Gains de chaleur solaire au travers des fenêtres et des parements vitrés

Publisher’s version / Version de l'éditeur:

Vous avez des questions? Nous pouvons vous aider. Pour communiquer directement avec un auteur, consultez la première page de la revue dans laquelle son article a été publié afin de trouver ses coordonnées. Si vous n’arrivez pas à les repérer, communiquez avec nous à PublicationsArchive-ArchivesPublications@nrc-cnrc.gc.ca.

Questions? Contact the NRC Publications Archive team at

PublicationsArchive-ArchivesPublications@nrc-cnrc.gc.ca. If you wish to email the authors directly, please see the first page of the publication for their contact information.

https://publications-cnrc.canada.ca/fra/droits

L’accès à ce site Web et l’utilisation de son contenu sont assujettis aux conditions présentées dans le site LISEZ CES CONDITIONS ATTENTIVEMENT AVANT D’UTILISER CE SITE WEB.

Digeste de la construction au Canada, 1964-11

READ THESE TERMS AND CONDITIONS CAREFULLY BEFORE USING THIS WEBSITE. https://nrc-publications.canada.ca/eng/copyright

NRC Publications Archive Record / Notice des Archives des publications du CNRC :

https://nrc-publications.canada.ca/eng/view/object/?id=5b15d237-b017-43ea-a0a3-bbf9dd6a3836

https://publications-cnrc.canada.ca/fra/voir/objet/?id=5b15d237-b017-43ea-a0a3-bbf9dd6a3836

NRC Publications Archive

Archives des publications du CNRC

For the publisher’s version, please access the DOI link below./ Pour consulter la version de l’éditeur, utilisez le lien DOI ci-dessous.

https://doi.org/10.4224/40000962

Access and use of this website and the material on it are subject to the Terms and Conditions set forth at

Gains de chaleur solaire au travers des fenêtres et des parements

vitrés

Digeste de la Construction au Canada

Division des recherches en construction, Conseil national de

recherches Canada

CBD 39F

Gains de chaleur solaire au travers

des fenêtres et des parements vitrés

D. G. Stephenson

Veuillez noter

Cette publication fait partie d'une série qui a cessé de paraître et qui est archivée en tant que référence historique. Pour savoir si l'information contenue est toujours applicable aux pratiques de construction actuelles, les lecteurs doivent prendre conseil auprès d'experts techniques et juridiques.

Si l'énergie radiante qui provient du soleil et qui tombe constamment sur la surface de la terre devait être achetée à raison de 1/20 par kilowattheure les frais quotidiens s'élèveraient à la fantastique somme de dix-mille-milliards de dollars. Plus simplement, on peut dire que l'intensité maximum des radiations solaires qui tombent sur un pied carré de surface horizontale dans les latitudes tempérées est de l'ordre de 100 watts; pour les surfaces verticales elle est d'environ 75 watts. Il y a, par conséquent, une grande quantité d'énergie qui tombe sur les surfaces extérieures de tous les bâtiments à certains moments de l'année - une énergie qui peut provoquer de graves problèmes dans le comportement des matériaux si l'architecte n'en a pas tenu suffisamment compte dans ses plans. Le but du présent Digeste est de montrer l'importance des gains de chaleur solaire dus aux parties vitrées qui se trouvent sur les différentes façades d'un bâtiment et de passer en revue les diverses façons de les réduire. Intensité des rayons solaires

L'intensité des rayons solaires qui pénètrent au fond de l'atmosphère dépend de la clarté de l'atmosphère et de la longueur de leur trajectoire au travers de celle-ci, (c'est-à-dire de l'élévation angulaire du soleil au-dessus de l'horizon). L'énergie incidente sur la zone unitaire d'une surface quelconque dépend de l'intensité des rayons du soleil et de l'angle suivant lequel ils frappent cette surface. L'intensité maximum pour une surface horizontale se produit à midi au moment du solstice d'été pour toutes les latitudes en dehors des tropiques. Par exemple, l'isolation maximum sur un pied carré de surface horizontale est de 93 watts à Ottawa (Latitude 45°N) et de 88 watts à Winnipeg (Latitude 50°N). Au solstice d'hiver les chiffres correspondants pour midi par une journée claire sont 39 watts et 29 watts respectivement. (Multipliez les watts par 3.4 pour obtenir des Btu/hr.)

