Fuites d'air autour des fenêtres

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Digeste de la construction au Canada, 1964-01

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Fuites d'air autour des fenêtres

Digeste de la Construction au Canada

Division des recherches en construction, Conseil national de

recherches Canada

CBD 25F

Fuites d'air autour des fenêtres

J. R. Sasaki et A. G. Wilson

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.

Les fissures qui se trouvent autour des fenêtres sont généralement la principale cause des fuites d'air qui font tant de tort aux bâtiments. Ces infiltrations d'air augmentent, en hiver, les frais de chauffage et elles rendent les abords des fenêtres peu confortables. Dans les maisons climatisées elles accroissent, l'été, les frais de refroidissement. Par contre, les infiltrations permettent d'obtenir l'air extérieur qui est nécessaire pour venir à bout des odeurs et de l'humidité relative dans les maisons, sans avoir recours à la ventilation mécanique, et elles peuvent également fournir l'air nécessaire à la combustion du combustible de chauffage.

Les fuites d'air qui se produisent autour des fenêtres font également du tort aux fenêtres elles-mêmes. La configuration de la trajectoire suivie par l'air est importante en ce qui concerne la résistance des fenêtres à la pénétration de la pluie et de la poussière et dans le cas des doubles-fenêtres c'est cette configuration qui détermine largement les conditions dans lesquelles la condensation risque de se produire entre les vitres.

Le but du présent Digeste est d'évaluer les conséquences des fuites d'air qui se produisent autour des fenêtres, et de déterminer les caractéristiques et les critères de ces fuites. Une grande partie des observations qui seront faites s'appliqueront également aux fuites d'air existant autour des portes fermées. Les fuites d'air par les portes souvent ouvertes constituent un problème particulier.

Conséquences des fuites d'air

Dans un bâtiment administratif climatisé et muni de doubles-fenêtres non étanches (2 cfm/pied de fissure à 0.30 pouce d'eau) occupant le tiers de la superficie totale du mur extérieur, les fuites d'air par ces fenêtres provoquent environ 45% du gain de chaleur du mur en été et 60% de la perte de chaleur du mur en hiver dans les conditions climatologiques prévues. Dans le même bâtiment muni de fenêtres extrêmement étanches (0.1 cfm/pied de fissure à 0.30 pouce d'eau) les fuites d'air par les fenêtres provoquent approximativement 4% du gain de chaleur du mur en été et 8% de la perte de chaleur du mur en hiver. La proportion totale des pertes ou des gains de chaleur dus aux fuites d'air autour des fenêtres dépend de la façon dont le bâtiment est conçu et employé. C'est généralement un très petit pourcentage des besoins globaux en refroidissement; par exemple 4% dans le cas des fenêtres non étanches et ¼%

dans le cas des fenêtres étanches ci-dessus mentionnées. Pour le chauffage ces valeurs peuvent être respectivement de 16% et de 1%. Il y a lieu de noter que les conditions climatiques prévues dans les calculs se produisent rarement et que durant la plupart des mois de l'année les pourcentages de la perte ou du gain de chaleur provoqué par des fuites d'air sont inférieurs à ceux indiqués ci-dessus.

Dans les bâtiments ventilés mécaniquement l'étanchéité des fenêtres ne dépend que de considérations d'ordre économique à condition que le système de ventilation renouvelle suffisamment l'air pour venir à bout des odeurs et de l'humidité. A moins d'avoir un système de conditionnement de l'air il est généralement nécessaire que les fenêtres puissent s'ouvrir étant donné que les systèmes mécaniques de ventilation ne renouvellent pas suffisamment l'air pour le confort de l'été.

Dans les bâtiments qui ne sont pas munis de système mécanique de ventilation l'étanchéité des fenêtres dépend des besoins minima en air extérieur. Le changement d'air horaire requis pour venir à bout des odeurs dépend de l'emploi qui est fait du bâtiment; pour les maisons, le minimum actuellement accepté est d'environ 0.3 quoiqu'il soit possible que des valeurs légèrement inférieures soient acceptables dans certains cas. Ce taux de ventilation ou un taux plus rapide peuvent être nécessaires pour empêcher une excessive humidité relative dans un grand nombre de maisons (voir le Digeste no 1 ). L'infiltration fournit également l'air nécessaire au système de chauffage. Pour une maison relativement étanche l'air nécessaire pour la combustion dans les conditions climatiques prévues s'élève à environ 1/8 de changement d'air par heure; en ajoutant un montant égal pour le contrôle du courant d'air de cheminée on porte le total à environ ¼ de changement d'air par heure.

