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Digeste de la construction au Canada, 1967-09
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Principes d'installation des écrans pare-soleil
Digeste de la Construction au Canada
Division des recherches en construction, Conseil national de
recherches Canada
CBD 59F
Principes d'installation des écrans
pare-soleil
Publié à l'origine en septembre 1967 D.G. Stephenson
Veuillez noter
Cette publication fait partie d'une série qui a cessé de paraître et qui est archivée en tant que référence historique. Pour savoir si l'information contenue est toujours applicable aux pratiques de construction actuelles, les lecteurs doivent prendre conseil auprès d'experts techniques et juridiques.
L'énergie solaire pénétrant dans un bâtiment par les aires vitrées ménagées dans les parois extérieures est peut-être l'une des sources principales de chaleur des bâtiments contemporains. Cette chaleur est indésirable en été et elle doit être absorbée par le système de climatisation. L'accumulation de chaleur n'est pas la seule difficulté causée par la lumière solaire passant au travers des fenêtres; l'éblouissement est également un phénomène important. Le présent Digeste a été rédigé dans l'intention de compléter le Digeste CBD 39F, "Gains de chaleur solaire au travers des fenêtres et des parements vitrés", en traitant de la lutte contre la chaleur et l'éblouissement à l'aide de divers types d'écrans pare-soleil.
Le rayonnement solaire tombant directement sur une surface claire peut causer de l'éblouissement accompagné de gêne visuelle, à moins que le niveau d'éclairement des autres parties de la pièce ne soit pas trop différent de celui des parties illuminées par le rayonnement solaire. Ainsi, de façon paradoxale, un niveau élevé d'éclairement solaire nécessite l'existence concomitante d'un haut niveau général d'éclairement, qu'on peut être obligé de produire artificiellement. Cette obligation peut se révéler coûteuse, moins cependant que l'absorption de la chaleur indésirable par le système de climatisation. Par contre, un écran pare-soleil bien établi permettra d'utiliser des niveaux d'éclairement plus faibles, car l'oeil peut s'accommoder à une large gamme d'éclairements, pourvu qu'il n'existe pas une trop forte différence dans la luminance des objets qu'il perçoit.
A l'aide de ces connaissances, il est possible d'établir une liste d'objectifs que l'architecte doit chercher à atteindre quand il dessine les fenêtres et leurs écrans pare-soleil. Ces objectifs sont les suivants:
1. réduire au minimum l'absorption de chaleur solaire en été;
2. empêcher le rayonnement solaire d'illuminer directement toute surface claire visible par les occupants habituels de la pièce étudiée;
3. permettre à la lumière naturelle de pénétrer de telle façon qu'elle soit diffusée aussi uniment que possible dans toute la pièce;
4. obstruer aussi peu que possible le champ de vision dont on jouit à partir de la fenêtre.
Les deux derniers points constituent l'essentiel de la question. C'est pour s'y conformer qu'on utilise une paroi transparente plutôt qu'un mur opaque en premier lieu. Il est évident que tout dispositif d'écrans pare-soleil constitue un compromis entre les conditions requises par une vue non interceptée et celles qui permettent l'exclusion de la chaleur solaire.
Emplacement des écrans pare-soleil
Un certain bâtiment peut être protégé du soleil par un bâtiment voisin ou par des arbres, et n'avoir besoin d'aucun écran pare-soleil. Il est par conséquent important de déterminer quelles sont les parties de la façade du bâtiment qui seront frappées directement par le rayonnement solaire et quelles sont les parties qui seront à l'ombre à un moment donné. C'est évidemment la première étape à entreprendre lors du tracé d'une installation d'écrans pare-soleil. C'est également l'étape préliminaire à la conception d'un système de climatisation de l'air, parce que l'installation de refroidissement et son système de commande doivent faire face à la répartition changeante des aires illuminées et des aires d'ombre sur les murs et les fenêtres.
On peut délimiter les aires d'ombre projetée sur un mur soit par un écran pare-soleil, soit par des objets voisins en traçant le contour de l'écran ou des objets sur le mur tout en prenant soin de tirer les lignes parallèlement aux rayons du soleil. La direction des rayons du soleil est déterminée par rapport à la façade éclairée par la connaissance de deux angles: l'angle d'azimut mural de l'ombre et l'angle d'élévation de l'ombre.
