LES VITRAGES

Par Martin Veillette, ing.29 octobre 2011

Quelques définitions:

Verre: matériau ou un alliage dur, fragile et transparent au rayonnement visible.

Vitre: plaque d’un matériau transparent (verre/plexiglas, …).

Vitrage: une vitre encadrée dans un châssis.

Fenêtre: une baie, une ouverture dans un mur, ou un plan incliné de toiture, avec ou sans vitres.

Le verre

Composition Silicium (Si)

Point de fusion: 1413,9°C à 101,3 kPa 60,6% de la masse de la croûte terrestre

continentale Élément le plus abondant dans la croûte terrestre

après l’oxygène Masse volumique du verre à vitre standard

2500kg/m³ Les premiers verres (naturels) – obsidienne

Préhistoire – pointe de flèche Verre à vitre, XV, XVI siècle

Qques couleurs du verre

Sélénium: décolore le verre Cobalt: 0,025 à 0,1 % = bleu Oxyde d’étain / arsenic = blanc opaque Oxyde de cuivre: 2 à 3 % = turquoise Nickel = bleu / violet / noir Uranium: 0,2 à 2 % = jaune ou vert fluo.

(pas radioactif)

La fenêtre

Fixe, bâti, dormant: partie scellée au mur de manière étanche

Ouvrant: partie mobile qui refermée doit assurer l’étanchéité aux intempéries et aux bruits Vantail ou battant: forme un angle avec le mur Châssis intermédiaire: glisse parallèlement au

mur Dôme: ouvre en toiture

La fenêtre

Performance énergétique Zone climatique où se situe le bâtiment

Baie-Comeau vs Montréal L’orientation du bâtiment

+ de surface vitrée au sud = meilleure utilisation des apports solaires

Surface des fenêtres + de surface de fenêtre = moins de mur + de surface de mur = moins d’apports solaires

Coefficient d’isolation thermique PVC > bois > aluminium (pont thermique)

Facteur solaire et transmission lumineuse Les cadres d’aluminium sont plus fins que le bois et PVC

Le vitrage

Matériaux utilisés Verre, plexiglas, films plastiques aux

propriétés spécifiques Propriétés thermiques

Facteur solaire (g) ou transmission énergétique

Transmission lumineuse ou coefficient de transparence

Déperdition énergétique (U) ou coefficient de déperdition thermique

Effet de serre

Facteur solaire (g)

Proportion du flux énergétique que le vitrage laisse passer (en % du rayonnement reçu) Rayons = réfléchis, transmis, absorbés Harmonie entre les 3 facteurs Ex: immeuble à bureau = réduire la

transmission lumineuse (effet miroir)

RayonnementSolaire

(% à titre d’exemple)

RéflexionAbsorption

par levitrage

Réflexion totaledu vitrage

Transmission

Transmission totale du vitrage

=Facteur solaire

100%

30%

10%

67%

60%

33%

3%

7%

Transmission lumineuse

Pourcentage de lumière transmise n’est pas une mesure de l’énergie transmise

sous forme calorifique Certains vitrages réfléchissants ↓

l’éblouissement, ↓ aussi le facteur solaire Vitrage dynamique qui peuvent s’obscurcir de

façon réversible d’un courant électrique sur un gaz (gaz des vitrages dbles)

Absorbeurs en argent intercalés de façon régulière, ↓ transmission et produisent énergie thermique

Déperdition énergétique (U)

Capacité d’un vitrage à stopper les déperditions (pertes progressives) de chaleur W/m² °K (Watt / mètre² ∙Kelvin) Coefficient faible = vitrage « isolant » En théorie, valeur 0,0 U = aucune déperdition

de chaleur Pour convertir Btu/hr ft² °F en W/m² °K,

multiplier la valeur impériale (US) par 5,678

Déperdition énergétique (U)

Comment améliorer le coefficient? Ajout d’une 2ième ou 3ième vitre ↑ la distance séparant 2 vitrages, si air Remplacer l’air par un gaz rare + lourd (argon,

krypton) Couche métallisée, type argent ou aluminium

sur la surface interne d’un vitrage pour réfléchir la chaleur

Effet de serre

Matériaux ou corps transparents = capacité de laisser passer les ondes IR (infrarouge) de faible longueur d’onde

Lorsque le soleil frappe la surface d’un vitrage, les ondes IR pénètrent dans la pièce et entrent en contact avec les murs pour y être absorbées. Paroi ↑ de T°, émission de chaleur sous forme de rayonnement IR à ondes longues. Chaleur piégée, ↑ de T° dans la pièce.