La pénétration de l'air à l'intérieur des bâtiments varie beaucoup selon les conditions climatiques; elle peut fournir des taux adéquats de changement d'air dans certaines conditions météorologiques mais aussi des taux excessifs ou inadéquats dans d'autres conditions. Dans un bungalow bien isolé ayant des fenêtres et des portes non étanches (2 cfm/pied de fissure à 0.30 pouce d'eau) l'infiltration de l'air peut facilement donner un changement d'air par heure et constituer jusqu'à 30% de la perte totale de chaleur dans les conditions climatiques prévues. Avec des fenêtres très étanches (0.1 cfm/pied de fissure à 0.30 pouce d'eau) et des portes munies de bourrelets les pertes d'air peuvent être réduites à 1/8 de changement d'air à l'heure et s'élever seulement à 5% de la perte totale de chaleur dans les conditions prévues. Dans une telle maison il serait nécessaire de provoquer une ventilation supplémentaire en ouvrant les fenêtres ou par un autre moyen de façon à obtenir un approvisionnement d'air séparé pour la combustion. Il n'est donc pas possible de justifier, par des économies de combustible, ce degré d'étanchéité avec des fenêtres ouvrables. A l'aide de fenêtres munies de bourrelets comme il en existe actuellement, il est possible d'obtenir des taux de fuites d'air réduits à ½ cfm par pied de fissure à 0.30 pouce d'eau (figure 1). De telles fenêtres, de concert avec des portes munies de bourrelets, sont susceptibles de limiter le taux de ventilation des maisons à ½ changement d'air par heure dans les conditions climatiques prévues dans la plupart des régions du Canada.

Figure 1. Caractéristiques des fuites d'air autour des fenêtres

Lorsque l'on conçoit des fenêtres doubles pour empêcher la condensation de se produire entre les vitres, le taux de fuite d'air autour de la vitre intérieure ne doit pas dépasser environ 0.1 cfm par pied à 0.30 pouce d'eau (voir Digeste no 5). Ceci peut se réaliser facilement avec des vitres doubles dans un châssis simple où l'écoulement de l'air entre le châssis et l'armature contourne l'espace d'air. Pour parvenir à ce degré d'étanchéité entre le châssis et l'armature tout en conservant une bonne facilité d'opération, comme cela serait nécessaire pour les fenêtres ayant un châssis intérieur et un châssis extérieur s'ouvrant indépendamment, il faudrait des plans très soignés. Les fenêtres qui ont cette étanchéité sont quelquefois conçues par les architectes pour des bâtiments climatisés ou pour des bâtiments devant répondre à des exigences spéciales.

Afin de comprendre pleinement la signification des valeurs susmentionnées en ce qui concerne les fuites d'air des fenêtres il est nécessaire de connaître leur mécanisme et les exigences actuelles à leur égard.

Caractéristiques des fuites d'air autour des fenêtres

Les fuites d'air autour des fenêtres sont constituées par l'écoulement de l'air autour d'un châssis fermé ou au travers d'une armature, écoulement qui provient des différentes pressions exercées de chaque côté de la fenêtre. D'importantes fuites d'air peuvent également se produire entre l'armature des fenêtres et les éléments avoisinants de la construction mais cela ne dépend nullement de la fenêtre elle-même.

Le rapport qui existe entre l'écoulement de l'air et la différence de pression d'un côté d'une fenêtre à l'autre peut être exprimé par Q = chn_{, où Q est la fuite d'air de la fenêtre et h la}

différence de pression. La différence de pression agissant au travers d'une fenêtre de bâtiment est le résultat de l'action du vent, de la différence de température de l'air à l'intérieur et à l'extérieur et des dispositifs de ventilation (voir Digeste no 23). La valeur du coefficient n varie entre ½ et 1 selon les caractéristiques des fissures et la différence de pression; aux différences de pression prévues il est plus près de ½ pour les fenêtres ayant des fissures de largeur normale et plus près de 1 pour les fenêtres ayant des fissures exceptionnellement étroites. Le facteur géométrique c augmente proportionnellement à la longueur de la fissure. Il diminue lorsque l'étanchéité de la fenêtre diminue, c'est-à-dire lorsque sa résistance à l'écoulement de l'air augmente.

La résistance à l'écoulement de l'air au travers de fissures données augmente lorsqu'augmente la longueur de la trajectoire au travers de la fissure ou lorsque diminue la largeur efficace de la fissure. Cette largeur dépend de la position des bourrelets et de l'efficacité des dispositifs de verrouillage. En général l'augmentation de l'étanchéité rend le mouvement des châssis plus difficile.

