même en hiver, les batteries peuvent déjà être chargées autour de 14 ou 15 heures les jours ensoleillés. L’ajout d’une charge supplémentaire au système pendant ces périodes permet de profiter de cette abondance d’énergie qui serait autrement perdue. C’est à ces moment-là que je peux charger les lumières du vélo, l’appareil photo numérique ou le téléphone, utiliser le fer à souder de 12 V (mon seul outil électrique) ou l’imprimante. En été, je peux utiliser le surplus d’énergie pour alimenter deux petits ventilateurs USB, et c’est bien sûr à cette période où j’en ai le plus besoin.

Il y a une quantité étonnamment élevée de moyens de réduire notre consommation d’énergie sans avoir à revenir à l’âge de pierre

Je pourrais changer mes horaires de travail. Si je parvenais à travailler de 9h à 18h à la place des matins et des soirées, j’obtiendrais une double économie d’énergie. Premièrement, je n’aurais plus besoin d’éclairage, excepté pour une heure environ en hiver (ce qui économiserait 70 à 80 Wh/jour). Deuxièmement, j’utiliserais le plus d’énergie au moment où elle est produite, évitant 20% de charge et de décharge de la batterie lors de l’utilisation de l’ordinateur portable la nuit et le matin (ce qui économiserait 30 Wh supplémentaires). Changer mes horaires de travail abaisserait la consommation quotidienne d’électricité à environ 125 Wh, soit moins de la moitié de la production d’électricité maximale. De plus, toute la capacité de la batterie serait disponible pour les jours nuageux, car il n’y aurait pas d’utilisation d’énergie la nuit.
Je pourrais adapter mon type de travail sur ordinateur aux conditions solaires. Il y a une différence remarquable dans la consommation d’énergie de l’ordinateur portable entre faire du traitement de texte (environ 15 W) et surfer sur le Web (environ 25 W). En d’autres termes, je peux presque travailler deux fois plus longtemps lorsque j’écris, ce que je pourrais faire dans les moments où l’énergie disponible est faible.
Je pourrais abandonner mon écran d’ordinateur externe. Il peut être très pratique pour certains travaux, permettant d’avoir à la fois un écran pour lire et un écran pour écrire, mais la plupart du temps, ce n’est juste qu’une perte d’énergie sans réelle utilité. Abandonner l’écran externe me ferait encore économiser 150 Wh par jour. Cependant, cela augmenterait probablement l’utilisation de l’imprimante, il reste donc encore à voir si cette option économiserait vraiment de l’énergie.
Pendant plusieurs jours très nuageux consécutifs, je pourrais revenir à des mesures plus drastiques, comme travailler à la bibliothèque ou ne pas travailler du tout. Ou, je pourrais faire un travail qui n’implique aucune consommation d’énergie pendant la journée, comme lire des livres et prendre des notes à la main. Cela apporterait d’autres avantages : cela peut être rafraichissant de se déconnecter un moment et de faire les choses comme avant. Sortir un soir est un moyen amusant et facile de maintenir le niveau d’énergie suffisamment élevé pendant les périodes de mauvais temps.
Je pourrais construire un générateur à pédale lorsque j’ai vraiment besoin de plus d’électricité pendant les jours nuageux. À strictement parler, il ne s’agit pas d’une réduction de la demande d’énergie, mais cela implique bien sûr un effort de ma part. Pédaler pendant une heure et demie générerait environ 100 Wh d’électricité, ce qui me permettrait de travailler sur l’ordinateur pendant 3 à 5 heures ou d’utiliser la lumière LED 5 W toute la nuit.

Mon baromètre.

En gardant un œil sur mon baromètre et en étant un peu flexible, ce n’est pas si difficile de planifier mon travail en fonction de la météo. Cependant, jusqu’à présent, j’ai réussi à profiter de ces opportunités principalement en ce qui concerne l’éclairage, et moins lors de l’utilisation de l’ordinateur portable. Cela n’a rien à voir avec le fait que l’utilisation de l’ordinateur portable soit moins flexible que l’éclairage. Il s’agit plutôt d’une conséquence de la façon dont le système est construit.

Cela devient clair au regard de la façon dont j’ai mis en place mon expérimentation. Je voulais évidemment tester l’installation en plein hiver avant d’écrire sur le sujet. Cependant, je n’avais que deux panneaux solaires à l’époque. Par conséquent, j’ai d’abord testé mon bureau alimenté à l’énergie solaire en faisant fonctionner l’ordinateur à l’énergie solaire pendant deux semaines (tout en faisant fonctionner les lumières sur le réseau), suivi d’un test de deux semaines en faisant fonctionner l’éclairage sur l’énergie solaire (et l’ordinateur portable sur le réseau).

Pour l’éclairage, il est impossible de revenir en arrière sur le réseau car j’ai dû couper les cordons d’alimentation de toutes les lampes pour les rendre compatibles avec le réseau 12 V en courant continu.

Les résultats étaient remarquablement différents pour les deux périodes. Avec l’ordinateur portable, je pouvais toujours revenir sur le réseau général en changeant simplement le cordon d’alimentation. Par conséquent, rien ne me forçait réellement à adapter ma manière de travailler pour ne consommer que l’énergie disponible les jours sombres. Pour l’éclairage, à l’inverse, il était impossible de revenir en arrière, car j’ai dû couper les cordons d’alimentation de toutes les lampes pour les rendre compatibles avec le réseau 12V en CC, ce qui signifie que je ne pouvais désormais plus les faire marcher sur le CA du réseau.

Pendant les périodes de faible puissance, je n’avais pas d’autre choix que de réduire la demande en énergie pour l’éclairage, et c’est exactement ce que j’ai fait, sans effort je dois dire. J’ai rapidement installé un bureau supplémentaire près de la fenêtre pour éviter d’utiliser les lampes le matin, j’ai éteint les lumières chaque fois que je quittais la pièce, et je ne travaillais qu’avec une ampoule de 5 W ou même de 3 W si nécessaire.

Cinq mois plus tard, je me suis totalement habitué à ajuster les niveaux d’éclairage à l’énergie solaire disponible. D’un autre côté, je continue de brancher mon ordinateur portable sur le réseau si l’énergie est faible. Pourquoi ? Parce c’est possible. ⁷

Le nouveau bureau près de la fenêtre.

Par conséquent, sortir du réseau semble être la clé pour réduire considérablement sa demande en énergie. ⁸ Le fait d’avoir un approvisionnement limité en énergie encourage également l’utilisation de technologies plus efficaces et économes en énergie. Par exemple, les économies d’énergie que j’ai réalisées en remplaçant les deux lampes CFL restantes par des LED auraient également pu être réalisées sans construire un système photovoltaïque. Cependant, cette option ne m’est venue à l’esprit qu’après avoir décidé de relever le défi d’alimenter le bureau en énergie solaire.

Les progrès sur les technologies plus économes en énergie augmenteront régulièrement les possibilités de mon système hors réseau, sans risque d’effets rebond.

S’il était impossible de repasser sur le réseau général, j’essaierais probablement d’acheter un ordinateur portable plus économe en énergie. ⁹ À l’avenir, je pourrais également passer aux batteries au lithium-ion, qui ont des pertes plus faibles que les batteries au plomb. Investir dans une technologie plus économe en énergie me permettrait de faire fonctionner l’ordinateur et les lampes plus longtemps avec la même quantité de panneaux solaires. Avec une alimentation électrique limitée, il n’y a aucun risque d’effet rebond qui annulerait ces avantages.

Construire plusieurs systèmes solaires photovoltaïques

Comme mentionné au début de cet article, le bureau à énergie solaire n’est que la première étape vers la conversion totale de l’appartement, en passant tout le système hors réseau. Le deuxième projet consistera à installer un système solaire sur le balcon de 6 mètres de long qui se situe devant le salon et la cuisine (ouverte). Il alimentera les lumières, l’installation stéréo, le routeur Wifi, toutes les utilisations de l’ordinateur en dehors du bureau et tous les appareils de cuisine.

Le système électrique de la chambre.

