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Digeste de la construction au Canada, 1972-03
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Les vitres réfléchissantes
Digeste de la Construction au Canada
Division des recherches en construction, Conseil national de
recherches Canada
CBD 101F
Les vitres réfléchissantes
Publié à l'origine en mars 1972 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.
Le flux de chaleur qui entre et sort par chaque pied carré de parois vitrées d'un bâtiment est ordinairement beaucoup plus élevé que celui qui passe au travers des parois opaques de mêmes dimensions. Il importe donc que, dans la préparation des plans, on accorde une attention toute particulière aux dimensions, à l'orientation et au type de fenêtre qu'on utilisera. On a déjà étudie, dans un digeste précédent, le CBD 39, plusieurs moyens de contrôler la transmission de la chaleur due au rayonnement solaire; et le CBD 52, d'autre part, avait pour objet la transmission calorifique au travers d'une paroi vitrée par convection, conduction et rayonnement des grandes ondes. Depuis la préparation de ces digestes, on a accompli de grands progrès dans la mise au point de vitrages réfléchissants permettant un meilleur contrôle de la chaleur. Etant donné que ces éléments sont maintenant mis sur le marché par un grand nombre de fabricants, il semble opportun de mettre à jour les études antérieures, et montrer comment les nouveaux types de fenêtres peuvent se comparer aux types dont on s'est servi pendant de nombreuses années.
Tout comme les murs, les fenêtres ont pour fonction de servir d'écran entre le milieu extérieur naturel et celui de l'intérieur d'un bâtiment, qui est contrôlé; mais, contrairement aux murs, les fenêtres doivent aussi laisser passer la lumière. Il s'ensuit que toute comparaison objective des divers types de fenêtre doit tenir compte de la façon dont elles remplissent ces deux rôles. Deux des aspects les plus importants du rôle d'écran que jouent les fenêtres sont le gain et la perte de chaleur. Les échanges calorifiques entre l'air intérieur et l'air extérieur se caractérisent par le coefficient de conductivité thermique de la fenêtre, appelé aussi coefficient U; et le tendance à laisser pénétrer la chaleur solaire est donnée quantitativement par le coefficient d'ombre. Les caractéristiques thermiques des fenêtres peuvent donc se comparer d'après ces deux indices. La transmission de la lumière est donnée par le coefficient de transmission de la lumière.
Coefficient U
Le coefficient U est le taux de transmission de la chaleur au travers d'un pied carré de fenêtre, lorsqu'il y a une différence d'un degré entre la température de l'air extérieur et celle de l'air intérieur. Autrement dit, c'est la réciproque de la résistance thermique totale entre l'air
intérieur et l'air extérieur. Une feuille de verre, par elle-même, n'a qu'une résistance de 0.02 unité (ft²/h/°F/B.T.U.); et presque toute la résistance d'un vitrage simple est offerte par les couches adjacentes des surfaces intérieures et extérieures. Pour les surfaces ordinaires en verre non traité, ces résistances sont d'environ 0.7 unité à la surface intérieure et de 0.3 unité à l'extérieur. Un recouvrement à faible pouvoir d'émission sur l'une ou l'autre des surfaces augmente la résistance de la surface traitée.
Dans le cas des doubles vitrages, il y a une résistance supplémentaire offerte par l'espace d'air entre les carreaux. La valeur de cette résistance dépend de la nature des surfaces qui emprisonne l'espace d'air, de la température de l'air, et de l'épaisseur de l'espace. Un espace ayant une épaisseur d'un demi-pouce entre deux vitres ordinaires non traitées a une résistance d'environ 0.7 unité en été et 0.9 unité, aux plus basses températures d'hiver. Lorsqu'une des surfaces de verre qui enferment l'espace d'air a un revêtement à faible pouvoir d'émission, comme une mince couche d'or ou d'aluminium, la résistance d'un espace d'air d'un demi-pouce est plus que doublée, rendant ainsi les doubles vitrages aussi efficaces que les triples vitrages constitués de verre non traité. Le traitement des deux surfaces en contact avec l'espace d'air donne un rendement légèrement supérieur au traitement d'une seule surface. L'augmentation de la résistance thermique totale d'une fenêtre est un avantage important qui résulte de l'utilisation des revêtements réfléchissants sur le verre; cependant, il demeure que la principale raison d'utiliser un revêtement est de réduire l'apport de chaleur dû au rayonnement solaire. Coefficient d'ombre
L'accroissement total de la chaleur due au soleil au travers d'une fenêtre est la somme du rayonnement solaire transmis plus cette portion d'énergie solaire absorbée et dissipée ensuite à l'intérieur du bâtiment. Le coefficient d'ombre pour une fenêtre est le rapport entre l'accroissement total de la chaleur due au soleil au travers de la fenêtre et l'accroissement total de la chaleur due au soleil au travers d'une feuille ordinaire de verre clair, soumis exactement aux mêmes conditions. Ainsi, les coefficients d'ombre sont des nombres sans dimensions dont les valeurs se situent entre zéro et un. Plus la valeur du coefficient d'ombre est petite, plus la fenêtre arrêtera la chaleur du rayonnement solaire.