La radiation qui tombe sur des surfaces verticales est, cependant, souvent d'une plus grande importance dans l'établissement des plans des bâtiments (par suite des fenêtres) que la radiation sur une surface horizontale. L'orientation d'un mur est une autre variable. Un mur orienté vers le sud à Ottawa reçoit un maximum quotidien de 45 watts/pied carré à midi aux

environs du 22 juin; mais à l'équinoxe le maximum quotidien atteint 65 watts/pied carré et le maximum annuel peut monter jusqu'à 100 watts/pied carré en hiver s'il y a de la neige sur le sol pour renvoyer une partie des rayons solaires sur le mur. Les murs faisant face à l'est et à l'ouest, par ailleurs, reçoivent un rayonnement maximum le matin et l'après-midi, respectivement, lorsque les rayons du soleil sont un peu plus perpendiculaires à la surface du mur. Le maximum annuel pour les surfaces faisant face à l'est et à l'ouest à Ottawa est d'environ 75 watts/pied carré. Il se produit, au coeur de l'été, environ 4 heures avant midi et 4 heures après midi respectivement (comme cela est indiqué par un cadran solaire). L'intensité du maximum quotidien change très peu entre le milieu de l'été et l'équinoxe de telle sorte que la valeur de 75 watts par pied carré est symbolique de l'isolation maximum quotidienne sur les façades donnant sur l'est et l'ouest durant la période allant d'avril à octobre.

Parois transparentes

Lorsque la radiation solaire tombe sur du verre ou des matériaux translucides une partie de l'énergie incidente est réfléchie, une partie est absorbée par les matériaux et le reste est transmis à l'intérieur du bâtiment. Pour les fenêtres ordinaires l'absorption est très petite mais la transmission très grande. On ne se rend pas toujours compte, cependant, que la réflexion provenant d'une surface de verre varie beaucoup selon l'angle d'incidence, c'est-à-dire l'angle formé entre les rayons de la lumière et une ligne perpendiculaire à la surface. La figure 1 montre la variation de la réflexion, de l'absorption et de la transmission de la radiation solaire par une simple paroi de verre ordinaire. Les valeurs, à midi, des angles d'incidence pour un mur sud à Ottawa sont indiquées à la figure 1. Elles montrent que la transmission aura une valeur maximum quotidienne de 70% de la radiation incidente au milieu de l'été et que cette radiation augmentera jusqu'à 85% à l'équinoxe et atteindra un maximum de 87% à midi, au milieu de l'hiver.

Figure 1. L'absorption, la réflexion et la transmission de la radiation solaire par une simple paroi de verre ordinaire.

Il est facile de comprendre pourquoi les architectes devraient veiller à réduire le plus possible les gains de chaleur solaire quand on songe au coût des systèmes de climatisation nécessaires pour enlever cette chaleur. On a dit que l'isolation des murs tournés vers l'est et l'ouest peut être de 75 watts par pied carré au maximum, chaque jour, durant la période allant d'avril à octobre. L'angle d'incidence pour ces surfaces au moment de l'isolation maximum est inférieur à 40 ° de telle sorte que la transmission est d'environ 87% pour une simple paroi de verre. Cent pieds carrés de verre ordinaire sur une façade tournée vers l'ouest devrait donc transmettre 6.5 kilowatts à l'intérieur du bâtiment. Toute cette énergie doit éventuellement être enlevée par un système de ventilation et de conditionnement de l'air.

Heureusement, l'ensemble de la radiation solaire transmise n'agit pas immédiatement pour augmenter la charge de refroidissement; une partie est emmagasinée dans le plancher et dans les murs intérieurs lesquels absorbent la radiation et sont chauffés par elle. La charge de refroidissement maximum s'est avérée être* environ 60% du gain instantané de chaleur dans le cas d'un immeuble administratif moderne dont 80% des parois extérieures sont faites de verre. Ainsi, la charge de refroidissement maximum due à la transmission solaire au travers de 100 pieds carrés d'une simple paroi vitrée tournée vers l'ouest peut constituer 60% de 6.5 kilowatts, c'est-à-dire environ 4 kilowatts ou un peu plus d'une tonne de réfrigération.

