Par Martin Veillette, ing. 29 octobre 2011 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 Les premiers verres (naturels) – obsidienne 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 Propriétés thermiques 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)

Transmission totale du vitrage 100% Rayonnement Solaire (% à titre d’exemple) 30% 10% 60% Réflexion Absorption par le vitrage Transmission 3% 7% 67% 33% Réflexion totale du vitrage Transmission totale du vitrage = Facteur solaire

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 »

Single Pane regular glass 0.85 Type of Glass R Value Single Pane regular glass 0.85 Clear 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 » Un avenir prometteur ???? 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.

Rendement énergétique 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 R La plupart Fenêtres (W/m²•K) (Btu/h•pi²•°F) (pi²•h•°F/Btu) des fenêtres panoramiques seulement 1998 2004* A 2.00 0.35 2.9 ou –16 17 –6 27 B 1.80 0.32 3.2 –12 21 –2 31 C 1.60 0.28 3.6 –8 25 2 35 D 1.40 0.25 4.0 –5 29 5 39

Fenêtres (À compter du 1er octobre 2010) Cheminement de conformité Après 1 octobre 2010 Fenêtres (À compter du 1er octobre 2010) Zone Échelle de Cheminement de conformité degré-jour Rendement ou Facteur U chauffage énergétique (RE) RE minimum (sans unité) 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 1,80 (0,32) 13 B > 3500 to <= 5500 25 1,60 (0,28) 17 C > 5500 to <= 8000 29 1,40 (0,25) D > 8000 34 1,20 (0,21)

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

Croyez en la restauration…. Et finalement… Croyez en la restauration…. et BONNE FIN DE SAISON