L'étanchéité de n'importe quel type de fenêtre peut être renforcée par la pose de bourrelets entre le châssis et l'armature. Ces bourrelets ont pour but de réduire la largeur de la fissure ou d'augmenter la longueur de la trajectoire d'écoulement de l'air sans gêner le mouvement du châssis. Les bourrelets devraient pouvoir se remplacer facilement et ils devraient résister à l'usure et aux intempéries pendant très longtemps sans perte d'efficacité.

Dans les fenêtres doubles ayant un châssis intérieur et un châssis extérieur fonctionnant indépendamment la résistance à l'écoulement de l'air dépend de l'étanchéité des deux châssis. Afin de venir à bout de la condensation entre les vitres, cependant, il est nécessaire de prévoir sur la vitre intérieure presque toute la résistance à l'écoulement de l'air (voir Digeste no 5). La différence de pression de l'air qui se fait sentir au travers des fenêtres fournit également la force qui fait pénétrer la pluie. Cette force se fait particulièrement sentir au travers d'éléments comme les bourrelets, lesquels fournissent une excellente résistance à la fuite d'air, de telle sorte qu'il est important de protéger ces éléments afin qu'ils ne soient pas mouillés par la pluie poussée par le vent. Dans les cas des doubles-fenêtres on parvient facilement à ce résultat en fournissant essentiellement toute la résistance aux fuites d'air à l'emplacement du châssis intérieur. La possibilité de pénétration de la pluie au-delà du châssis extérieur est minimisée du fait qu'il n'y a pas de différence de pression de l'air au travers de ce châssis.

Il est devenu courant au Canada et aux États-Unis d'exprimer le taux de fuites d'air des fenêtres Q comme un écoulement d'air par pied de longueur de fissure. La longueur de la fissure est déterminée en totalisant les longueurs des fissures individuelles qui se produisent chaque fois que le châssis mobile entre en contact avec l'armature ou avec un autre châssis et il est fondé sur les dimensions de l'ouverture nette dans l'armature. Il est courant d'assumer que la fuite d'air totale pour une fenêtre de n'importe quelle dimension peut être calculée à partir des valeurs de la fuite d'air par pied de fissure obtenues pour une fenêtre de même type. Les fuites d'air par pied de fissure cependant varient généralement plus ou moins avec les dimensions des fenêtres, d'une part parce que les différentes fissures des fenêtres se produisent dans des proportions différentes et d'autre part parce que les pressions imposées par les serrures varient. Pour définir avec précision la fuite d'air des fenêtres il est par conséquent nécessaire de connaître les dimensions exactes de ces fenêtres; dans les spécifications des fenêtres une dimension standard est généralement spécifiée.

En Europe on a l'habitude d'exprimer les fuites d'air comme un taux par zone unitaire de fenêtre. Là encore, il est nécessaire de spécifier les dimensions des fenêtres lorsqu'on fait des comparaisons.

Du fait que les facteurs qui affectent l'étanchéité des fenêtres sont complexes la caractéristique de fuite d'air d'une fenêtre doit être déterminée directement au moyen d'un test. Une différence de pression de l'air est imposée au travers d'une fenêtre et l'écoulement d'air qui en résulte est mesuré. Le dispositif d'essai comprend une chambre de pression, une cloison pouvant recevoir des fenêtres laquelle forme un mur de la chambre, un approvisionnement

d'air accédant à la chambre et un compteur d'écoulement. La fenêtre est montée sur la cloison de telle sorte que les fuites d'air puissent seulement se produire autour du châssis et au travers de l'armature. Des fenêtres doubles peuvent être mises à l'essai la fenêtre extérieure restant ouverte pour que seule la fenêtre intérieure puisse fournir la résistance voulue à l'écoulement de l'air. Les mesures de fuites d'air des fenêtres sont généralement effectuées lorsqu'on a affaire à des différences de pression allant de 0.10 à 0.30 pouce en colonne d'eau correspondant à une pression de vent de 15 à 25 milles à l'heure, étant donné que les fuites d'air pour des vitesses plus élevées du vent ne donnent lieu à aucun ennui.

Un grand nombre d'essais de fuites d'air autour des fenêtres ont été effectués aux États-Unis, au Royaume-Uni et en Europe. La majorité des fenêtres mises à l'essai étaient des fenêtres verticales et coulissantes en bois quoiqu'un certain nombre de types de fenêtres simples et doubles en aluminium, en acier et en bois aient été mis à l'essai plus récemment. Les caractéristiques typiques des fuites d'air des fenêtres coulissantes verticales et des fenêtres ordinaires sont résumées à la figure 1 laquelle montre la grande variation qui se produit dans l'étanchéité des fenêtres non munies de bourrelets si en la compare à celle des fenêtres qui en sont munies. Il est indéniable que les bourrelets permettent de réduire les fuites d'air.