Le coût d'une installation de climatisation dépend du type du bâtiment et du type de système employé mais généralement il excède $1000 par tonne, ce qui comprend $300 pour l'installation centrale de refroidissement et $700 pour les conduites distributrices. L'augmentation du coût d'un bâtiment que l'on peut attribuer à la chaleur solaire recueillie par une fenêtre dépend de la mesure dans laquelle cette chaleur accroît la charge maximum de refroidissement pour le bâtiment. Au maximum le montant entier de $1000 par tonne sera attribuable à la fenêtre, au minimum il faudra s'attendre à payer $700 par tonne soit le prix du système de distribution. Si la lumière du soleil permet d'employer moins de lumière artificielle, cependant, un certain crédit lui sera accordé. Ainsi le coût initial du dispositif de conditionnement de l'air nécessaire pour enlever la chaleur solaire admise au travers d'une fenêtre tournée vers l'est ou l'ouest peut ajouter environ $7 par pied carré de fenêtre au coût du bâtiment. Il faut tenir compte également du coût de fonctionnement de ce dispositif. Le gain de chaleur provenant d'une conduction au travers d'un pied carré de mur isolé opaque est inférieur à 5% de celui provenant d'une transmission au travers d'une surface égale de verre aussi faudrait-il que les $7 par pied carré soient ajoutés au coût du verre pour avoir un aperçu de ce que peut coûter une fenêtre.

Les chiffres correspondants pour une fenêtre orientée vers le sud sont les suivants:

 Au solstice d'été une transmission de 70% du faisceau incident de 45 watts/pied carré donnant un gain de chaleur instantané de 31 watts/pied carré à midi;

 à l'équinoxe d'automne une transmission de 85% du faisceau incident de 65 watts/pied carré donne un gain de chaleur instantané de 55 watts/pied carré.

Ces chiffres montrent certains des avantages que l'on a à orienter un bâtiment de telle sorte que les fenêtres soient tournées vers le sud plutôt que vers l'est ou l'ouest; le gain maximum de chaleur dû à une radiation solaire transmise à travers le verre est alors plus faible et le maximum se produit à la fin de la saison de refroidissement de telle sorte qu'il ne coïncide pas avec la charge de refroidissement maximum due à la ventilation. Les fenêtres tournées vers le nord, naturellement, donnent lieu à un faible gain de chaleur solaire.

Comment venir à bout des gains de chaleur solaire au travers des fenêtres

Le coût réel de l'enlèvement de la chaleur qui entre dans un bâtiment au travers des fenêtres est si grand qu'il est économique de dépenser des sommes considérables pour réduire les apports de chaleur solaire. La méthode la plus naturelle consiste à employer un store quelconque pour intercepter la radiation avant qu'elle n'atteigne la fenêtre. Cette solution

réussit mieux pour les fenêtres tournées vers le sud que pour celles tournées vers l'est ou l'ouest étant donné que du côté sud l'angle d'incidence est très ouvert en été et que par conséquent les projections du mur créent de longues ombres.

Le gain de chaleur solaire provenant d'une fenêtre tournée vers le sud peut être beaucoup réduit, également, en faisant basculer cette fenêtre comme cela est indiqué à la figure 2. L'énergie qui tombe sur la fenêtre ainsi orientée est la même que celle qui se produirait si la fenêtre était verticale et si elle avait un store en saillie de 1.4 pieds le long du linteau. La vitre penchée réfléchit 45% de la radiation lorsque l'angle d'incidence est de 78° au lieu des 23% que la vitre réfléchit quand elle est verticale. Cette différence diminue à mesure que la saison avance vers le solstice d'hiver et en hiver les fenêtres penchées et les fenêtres verticales transmettent essentiellement la même quantité d'énergie solaire.

Figure 2. Arrangement d'une fenêtre penchée tour née vers le sud.

La réflexion produite en hiver peut être augmentée en recouvrant la surface soit d'un film métallique très fin soit d'un film de matériaux diélectriques ayant un haut indice de réfraction. On peut se procurer maintenant des fenêtres à doubles-vitres scellées et munies d'un enduit de réflexion sur la surface intérieure de la vitre extérieure. Leur réflectivité dépend de l'angle d'incidence comme dans le cas du verre non traité mais sa valeur pour tous les angles d'incidence est plus élevée que pour le verre ordinaire.