L'angle d'azimut mural de l'ombre (ou angle azimutal solaire du mur: "Horizontal Shadow Angle", H.S.A.) est l'angle tracé sur un plan par une ligne perpendiculaire au mur et la ligne de projection des rayons solaires sur le plan horizontal. De même façon, l'angle d'élévation de l'ombre ("Vertical Shadow Angle", V.S.A.) est tracé sur un plan vertical perpendiculaire au mur par une ligne horizontale perpendiculaire au mur et la ligne de projection des rayons solaires sur le plan vertical. Une fois que ces angles sont connus, il est très simple d'établir la délimitation entre les aires de la façade éclairées par le soleil et celles qui restent dans l'ombre, et également de déterminer la répartition de ces aires à l'intérieur du bâtiment si une partie de la façade éclairée est transparente. Les angles de l'ombre dépendent spécifiquement de l'heure, de la date, de la latitude et de l'orientation du mur, mais sont tout à fait indépendants de la forme ou de la position de l'écran qui produit l'ombre.
Calcul des angles de l'ombre
La façon la plus précise d'évaluer les angles de l'ombre est de les calculer à l'aide des tables donnant les azimuts et les élévations solaires. Le H.S.A. est exprimé par la différence entre l'angle d'azimut solaire et l'angle d'azimut de la perpendiculaire au mur. Le V.S.A. découle du H.S.A. et de l'angle d'élévation du soleil. On le calcule par la formule:
tg V.S.A. = tg de l'angle d'élévation cos H.S.A.
Les angles d'élévation et d'azimut solaires en tout temps et à toute latitude figurent dans les tables de navigation telles que les "Tables of Computed Altitude and Azimuth" publiées par le Service hydrographique de la marine des Etats-Unis et disponibles chez le "Superintendent of Documents", Washington, D.C. Les tables de navigation sont malheureusement si encombrantes qu'elles ne conviennent guère aux architectes. Il se trouve par bonheur que le Conseil national des recherches en construction de Suède a publié en 1962 une série de tables de coordonnées solaires établie spécialement à l'intention des architectes. Ces tables indiquent les angles d'élévation et d'azimut solaires et la tangente de l'angle d'élévation à de nombreuses latitudes, pour chaque heure du premier et du quinzième jours de chaque mois.
On peut également déterminer quels sont les angles de l'ombre en utilisant l'un quelconque des nombreux abaques solaires établis par différentes organisations. L'une des séries d'abaques solaires les plus pratiques et les plus répandues porte le nom de "Sun Angle Calculator". Elle est vendue par la "Libby-Owens-Ford Glass Company" aux Etats-Unis. Il s'agit d'un dispositif fonctionnant comme une règle à curseur et il indique directement les valeurs de H.S.A. et de V.S.A. à tous les moments de l'année et à toutes les latitudes comprises entre 24 et 52° dont la valeur est exactement divisible par quatre.
On peut également utiliser cette règle à calculer pour évaluer la quantité de rayonnement solaire que toute surface ensoleillée recevra par ciel clair en n'importe quelle saison. Ces chiffres sont particulièrement utiles à l'installateur d'un système de climatisation, mais ils serviront également à l'architecte pour le calcul des écrans pare-soleil.
Les "Diagrammes solaires" constituent une série d'abaques très utiles. Ils ont été établis par le Centre scientifique et technique du Bâtiment en France. Ces diagrammes et le mode d'emploi en français qui les accompagne sont disponibles, soit à la Division des recherches en bâtiment du Conseil national de recherches, soit directement à la C.S.T.B. à Paris. On peut déterminer ainsi graphiquement, grâce à leur aide, le H.S.A. et le V.S.A. pour toute heure, date, latitude et orientation du mur. Ils sont fortement recommandés au maître d'oeuvre qui désire mener une étude complète des effets du soleil.
La position des ombres sur les diverses façades d'un bâtiment peut être déterminée très facilement si l'on construit une maquette du bâtiment et qu'on la monte sur un héliodon. La maquette est illuminée à l'aide d'un rayon lumineux provenant d'une source suffisamment brillante, tel un projecteur de diapositives. Un héliodon se compose d'un plateau pivotant spécial qui déplace la maquette par rapport à la source lumineuse de la même façon que le bâtiment lui-même se déplacera par rapport au soleil. L'héliodon peut être ajusté selon la latitude et la date, et la plate-forme subira une rotation pour simuler le mouvement quotidien de la terre. On prend soin de tenir compte de l'orientation du bâtiment en installant la maquette sur la plate-forme tournante. La Division des recherches en bâtiment dispose de plans pouvant servir à la construction d'un héliodon très simple, en bois. L'emploi d'un héliodon est probablement le moyen le plus pratique et le plus économique de détermination des positions de l'ombre quand on dispose d'une maquette convenable.