Les valeurs du coefficient d'ombre pour trois types de vitrage simple et trois types de vitrage double sont données au Tableau I, de même que les facteurs correspondants de transmission de la lumière, de transmission solaire, et le coefficient U. Ces données montrent que le type de vitrage dit réfléchissant, sans store ni rideau, peut avoir un coefficient d'ombre moins élevé que les autres types de vitrage double munis de stores intérieurs.
Tableau I. Coefficients d'ombre et coefficients U pour des vitrages simples et doubles
Type de fenêtre et store Facteur de transmission sans stores Coefficient d'ombre Coefficients U Btu/pi²h/°F
LumièreChaleursolaire Sansstore Avec rideau Avec store vénitien Sans store Avec rideau ou store vénitien Min. Max. Vitrage simple 1/8 po, feuille de verre clair 0.90 0.80 1.00 0.450.65 0.55 1.0 0.8 1/4 po, verre ordinaire 0.87 0.77 0.95 0.450.65 0.55 1.0 0.8 1/4 po, 0.50 0.45 0.70 0.400.50 0.47 1.0 0.8
verre athermane Vitrage double 1/4 po, verre ordinaire 0.77 0.60 0.83 0.400.60 0.50 0.6 0.5 1/2 po, espace d'air 1/4 po, verre ordinaire 1/4 po, verre athermane 0.45 0.35 0.55 0.330.43 0.36 0.6 0.5 1/2 po, espace d'air 1/4 po, verre ordinaire 1/4 po, feuil réfléchissant (verre ordinaire) 0.35 0.16 0.25 0.3 1/2 po, espace d'air 1/4 po, verre ordinaire
Fenêtres athermanes et fenêtres réfléchissantes
On a remarqué, dans le CBD 60, que le verre ne laisse pas uniformément passer toutes les longueurs d'onde, et que, par un choix judicieux d'ingrédients, on peut en fabriquer un dont la transparence sera notablement plus élevée aux rayons du spectre visible qu'à ceux de l'infrarouge. Ce type de verre est communément appelé verre athermane. Un carreau de vitre ordinaire, recouvert d'une mince couche d'or (ou de quelqu'autre métal) sur une surface, est aussi plus transparent à la lumière visible qu'au rayonnement infrarouge; mais parce qu'il se comporte comme un miroir semi-transparent, on appelle ce type de verre réfléchissant.
La Figure 1 donne les proportions de rayonnement solaire incident transmis, réfléchi et absorbé par des doubles vitrages athermanes et réfléchissants. Une plus faible admission totale du verre réfléchissant est principalement due à une plus faible transmission solaire. Lorsque le revêtement réfléchissant est appliqué sur la face interne du carreau extérieur, ce carreau absorbe presqu'autant que s'il s'agissait d'un verre athermane, mais la transmission est réduite en raison d'une plus grande réflexion. L'admission totale est aussi réduite parce qu'une moins grande quantité de l'énergie absorbée par le carreau extérieur de la fenêtre réfléchissante est transmise à l'intérieur de la pièce. C'est une conséquence directe de la plus grande résistance qu'offre l'espace d'air dans les vitrages réfléchissants.
Figure 1.
Lorsque le revêtement réfléchissant est appliqué sur la face externe du carreau intérieur, la réflexion totale de la vitre est plus grande mais l'admission totale est également plus grande. La raison en est que l'énergie absorbée par le revêtement sur le carreau intérieur est surtout transmise du côté de la pièce. Il résulte donc que si l'on cherche à diminuer le gain de chaleur, le meilleur endroit pour appliquer la couche réfléchissante est sur la face interne du carreau extérieur.
Toutefois, si le revêtement est appliqué sur le carreau extérieur, cette surface se réchauffe beaucoup au contact d'un soleil ardent. Il y a donc un plus grand risque de bris sous contrainte thermique dans ce cas, et certains fabricants recommandent d'installer leur vitrage
réfléchissant en mettant le carreau traité à l'intérieur. Ce faisant, ils sacrifient une partie du coefficient d'ombre dans le but de diminuer le risque de bris sous contrainte thermique.
