☀️ Angles solaires
Application interactive permettant d’analyser la trajectoire solaire, l’ensoleillement des façades et l’impact de dispositifs de protection solaire.
Principe d’utilisation
- Sélectionner une localisation,
- Définir la géométrie de façade et les protections,
- Explorer les différents onglets d’analyse,
- Eventuellement charger une fichier météorologique, ou prendre le plus proche disponible
- Exporter les graphiques (
pngousvg).
Pourquoi analyser l’ensoleillement ?
L’analyse solaire constitue une étape essentielle dans la compréhension du comportement environnemental d’un bâtiment.
Elle permet notamment :
- d’identifier les orientations favorables,
- d’optimiser les apports solaires passifs,
- de dimensionner les protections,
- d’anticiper les situations d’inconfort (surchauffe, éblouissement).
Au-delà d’une lecture statique, l’outil permet d’appréhender la dynamique temporelle du soleil et sa relation avec la façade.
🏗️ Utilisation en conception
L’analyse de l’ensoleillement éclaire directement plusieurs choix de conception, depuis les premières esquisses jusqu’aux phases plus détaillées.
📐 Orientation et enveloppe
La trajectoire solaire permet d’évaluer l’exposition des différentes orientations et d’ajuster la composition de l’enveloppe. Elle guide notamment le positionnement des ouvertures, ainsi que les rapports entre surfaces opaques et vitrées, en fonction des objectifs de projet.
🌿 Confort et usage
La compréhension des périodes d’ensoleillement permet d’anticiper :
- les risques de surchauffe estivale,
- les situations d’éblouissement,
- la qualité de l’éclairage naturel.
🌍 Stratégies environnementales
L’outil facilite la conception de dispositifs passifs, tels que les casquettes ou les brise-soleil, en permettant d’évaluer leur efficacité en fonction de la géométrie et de l’orientation. Il constitue également un support pertinent pour comparer rapidement plusieurs variantes de conception.
📊 Analyses proposées
L’application propose plusieurs modes de représentation complémentaires, permettant de croiser les approches et d’adapter l’analyse aux enjeux du projet.
☀️ Héliodon et angles solaires
Ce diagramme représente les trajectoires solaires pour différentes dates caractéristiques (solstices, équinoxes) ainsi que pour la journée sélectionnée. Il offre une lecture directe des angles solaires et des amplitudes saisonnières.
En plus, des diagrammes montrent les altitudes solaires maximales et leurs évolutions horaires pour des dates choisies.
🛡️ Types de protections solaires
À ce stade, l’outil propose deux types de dispositifs de protection solaire, permettant de couvrir les cas les plus courants en phase de conception.
Les casquettes horizontales sont définies par leur profondeur, et permettent d’évaluer simplement l’effet d’un débord en façade. Les persiennes (ou brise-soleil) sont décrites à partir de plusieurs paramètres géométriques, tels que la profondeur, l’espacement et le nombre d’éléments, offrant une représentation plus fine des dispositifs filtrants.
Ces deux typologies permettent déjà d’explorer un large spectre de situations. L’outil a toutefois vocation à évoluer, avec l’intégration progressive d’autres types de protections et de configurations plus complexes.
🧱 Vue 3D
Représentation géométrique de :
- la façade,
- les protections,
- les rayons solaires, qui touchent la façade ou non.
Elle permet de comprendre qualitativement les phénomènes d’ombrage.
📅 Heatmap annuelle
La heatmap représente, pour chaque jour de l’année et chaque heure de la journée, la fraction de façade recevant un ensoleillement direct.
Les zones claires correspondent à un fort ensoleillement, tandis que les zones sombres traduisent l’absence de soleil, liée à l’orientation ou à la position du soleil sous l’horizon.
🧭 Carte de façade
La façade est discrétisée en une grille (Nx × Ny), permettant de représenter
spatialement l’exposition solaire. Cette représentation peut être exprimée en heures
équivalentes d’ensoleillement ou, lorsqu’un fichier météo est utilisé, en énergie reçue.
Dans ce second cas, les indicateurs sont exprimés en kWh/m², ce qui permet une lecture plus directement exploitable dans une approche énergétique.
🧠 Modèle et approche
Géométrie solaire
Les angles solaires sont calculés à partir des équations astronomiques classiques :
$$ h = \arcsin(\sin\phi \sin\delta + \cos\phi \cos\delta \cos H) $$ où :
- \( \phi \) : latitude
- \( \delta \) : déclinaison solaire
- \( H \) : angle horaire
Gloablement ces calculs sont gérés par la librairie python spécialisée pvlib.
Calcul des ombres
Les ombres portées sont calculées de manière analytique, à partir de la géométrie de la façade et des protections.
La méthode s’inspire d’une méthode analytique publiée : Shading by Overhang PV Collectors .
Elle permet un calcul exact des zones ombrées sans recours à du ray-tracing, couteux pour ce type d’applation.
Modèle énergétique
Lorsqu’un fichier météorologique au format EPW est fourni, l’ensoleillement peut être
converti en énergie incidente sur la façade. Le calcul repose sur une décomposition du
rayonnement en composantes directe, diffuse et réfléchie :
$$ E = sun_{frac} \cdot POA_{direct} + POA_{sky} + POA_{ground} $$
La fraction de façade ensoleillée pondère la contribution du rayonnement direct, tandis que le diffus du ciel et la réflexion du sol sont ajoutés de manière globale. Le modèle s’appuie sur le modèle de ciel de Perez, avec un albédo du sol paramétrable.
🌦️ Fichiers météo
L’application peut être utilisée en mode purement géométrique, sans fichier météo, ou en
mode énergétique via l’import d’un fichier epw :
- Ce dernier peut être fournit, si c’est un
epwstandard - Ou on peut demander le “plus proche” depuis Climate One Building
Sources possibles (liste non exhaustive) :
Les fichiers utilisés automatiquement sont des années typiques (TMYx), construites à partir de moyennes sur 30 ans.
⚙️ Méthodologie
Les calculs reposent sur des données horaires et une approche vectorisée, permettant de traiter efficacement de grandes séries temporelles. La façade est discrétisée en une grille paramétrable, sur laquelle est évaluée la fraction d’ensoleillement.
Cette fraction est utilisée pour pondérer les indicateurs. Ainsi, une heure durant laquelle 50 % de la façade est ensoleillée correspond à 0,5 heure équivalente.
⚠️ Limites d’usage
L’outil ne prend pas en compte les masques urbains lointains, la végétation, ni les interactions thermiques du bâtiment.
Le modèle énergétique repose sur des hypothèses simplifiées, notamment en ce qui concerne la composante diffuse et la réflexion du sol, considérées de manière homogène.
🛠️ Implémentation
Application développée en Python avec Dash-Plotly
.
Principales librairies :
pvlibpour les calculs solaires et d’irradiancePandasetNumPypour le traitement des donnéesDash Leafletpour la cartographieDash Bootstrap Componentspour l’interface