Condensation sur les surfaces intérieures des vitres

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Digeste de la construction au Canada, 1961-12

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Condensation sur les surfaces intérieures des vitres

Digeste de la Construction au Canada

Division des recherches en construction, Conseil national de

recherches Canada

CBD 4F

Condensation sur les surfaces

intérieures des vitres

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.

On se plaint presque partout au Canada de la condensation qui se produit en hiver sur les surfaces intérieures des vitres. Le phénomène est particulièrement intense dans les maisons munies d'humidificateurs. Non seulement la condensation sur les fenêtres réduit-elle la visibilité et crée-t-elle une atmosphère psychologique désagréable mais elle peut conduire à de graves dégâts dans la construction par suite de l'humidité qu'elle provoque. Les fenêtres donnent lieu à d'autres difficultés mais aucune de ces difficultés ne peut être observée aussi directement que la condensation. La condensation qui se produit entre les vitres des doubles-fenêtres est un problème spécial qui n'est pas envisagé dans la présente étude.

La condensation se produit sur les surfaces intérieures des vitres dès que la température de ces vitres devient inférieure à la température du point de rosée de la pièce. Les fenêtres constituent très souvent le plus faible élément d'une maison du point de vue thermique même lorsqu'on emploie des doubles-fenêtres et par conséquent ce sont les fenêtres qui ont les plus basses températures. Ce sont donc les fenêtres qui déterminent la limite pratique d'humidité pour les maisons en hiver et la condensation peut se produire sur les vitres, le cadre ou le châssis selon les caractéristiques thermiques relatives de ces trois éléments.

Condensation sur les vitres

La quantité d'humidité relative qui, dans une pièce, provoque la condensation sur les surfaces intérieures des vitres dépend de la température de ces vitres laquelle à son tour dépend de tous les facteurs qui affectent le passage de la chaleur au travers du verre. Ces principaux facteurs sont: la température de l'air extérieur et la température de l'air intérieur aux abords des fenêtres, le nombre de vitres et les conditions de l'écoulement de l'air sur les surfaces intérieures et extérieures. Les autres facteurs qui affectent la température de surface des fenêtres ayant de nombreux carreaux sont la largeur du cubage d'air, la convection qui s'y produit et l'importance des fuites d'air à l'entrée et à la sortie du cubage d'air. Les rideaux et autres moyens de protection des fenêtres, la largeur du rebord et de l'entablement de la fenêtre ainsi que les dispositifs de chauffage de la pièce sont des facteurs importants car ils

affectent les principaux facteurs dont on a parlé. L'épaisseur des vitres ne compte généralement pas dans la gamme des épaisseurs normalement employées dans les bâtiments étant donné que le verre possède une conductibilité calorique relativement élevée.

On peut facilement calculer les températures de surface du verre en ayant recours à de simples relations de transfert de chaleur et l'on peut déterminer les degrés d'humidités intérieures pour lesquels de la condensation se produira sur les vitres en fonction des conditions thermiques extérieures. Le résultat des calculs dépendra des coefficients de transfert de chaleur choisis. On donne au Tableau I les résultats obtenus par de tels calculs pour des vitres simples, doubles et triples et pour deux conditions de vent compte tenu d'une convection naturelle sur la surface intérieure. L'hypothèse de la convection naturelle sur la surface intérieure est valable à moins que des mesures spéciales aient été prises pour souffler de l'air sur la fenêtre. Le simple fait de placer des radiateurs de chaleur sous la fenêtre n'augmentera pas nécessairement le coefficient de transfert de la chaleur sur les surfaces intérieures mais il tendra à augmenter la température de l'air qui est adjacent à la fenêtre. Les valeurs du Tableau I correspondent à des périodes durant lesquelles aucune radiation solaire n'est produite.