Cette deuxième experience est un défi beaucoup plus grand pour deux raisons. Premièrement, le salon et la cuisine seront également utilisés par la deuxième personne qui vit dans cet appartement, ce qui compliquera la gestion de la consommation d’énergie. De plus, bien que nous n’ayons pas de grille-pain, de cafetière ou de micro-onde, la cuisine abrite un appareil très énergivore : la cuisinière électrique.

Parce qu’il faudrait trop de panneaux solaires et de batteries pour alimenter la cuisinière électrique grâce uniquement à des panneaux solaires photovoltaïques, l’idée est de la remplacer par des alternatives non électriques : un ou deux cuiseurs solaires, une cuisinière sans feu et un « rocket stove » pour le café du matin. En utilisant la chaleur solaire directe, nous pourrions utiliser le balcon nettement plus efficacement. Une autre idée consiste à construire un système low-tech de stockage des aliments qui permettrait de stocker la plupart des aliments à l’extérieur du réfrigérateur, en gardant cet appareil énergivore le plus petit possible ou même en le supprimant complètement.

Le système de panneaux solaires photovoltaïques du balcon sera complètement indépendant de celui du rebord de la fenêtre

Le système de panneaux solaires photovoltaïques du balcon sera complètement indépendant de celui du rebord de la fenêtre. Il y a plusieurs avantages à cette manière de faire. Comme nous l’avons vu dans le précédent article, les pertes liées à la longueur des cables sont relativement élevées dans un système en CC basse tension. Mettre en place plusieurs systèmes indépendants limite grandement la longueur des cables (et leurs encombrements).

Deuxièmement, l’installation de systèmes séparés permet une consommation d’énergie supérieure à 150 watts – ce qui est la limite de sécurité pour un système de 12 V en courant continu. Troisièmement, multiplier les systèmes rend possible le fait de démarrer petit et d’étendre progressivement le système. Cela évite des coûts de lancement trop importants et vous permet de tirer des leçons de vos erreurs.

Apprendre de ses erreurs

C’est en fait une de ces erreurs qui m’a fait me décider à installer deux systèmes distincts, même dans mon relativement petit bureau de 10m2. Les deux panneaux solaires devant le bureau sont connectés à la moitié des batteries (ils alimentent les lumières), tandis que les trois autres panneaux solaires devant la chambre sont connectés à l’autre moitié (ils alimentent l’ordinateur portable).

J’ai en effet court-circuité mon premier régulateur de charge solaire et j’ai dû en acheter un deuxième pendant la réparation du premier. C’était ça ou vivre sans lumière pendant trois semaines. Enfin, un dernier avantage à multiplier les systèmes est une plus grande fiabilité: si un système tombe en panne, il y a toujours de l’électricité disponible quelque part.

Si la deuxième expérience réussit, et bien sûr cela reste à voir, le plan est de résilier notre contrat avec notre fournisseur d’electricité, qui doit être renouvelé en décembre. Évidemment, il serait pratique de garder une connexion au réseau, mais il y a deux raisons importantes de ne pas le faire. La première a été expliquée ci-dessus : le fait de se déconnecter du réseau pousse la créativité et la volonté de réduire la demande d’énergie.

Deuxièmement, l’installation d’un système solaire tout en gardant un raccordement au réseau n’est pas avantageux financièrement, pas en Espagne en tous cas où plus des deux tiers de la facture d’electricité sont constitués de coûts fixes. Ce qui fait que même si nous consommions beaucoup moins d’electricité du réseau, notre facture resterait plus ou moins la même.

Si la deuxième expérience réussit, et bien sûr cela reste à voir, l’objectif est de résilier notre contrat avec notre fournisseur d’électricité

Certains défis restent compliqués à relever, comme l’alimentation de la machine à laver, de la salle de bain ou de l’imprimante laser. Le problème avec la machine à laver et la salle de bain est qu’ils sont du côté nord du bâtiment, loin des panneaux solaires. On pourrait aller dans une laverie mais il n’y en a pas proche de chez nous. On pourrait aussi utiliser une machine à laver à pédales mais elle nécessiterait de l’espace et nous n’en avons pas.

L’imprimante laser peut fonctionner avec un onduleur, ce qui peut également être pratique pour alimenter tout autre appareil occasionnel qui ne fonctionne pas sur une alimentation de 12 V en CC. Cependant, pour cela j’aurais besoin d’un onduleur relativement grand et cher, car la puissance de démarrage de la machine est supérieure à 400 watts. J’ai heureusement eu la chance de le découvrir avant de griller un autre appareil coûteux.

Avant de Vous Lancer

Il y a plusieurs choses à garder en tête avant de décider d’installer un système solaire photovoltaïque low-tech :

Vous avez besoin de suffisamment de soleil. Les panneaux solaires sur les balcons ou les rebords de fenêtres ne fonctionneront pas partout. Un système similaire au mien, mais 1 000 km plus au nord, ne produirait en moyenne que la moitié de l’electricité, avec une bien plus grande différence entre l’hiver et l’été.
Vous avez besoin de la bonne exposition. Même si vous vivez dans un climat ensoleillé, n’envisagez pas de récolter l’énergie solaire si les fenêtres ou les balcons sont orientés au nord, au nord-ouest ou au nord-est. L’ombre portée des bâtiments voisins ou des arbres sur vos panneaux peut également limiter vos ambitions. Vous avez besoin d’au moins 4 heures d’ensoleillement direct sur les panneaux chaque jour.
Vous devez être prêt à réduire votre consommation d’énergie. Peu de personne vivant en appartement auront suffisamment d’espace disponible pour générer assez d’énergie solaire pour un mode de vie énergivore.
Il pourrait être impossible de fermer certaines fenêtres complètement. Les cables provenant des panneaux entrent dans mon appartement en ouvrant légèrement la fenêtre coulissante du bureau. En hiver, je couvre cette ouverture avec du liège. Je n’utilise pas de chauffage, donc aucune énergie n’est perdue, mais cela pourrait être problématique dans d’autres situations. Vous n’êtes probablement pas supposé percer un trou à travers la fenêtre ou le mur si vous êtes locataire.
Alimenter votre appartement à l’énergie solaire ne le rend pas « 100% durable ». Les énergies fossiles sont utilisées pour produire les panneaux solaires et les batteries. L’électricité que je produis est probablement plus consommatrice de CO2 par kWh que l’electricité du réseau espagnol, d’autant plus que mes panneaux et mes batteries sont fabriqués en Chine. La seule raison pour laquelle mon système est plus durablement écologique que l’utilisation de l’électricité du réseau est qu’il m’oblige à réduire considérablement ma consommation d’énergie.

Renewable Power Generation Costs in 2014 (PDF), International Renewable Energy Agency (IRENA), January 2015 ↩︎
Photovoltaic System Pricing Trends: Historical, Recent, and Near-Term Projections (PDF), 2014 Edition, SunShot, U.S. Departmennt of Energy, September 2014 ↩︎
Soft costs account for most of PV residential installation costs, PV Magazine, December 2013 ↩︎
Spain’s Photovoltaic Revolution: The Energy Return on Investment (SpringerBriefs in Energy), Pedro A. Prieto & Charles A. Hall, 2013 ↩︎
Power Density: A Key to Understanding Energy Sources and Uses (MIT Press), Vaclav Smil, 2015 ↩︎
Provided that total power use is below 100-150 watts (which corresponds to between 8 and 12 ampère for a 12V system). Also make sure to properly fuse your solar PV system to avoid electric fires. ↩︎
Laptop use is further complicated by the laptop battery. If the battery is not 100% charged, the computer will automatically try to charge it when you connect it to the solar system. However, power use of the laptop triples during charging, and unless there is full sun on the panels my system refuses to provide this amount of power. I “solved” this by keeping the battery 100% charged. ↩︎
There is interesting academic research about the relationship between energy infrastructures and energy demand, which we will discuss in a forthcoming article. ↩︎
Note that most energy use of a laptop is in the manufacturing. Switching to a more energy-efficient laptop isn’t always a sustainable choice. Buying a second-hand device could be a solution. ↩︎

L'Enveloppe Solaire: comment chauffer et rafraichir les villes sans energie fossile

Sat, 24 Mar 2012 00:00:00 +0000

Illustration de [Diego Marmolejo](http://ddidak.blogspot.com.es/) pour Low-tech Magazine.