Écrans pare-soleil
Un fait important est à la base de toutes les considérations sur les questions d'ombre: les fenêtres ayant une exposition jusqu'aux alentours de 90° du sud reçoivent toutes presque la même quantité maximale annuelle de rayonnement solaire; ce maximum se produit quand le soleil fait directement face au mur et quand sa hauteur au-dessus de l'horizon est entre 30 et 35 degrés. Ces conditions se rencontrent à des heures et des dates qui dépendent de l'orientation du mur. Les façades est et ouest reçoivent le maximum de rayonnement en juillet, alors qu'une façade sud reçoit son rayonnement maximal à la fin de l'automne et en hiver. Un élément forjettant d'un mur est un écran relativement inefficace quand le V.S.A. est inférieur à 30°. Un écran pare-soleil du genre store est par conséquent nécessaire pour arrêter le rayonnement solaire maximal. La meilleure position pour ce store dépend de l'orientation de la fenêtre. Il doit être placé à l'extérieur pour les fenêtres faisant face à l'ouest et à l'est, en vue de réduire autant que possible le gain de chaleur solaire, cependant on peut le placer à l'intérieur d'une fenêtre faisant face au sud si un auvent est installé pour tempérer le gain de chaleur estivale.
Brise-soleil
Le tableau I donne la longueur des écrans horizontaux qui porteront une ombre haute de un pied sur des murs de différentes expositions, situés à 44 degrés de latitude nord. Les longueurs valables pour les orientations sud-est s'appliquent aussi aux mêmes angles sud-ouest au voisinage de midi.
Tableau I. Longueur en pieds de l'écran horizontal qui projettera une ombre de 1 pied de hauteur sur un bâtiment situé à 44° de latitude nord
Heure Solaire Orientation du mur Sud À 30° à l'Est du Sud À 60° à l'Est du Sud Est 21 mai 21 juil. 21 mars 21 sept. 21 mai 21 juil. 21 mars 21 sept. 21 mai 21 juil. 21 mars 21 sept 21 mai 21 juil. 21 mars 21 sept 8 0.14 0.97 0.83 2.04 1.29 2.56 1.41 2.40 9 0.30 0.97 0.73 1.53 0.95 1.68 0.93 1.39 10 0.39 0.97 0.62 1.24 0.69 1.18 0.57 0.80 11 0.43 0.97 0.51 1.02 0.45 0.81 0.27 0.37 12 0.45 0.97 0.39 0.84 0.22 0.48 - -13 0.43 0.97 0.24 0.65 - 0.16 - -14 0.39 0.97 0.05 0.44 - - - -15 0.30 0.97 - 0.14 - - - -16 0.14 0.97 - - -
-Les chiffres du tableau montrent que les fenêtres faisant face au sud peuvent être complètement protégées du soleil du 21 mars au 21 septembre par un écran horizontal à peine plus court que la hauteur de la fenêtre, alors qu'une fenêtre orientée à 30 degrés à peine du sud nécessite la construction d'un écran long de plus de deux fois la hauteur de la fenêtre pour bénéficier du même ombrage. Ces écrans de plus de cinq ou six pieds sont habituellement difficiles à construire et inesthétiques. Il est pourtant possible de protéger de hautes fenêtres du soleil en installant plusieurs écrans horizontaux plus courts à des intervalles réguliers entre le seuil et le linteau de la fenêtre. Au fur et à mesure qu'on accroît le nombre des écrans, tout en réduisant leur forjettement et la distance qui les sépare, l'ensemble tend vers le store vénitien. La plupart des renseignements donnés dans la rubrique suivante au sujet des stores à lames s'appliquent également aussi bien aux brise-soleil extérieurs à lames.
Il existe encore un autre dispositif technique qu'on peut classer parmi les écrans extérieurs, et qui se révèle particulièrement utile pour les fenêtres faisant face à l'est ou à l'ouest, pour lesquelles l'utilisation d'auvents n'a qu'une faible valeur. La méthode consiste à utiliser une feuille de verre absorbant la chaleur comme écran semi-transparent. Si l'on peut ménager une circulation d'air extérieur sur les deux faces de la feuille de verre absorbant la chaleur, la plus grande partie de l'énergie absorbée y est dissipée et le gain de chaleur de la pièce en est réduit d'autant. La feuille de verre thermo-absorbante neutralise le rayonnement visible et le rayonnement d'infrarouge proche du spectre solaire, mais le coefficient d'absorption pour l'infra-rouge est généralement plus important que celui de la lumière visible. Dans les circonstances où la conservation d'un champ de vision extérieur est d'importance primordiale, l'écran en verre semi-transparent constitue le meilleur type d'écran pare-soleil.