La plupart des feuils métalliques ne sont pas assez forts et résistants pour être employés sur une surface exposée et sont appliqués surtout sur les doubles vitrages. Il est possible, naturellement, de protéger un feuil réfléchissant en le recouvrant d'une substance dure et transparente pour faire un vitrage simple réfléchissant. Ces vitrages ont un coefficient d'ombre plus faible que les vitrages simples non réfléchissants, mais leur coefficient U n'est pas réduit comme c'est le cas du revêtement réfléchissant dans un double vitrage.
Gain de chaleur au travers des fenêtres
On trouve le gain de chaleur total par l'équation suivante: Gain de
chaleur Surface
= U( T) + Coefficient d'ombre (CGCS)
où: T est la différence entre les températures de l'air extérieur et de 1'air intérieur; cette différence est positive quand il fait plus chaud en dehors qu'en dedans;
et CGCS (Coefficient de gain de chaleur solaire) est le gain de chaleur dû aux rayons du soleil, qui se produit au travers d'un carreau simple d'une feuille de verre ordinaire, soumis aux mêmes conditions.
Le coefficient U et le coefficient d'ombre sont des caractéristiques de la fenêtre et sont indépendants de son emplacement, tandis que T et CGCS sont des caractéristiques du milieu et sont indépendants du type de fenêtre.
L'importance de la différence entre un coefficient d'ombre et un autre dépend de la grandeur du CGCS et une différence dans le coefficient U dépend de la grandeur de T. Le Tableau II donne les valeurs quotidiennes maximales du CGCS pour des fenêtres orientées vers les points cardinaux à 45 degrés de latitude nord. Ces données montrent que les expositions à l'est et à l'ouest ont un CGCS élevé tout l'été, et faible en hiver; c'est juste le contraire pour les fenêtres orientées vers le sud. Ainsi, les fenêtres qui ont un faible coefficient d'ombre offrent plus d'avantages lorsqu'elles sont orientées vers l'est ou l'ouest que vers le sud, et le coefficient d'ombre a très peu d'importance pour les fenêtres orientées vers le nord.
Tableau II. Valeurs maximales des facteurs de gain de chaleur solaire
Date Direction N EstOuest S 21 janvier 16 134 251 février 21 176 249 mars 26 210 221 avril 32 222 176 mai 36 219 137 juin 37 215 120 juillet 37 215 133 août 34 213 169 septembre 28 197 214
octobre 22 169 240
novembre 17 131 246
décembre 14 108 244
Les valeurs sont en Btu/pi²/h.
Ces données sont tirées du NRC 9528.
La grandeur du coefficient U est très significative en hiver, au moment où T a une grande valeur négative. Ainsi, plus l'hiver est long et rigoureux, plus il est avantageux d'utiliser des fenêtres ayant un faible coefficient U. Pour une pièce exposée au sud, les avantages du faible coefficient U des fenêtres réfléchissantes sont contre-balancées dans une certaine mesure par une diminution du gain de chaleur solaire pendant l'hiver, alors qu'elle serait souvent souhaitable. Même exposées au sud, toutefois, les fenêtres réfléchissantes réduiront ordinairement le coût du chauffage dans les conditions qui existent au Canada.
Lumière et chaleur
Il n'y a pas de différence fondamentale entre la lumière et d'autres formes de rayonnement comme les rayons-X ou les ondes radioélectriques. La seule différence est aux yeux de celui qui regarde. L'oeil humain peut déceler un rayonnement si la longueur d'onde se situe entre 380 nm (nanomètre = un millionième de millimètre) et 750 nm. Le rayonnement entre ces limites est visibles; il s'appelle lumière. Presque la moitié de l'énergie totale du rayonnement solaire est associée aux longueurs d'ondes visibles, l'autre moitié, aux longueurs d'ondes supérieures à 750 nm. Cette dernière moitié s'appelle ordinairement le rayonnement infrarouge proche. Les fenêtres athermanes et réfléchissantes laissent plus facilement passer les rayons visibles que les rayons infrarouges proches. Toutefois, il est faux d'imaginer qu'un type quelconque de fenêtre peut filtrer complètement la chaleur solaire et laisser pénétrer la lumière. L'énergie associée à la lumière se manifestera toujours sous forme de chaleur lorsque les rayons sont absorbés.