Les architectes du monde entier ont démontré l’utilité des bâtiments chauffés et rafraichis grâce à leur conception plutôt que par les énergies fossiles. Cependant, la possibilité d’appliquer ce raisonnement à des quartiers ou même à des villes entières a retenu nettement moins d’attention.

Concevoir une maison solaire passive, généralement indépendante, n’a pas grand-chose à voir avec la planification d’une ville densément peuplée où chaque bâtiment est chauffé et rafraichi uniquement grâce aux énergies renouvelables. Et pourtant, si nous voulons que l’architecture solaire passive dépasse le statut de lubie ou de simple curiosité, c’est exactement ce dont nous avons besoin. La recherche contemporaine, qui combine les savoirs anciens et les nouvelles technologies, montre que les villes solaires passives représentent une option réaliste jusqu’à des densités de population étonnamment élevées.

L’architecture solaire passive existe depuis des milliers d’années et est même antérieure à l’apparition des fenêtres.

Elle requiert une bonne conception et une bonne orientation des bâtiments pour qu’ils puissent être chauffés correctement grâce au soleil. Couplée à d’autres solutions low-tech telles que les sous-vêtements thermiques, les vêtements chauffants — et la création de microclimats —, elle pourrait éliminer l’utilisation de combustibles fossiles et de biomasse pour chauffer les bâtiments d’une bonne partie de la planète.

Une maison solaire passive peut également, de manière indirecte, supprimer les besoins énergétiques en climatisation, en ventilation (grâce à la ventilation naturelle), et en éclairage de jour. De plus, ces bâtiments pourraient être équipés de chauffe-eaux solaires et de panneaux photovoltaïques, ce qui réduirait d’autant plus l’utilisation de ressources énergétiques non renouvelables. L’architecture solaire passive n’implique aucune nouvelle technologie, elle existe d’ailleurs depuis des milliers d’années et est même antérieure à l’apparition des fenêtres.

Historiquement, l’architecture a toujours tenu compte de son contexte et de son climat, dont découlaient l’emplacement, l’orientation, la forme et les matériaux des différentes constructions. Chaque région du monde possédait ainsi son ou ses styles d’architectures vernaculaires.

À l’inverse, l’architecture moderne a tendance à produire partout des bâtiments identiques, répondant davantage à une esthétique moderne commune qu’à leur contexte climatique. Ils sont faits des mêmes matériaux, suivent les mêmes formes et sont souvent implantés et orientés indifféremment de la course du soleil et de la provenance des vents dominants.

Illustration de [Diego Marmolejo](http://ddidak.blogspot.com.es/) pour Low-tech Magazine.

Les constructions modernes dépendent d’une consommation massive de combustibles fossiles bon marché pour le chauffage, la climatisation et l’éclairage. Sans cet approvisionnement, ils deviennent inhabitables pendant la majeure partie de l’année : ils sont trop froids, trop chauds ou trop sombres. Ce changement radical dans la conception architecturale est dû à la fois à l’arrivée de sources d’énergie peu chères et abondantes puis à l’urbanisation qui en découle.

La révolution industrielle a provoqué un exode rural et déplacé des millions de personnes des campagnes vers les villes. Lorsque la majeure partie de la population vivait et travaillait encore dans des fermes ou des hameaux, il était relativement simple d’orienter sa maison en fonction du soleil. Dans un environnement urbain, l’orientation est généralement déterminée par le tracé des rues, et un bâtiment peut donc facilement faire de l’ombre à un autre. Plus les immeubles sont hauts, plus les apports solaires sont limités pour les bâtiments voisins.

Des bâtiments solaires aux villes solaires

Cela ne signifie pas que la conception solaire passive ne pourrait être appliquée à des villes entières. Il suffit juste d’une planification plus élaborée. L’accès à l’énergie solaire d’un bâtiment n’est déterminé que par quatre facteurs : la latitude (la distance par rapport à l’équateur) du bâtiment, sa pente, sa forme et son orientation.
L’accès à l’énergie solaire d’une ville (ou de tout autre environnement bâti) est déterminé par sept facteurs : les quatre mentionnés ci-dessus auxquels s’ajoutent la hauteur des bâtiments, la largeur et l’orientation des rues. La ventilation est, quant à elle, déterminée par les mêmes facteurs, à l’exception du fait que la latitude est remplacée par l’orientation des vents dominants.

Illustration : Ralph Knowles a développé et affiné une méthode qui établit un équilibre optimal entre la densité de population et l'apport solaire : « l'enveloppe solaire ».

Dans les années 1970, alors que la plupart des recherches sur l’architecture solaire passive était ciblée sur les maisons individuelles, Ralph Knowles, professeur émérite à la USC’s School of Architecture (Los Angeles) et auteur de trois ouvrages fascinants sur le sujet en 1974 1981 et 2006 (vois sources), se lança dans quarante années de recherche sur les villes à orientation solaire.

Knowles a développé et affiné une méthode qui établit un équilibre optimal entre la densité de population et l’apport solaire : « l’enveloppe solaire ». C’est un gabarit formé par un ensemble de frontières théoriques autour de chaque bâtiment en construction, qui régule son développement en fonction de la course du soleil.

Les bâtiments qui sont dans cette « enveloppe solaire » ne font pas d’ombre sur les bâtiments voisins pendant les périodes durant lesquelles les apports solaires sont les plus faibles.

Les bâtiments qui sont dans cette « enveloppe solaire » ne font pas d’ombre sur les bâtiments voisins pendant les périodes durant lesquelles les apports solaires sont les plus faibles, et assurent donc un apport suffisant aux systèmes solaires passifs et actifs. D’un côté, l’enveloppe solaire permet aux architectes de concevoir en fonction du soleil sans craindre que leurs idées ne soient rendues caduques par les futurs bâtiments. Et d’un autre côté, elle reconnaît le besoin de développement urbain et de fortes densités de population, en définissant les plus grands volumes possibles qui ne projetteraient pas d’ombres au mauvais endroit au mauvais moment.

Illustration : Ratio sol / surface et apport solaire. Ralph Knowles.

Knowles et ses étudiants ont atteint des densités bien supérieures à la moyenne des villes européennes et américaines, si l’on exclue les quartiers de grandes hauteurs, comme Manhattan.

Modification des pratiques traditionnelles de zonage.

L’enveloppe solaire est en fait une modification relativement simple des pratiques de zonage courantes, qui définissent également des limites théoriques qui bornent un projet de construction en déterminant la hauteur, la largeur et la profondeur maximales des futurs bâtiments. L’approche la plus stricte dans le zonage conventionnel prescrit des hauteurs maximales, définies en mètres, en nombre d’étages, ou les deux. Une seconde approche, plus flexible, fixe des limites basées sur un ratio entre la surface de terrain constructible et la surface de plancher construite.

Par exemple, un ratio surface de plancher / surface de la parcelle de six signifie que les architectes peuvent construire l’équivalent de six fois la superficie constructible du terrain. Ils pourraient par exemple bâtir sur six niveaux sur l’ensemble de la surface du site, ou sur douze niveaux sur la moitié seulement du terrain.

Bien que ces deux méthodes de zonage permettent une certaine quantité d’apport solaire dans une ville, elles sont loin d’être optimales. Le principal problème est qu’elles ne déterminent pas l’orientation du bâtiment en tenant compte de son impact solaire, ce qui peut être tout aussi déterminant que la hauteur du bâtiment. Par exemple, un gratte-ciel dont les plus grandes façades sont orientées à l’est et à l’ouest projette une ombre d’hiver relativement petite à midi, tandis qu’un autre, dont les plus grandes façades seraient orientées au nord et au sud, plonge dans l’ombre une zone beaucoup plus importante pendant les périodes les plus ensoleillées de la journée (voir illustration ci-dessus). La prise en compte de l’orientation améliorerait donc considérablement l’apport solaire des bâtiments environnants, sans pour autant sacrifier la densité des logements.

La géométrie de l’enveloppe solaire.

Par rapport aux pratiques de zonage conventionnelles, l’enveloppe solaire produit une géométrie bien différente – les limites verticales de l’enveloppe sont dessinées par les mouvements quotidiens et saisonniers de la course du soleil. Ainsi, alors que les enveloppes de zonage conventionnelles ont la forme d’une boîte, l’enveloppe solaire a une forme plus complexe avec à la fois des plans verticaux et inclinés.