Types de vitrages

Performants Doubles ou triples vitrages Film basse/faible émissivité (Low E)

Faible émissivité avec gaz rare = vitrage à isolation renforcée Suppriment la radiation froide émise par la

différence de T° ↓ les mouvements de convection ↓ les risquent de condensation sur les parois

Le transfert de chaleur / énergie 4 (en réalité 3) processus principaux de

transfert de chaleur « Fuites d’air » Rayonnement Conduction Convection

Par convention, l’énergie « voyage » du chaud vers le froid

Les « fuites d’air »

ou infiltrations d’air Qu’on le veuille ou non, ça existe…..

Le rayonnement

Tous les corps émettent de la lumière, en fonction de leur T°, et sont eux-mêmes chauffés par la lumière qu’ils absorbent Ex: poêle à bois, chauffage d’établi, … Bitume vs bois ou béton

Se fait par rayonnement électromagnétique, entre autre IR

Peut se faire sous vide, sans la présence de matière

Peut être responsable de près du 2/3 de la perte d’énergie d’un vitrage

La conduction

Échange d’énergie avec contact lorsqu’il existe un gradient de T° au sein d’un système Ex: rond de poêle et chaudron Ex: contact verre / air d’un vitrage

Affecte principalement le cadre/pourtour du vitrage et les intercalaires Aluminium, bois, PVC Intercalaires Al, non métalliques, hybrides Utilisation des gaz rares (Ar18, Kr36)

La convection

Transfert d’énergie qui s’accompagne de mouvements de molécules dans un fluide (gaz ou liquide)

Naturelle L’échange de chaleur est responsable du

mouvement Le transfert thermique provoque le mouvement Ex: radiateur électrique, four

Forcée Dispositif mécanique Le mouvement favorise le transfert thermique Ex: convecteur, four « à convection »

Les moyens utilisés pour réduire les pertes

En pratique… le rayonnement Qu’est ce que l’émissivité???

L’émissivité d’un matériau est le rapport entre l’énergie qu’il rayonne et celle qu’un corps noir rayonnerait à la même T°

Mesure de la capacité d’un corps à absorber et à réémettre l’énergie rayonnée Corps noir, ε = 1 Acier inoxydable poli, ε = 0,075 Béton, ε = 0,92 à 0,97 Asphalte, ε = 0,90 à 0,98 Bois naturel, ε = 0,90 à 0,95 Mercure liquide, ε = 0,1 Or poli, ε = 0,018 à 0,035 Plexiglas, ε = 0,86 Glace, ε = 0,97 Verre, ε = 0,92 Papier d’Al, ε = 0,03 à 0,05

Ex: si asphalte ε = 0,9 il y a donc 10% de l’énergie radiante qui est réfléchie (non-absorbée, non-réémise)

Ex: si papier aluminium ε = 0,05 il y a donc 95% de l’énergie radiante qui est réfléchie (vitrage miroir, papier avec aluminium pour maison)

En pratique… le rayonnement

Technologie de faible émissivité « low E » « Hard coat » ou pyrolitique

Mince couche d’étain versé sur le verre en fusion L’étain est donc soudé au verre Très stable

« Soft coat » ou pulvérisé Argent, zinc, ou étain appliqué dans une chambre

sous vide avec un gaz rare chargé électriquement. Fragile et sensible aux égratignures Le gaz rare du vitrage prévient l’oxydation Beaucoup plus efficace (>50%) que le « hard

coat »

« Soft coat »

