Le Rayonnement Solaire

Les aspects lumineux et énergétiques du soleil

Le soleil, corps chaud à une température de plus de 6000K, émet une énergie sous forme d'un rayonnement électromagnétique. Les longueurs d'onde de ce type de rayonnement dépendent de la température. En raison de la température élevée du soleil, les longueurs d'onde dans lesquelles le maximum d'énergie est émis recouvrent le visible entre 0.4 à 0.75 microns et le proche InfraRouge. Le rayonnement recouvre un spectre qui intéresse donc à la fois les problèmes lumineux (éclairement lumineux) et les problèmes énergétiques (rayonnement solaire).

L'ensemble des rayonnements électromagnétiques est très vaste puisqu'il va des rayons cosmiques qui nous parviennent de l'espace intersidéral jusqu'aux ondes hertziennes (grandes ondes, ondes moyennes, courtes et ultra-courtes utilisées en radio et télévision) en passant par l'énergie solaire et la lumière visible.

Rayons cosmiques, Rayons Gamma, Rayons X  10E-10 à 10E-9 mètres
UV C,B,A  0,2 à 0,3 10E-6 m
VISIBLE (bleu, jaune ,rouge) 0,38 à 0,76 10E-6 m
 Infra Rouge
Court
Moyen
Long
 
2 10E-6 m
4 10E-6 m
10 10E-6 m
Ondes Hertziennes
UHF
HF
LF
 
de l'ordre de 1m
de l'ordre de 10 à 100 m
de l'ordre de 1000 à 10000m

Composition du rayonnement solaire

Le rayonnement émis par le soleil constitue un spectre continue allant des ultra-violet à l'infra-rouge en passant par le visible où il émet le maximum d'énergie. En traversant l'atmosphère, les gaz et les molécules absorbent certaines bandes de l'ultra-violet et de l'infra-rouge. Ainsi à la surface de la terre, le rayonnement solaire comprend :
5% d'UV, 40% de lumière visible et 55% d'IR, porteurs essentiels de l'énergie thermique .

Le schéma suivant représente la valeur de l'énergie associée au spectre, en pointillé à la limite de l'atmosphère, en plein, à la surface de la terre :

(Guide de l'énergie solaire passive. Mazria)

La constante solaire de 1350 Watts/m2 est l'énergie atteignant une surface normale aux rayons solaires dans les couches supérieures de l'atmosphère. L'effet de la traversée de l'atmosphère qui réfléchit, absorbe ou diffuse des parties de ce rayonnement solaire réduit considérablement cette valeur.

La réduction est d'autant plus forte que la couche d'atmosphère est importante ; elle est donc une fonction directe de la hauteur du soleil. En été, la densité de flux atteignant une surface peut valoir dans les meilleures conditions de 900 à 1000W/m2.

Intensité du rayonnement solaire sur une paroi

Le transfert de chaleur par rayonnement s'effectue sans aucun support matériel. Mais, une fois émis par le soleil, le rayonnement atteint la surface des corps et subit suivant leurs caractéristiques certaines transformations.

La densité de flux (W/m2) qui atteint une paroi, densité de flux incident, provient de trois composantes : la composante directe, la composante diffuse et la composante réfléchie.

La composante directe correspond au flux solaire qui atteint directement la paroi quand celle-ci est exposée au soleil. Elle dépend de la hauteur du soleil (réduction atmosphérique) et de l'angle d'exposition de la paroi au soleil à l'instant considéré.

L'angle d'incidence caractérise l'incidence avec lequel le rayon solaire frappe la paroi: c'est l'angle entre la normale à la paroi et le rayon solaire à l'instant considéré. L'inclinaison, l'orientation de la paroi et la direction du rayon solaire permettent d'évaluer cet angle d'incidence. Plus le flux est normal à la paroi, plus il est important, plus il est rasant, plus il est faible.

C'est la surface normale au rayonnement solaire qui importe. Elle est obtenue en multipliant la surface irradiée par le Cosinus de l'angle d'incidence.

(Guide de l'énergie solaire passive. Mazria)

Exercice : Angle d'incidence solaire

Exo Angle d'incidence dans Info_Solaire : prendre un plan horizontal et vérifier que l'angle d'incidence est 90°-hauteur du soleil ; pour une paroi verticale, l'exposition de la paroi entre en jeu et ses périodes d'ensoleillement, essai sur un plan vertical Nord et Sud.
Analyse des apport solaires suivant l'exposition des parois, et en tirer quelques enseignements.

 

La composante diffuse représente le flux, en provenance du ciel. Elle est souvent évaluée en considérant que ce flux est isotrope; toutes les parties du ciel émettant le même rayonnement. Dans ce cas, seule l'inclinaison de la paroi pondère le flux diffus incident. Cette hypothèse d'isotropie du flux diffus est correcte pour un ciel couvert où le diffus prendrait le pas sur le direct. Elle l'est moins pour un ciel clair, où le flux diffus est nettement plus important dans la zone du ciel environnant le soleil. Des logiciels comme Solène évaluent le diffus en utilisant des modèles de ciel dont la distribution des luminances ( énergie émise par le ciel) n'est plus uniforme; mais, le calcul est singulièrement plus complexe.