En conséquence, les bâtiments et les ilots de la ville qui remplissent ces enveloppes solaires théoriques sont plus susceptibles d’avoir des formes uniques. Une des façades d’un immeuble ne ressemblerait pas à une de ses autres façades, pas plus que la façade de l’autre côté de la rue. Dans l’hémisphère nord, la construction aurait tendance à être plus basse sur la partie sud d’une rue que sur la partie nord, où une exposition sud importante serait préservée. Les rues prennent alors un caractère directionnel, avec une orientation solaire clairement reconnue.

La rencontre entre des bâtiments contigus pourra alors se faire moins brusquement le long des limites de propriété. Les immeubles de grande hauteur se regrouperaient à l’extrémité sud-ouest de l’îlot, ceux de hauteur modérée à l’extrémité nord-est et les bâtiments les plus bas occuperaient la section intermédiaire du pâté d’immeubles. Les bâtiments situés dans les angles pourraient être plus hauts, puisque leurs ombres pourraient s’étendre à travers la rue dans deux directions au lieu d’une seule.

Illustration : Enveloppes solaires à Los Angeles sur le modèle de la grille espagnole. Ralph Knowles.

Bâtiments à l’intérieur des enveloppes solaires illustrées ci-dessus. Ralph Knowles.

La conception des bâtiments suivant le principe de l'enveloppe solaire se caractérise par des toitures terrasses, des sheds, et des cours. Ralph Knowles.

L’enveloppe solaire permet d’apporter des éléments architecturaux d’une grande cohérence. Par exemple, des toitures terrasses apparaissent là où les pentes de l’enveloppe coupent les géométries rectilignes des bâtiments. Les cours sont un autre élément crucial car elles permettent un apport de lumière et de chaleur dans les intérieurs encaissés. Les sheds permettent la pénétration du soleil d’hiver dans les cages d’escaliers pour les étages inférieurs souvent sombres. Les nombreux écrans solaires et porches protègent du soleil d’été.

Déterminer l’apport solaire

L’enveloppe solaire n’est pas seulement définie par la course du soleil, mais aussi par des paramètres déterminés par l’architecte ou l’urbaniste. Le choix de ces paramètres déterminera l’équilibre entre l’apport solaire et le potentiel développement urbain.

Le choix le plus important est de définir les « durées limites » au cours desquelles il ne doit pas y avoir d’ombres portées sur les terrains voisins. Plus la période d’apport solaire quotidien est importante, plus le volume constructible est faible. De toute évidence, il est impossible de fixer ces « durées limites » du lever au coucher du soleil, trop peu de bâtiments pourraient être construits. Pour l’architecture solaire passive et en fonction du climat, on estime de 4 à 6 heures l’apport solaire minimum nécessaire par journée d’hiver.

Illustration : Conception d'une enveloppe solaire.

La durée d’apport solaire pourrait également être fixée par une quantité minimum d’énergie fournie au lieu de déterminer un minimum d’heures d’ensoleillement. Dans ce cas, les « durées limites » changeraient au cours de l’année. Un autre paramètre à définir est la « barrière de l’ombre ». Elle détermine la hauteur minimale à partir de laquelle l’apport solaire doit être assuré, par exemple zéro, trois, six mètres… au-dessus du niveau de la rue. Il est envisageable de permettre le fait que les garages soient presque toujours dans l’ombre, afin d’augmenter le volume constructible et donc la densité urbaine.

Et les bâtiments existants ?

Une enveloppe solaire peut être conçue pour un bâtiment individuel mais aussi pour un groupe de maisons, un quartier, ou même une ville entière. Il s’agit d’un processus assez simple dans le cas d’un ensemble conçu à partir de rien, mais généralement, les bâtiments existants présents compliquent la conception de l’enveloppe solaire. Quand elle est appliquée dans un environnement déjà bâti, chaque nouvelle construction devra tenir compte des bâtiments existants. Chaque nouvelle phase de développement change donc le contexte dans lequel la prochaine enveloppe sera générée.

Illustration : Une enveloppe solaire projetant son ombre maximale en hiver. Les petites maisons existantes conservent leur apport solaire. Ralph Knowles.

Illustration : Une des constructions possibles dans l'enveloppe solaire de l’illustration ci-dessus. Ralph Knowles.

Il est important de noter que l’enveloppe solaire n’a pour but que de protéger les propriétés voisines. C’est à l’architecte d’assurer l’apport solaire aux bâtiments à construire, en s’attaquant aux problèmes d’ombrage et d’ensoleillement à l’intérieur de l’enveloppe elle-même. Pour les grands terrains, le volume d’une enveloppe solaire est donc supérieur à celui des bâtiments qui l’occupent.

Les Villes solaires de l’Antiquité

Les recherches de Knowles s’appuient sur des connaissances anciennes, notamment sur les villes solaires de la Grèce antique et sur les communautés solaires des Natifs Américains Pueblos dans ce qui est aujourd’hui le sud-ouest des États-Unis. Dans la Grèce Antique ont été construites des villes entières dont l’exposition solaire était optimale.

Par exemple, au cinquième siècle avant JC, un quartier d’environ 2 500 habitants fut construit dans la ville d’Olynthus. Les rues ont été construites perpendiculairement les unes aux autres, et s’étendaient d’est en ouest (il s’agit des rues horizontales sur plan ci-dessous), afin que toutes les maisons (cinq de chaque côté de la rue) puissent profiter d’une exposition sud.

Illustration : Maison solaire passive dans la Grèce antique.

Illustration: Plan de la ville d’Olynthus de la Grèce Antique.

Un plan de ville quadrillé dans les directions des quatre points cardinaux n’était pas nouveau à l’époque, et n’est pas non plus la preuve d’une conception visant une exposition solaire maximale. Mais les Grecs sont tout de même allés plus loin. Dans A Golden Thread: 2500 Years of Solar Architecture and Technology (voir sources, non traduit en français), Ken Butti et John Perlin notent que toutes les maisons étaient systématiquement construites autour d’une cour orientée au sud:

« Les maisons dont la façade sud donnait sur la rue étaient desservies directement par leur cour depuis la rue. Alors que pour les maisons dont la façade nord donnait sur la rue, un passage permettait de traverser la maison pour rejoindre la cour, toujours exposée sud et qui desservait tous les espaces de la maison. »

Conformément à l’éthique démocratique de l’époque, la hauteur des bâtiments était strictement limitée afin que chaque cour bénéficie de la même quantité d’ensoleillement :

« En hiver, les rayons du soleil étant rasants, ils traversaient la cour exposée au sud puis le portique, pour pénétrer dans la maison et chauffer les pièces principales. Les murs des façades nord étaient faits de briques d’adobe d’environ 50 centimètres d’épaisseur pour se protéger des vents d’hiver du nord. »

Illustration : Priène, ville de la Grèce antique.

Un autre exemple évident de planification solaire de la Grèce antique était Priène (illustration ci-dessus), reconstruite en 350 avant JC et située dans l’actuelle Turquie. La ville comptait environ 4000 habitants vivant dans 400 maisons. Ses bâtiments et son plan étaient similaires à ceux d’Olynthus, mais parce que la ville a été construite sur le flanc d’une montagne escarpée, la majorité des quinze rues secondaires (sur un axe nord-sud) étaient en fait des escaliers. Les sept avenues principales étaient en terrasse sur un axe est-ouest.

Les Natifs Américains

L’ancien peuple Pueblo ou « Anasazi » a construit un certain nombre de communautés sophistiquées orientées vers le soleil au cours des XIe et XIIe siècles après JC dans ce qui est aujourd’hui le sud-ouest des États-Unis : Long House à Mesa Verde, Pueblo Bonito au nord du Mexique et la « ville du ciel » d’Acoma.

Ces communautés ont suivi un style de construction différent de celui des Grecs. Le peuple Pueblo a construit des bâtiments en terrasses pouvant atteindre jusqu’à trois étages. Ces bâtiments se seraient parfaitement intégrés dans une enveloppe solaire aux lignes inclinées.