Le rapport entre la lumière et la chaleur qui émane de n'importe quelle source lumineuse est la mesure de l'efficacité lumineuse de la source. L'efficacité de différentes sources lumineuses peut se comparer directement seulement lorsque tous les gains de chaleur sont exprimés dans les mêmes unités. Etant donné que le watt est l'unité internationalement reconnue pour la puissance et le taux de transmission de la chaleur, et que le lumen est l'unité de flux lumineux, l'efficacité lumineuse est généralement exprimée en lumen par watt. Plus ce rapport est élevé, moins il y a de chaleur pour un niveau donné d'éclairement. Les taux de gain de chaleur d'une fenêtre, exprimés en Btu/h peuvent être convertis en watts en divisant simplement par 3.41. (1 watt = 3.41 Btu/h)
L'efficacité lumineuse d'une fenêtre est liée à la transmission de la lumière et au coefficient d'ombre par la relation suivante:
Efficacité lumineuse =
125 x transmission de la lumière
coefficient d'ombre
Le coefficient 125 s'applique lorsque les rayons incidents proviennent directement du soleil; cette constante devrait être environ 170 pour une lumière diffuse provenant d'un ciel clair. En employant le coefficient 125 avec le pouvoir de transmission de la lumière et le coefficient d'ombre du Tableau I, on obtient une efficacité lumineuse d'environ 115 lumens/watt pour un double vitrage de verre ordinaire. Un système semblable dont le carreau extérieur est constitué d'une vitre athermane d'une épaisseur de 1/4 de pouce a un coefficient de 100 lumens/watt; et
un double vitrage dont la face interne du carreau extérieur est recouverte d'une couche d'or réfléchissante a une efficacité de 175 lumens/watt. Ces valeurs se comparent très avantageusement aux sources lumineuses artificielles; les lampes fluorescentes donnent environ 70 lumens/watt et celles à filament de tungstène ne donnent que de 10 à 20 lumens/watt. Ainsi, une pièce conçue pour tirer le meilleur parti de la lumière du jour n'aura pas nécessairement un apport de chaleur plus élevé qu'une pièce sans fenêtre, éclairée à la lumière artificielle.
Conclusion
Une des caractéristiques spéciales des fenêtres réfléchissantes est qu'elles ont un faible coefficient U et un faible coefficient d'ombre sans obstruer la vue. De ce fait, elles sont spécialement avantageuses lorsque la vue est importante. Les fenêtres réfléchissantes agissent comme des miroirs à sens unique en ceci que lorsque c'est plus clair à l'extérieur qu'à l'intérieur, on peut voir de l'intérieur à l'extérieur mais non de l'extérieur à l'intérieur. Ceci assure l'intimité pendant le jour, mais il faut des stores ou des tentures pour protéger des regards indiscrets une fois la noirceur tombée, alors que la pièce est bien éclairée. Une fenêtre de verre clair ordinaire munie d'un store ou d'une tenture offre un avantage sur les fenêtres réfléchissantes ou athermanes pendant les jours sombres; on peut ouvrir les tentures ou monter les stores lorsqu'ils ne sont pas nécessaires, laissant ainsi pénétrer plus de lumière et n'obscurcissant pas la vue avec une objets de la pièce.
Un autre point à considérer est le remplacement des fenêtres. Les carreaux utilisés pour remplacer les vitres brisées doivent avoir le même facteur de transmission et de réflexion que l'original. Ceci peut être plus difficile avec les fenêtres réfléchissantes qu'avec le verre clair ordinaire. En fait, il est à conseiller de commander des vitrages supplémentaires au départ, afin de s'assurer de pièces semblables pour remplacer toute vitre brisée. Le verre réfléchissant sera probablement un peu plus sensible au bris thermique que le vitrage double ordinaire, et l'on doit en tenir compte dans la conception des vitrages scellés et du système de vitrage.
Le faible coefficient U et le coefficient d'ombre des fenêtres réfléchissantes réduisent tout autant la valeur maximale des gains et des pertes de chaleur et conséquemment la dimension et le coût initial d'un système de climatisation. Il y a également une diminution des frais d'exploitation tant pour le chauffage que pour le refroidissement. Quant à savoir si cette économie est suffisante pour justifier les frais supplémentaires des vitres réfléchissantes, cela dépend des circonstances particulières, et l'on doit faire une analyse économique pour chaque projet particulier.
On peut spécifier les caractéristiques thermiques et de transmission de lumière d'une fenêtre en spécifiant le facteur de transmission de la lumière, le coefficient d'ombre et le coefficient U. Une norme de qualité devrait donner les valeurs maximales permises pour le coefficient d'ombre et le coefficient U et un facteur de transmission de lumière minimal permis.