La composante réfléchie représente la partie du flux interceptée par la paroi suite aux réflexions solaires produite par l'environnement proche. En première approximation, cet environnement proche est représenté par un plan horizontal renvoyant une part du flux global incident (direct et diffus); la part réfléchie dépend de l'albédo, coefficient de réflexion solaire du plan récepteur considéré. Le flux intercepté par la paroi dépend alors seulement de son inclinaison.

Exercice : Evaluation des flux directs et diffus sur une paroi

Exo dans Info_Solaire la valeur du diffus est calculée pour un ciel clair et incluse la part de réfléchie avec un albedo de 0.2.

Que devient le flux solaire intercepté par une paroi ?

Le flux solaire incident sur une paroi est, à son tour, réfléchi, absorbé et transmis, suivant les caractéristiques de surface de la paroi.

Le flux solaire réfléchi dépend du facteur de réflexion solaire de la surface ou du matériau de la paroi, son albédo. Il est essentiellement lié à la couleur ; le noir ne réfléchit rien, le blanc réfléchit tout. Le flux solaire réfléchi est perdu pour la paroi considérée.

Tableau des valeurs de réflexion solaire ((d'après Guide solaire de l'énergie solaire passive. Mazria) :

La texture du matériau ou de la surface de la paroi conditionne le type de réflexion. Si la surface est mate, la réflexion est diffuse, identique dans toutes les directions. Si la surface est polie, la réflexion est spéculaire, dans une direction symétrique à la direction incidente.

Deux types de réflexion (Guide de l'énergie solaire passive. Mazria)

Le flux solaire absorbé dépend du facteur d'absorption solaire de la surface. Dans le cas d'une paroi opaque, le coefficient d'absorption vaut 1- albédo ; le noir absorbe tout, le blanc n'absorbe rien.

Le rayonnement solaire absorbé par la paroi se transforme en chaleur et élève la température de surface de la paroi. La paroi échange alors avec son environnement suivant les trois modes fondamentaux d'échanges, par conduction à l'intérieur de la paroi, par convection avec l'air environnant et par rayonnement vers les parois voisines.

Le flux solaire transmis ne se produit qu'avec des parois transparentes. Dans le cas des vitrages, la part du flux transmis suit alors sa course sans changement de direction vers les parois intérieures des bâtiments. A la différence des parois opaques, pour le flux direct, les coefficients de transmission, d'absorption et de réflexion des vitrages ( dont la somme est 1) varient avec l'angle d'incidence du rayon solaire sur la vitre. Le facteur de transmission au direct décroit rapidement dès lors que l'angle d'incidence devient important.

Un verre translucide transmet de façon diffuse.

Généralement, on distingue pour les vitrages, les composantes directe et diffuse du flux solaire incident, leur appliquant des coefficients solaires différents, variable avec l'angle d'incidence pour le direct, constant et établi autour de la valeur moyenne pour le diffus. Les constructeurs donnent souvent les coefficients solaires des vitrages pour une incidence normale. (ou mentionne souvent le facteur solaire d'un vitrage)

Exercice : Evaluation des apports solaires transmis dans une pièce

Exo Info_Solaire utilise une valeur moyenne des coefficients. Evaluation des apports solaires dans les pièces, surchauffe, cumul avec apports internes. Estimation de valeurs.

L'effet de serre et les propriétés radiatives des matériaux

Les apports solaires transmis par les vitrages atteignent les parois intérieures ensoleillées du local, sont absorbés et réfléchis suivant les caractéristiques solaires des parois. Un certain nombre de multi-réflexions ont lieu entre les diverses parois ; finalement les flux solaires absorbés par chacune d'elle augmentent leur température de surface et par le biais des échanges thermiques intéragissent avec leur environnement : l'air s'échauffe à leur contact (convection), la chaleur de surface des parois se transmet à l'intérieur (conduction) participant ainsi à l'effet d'inertie de la pièce, et, par rayonnement, échange avec les autres parois.

Ces derniers échanges radiatifs opèrent à des températures courantes dans le bâtiment de l'ordre de quelques dizaines de degrés, bien inférieures à celles du soleil. Ces échanges se produisent alors essentiellement dans l'infra-rouge lointain.

Tous les matériaux n'ont pas la même réaction pour toutes les longueurs d'onde. C'est le cas du verre, en particulier, qui est transparent au rayonnement solaire (visible et proche infra-rouge) mais opaque au rayonnement thermique (infra-rouge lointain). Ainsi, tout le rayonnement solaire transmis par les vitrages est ensuite piégé dans la pièce contribuant ainsi à l'échauffement général de l'air et des parois. C'est l'effet de serre.

Le problème solaire s'intègre ainsi dans les problèmes thermiques et de confort.

Schéma : facteur transmission du verre en fonction de la longueur d'onde.

De façon général, on peut regrouper les matériaux en 4 classes suivant leurs propriétés radiatives : les Corps Noirs, les Matériaux sélectifs froids, les Matériaux réflecteurs et les Matériaux sélectifs chauds.

La plupart des matériaux de construction sont des " corps noirs " pour le rayonnement de grande longueur d'onde (ils absorbent beaucoup la chaleur) ; mais la couleur de leur surface fixe leur comportement vis à vis du rayonnement solaire. Seuls les métaux ont un comportement très différent pour les rayonnements de faible température.

Le choix des vitrages devient dans ces conditions prépondérant car leur comportement solaire, thermique et lumineux dépend de leurs caractétristiques d'absorption, de réflexion et de transmission, solaires et lumineux.