Illustration d'Acoma Pueblo, par Gary S. Shigemura (source: «Energy and Form», Ralph Knowles).

Acoma pueblo (illustration ci-dessus) est un exemple de ces communautés planifiées en fonction du soleil. Le bâti est composé de trois rangées de maisons construites en escalier le long de rues orientées sur un axe est-ouest, de sorte que chaque maison profite d’une façade exposée au sud. Les rues ont une largeur suffisante pour permettre aux ombres portées des bâtiments d’un des côtés de la rue de ne couvrir que la rue en s’arrêtant juste avant la rangée de bâtiments suivants.

Heliodon

La recherche de Knowles combine les meilleurs éléments de ces conceptions historiques avec une technologie moderne qui facilite grandement la génération d’enveloppes solaires. L’héliodon, inventé dans les années 1930, est un outil qui crée une relation géométrique entre une maquette architecturale et une représentation du soleil. Plus récemment, différents logiciels ont rendu la technologie de l’héliodon beaucoup plus accessible en permettant la génération rapide d’enveloppes solaires même très complexes.

Illustration de Diego Marmolejo pour Low-tech Magazine.

Afin d’assurer un bon apport solaire et une bonne ventilation, de nombreuses villes en Europe et aux Etats-Unis ont adopté différents règlements d’urbanisme entre les années 1850 et les années 1930.

Illustration: [Diego Marmolejo](http://ddidak.blogspot.com.es/).

Les Grecs ont principalement eu recours à la conception solaire passive à cause d’une grave pénurie de bois de chauffage, mais pas seulement : ils étaient convaincus que la chaleur solaire était bonne pour la santé. D’ailleurs, si l’apport solaire est redevenu une question centrale dans le monde occidental lors de l’urbanisation du XIXème et du début du XXème siècles, la santé publique était la seule et unique motivation.

La révolution industrielle a apporté de grandes quantités d’énergies bon marché, mais également beaucoup de maladies. Des millions de personnes se sont retrouvées dans des bâtiments surpeuplés dans des rues étroites. Ces quartiers ont rapidement été ravagés par des épidémies mortelles telles que la tuberculose, le choléra, la variole ou la fièvre typhoïde. La plupart des experts médicaux étaient convaincus que ces maladies étaient causées par un manque d’air frais et de soleil.

Dans son livre Healthy Hospitals (non traduit en français), parut en 1893, Douglas Galton écrit :

«Après l’air, c’est la lumière et le soleil qui sont essentiels à la croissance et à la santé; et ce sont les meilleurs assistants de la Nature pour permettre au corps de se débarrasser de ces conditions que nous appelons maladie. Il ne s’agit pas seulement de la lumière du jour, mais de la lumière du soleil ; en effet, l’air frais doit être réchauffé par le soleil, pénétré par le soleil. Il a été récemment démontré que le soleil d’un jour de décembre tue les spores du bacille de l’anthrax. »

En 1854, John Snow a observé qu’une épidémie de choléra pouvait être attribuée à la consommation d’eau contaminée dans un puits public, prouvant que la maladie la plus dévastatrice n’était pas causée par un air vicié ou par un manque de soleil mais par des germes présents dans l’eau potable.

Cependant, il faudra un demi-siècle de plus pour que sa théorie soit largement acceptée. De plus, certains maux ont en effet été guéris ou atténués par le soleil et l’air frais. Par exemple, le rachitisme, une maladie déformant les os, endémique chez les enfants citadins du XIXe siècle, est dû au manque de soleil.

Au tournant du siècle, les médecins d’Europe et des États-Unis ont commencé à promouvoir les bains de soleil pour aider à prévenir des maladies. Fait intéressant, alors que Knowles a commencé ses recherches sur l’enveloppe solaire uniquement pour des raisons de production d’énergie, il a progressivement changé ses priorités, travaillant plus largement sur l’amélioration la qualité de vie (voir son dernier livre (2006) en particulier).

Apport solaire dans les villes du XIXe siècle.

Afin d’assurer l’accès au soleil et à l’air frais, de nombreuses villes d’Europe et des États-Unis ont établi une variété de règlements d’urbanisme entre les années 1850 et 1930. Bien que Knowles ne parle pas de cette période, il est intéressant de comparer ces pratiques antérieures de zonage à l’enveloppe solaire.

La plupart des règlements d’urbanisme étaient définis par la hauteur des bâtiments et la largeur de rues. L’architecte de Boston William Atkinson, qui était à l’époque l’un des défenseurs de la conception solaire passive, a perçu les limites de ces règlements et a souligné le fait que la forme du bâtiment était tout aussi importante - la contrôler pourrait en effet augmenter à la fois le potentiel de développement urbain et les apports solaires.

Illustration : règlement d’urbanisme de Paris.

Dans son livre de 1912 The Orientation of Buildings, or Planning for Sunlight (non traduit en français), il écrit :

«La méthode qui consiste à limiter la hauteur des bâtiments par un plan horizontal, soit à une hauteur fixe, soit à une hauteur proportionnelle à la largeur de la rue, est simple à appliquer mais n’est pas scientifique, car elle suppose que la bonne hauteur est la même pour toutes les façades du bâtiment. » « Alors qu’en réalité, les parties les plus éloignées de la rue pourraient tout à fait être plus hautes, proportionnellement à leur éloignement de la rue. La hauteur d’un bâtiment devrait donc être limitée par un plan oblique tracé à un certain angle partant du côté opposé de la rue. »

Atkinson s’est inspiré du règlement parisien de 1902 (une adaptation du règlement original d’urbanisme de Haussmann), qui ne régulait pas uniquement la largeur des rues et la hauteur des bâtiments, mais introduisait également une règle régissant la forme des bâtiments. L’illustration ci-dessus (tirée du livre d’Atkinson) montre que la façade d’un immeuble parisien (la ligne verticale AA) ne pouvait pas mesurer plus de 20 mètres, tandis que les combles (dont la hauteur était également déterminée par la largeur de la rue mais ne pouvait pas dépasser 10 mètres) étaient courbes.

Illustration : règlement d’urbanisme à Londres.

Il est donc plus probable que la lumière pénètre dans les parties inférieures du bâtiment sur le trottoir d’en face, tout en maximisant la densité de logement. La capitale anglaise avait un règlement d’urbanisme quelque peu similaire depuis le London Building Act de 1894, mais prescrivait des toits inclinés et non des toits courbes. Les gratte-ciel apparus Aux Etats-Unis, à la suite de la mise en place du règlement d’urbanisme de 1916 « the 1916 Standard Zoning Enabling Act » a également règlementé la forme des bâtiments, bien que la hauteur même des gratte-ciel limitaient nettement l’apport solaire des immeubles voisins.

L’ « Eixample » de Barcelone

L’exemple le plus intéressant d’urbanisme solaire du XIXe siècle est l’«Eixample» de Barcelone (terme catalan pouvant être traduit par «agrandissement» ou «expansion»), conçu par Ildefons Cerdà i Sunyer. L’Eixample de Barcelone (Il abrite la Sagrada Familia et d’autres monuments célèbres de Gaudí) peut être considéré comme le plus grand quartier d’architecture solaire existant. De plus, son histoire illustre bien la tension entre l’accès au soleil et les besoins de développement.

Illustration : Plan de l'Eixample de Barcelone, le plus grand quartier d’architecture solaire existant.

Contrairement au baron Georges-Eugène Haussmann à Paris, Cerdà n’a pas eu à démolir Barcelone pour adapter la ville à l’immigration massive de l’époque. La Barcelone médiévale (la grande zone sombre sur le plan ci-dessus) était entourée d’une grande plaine et de quelques petits villages à la périphérie (également en noir).

Dans les années 1850, Cerdà a conçu un grand plan de rues en « damier » entourant le centre ancien et annexant les villes périphériques. Le quartier, dont la superficie est aujourd’hui de 7,46 km2, se compose de très grands blocs mesurant 113 mètres de côté séparés par des rues de 20 mètres de large entrecoupées de quelques boulevards de 50 mètres de large.

Illustration : L'Eixample aujourd'hui.

