L’orientation de la fenestration dans un habitat joue un rôle fondamental dans l’efficacité de celui-ci. L’angle variable du rayonnement solaire selon les périodes de l’année doit être pris en compte dans cette conception, afin de maximiser l’apport solaire tout en évitant les surchauffes inconfortables dans le bâtiment.

La fenestration selon les directions cardinales

On se rappelle que le soleil effectue une course très basse dans le ciel durant l’hiver et beaucoup plus haute en été. Ce rayonnement solaire qui entre dans l’habitat de façon variable selon les saisons, a un impact direct sur l’apport énergétique qu’il transmet au bâtiment.
course du soleil dans le ciel selon la saison
Si l’on se réfère au design bioclimatique, qui inclut le design solaire passif, la conception d’un bâtiment écologique dont la plus grande partie de la fenestration se trouve en façade Sud, est fortement à prioriser. Pour quelle raison?  
Étant donné l’angle de rayonnement solaire, un vitrage vertical placé en façade Sud reçoit plus d’apport énergétique en hiver (surtout d’octobre à mars), qu’une fenêtre placée à l’Est ou à l’Ouest. Ceci est encore plus vrai sur la façade Nord, qui ne reçoit presque aucun rayonnement solaire direct.
En été (surtout d’avril à septembre), l’apport de rayons solaires en façade Sud diminue, ce qui est idéal afin d‘éviter les surchauffes de l’habitat. À cette même période, des fenêtres verticales situées à l’Ouest et à l’Est auraient tendance à participer à plus de surchauffes dans le bâtiment.
Un autre problème qui découle de la présence de fenestration à l’Est, l’Ouest ou au Nord est qu’elle favorise, durant la nuit et les périodes ennuagées, plus de déperditions de chaleur par sa surface que de gain solaire durant les périodes ensoleillées.
Si l’on tient absolument à intégrer du vitrage dans ces directions, soit on y minimise la surface de fenêtres, soit on y installe un vitrage qui laisse entrer moins de rayonnement solaire, en plus d’être mieux isolé grâce à un plus grand facteur isolant.
Il est important de noter que lorsqu’on parle de fenestration au Sud, cela implique également toute la conception stratégique intérieure du bâtiment (l’emplacement des pièces notamment), qui permet de bénéficier au maximum de cette luminosité et de cet apport solaire pour une belle qualité de vie.
Si le vitrage plein Sud est l’idéal pour un maximum de captation solaire, une orientation de trente degrés soit vers l’Ouest ou vers l’Est, permettent tout de même une captation viable.
Au pire, si pour des raisons liées à la nature du terrain ou à une vue imprenable, on n’a pas la possibilité de poser la fenestration plein Sud – ou même à trente degrés Est ou Ouest –, un angle à quarante-cinq du Sud demeure tout de même acceptable.
 