Les stores peuvent servir autrement pour venir à bout de la chaleur solaire. Les stores de couleur claire réfléchissent une partie de la radiation solaire et absorbent le reste. Cela les fait s'échauffer jusqu'à ce qu'ils perdent leur chaleur à mesure qu'ils la reçoivent du soleil. Si le store est dans la pièce la plupart de l'énergie qu'il absorbe s'ajoute à la charge de refroidissement de cette pièce. S'il se trouve entre les vitres d'une double-fenêtre, cependant, une partie de l'énergie absorbée est transférée vers l'extérieur et la charge de refroidissement de la pièce est réduite en conséquence. Il est, par conséquent, souhaitable d'employer des stores de couleur claire et si possible de les placer entre les vitres des doubles-fenêtres.

Le verre qui absorbe la chaleur est également largement utilisé pour réduire les gains de chaleur solaire. Il existe des vitres qui absorbent plus de 70% de la radiation incidente de telle sorte que la transmission du côté intérieur du bâtiment est d'environ 20% lorsque l'angle d'incidence est petit et même plus faible lorsque cet angle est grand. Le verre absorbant n'est pas aussi efficace que ces chiffres l'indiquent, cependant, parce que l'énergie qui est absorbée par le verre est dissipée autour de lui des deux côtés de la fenêtre. La proportion de l'énergie absorbée qui est transférée vers l'intérieur dépend de l'importance relative des coefficients de transfert de la chaleur sur les surfaces intérieures et extérieures. Si de l'air frais est introduit dans la pièce par l'intermédiaire d'une grille le long du rebord de la fenêtre plus de la moitié de l'énergie absorbée est transférée du côté de la pièce. Ainsi, l'emploi d'un verre qui absorbe la chaleur peut provoquer une charge de refroidissement maximum plus élevée que dans le cas du verre ordinaire parce qu'une partie de l'énergie absorbée est transférée vers l'air de la pièce peu de temps après qu'il a été absorbé par le verre. L'énergie transmise par un verre ordinaire est absorbée par le plancher les murs et les meubles et elle est libérée bien plus tard. La capacité d'emmagasinage de la chaleur de ces objets tend à répartir la charge de refroidissement sur une période de temps considérable de telle sorte que la valeur maximum de cette charge est réduite.

L'efficacité d'un verre qui absorbe la chaleur peut être augmentée en l'employant comme vitre extérieure d'une fenêtre à doubles-vitres de telle sorte que l'énergie absorbée puisse être plus facilement dissipée vers l'air extérieur que vers l'air de la pièce. Une fraction encore plus grande de l'énergie absorbée peut être rejetée vers l'atmosphère extérieure s'il y a une libre circulation d'air extérieur dans l'espace situé entre les vitres de la double-fenêtre. La couche extérieure de verre absorbant la chaleur est alors simplement un store extérieur semi-transparent.

Le verre qui absorbe la chaleur peut quelquefois présenter un avantage pour les fenêtres sud si la solution du store ou celle de la mise en bascule ne conviennent pas à l'architecte. Ce type de 'verre convient parfaitement, cependant, pour les fenêtres tournées vers l'est ou l'ouest où un store extérieur efficace devient coûteux et où la mise en bascule n'a pas d'effet appréciable. De grandes étendues de verre dans les murs extérieurs d'un bâtiment peuvent causer une lueur éblouissante dans l'espace situé près des fenêtres. Toutes les méthodes visant à réduire les gains de chaleur solaire réduiront aussi cette lueur aveuglante étant donné qu'environ la moitié de l'énergie radiante totale provenant du soleil est dans la région de la longueur d'onde de la lumière visible.

Gains de chaleur au travers du verre en automne et en hiver

Il a été question ci-dessus des gains de chaleur solaire enregistrés durant l'été. Il est également important de considérer le transfert de chaleur qui se produit au travers des fenêtres au cours des autres saisons. Tout bâtiment ayant 50%, ou plus de ses murs extérieurs faits de verre recevra suffisamment de chaleur solaire durant certaines heures du jour au printemps et en automne pour avoir besoin de refroidissement même si la température extérieure de l'air est très inférieure à la température souhaitable dans une maison. Durant les heures sombres de ces mêmes journées il y aura une importante charge de chauffage par suite de la forte perte de chaleur due au verre. La nécessité de refroidir durant ce qu'on appelle normalement la saison de chauffage implique que le système de distribution de l'air conditionné puisse fournir simultanément de la chaleur et du froid de façon à ce que les différentes pièces de la maison puissent être chauffées ou refroidies selon les besoins. Comme cette complication

des dispositifs de conditionnement de l'air est due principalement à l'emploi de murs transparents, son coût devrait être attribué à ces derniers.