Cerdà avait pour objectif de maximiser l’accès au soleil (et la ventilation) de chaque appartement de quatre manières différentes. Premièrement, il a limité la hauteur des constructions à 16 mètres pour les rues de 20 mètres de large. Deuxièmement, il a ordonné que les blocs ne puissent être construits que sur deux des quatre côtés du carré, soit parallèlement les uns aux autres, soit en forme de L (illustration sur la droite ci-dessous). Cela a permis de créer de grandes cours intérieures et d’introduire de la lumière et de l’air frais sur au moins deux des façades de chacun des bâtiments.

L’« Eixample » de Barcelone peut être considéré comme le plus grand quartier d’architecture solaire existant aujourd’hui.

Troisièmement, tous les blocs de la ville ont des coins tronqués, améliorant encore l’apport solaire. Enfin, il a décidé de ne pas aligner le plan des rues sur les points cardinaux, mais de les orienter à 45 degrés de ceux-ci. Comme nous le verrons plus tard, cela a permis d’obtenir des appartements ensoleillés et des rues ombragées tout au long de la journée.

Illustration : Le plan original de l'Eixample, dont les blocs ne sont construits que sur deux des quatre cotés.

Illustration : Tous les blocs ont des coins tronqués.

Seuls les coins tronqués et l’orientation des rues ont survécu à cent cinquante ans d’histoire. Le plan de Cerdà a été très critiqué à l’époque. Le gaspillage trop important d’espace constructible, et donc d’argent, était le principal reproche qui lui était adressé.

En quelques années, les quatre côtés de chacun des blocs ont été construits. Et même la plupart des petites cours intérieures ont été remplies, mais avec des bâtiments bas de sorte que l’apport solaire des façades côté cour est resté plus ou moins intact. Progressivement, les lois concernant la hauteur des bâtiments ont été assouplies, passant de 16 à presque 30 mètres.

Illustration : Progressivement, les lois concernant la hauteur des bâtiments ont été assouplies, passant de 16 mètres à presque 30 mètres.

Cependant, l’accès au soleil a été conservé à tous les niveaux, en appliquant une règle de prospects qui imposait une implantation en retrait des nouveaux étages construits. Cela a créé des bâtiments en terrasse de forme comparable à ceux des communautés solaires des Natifs Américains. De cette façon, les promoteurs à la recherche de profits financiers ont finalement amélioré la densité des logements sans impacter l’apport solaire des bâtiments voisins.

Les bâtiments en terrasses et les coins tronqués de Barcelone, ainsi que les toits incurvés de Paris et les toits inclinés de Londres, peuvent tous être considérés comme des étapes embryonnaires menant à l’enveloppe solaire de Knowles. Cependant, Knowles a considérablement amélioré le concept de deux manières. Premièrement, il a appliqué le principe de la ligne oblique à l’ensemble du bâtiment, et non uniquement aux toits ou aux étages supérieurs.

Deuxièmement, ces lignes obliques coïncident précisément avec les rayons du soleil, ce qui n’était pas nécessairement le cas dans les exemples précédents. De plus, les règlements d’urbanisme vus précédemment produisaient des formes architecturales et des perspectives monotones, tandis que les bâtiments imaginés dans l’enveloppe solaire peuvent être plus variés, en fonction de leur emplacement et de leur environnement spécifique.

L’enveloppe solaire et l’orientation des rues

La taille et la forme d’une enveloppe solaire sont influencées par l’orientation des rues. Aux États-Unis, l’aménagement urbain est généralement basé sur une division géométrique du territoire. En règle générale, dans le Midwest et dans l’Ouest des Etats-Unis, les rues sont orientées sur les points cardinaux de sorte que les blocs rectangulaires s’étendent d’est en ouest et du nord au sud, suivant la grille jeffersonienne (ou « US Land Ordinance », appliquée en 1785).

Dans le sud des États-Unis, ainsi que dans une grande partie de l’Amérique latine, une grille similaire est apparue, à la seule différence qu’elle est orientée à 45° par rapport aux points cardinaux, avec des rues s’étendant donc du nord-est au sud-ouest et du nord-ouest au sud-est. Ces grilles ont été établies conformément à la loi des Indes, un manuel pour la construction et l’administration des colonies compilé par le roi d’Espagne en 1573.

Illustration : Enveloppes solaires et projet de logements dans des rues courbes. Vue sud. Ralph Knowles.

En Europe, il y a relativement peu d’aménagements de villes quadrillées. L’existence de tissus urbains plus anciens, résultant de siècles de croissance non réglementée au Moyen Âge et à la Renaissance, a limité les expériences d’urbanisme. De nombreuses villes européennes ont été « modernisées » au tournant du XXe siècle, par l’aménagement de larges rues et boulevards qui traversent les parties les plus anciennes de la ville - Paris étant l’exemple le plus célèbre - mais fondamentalement, l’aléatoire règne toujours. L’enveloppe solaire peut être appliquée à toutes les dispositions de rues imaginables, même si elles sont chaotiques, avec des résultats différents.

William Atkinson : éviter l’orientation est-ouest et nord-sud

Dans L’orientation des bâtiments, ou la conception architecturale solaire, William Atkinson consacre un chapitre à l’importance de l’orientation des rues dans la conception solaire. Il soutient que la grille jeffersonienne devrait être évitée afin de fournir un apport solaire optimal aux villes. Au lieu de ça, il rejoint Cerdà et encourage à l’utilisation de la grille espagnole :

« Lorsque les rues sont disposées à angle droit les unes par rapport aux autres selon un plan en damier, la meilleure distribution de lumière est obtenue lorsque la moitié des rues s’étend du nord-est au sud-ouest et l’autre moitié du nord-ouest au sud-est. Il est regrettable que dans de nombreux cas où le plan en damier ait été adopté, les rues aient été tracées selon des axes nord-sud et est-ouest, ce qui est le pire arrangement possible. »

Une rue orientée est-ouest est à l’ombre durant 6 mois de l’année.

Atkinson convient que « si nous ne basions notre jugement que sur la quantité de lumière reçue par chaque fenêtre, la meilleure orientation d’un bâtiment serait en effet d’est en ouest ». Cependant, il note un inconvénient de taille à cette orientation : elle implique une « zone d’ombre complète » sur toute la façade nord du bâtiment pendant 6 mois de l’année (de l’automne au printemps). Alors qu’en orientant le plan du bâtiment en diagonale par rapport aux points cardinaux, toutes les façades reçoivent de la lumière tout au long de l’année. Et il en va de même pour les rues :

« Une rue orientée est-ouest est à l’ombre durant 6 mois de l’année, et les façades nord de la rue sont perpétuellement dans l’ombre. En revanche, avec l’orientation en diagonale par rapport aux points cardinaux, les ombres portées des bâtiments sur la rue sont nettement moins importantes. »

Ralph Knowles : ça dépend

Knowles a effectué la plupart de ses recherches à Los Angeles, ce qui facilite la comparaison des deux modèles de grille, car la ville se compose à la fois d’une grille espagnole plus ancienne et d’une grille Jeffersonienne plus récente (illustration ci-dessous). Knowles reconnaît que la grille Jeffersonienne n’est pas une solution idéale :

« Les rues qui s’étendent d’est en ouest dans une zone bâtie auront tendance à être ombragées toute la journée en hiver. Elles restent donc sombres et froides. En revanche, les rues qui s’orientent du nord au sud sont éclairées et chauffées en milieu de journée. En été, les rues nord-sud seront donc ombragées le matin et l’après-midi, mais recevront un maximum de soleil à midi. »

Illustration : les rues en grilles de Los Angeles.

« Du point de vue de l’orientation solaire, la grille jeffersonienne laisse à désirer. Ses rues est-ouest sont trop sombres et trop froides en hiver, et ses rues nord-sud trop lumineuses et trop chaudes en été. À Los Angeles, la grille espagnole, plus ancienne, semble avoir plus d’avantages en ce qui concerne les qualités d’éclairage et de chaleur des rues. En hiver, chaque rue reçoit la lumière et la chaleur directe du soleil de 9 h à 15 h, ce qui correspond aux six heures où le rayonnement est le plus intense, et chaque rue profite de l’ombre pendant la majeure partie des jours d’été. »

La grille qui est le meilleur compromis entre un apport solaire optimum et une densité de construction maximale est celle où les longs blocs rectangulaires s’étendent d’Est en Ouest.