Critère des fuites d'air autour des fenêtres

La grande variation qui se produit dans les caractéristiques des fuites d'air autour des fenêtres montre clairement qu'il est nécessaire d'établir un critère pour ces fuites. Il y a lieu de considérer, lors de l'établissement d'un tel critère pour les fenêtres canadiennes, les avantages que l'on peut tirer des fenêtres étanches et le degré d'étanchéité pouvant être obtenu à un coût raisonnable.

Des critères concernant les fuites d'air autour des fenêtres ont été mis au point aux États-Unis et en Norvège et ces critères sont particulièrement intéressants du fait que les conditions climatiques dans certaines parties de ces pays sont semblables à celles qui règnent au Canada. En Norvège l'Institut de Recherche sur le Bâtiment a publié des courbes relatives aux fuites d'air fondées sur des essais effectués sur un grand nombre de fenêtres particulièrement des fenêtres ordinaires, en bois, de dimension standard. Convertis en perte d'air par pied de fissure de châssis pour une colonne d'eau de 0.30 pouce les taux maxima de fuites d'air doivent, pour être classés comme acceptables bons et excellents, valoir 0.36 cfm, 0.19 cfm et 0.16 cfm respectivement.

Aux États-Unis des critères spéciaux ont été établis pour les fuites d'air des fenêtres simples d'aluminium, d'acier et de bois par les associations professionnelles intéressées. Les valeurs ci-dessous sont les valeurs maxima pouvant être acceptées pour les divers types de fenêtres en cfm par pied de fissure de châssis pour une différence de pression de 0.30 pouce en colonne d'eau:

Fenêtres d'aluminium

Coulissage vertical - modèle ordinaire - ¾ cfm/pied - modèle extra fort - ½ cfm/pied Coulissage horizontal - modèle ordinaire - ¾ cfm/pied Fenêtre ordinaire - modèles standards

et extra fort munis de bourrelets

- ½ cfm/pied

non munis de

bourrelets - 1 cfm/pied Fenêtres d'acier - tous les modèles - 1 cfm/pied Fenêtres de bois Coulissage horizontal et vertical - modèles ordinaires - munis de bourrelets - ¾ cfm/pied

Un pas important a été fait au Canada lors de l'établissement par la Commission des normes du Gouvernement canadien de spécifications spéciales pour les fenêtres d'aluminium et des fenêtres sans châssis. Dans ces spécifications les exigences en matière de fuites d'air sont comparables à celles qui sont en vigueur aux États-Unis pour les fenêtres d'aluminium. L'Association des normes du Canada a publié des spécifications pour les fenêtres de bois qui devraient bientôt comporter des exigences en matière de fuites d'air.

Résumé

Des économies importantes peuvent être réalisées dans les frais de chauffage et de refroidissement des bâtiments si l'on a recours à des fenêtres étanches mais en général pour que des fenêtres soient parfaitement étanches il faut qu'elles soient munies de bourrelets. L'amélioration de l'étanchéité d'une fenêtre quelle qu'elle soit donne généralement lieu à des frais supplémentaires. Par contre, on réduit les frais d'exploitation lorsqu'on a des fenêtres qui répondent aux exigences relatives aux fuites d'air. Dans les bâtiments comme les maisons d'habitation où il n'y a pas de ventilation mécanique et où les fuites d'air fournissent l'air extérieur exigé pour l'aération et le système de chauffage l'emploi de fenêtres extrêmement étanches risque de réduire la ventilation au point où les odeurs, l'humidité et le fonctionnement des systèmes de chauffage peuvent donner lieu à des problèmes. On doit alors avoir recours à d'autres moyens de ventilation. L'économie que l'on réalise sur le chauffage est alors perdue lorsque l'étanchéité est trop grande.

Afin de réduire ou d'éliminer le problème de la condensation entre les vitres des doubles-fenêtres la résistance à l'écoulement de l'air autour de la vitre intérieure doit être beaucoup plus grande que celle des abords de la vitre extérieure. Il s'ensuit que dans les fenêtres ayant un châssis intérieur et un châssis extérieur indépendants la résistance aux fuites d'air doit être fournie entièrement par le châssis intérieur. Ceci va de pair avec une bonne conception pour la résistance à la pénétration de la pluie. Les conséquences des fuites d'air doivent être prises en considération lorsqu'on établit un plan de fenêtre ou lorsqu'on choisit un type de fenêtre. Par ailleurs, il faut tenir compte des conséquences que les infiltrations d'air peuvent avoir en général dans un bâtiment et sur ses occupants.