Pourcentage de fenêtres à mettre au Sud

Imaginons un habitat efficace, c’est-à-dire des murs avec un facteur isolant de R40 et un plafond de R60 (ceci est d’ailleurs loin de correspondre à l’isolation de nos maisons standards!). Imaginons que l’habitat possède une surface de 2000 pieds carrés de plancher, soit la somme de la surface des planchers de chaque niveau du bâtiment.
Dans un tel cas, on peut calculer qu’un pourcentage de 5 % à 8% de fenestration peut être installé en façade Sud, si l’habitat possède une faible présence de masse thermique. Qu’est-ce que la masse thermique?
Il s’agit de matériaux denses qui viennent absorber la chaleur du rayonnement solaire qui passe par la fenestration, et la diffusent peu à peu sous la forme d’infrarouges sains et confortables dans tout l’habitat en périodes plus fraîches. La masse thermique peut prendre la forme de murs en briques traditionnelles ou de terre crue, d’un plancher de béton, d’ardoise, etc.
Salon maison saine de briques de terre crue
Dans l’exemple donné ici, une faible présence de masse thermique correspond à un habitat dont les murs sont en gypse avec du tapis recouvrant le solage. Dans un tel cas, les 5 % à 8 % de fenestration Sud correspondent à 100 pieds carrés de fenêtres. Afin de mieux visualiser cette surface, on peut imaginer 5 fenêtres de 5 pieds par 4 pieds.
En augmentant la quantité de masse thermique dans l’habitat, pour un niveau moyen, on peut alors augmenter le pourcentage de vitrage au Sud à 8 % ou 10 %, car le surplus d’énergie qui y entre va réchauffer la masse thermique afin d’offrir à l’habitat un confort apprécié et sans surchauffe. Ceci correspond à 160 pieds carrés de fenêtres, par exemple 4 fenêtres de 5 pieds par 8 pieds. 
Avec une présence élevée de masse thermique, on peut installer 10 % à 12 % de vitrage au Sud, pour une surface de 200 pieds carrés, ce qui représente 5 fenêtres de 5 pieds par 8 pieds.
Il arrive dans bien des cas que l’on souhaite installer plus de fenêtres au Sud que le pourcentage suggéré plus haut, même si on n’ajoute pas nécessairement de masse thermique. Comment éviter alors la surchauffe dans l’habitat? Il est souhaitable, dans ce cas-ci, de choisir un vitrage qui laisse entrer un peu moins de soleil pour compenser cette absence de masse thermique.
De cette façon, tout en gagnant plus de surface de fenêtres, on ne perd pas de gain solaire. Autre avantage, la surface plus élevée de vitrage n’implique pas de plus grandes déperditions de chaleur puisque le vitrage est mieux isolé. Il s’agit de jouer avec ces paramètres, selon ses préférences et les caractéristiques propres de son bâtiment.
Dans le cas d’un habitat beaucoup moins bien isolé que le cas présenté plus haut – c’est-à-dire celui de la plupart des maisons standards –, les risques de surchauffe sont beaucoup moins élevés de toute façon, puisque la faible isolation permet naturellement des déperditions de chaleur. Ceci n’est toutefois pas très efficace sur le plan énergétique.
Tel que nous venons de le voir, le pourcentage de fenêtres à placer au Sud peut être calculé en fonction de la taille du bâtiment et de son isolation. Toutefois, si on souhaite être plus précis et performant sur le plan énergétique, grâce à l’installation d’une fenestration efficace, il est possible d’utiliser un logiciel pour évaluer à la fois la quantité et le type de vitrage à utiliser en fonction de la performance recherchée, et ce, pour différentes sections de l’habitat.
Luc Muyldermans, architecte et grand spécialiste des habitats bioclimatiques et solaires passifs, offre de judicieux conseils sur le choix d’un vitrage performant et sur les masses thermiques dans la formation qu’il donne sur ce sujet dans le Certificat en design de bâtiment écologique de Solution ERA.
 

L’emplacement des fenêtres sur la façade

Les fenêtres peuvent être placées soit au rez-de-chaussée et/ou aux étages. Généralement, la fenestration principale aura tendance à être placée au rez-de-chaussée où se trouvent les pièces de vie les plus communément utilisées. Ceci permet de bénéficier de cette pleine luminosité agréable, surtout si le design du bâtiment offre une aire ouverte.
Si l’on souhaite faire entrer plus de lumière dans la section Nord de l’habitat sans toutefois y installer une fenêtre (pour éviter le maximum de déperditions de chaleur), il est possible de le faire grâce à une fenestration disposée à la verticale sur la façade Sud à l’étage d’un habitat au plafond cathédral. La luminosité entrera par l’étage au Sud pour venir éclairer la section rez-de-chaussée Nord du bâtiment.
Un vitrage ainsi disposé est nettement plus judicieux que l’inclusion d’un puits de lumière incliné dans la toiture. Pour quelle raison?
 

Évitez au maximum les vitrages inclinés dans l’habitat

Lorsque la fenestration sur la façade Sud est inclinée, que ce soit de  trente à soixante degrés, celle-ci, dû à l’angle du rayonnement solaire, permet une bonne captation en hiver, toutefois elle devient trop élevée en été, ce qui participe à une surchauffe du bâtiment à cette période.
Donc, comme nous l’avons vu plus haut, l’idéal est de prioriser un vitrage vertical : qui capte bien l’énergie solaire en hiver et évite les surchauffes du bâtiment en période estivale. De plus, il est nettement plus aisé de construire un habitat avec des fenêtres verticales qu’inclinées.
Autres éléments importants en défaveur des vitrages inclinés de type puits de lumière :

  • Selon l’inclinaison du toit, ce type de fenêtres n’offre pas beaucoup d’apports solaires en hiver
  • Il en offre trop en période estivale, au risque de créer des surchauffes
  • Tôt ou tard (10 ou 15 ans ou moins) ce type de fenestration subira des infiltrations d’eau

Pour obtenir de la luminosité dans une pièce fermée de l’habitat, il est nettement préférable d’opter pour une cheminée solaire placée sur la toiture, et dont le diamètre peut varier de huit pouces à deux pieds. La lumière entre par le dessus de la cheminée et elle est diffusée dans la pièce à éclairer par le biais de surfaces réfléchissantes disposées dans le tube de la cheminée.
Si vous souhaitez en savoir beaucoup plus sur la fenestration efficace et le rayonnement solaire, grâce aux astuces et calculs précis présentés par Luc Muyldermans, suivez le lien vers le « Certificat en design de bâtiment écologique ».