D’un autre côté, la grille classique alignée sur les points cardinaux présente elle aussi des avantages. Knowles démontre que l’enveloppe solaire d’un îlot imaginé dans une grille jeffersonienne contiendra un volume constructible plus important que celle d’un îlot imaginé dans une grille espagnole :

« Généralement, la plus grande hauteur, et donc le plus grand volume constructible, peuvent être atteints au sein de la grille jeffersonienne. La grille espagnole permet un meilleur ensoleillement de la rue, mais limite la densité de construction. D’autres principes et valeurs peuvent donc dicter l’orientation de la grille, mais, dans la seule optique de densité maximale, la grille jeffersonienne est plus avantageuse. »

Illustration : différence d’apport solaire en fonction du type de grille.

Au sein de la grille jeffersonienne, les bâtiments orientés est-ouest développent un plus grand volume constructible dans l’enveloppe solaire que ceux orientés nord-sud. Knowles a calculé que, pour les parcelles de même forme et de même proportion (1 pour 3), un chantier orienté sur un axe est-ouest générera 40 % de volume supplémentaire et 400 % de surface de façade supplémentaire orientée au sud.

En résumé, la grille la mieux adaptée à la fois à un apport solaire optimal et à une densité de construction maximale est celle composée de longs blocs rectangulaires qui s’étendent d’est en ouest - comme c’était le cas dans les communautés solaires de la Grèce antique et à Acoma Pueblo.

Combiner le meilleur des deux grilles

Un problème demeure cependant. Dans nos villes, les maisons sont plutôt orientées en fonction de la rue que du soleil. Si une rue est orientée est-ouest, seuls les bâtiments côté nord de la rue bénéficient d’une façade sud sur rue (à condition que les bâtiments du côté sud de la rue ne les ombragent pas).

Les bâtiments du côté sud de la rue ne bénéficient donc d’une exposition au sud que sur leur façade arrière. Et s’il y a des rues est-ouest, il y a aussi des rues nord-sud, dans lesquelles aucun des bâtiments ne bénéficiera de l’exposition idéale au sud.

Pour résoudre ce problème, Knowles revient à la solution des Grecs anciens, en utilisant des cours et des allées courbes. De plus, il montre que le concept peut encore être amélioré. On peut l’observer dans le projet Bunker Hill, pour lequel une enveloppe solaire a été conçue pour un grand terrain vide, au cœur de la grille espagnole du centre de Los Angeles.

Une des conceptions pouvant s’adapter à cette enveloppe solaire consiste en une construction traversée par une rue intérieure composée d’une séquence de grands et petits carrés, se déversant en cascade le long d’une diagonale allant du bord supérieur au bord inférieur du site.

Illustration : Le projet Bunker Hill : l'enveloppe solaire

Autour de midi, la rue est entièrement baignée de soleil, car elle s’étend du nord au sud, comme elle est en diagonale par rapport à la grille espagnole. En hiver, à 15 heures, l’espace public est toujours ensoleillé, tout comme les façades exposées sud-est de la rue intérieure. « Un réglage aussi sensible du positionnement et de la forme du bâtiment » écrit Knowles « permet de tirer parti des meilleurs aspects des deux types de grille. »

Illustration : Le projet Bunker Hill : Une des propositions répondant à l’enveloppe solaire, en hiver, à 15 heures.

Lorsque l’on cherche à combiner les avantages de l’apport solaire avec les conditions de vent, des compromis similaires peuvent être trouvés. Knowles :

« Parfois, des ensembles complexes de forces naturelles s’accordent de sorte que, par exemple, les vents et soleil dont nous souhaitons bénéficier viennent de la même direction. Dans ces circonstances bienheureuses, le bâtiment peut donc être orienté et ouvert plein sud de manière à capter à la fois le soleil et le vent. Pour Les autres cas, qui sont les plus fréquents, les forces naturelles agissent le plus souvent de façon incongrue, ce qui impose de faire des choix. »

« Le soleil et le vent peuvent venir de directions différentes. Lorsque des choix sont possibles, une échelle de valeurs doit être définie. Par exemple, si l’apport solaire est prioritaire, l’ensemble du bâtiment s’orienterait au sud. L’adaptation à un vent d’ouest serait alors gérée formellement dans un second temps pour permettre une ventilation naturelle. »

Illustration de Diego Marmolejo. Cliquez pour agrandir.

Au fil des ans, Knowles et ses étudiants ont effectué de nombreuses études sur le potentiel de développement de l’enveloppe solaire à Los Angeles. Celles-ci ont été effectuées sur des sites ayant des valeurs foncières différentes, mais aussi des topographies, des orientations de rues et des caractéristiques de quartier différentes afin de tester l’efficacité de l’enveloppe dans une grande variété de conditions.

La densité est difficile à définir et peut être mesurée de différentes manières. Une approche consiste à calculer le nombre de logements sur une unité de surface (acre, hectare, kilomètre carré ou mile carré), tandis qu’un autre calcul détermine le nombre d’habitants sur cette même unité de surface. Une troisième approche consiste à calculer le rapport entre la surface de plancher et la surface d’un terrain, ce qui donne le coefficient d’occupation des sols (C0S).

Toutes ces approches ont leurs inconvénients et il est préférable de les calculer simultanément pour permettre de faire des comparaisons fiables. La taille des appartements, leur taux d’occupation, le rapport entre les bureaux et les immeubles résidentiels et la quantité de places de stationnement font partie des principaux facteurs qui peuvent fausser les résultats de densité si une seule des méthodes est employée.

Bâtiments conçus suivant une enveloppe solaire sur la grille espagnole de Los Angeles, atteignant des densités allant jusqu'à 72 logements par acre (environ 4 000 m²). Ralph Knowles.

Knowles et ses étudiants ont atteint des densités allant jusqu’à 100 logements par acre (ou 247 logements par hectare) pour l’urbanisation résidentiel. Si l’on compte en moyenne deux personnes par appartement (Knowles ne donne pas de taux d’occupation), cela revient à 200 personnes par acre. Ces chiffres ont été obtenus sur la grille espagnole, avec des appartements d’une superficie moyenne de 93 m² (1000 pieds carrés), avec un minimum de 4 heures d’ensoleillement en hiver et une « barrière de l’ombre » à 6 mètres de haut. Pour le développement à usage mixte, Knowles obtient un COS (coefficient d’occupation des sols) allant jusqu’à 7,5.

De trois à sept étages.

Bien sûr, des appartements plus grands, des temps d’ensoleillement plus importants et des « barrières de l’ombre » plus basses ou même inexistantes réduiraient le potentiel de développement. En revanche, la densité serait plus importante si le projet était inscrit dans une grille Jeffersonienne.

Pour un terrain situé à Los Angeles, mesurant 45 x 65 mètres et bénéficiant d’un apport solaire garanti de 6 heures, une enveloppe solaire orientée en diagonale par rapport aux points cardinaux aura 1,5 fois moins de volume développable qu’une enveloppe solaire orientée est-ouest, et 1,3 fois moins qu’un terrain orienté nord-sud.

Bâtiments inscrits dans les enveloppes solaires décrites ci-dessus. La densité est de 100 logements par acre (environ 4 000 m²). Ralph Knowles.

Dans l’ensemble, les densités maximales atteintes par Knowles et ses étudiants sont environ vingt fois supérieures à celles de la ville américaine moyenne (6 à 7 logements par acre). Cela signifie qu’une ville comme Los Angeles (5 à 7 logements par acre) pourrait être condensée par un facteur de 15 à 20, tout en assurant quatre heures d’apport solaire par jour à chaque foyer.

En se basant sur la relation entre la densité et le ratio surface / volume (une mesure énergétique de la forme du bâtiment), Knowles conclut que la hauteur idéale pour un immeuble de logements à Los Angeles est comprise entre trois et sept étages. Ces bâtiments - de la taille de ceux du Paris du XIXe siècle et de l’Eixample de Barcelone - offrent le plus grand potentiel énergétique tout en atteignant des densités raisonnables.