Type of Glass R ValueSingle Pane regular glass 0.85Clear Insulated Glass 7/8 inch overall thickness 2.08

Hard Coat Low-E insulated glass 2.45

Hard Coat Low-E insulated glass with argon 2.75

Soft Coat Low-E insulated Glass 3.50

Soft Coat Low-E insulated glass with argon 4.35

Tableau adapté de Great Lakes Windows pamphlet: Window Shopping - We've Got the Answers R values calculated by Cardinal® IG

Pellicule « low E » Faite de polyester transparent enduit d’un

revêtement à faible émissivité. Suspendue entre les 2 verres Certaines réduisent considérablement la

transmission de l’énergie solaire Un avenir prometteur ????

Pellicules électrochromiques (faible courant électrique), thermochromiques (réagissent à la chaleur), ou photochromiques (réagissent à la lumière). Permettent de régler le degré de transmission du rayonnement solaire.

En pratique… le rayonnement

Avantages Inventé pour réduire les pertes d’énergie la nuit Efficace en hiver ET en été Épaisseur de quelques atomes, non mesurable Valeur isolante: Double « low E » ± triple ordinaire

+ léger, mécanisme plus durable Transparent au rayons solaires courts Opaque aux rayons solaires longs Transmet la lumière visible

Désavantage Réduit généralement l’apport par rayonnement

solaire

En pratique… la conduction Les cadres

Dans le cas de l’aluminium, une barrette isolante est utilisée entre le profilé ext. et int. (rupture de pont thermique)

Ex: vitrage double, low E, argon cadre Al, U=3,41 cadre Al et barrette isolante, U=2,73 cadre bois, U=1,99 cadre PVC, U=1,99 cadre PVC isolé, U=1,53 W/m² °K

Résistance thermique de conduction Bois = 0,2 W/m°K Aluminium = 237 W/m°K Verre = 1,2 W/m°K Laine de verre = 0,04 W/m°K Styrofoam = 0,036 W/m°K

En pratique… la conduction

L’ajout de gaz inertes (Ar, Kr) Les intercalaires

Généralement, Al creux contenant un siccatif Maintenant, non-métalliques, hybrides

Peuvent améliorer de près de 20% le rendement énergétique d’une fenêtre low E avec Ar.

En pratique, la convection

C’est pourquoi on devrait varier l’espacement entre les vitres Espace trop faible, la vitre froide refroidie la chaude Espace trop grand, ↑ la convection

L’utilisation de Ar ou Kr Gaz plus lourd que l’air, déplacement réduit Permet de réduire l’espacement entre les vitres

(environ 13mm) Avec le krypton, espacement optimal des vitres à

8mm (1/3 ’’), ↓ du volume de gaz, ↓ des coûts. C’est là que la restauration affecte le

rendement énergétique d’un vitrage!!!!

En pratique… la convection

Pourquoi les vitrages se descellent ??? Les principales causes Variation des pressions (positives et

négatives) P1V1/T1 = P2V2/T2 (Loi des gaz rares)

Utilisation de scellants qui ne sont jamais étanches à 100%, en pratique

Expansion des matériaux

La restauration

Ce qu’il se passe vraiment !!! N’affecte pas:

Le facteur solaire (g) La transmission lumineuse

A une influence sur: La déperdition énergétique (U) L’effet de serre (minime)

La restauration

Par les transferts d’énergie Peu ou pas d’influence sur le

rayonnement Les pellicules low E conservent leurs

propriétés Peu ou pas d’influence sur la conduction

Lorsqu’on compare aux vitrages qui ont perdu leur gaz

Les cadres et les intercalaires ne sont pas affectés par la restauration

Aucune influence sur les infiltrations d’air

La restauration

C’est la perte d’énergie par convection qui est la plus affectée… Pourquoi…. La distance entre les vitres devrait être

déterminée par le type de gaz qui est utilisé Affecte moins un vitrage sans gaz (lorsque la

distance des verres est en fct du gaz) Au Qc, la distance entre les vitres est fixe.

La restauration s’avère donc un excellent choix.