Stores a lames
Il est possible d'ajuster un store à lames horizontales, dont les lames sont légèrement plus larges que les espaces qui les séparent, de façon à intercepter tout le rayonnement solaire direct qui pénètre par n'importe quelle fenêtre en tout temps de l'année. La lumière qui pénètre alors dans la pièce a été réfléchie au moins une fois sur la surface des lames. La proportion de
lumière qui traverse ainsi un store vénitien dépend de la couleur des lames, de leur angle par rapport à l'horizontale et de l'angle d'élévation d'ombre relatif à cette fenêtre à ce moment précis de l'année. Le diagramme de la figure 1 indique quels sont les facteurs de transmission pour un store vénitien normal de couleur claire dont les lames sont soit horizontales, soit inclinées à 22° 30' soit encore à 45° par rapport à l'horizontale. Chaque courbe débute à la valeur de l'angle d'élévation de l'ombre qui empêche toute transmission du rayonnement direct du soleil au travers du store vénitien. Les courbes de ce diagramme montrent qu'un store à lames horizontales peut transmettre environ 15 pour cent du rayonnement solaire direct, même si aucun rayonnement solaire ne passe directement entre les lames.
Figure 1. Coefficients de transmission du rayonnement pour des stores vénitiens de couleur claire
Un peu plus de la moitié du rayonnement transmis par le store entre dans la pièce en direction du plafond, comme si la source en était située au sol devant la fenêtre. Cette lumière frappe le plafond d'où elle est réfléchie en partie, et ajoute au niveau général d'éclairement de la pièce. Le reste de la lumière entre dans la pièce comme si le store lui-même était une source de lumière diffuse. La luminance du store peut être réduite en peignant la surface inférieure des lames d'une couleur sombre. La quantité de lumière qui frappe le plafond n'en est réduite que très faiblement, car elle provient principalement de la partie supérieure des lames.
Un store de couleur claire dont les lames son inclinées à 20 degrés absorbe environ la moitié de rayonnement solaire qui l'atteint et en réfléchit environ 35 pour cent vers l'extérieur. Si le store se trouve à l'intérieur de la pièce, la plus grande partie de l'énergie absorbée est dissipée dans l'air de la pièce et contribue à son gain de chaleur; la seule déduction est celle du rayonnement réfléchi vers l'extérieur. Si le store se trouve à l'extérieur de la fenêtre, par contre, l'énergie absorbée est transmise à l'air extérieur et le gain de chaleur est beaucoup moindre.
Il est possible de placer un écran pare-soleil entre les vitrages des fenêtres à double vitrage. Dans ce cas, une partie de l'énergie absorbée est transmise à la pièce et le reste à l'air extérieur. Par conséquent l'emploi d'un store placé entre deux vitrages est d'efficacité intermédiaire pour la réduction du gain de chaleur solaire, bien qu'il ait presque les mêmes caractéristiques de transmission du rayonnement que les stores intérieur et extérieur.
Il est possible d'installer le store à lames de façon que les lames soient verticales plutôt qu'horizontales. Ce genre de store a les mêmes caractéristiques que le store vénitien à lames horizontales. Cependant le rayonnement transmis dépend de l'angle d'azimut mural de l'ombre plutôt que de l'angle d'élévation de l'ombre. Les courbes de la figure 1 s'appliquent par conséquent à un store à lames verticales si l'on considère que les valeurs de l'abscisse correspondent à des angles d'azimut mural de l'ombre. La différence la plus importante découle
des possibilités d'éblouissement des occupants de la pièce si la face externe des lames verticales se trouve dans leur champ de vision. En outre la lumière transmise ne sera pas répartie aussi uniformément que par un store à lames horizontales.
Rideaux
Les rideaux n'ont d'habitude pas le même pouvoir réfléchissant que des stores peints en blanc et n'ont pas le pouvoir de transmettre la lumière plutôt vers le plafond que vers les occupants de la pièce, comme le réalise un store vénitien. Dans ces conditions, les rideaux sont d'efficacité inférieure à celle des stores vénitiens pour l'occultation du rayonnement solaire. S'il est cependant nécessaire d'utiliser des rideaux en tant qu'élément de décoration intérieure, on peut s'en servir pour lutter contre l'éblouissement. On peut aisément ajuster la position des rideaux si l'on veut jouir d'un large champ de vision quand on ne les utilise pas à l'occultation des rayons du soleil, comme on le fait avec les stores vénitiens.
Résumé
Les grandes aires vitrées d'une façade frappée directement par le rayonnement solaire doivent être équipées d'écrans pare-soleil pour protéger les occupants qui travaillent près des fenêtres. La meilleure disposition, si l'on se place au point de vue de la lutte contre la chaleur solaire, est de dessiner le bâtiment de façon que les aires vitrées se trouvent sur la façade nord; si cela n'est pas possible, on pourrait les placer sur la façade sud et les équiper d'un auvent et d'un store vénitien. Il est possible de diminuer le gain estival de chaleur solaire des fenêtres faisant face à l'ouest et à l'est en installant des brise-soleil à lames à l'extérieur, ou si cela se révèle peu pratique, en établissant des stores entre les châssis de fenêtres à double vitrage.