Les parties vitrées ont de plus hauts coefficients de conductance de la chaleur (coefficient U) que les murs opaques bien isolés; et les grandes étendues de verre dans l'enveloppe extérieure d'un bâtiment provoquent de grandes pertes de chaleur durant les longues nuits de l'hiver. Une installation de chauffage de plus grande capacité est alors nécessaire pour les bâtiments ayant d'importantes parties vitrées. La perte nette d'énergie au travers d'un mur est la différence entre la perte par conduction vers l'air extérieur et le gain par transmission de la radiation solaire. Cette perte nette durant les mois d'hiver dépend de la température moyenne de l'air extérieur, du nombre de jours degrés durant l'hiver ainsi que de l'importance du rayonnement qui tombe sur le verre. Une double-vitre de verre ordinaire dans un mur tourné vers le sud à Ottawa, par exemple, a une perte de chaleur nette légèrement inférieure pour un hiver tout entier à celle d'un mur isolé faisant également face au sud. Ce petit gain est probablement contrebalancé dans la plupart des cas par des fuites d'air au travers des fissures qui se trouvent autour des fenêtres. Il n'y a, par conséquent, aucune différence à Ottawa en ce qui concerne les besoins d'énergie annuelle pour le chauffage lorsqu'une partie d'un mur sud isolé est remplacée par une double-vitre de verre ordinaire. Il y a une perte nette plus levée pour les autres types de fenêtres ou pour les fenêtres disposées différemment, le maximum de perte étant naturellement réservé aux fenêtres tournées vers le nord.

Cette simple analyse suppose que toute la chaleur solaire peut être utilisée pour réduire les besoins de chauffage. Si une zone vitrée est grande il est peut-être nécessaire de se débarrasser d'une partie de la chaleur solaire disponible; sinon il ferait trop chaud dans la maison.

Sommaire

Une abondante radiation solaire se manifeste sur toutes les surfaces des bâtiments, excepté sur le mur nord. La radiation solaire transmise au travers des fenêtres non protégées et des murs transparents donne lieu à une forte augmentation de la température dans les maisons qui ne sont pas climatisées. L'emploi de stores et autres méthodes pour réduire les gains de chaleur solaire est à conseiller pour tous les bâtiments, qu'ils soient climatisés ou non. Le coût initial du système de conditionnement de l'air nécessité par une fenêtre de verre ordinaire peut être plus élevé que le coût de la fenêtre elle-même et il faut tenir compte de plus du coût annuel de fonctionnement de la pompe destinée à faire partir la chaleur que la fenêtre laisse entrer. Ces deux coûts devraient faire partie du prix qu'il y a lieu de payer lorsqu'un architecte décide d'employer de grandes surfaces de parements vitrés.

Les gains de chaleur solaire peuvent être largement réduits en orientant un bâtiment de telle façon qu'il aura un minimum de parois vitrées vers l'est et vers l'ouest. Les fenêtres qui donnent vers le nord reçoivent très peu de radiations solaires. C'est un avantage en été mais un inconvénient durant la saison de chauffage. Les gains de chaleur solaire que l'on obtient par les fenêtres donnant vers le sud peuvent être réduits durant l'été par des stores extérieures ou en basculant les fenêtres; les fenêtres à doubles-vitres n'augmentent pas les besoins en matière de chauffage dans les régions méridionales du Canada.

Lorsque les fenêtres sont considérées comme nécessaires sur les façades est ou ouest les gains de chaleur peuvent être réduits en utilisant des vitres doubles, la vitre extérieure étant faite de verre pouvant absorber la chaleur. L'efficacité de telles fenêtres est accrue en laissant l'air extérieur circuler librement dans l'espace qui sépare les deux vitres. Si on se sert de fenêtres à doubles-vitres scellées un enduit réfléchissant du côté intérieur de la vitre extérieure sera plus efficace qu'une vitre de verre absorbant la chaleur, pour une même transmission de lumière. Finalement des stores peuvent être employés pour réduire le chauffage solaire. Ils sont plus efficaces lorsqu'ils sont situés entre les vitres d'une double-fenêtre.

* Stephenson, D. G. and G. P. Mitalas. An analog evaluation of methods for controlling solar heat gain through windows. Journal, American Society of Heating, Refrigerating and Air Conditioning Engineers, Vol. 4, No. 2, February 1962, p. 41-46. (NRC 6560)