Augmentation du phénomène de convection Échange d’air causé par les variations de

pression Vents forts, efficacité réduite

Pour faire une histoire courte !!! Se questionner sur le nombre de jours/an ou la

perte d’efficacité est si importante… T° extrême: canicule, froid Sibérien, vents glaciaux,…

Coût environnemental de produire des nouveaux vitrages L’énergie utilisée pour produire de nouveaux vitrages

est probablement beaucoup plus importante que les pertes d’énergies des vitrages restaurés (analyse du cycle de vie)

Plus près du « carboneutre » Que fait-on avec les vieux vitrages ???

Les vitrages doubles low E devrait être le minimum à être produit……

Information supplémentaires

Des nouveaux types d’intercalaires qui devraient permettre aux vitrages de rester scellés plus longtemps

Du nouveau sur le marché…

La certification « Energy Star »

En fonction de la zone où l’on se situe. Au canada, 4 zones climatiques (A, B, C, D).

Homologués en fonction de la valeur U ou de la cote énergétique (RE)

Exigences modifiées à partir du 1 octobre 2010, plus sévères

Zones climatiques canadiennes

Système canadien de rendement énergétique (RE) Mesure du rendement thermique global

d’une fenêtre déterminée en fonction de 3 facteurs: Les gains par rayonnement solaire La déperdition thermique à travers les cadres,

l’intercalaire et le verre Les pertes de chaleur causées par les fuites

d’air En W/m², positif ou négatif, selon les

gains ou les pertes réalisés pendant la saison froide.

Avant 1 octobre 2010

Exigences ENERGY STAR pour les fenêtres et les portes

(Les produits peuvent remplir ces exigences en fonction de leur valeur U et

de leur valeur R, ou de leur cote énergétique.)

Zone

Valeur U maximum et Rendement énergétique

valeur R minimale (RE) minimum

(valeur U maximum

2.00 W/m²•K)

Valeur U Valeur U Valeur R La plupart Fenêtres

(W/m²•K) (Btu/h•pi²•°F) (pi²•h•°F/Btu) des fenêtres panoramiques

seulement

1998 2004* 1998 2004*

A 2.00 0.35 2.9 ou –16 17 –6 27

B 1.80 0.32 3.2 ou –12 21 –2 31

C 1.60 0.28 3.6 ou –8 25 2 35

D 1.40 0.25 4.0 ou –5 29 5 39

Après 1 octobre 2010

Fenêtres (À compter du 1er octobre 2010)

Zone

Échelle de Cheminement de conformité

degré-jour Rendementou Facteur U

chauffage énergétique (RE)

RE minimum (sans unité) Facteur U RE

Facteur U maximum maximum minimum

2,00 W/m2•K W/m2•K (sans unité)

(0,35 Btu/h•pi²•°F) (Btu/h•pi²•°F)

A <= 3500 21 ou 1,80 (0,32) 13

B > 3500 to <= 5500 25 ou 1,60 (0,28) 17

C > 5500 to <= 8000 29 ou 1,40 (0,25) 21

D > 8000 34 ou 1,20 (0,21) 25

Informations supplémentaires

Le système de rendement énergétique (RE) qui classifie les fenêtres neuves

L’analyse du cycle de vie qui permettrait de quantifier le gain (ou la perte !) que permet la restauration

Les économies reliées à la restauration: Plus économique que l’achat de vitrage neuf Que dire des frais d’installations ???

Attention aux valeurs isolantes « R ». Pour un vitrage, la mesure est souvent prise au centre du vitrage et ne prend pas en considération le cadre et les intercalaires…

Quelques sites internet à consulter www.efficientwindows.org/index.cfm www.nrc-cnrc.gc.ca/fra/idp/irc/sc/ctus-n71

.html www.guideperrier.com/article1201-1754/

Choix-d-un-vitrage-verre-isolant http://oee.nrcan.gc.ca/residentiel/

personnel/portes-fenetres/energystar.cfm?attr=4

Et finalement…

Croyez en la restauration….et

BONNE FIN DE SAISON