L’enveloppe solaire offre des densités jusqu’à 20 fois supérieures à la densité moyenne des villes américaines

En fait, les chiffres de densité obtenus par Knowles correspondent assez étroitement à ceux obtenus par les quartiers de Paris et de l’Eixample de Barcelone – qui sont encore aujourd’hui les grandes villes les plus densément peuplées d’Europe (malgré la quasi-absence de gratte-ciel).

Les îlots de l'Eixample, Barcelone, avec une densité de 93 logements par acre. Source : [The Density Atlas](http://densityatlas.org/).

Une analyse d’un îlot typique de l’Eixample (pas selon les plans originaux de Cerdà, mais selon son évolution et sa densification ultérieure) a conclu à un COS de 4,7, une densité de 93 logements par acre (soit 230 logements par hectares) et une densité de population de 145 habitants par acre.

Îlots parisiens avec une densité de 120 logements par acre. Source : The Density Atlas.

Une étude d’un îlot haussmannien parisien classique – avec une cour intérieure - a conclu à un COS de 5, à une densité de 120 logements par acre (soit 297 logements par hectare) et une densité de population de 602 habitants par acre (voir image ci-dessus).

Îlot des années 1940 à New York avec une densité de 195 logements par acre. Source : The Density Atlas.

Les densités calculées sous l’enveloppe solaire peuvent également se comparer favorablement avec certains quartiers résidentiels de New York - la ville la plus densément peuplée d’Amérique du Nord - mais pas avec tous (photo ci-dessus), et encore moins avec ceux du début du XXe siècle (photo ci-dessous), qui ont atteint une densité de 331 logements par acre. Cependant, très peu de ces appartements sont correctement ensoleillés.

Îlot de Manhattan vers 1900, densité de 331 logements par acre. Source : [The Density Atlas](http://densityatlas.org/).

Il convient de noter que si les bâtiments de Knowles atteignent des densités comparables à celles des quartiers parisiens ou barcelonais, l’apport solaire y est bien meilleur, en particulier par rapport à Paris où l’orientation des rues (et donc des bâtiments) n’était pas contrôlée.

Améliorer le potentiel de développement

Des densités encore plus élevées et des bâtiments encore plus hauts pourraient être imaginés sous l’enveloppe solaire si de plus grandes parcelles étaient réunies, en particulier lorsque les îlots urbains sont orientés le long d’un axe est-ouest.

Cela répond à la relation géométrique entre les mesures de longueur, de surface et de volume ; doubler la longueur d’un terrain permettrait de doubler sa surface mais de tripler son volume. L’enveloppe d’un terrain de 30 mètres de long développe plus du double du volume d’une enveloppe de deux terrains adjacents de 15 mètres de long.

Cependant, il convient de rappeler que les bâtiments au milieu de l’enveloppe solaire développeront moins de volume en raison des questions d’ombres portées au cœur du site ; questions qui seront à résoudre par l’architecte.

Immeuble résidentiel avec une densité allant jusqu'à 128 logements par acre (316 par hectare). Les ombres portées sont volontairement permises sur une pente exposée au nord et aménagée en parc public. Ralph Knowles.

Certaines conditions particulières, comme un parc ou un grand boulevard sur lesquels des ombres plus importantes pourraient être projetées sans nuire aux bâtiments voisins permettent également de construire des bâtiments plus hauts et donc d’atteindre des densités plus importantes. Un projet de construction situé à flanc de colline dans le centre de Los Angeles atteint une densité de 128 logements par acre (316 par hectare), car il est admis de faire de l’ombre sur un parc. En général, cependant, des densités plus élevées auront un effet négatif sur l’apport solaire. Si nous voulons chauffer et rafraîchir nos villes à l’aide de l’énergie solaire, la densité sera généralement limitée à environ 100 logements par acre.

Si nous considérions les plus fortes densités atteintes sous l’enveloppe solaire comme limite supérieure, nous pourrions aménager des villes dans lesquels les bâtiments ne consommeraient plus de combustible fossile, et où la densité resterait suffisamment élevée pour rendre les transports publics, le vélo et la marche attrayants.

Enfin et surtout, les résultats ci-dessus s’appliquent à Los Angeles. Ils sont donc utiles pour n’importe quelle autre ville située à une latitude de 34 degrés au nord ou au sud de l’équateur, comme Buenos Aires, Osaka, Sydney ou Montevideo. À d’autres latitudes, les hauteurs et donc le volume d’une enveloppe solaire seraient évidemment différents.

Si les heures limites d’ensoleillement sont maintenues constantes, la hauteur de l’enveloppe diminue à mesure que la latitude augmente, et vice versa, principalement en raison de l’effet critique du soleil d’hiver sur le versant nord de l’enveloppe solaire. Par conséquent, le volume d’une enveloppe solaire augmente avec la proximité de l’équateur ; le volume diminue vers les pôles nord et sud. Par exemple, à Paris (48 degrés de latitude), Barcelone (41 degrés) et New York (40 degrés) les enveloppes solaires seraient plus petites qu’à Los Angeles (34 degrés).

Illustration : La latitude affecte la hauteur et donc le volume d'une enveloppe solaire.

Plus proche de l’équateur, la position du soleil ne varie pas beaucoup tout au long de l’année, ce qui rend inutile l’approche traditionnelle de l’architecture solaire passive. Dans cette configuration, La principale préoccupation devrait donc être de se protéger du soleil et de sa chaleur pour limiter au maximum le recours à la climatisation. Cela pourrait impliquer d’orienter le bâtiment au nord.

Pour des latitudes plus élevées et pour avoir un meilleur accès à l’énergie solaire, Knowles suggère de mettre davantage l’accent sur les expositions est et ouest et de mettre en place des protections solaires pour le confort d’été. Outre la latitude, les pentes ont également des effets importants. Un versant sud dans un pays plus septentrional peut permettre d’atteindre des densités qui ne seraient normalement possibles que dans les pays du sud, tandis qu’un versant nord provoque le contraire.

Selon Knowles, des recherches à propos de l’enveloppe solaire ont été réalisées jusqu’à Bratislava (48 degrés) et Honolulu (21 degrés), ce qui le conduit à conclure, peut-être de manière un peu trop optimiste, que « les bénéfices de l’enveloppe solaire peuvent être exploités dans le monde entier ».

Faire des compromis

La densité est un des sujets de prédilection des écologistes, qui soutiennent que les villes densément peuplées sont la solution pour réduire les besoins énergétiques liés aux transports. En revanche, l’enveloppe solaire montre qu’au-delà d’un certain seuil, la densité peut également augmenter les besoins énergétiques, notamment ceux liés au chauffage, à la climatisation ou à l’éclairage des bâtiments.

Cela signifie qu’il serait probablement sage de viser un compromis. Si nous considérions les plus fortes densités atteintes sous l’enveloppe solaire comme limite supérieure, nous pourrions imaginer des villes dans lesquels les bâtiments ne consommeraient plus de combustible fossile, et où la densité resterait suffisamment élevée pour rendre les transports publics, le vélo et la marche attrayants.

Sources

“Ritual House: Drawing on Nature’s Rhythms for Architecture and Urban Design”, Ralph L. Knowles, 2006.
“Sun Rhythm Form”, Ralph L. Knowles, 1981
“Energy and Form: An Ecological Approach to Urban Growth”, Ralph L. Knowles, 1974
“A Golden Thread: 2500 Years of Solar Architecture and Technology”, Ken Butti and John Perlin, 1981, reprinted in 2009
“The orientation of buildings, or planning for sunlight”, William Atkinson, 1912
“Teoría general de la urbanización y aplicación de sus principios y doctrinas a la reforma y ensanche de Barcelona”, Ildefons Cerdà i Sunyer, 1867
“Ildefonso Cerdá”, “Distrito del Ensanche” & “Plan Cerdá”, Wikipedia Spanish - “Walks Through Lost Paris: A Journey Into the Heart of Historic Paris”, Leonard Pitt, 2006
“Responsive and sustainable architectural strategies for temperate regions”, S.M. Mofidi, 2005 (PDF) - “The City as a Work of Art: London, Paris, Vienna”, Donald J. Olsen, 1986
“Spanish city planning in North America”, Dora Crouch, Daniel Garr, Axel Mundigo, 1982
“The Density Atlas”, MIT (website) - “Visualizing density” (PDF)