Tableau I. Humidités maxima pour avoir des fenêtres sans condensation et températures correspondantes des surfaces intérieures

Temp. extér-ieure en °F

Températures de surface et humidités relatives pour une température intérieure de 70°F

Fenêtre simple Double-fenêtre Triple-fenêtre Vent de 15 m. à l'h. Pas de vent Vent de 15 m. à l'h. Pas de vent Vent de 15 m. à l'h. Pas de vent Temp °F H.R. Temp °F H.R. Temp °F H.R. Temp °F H.R. Temp °F H.R. Temp °F H.R. 40 47 44% 55 59% 59 68% 61 73% 63 78% 64 81% 20 32 24% 45 41% 52 53% 56 61% 59 68% 60 71% 0 17 12% 35 27% 45 41% 50 49% 54 57% 56 61% -20 2 6% 24 17% 38 32% 44 39% 50 49% 52 53% -40 -14 2% 14 10% 31 23% 38 31% 45 41% 48 46%

Dans le cas de vitres superposées les gradients de température sont élevés dans les cubages d'air par suite de la convection. La température du bas d'un cubage d'air sera de plusieurs degrés inférieure à celle du haut et ceci se manifeste, du point de vue température, sur la surface intérieure des vitres. Cela explique aussi pourquoi la condensation qui se produit sur les surfaces intérieures des doubles-fenêtres apparaît généralement, pour commencer, vers le bas. Des essais ont montré que les valeurs calculées de la température de surface s'accordent bien avec les températures de surface mesurées au centre des fenêtres. La température de la surface du verre est inférieure vers le bas aux valeurs calculées et les valeurs limites de l'humidité sans condensation, seront par conséquent inférieures. On peut contrebalancer quelque peu ce phénomène en plaçant la source de chaleur sous la fenêtre. Les caractéristiques thermiques des doubles-vitres ne sont guère affectées par l'augmentation de l'épaisseur du cubage d'air au-delà de ¾ à 1 pouce; même si on la réduit à ¼ de pouce on aboutit à une augmentation de la perte de chaleur qui n'est que de 15 pour cent.

Les plus grands degrés d'humidité rendus possibles par les vitres superposées sont indiqués au Tableau I. Avec une vitre unique les humidités supérieures à 25 pour cent ne peuvent pas être acceptées avec des températures extérieures inférieures à 20°F sans qu'il en résulte une

condensation excessive. Dans la plupart des régions au Canada les fenêtres doivent être conçues en fonction de températures extérieures inférieures à 20°F on emploie beaucoup les doubles-fenêtres pour les maisons d'habitation. Par contre dans l'est du Canada on préfère souvent des fenêtres simples pour les bâtiments commerciaux afin de réduire les coûts de construction. Afin de contrecarrer les limitations qu'imposent à l'humidité relative les simples fenêtres on a quelque fois recours à des systèmes de chauffage qui fournissent une convection forcée sur les fenêtres.

On peut voir au Tableau II les effets de la convection forcée sur la surface intérieure des vitres simples alors qu'à l'extérieur le vent souffle à 15 milles à l'heure. On indique les températures de surface et les humidités intérieures maxima correspondantes que l'on peut avoir sans condensation. Le maximum que l'on puisse atteindre est probablement une vitesse intérieure moyenne de 2-½ milles à l'heure en ce qui concerne l'air que l'on fait souffler sur la partie inférieure d'une fenêtre si l'on considère les appareils courants de conditionnement de l'air que l'on installe à l'entablement des fenêtres. Les valeurs données pour une vitesse de l'air de 5 milles à l'heure correspondent très exactement à celles qui existent pour l'air à 80°F et une vitesse de 2-½ milles à l'heure auprès de la surface intérieure des fenêtres. Cette augmentation de la température aux abords des fenêtres est le maximum auquel on puisse s'attendre avec les systèmes placés sous les fenêtres.

Tableau II. Effet d'une convection forcée sur la surface intérieure des fenêtres simples

Temp. extérieure

en °F

Températures de surface et humidités relatives pour une température intérieure de 70°F et un vent extérieur de 15 m. à l'h. Convection Convection forcée vitesse de l'air: 2½ m. à l'h. Convection forcée vitesse de l'air: 5 m. à l'h. Temp. °F H.R. Temp. °F H.R. Temp. °F H.R.

40 47 44% 51 51% 53 55%

20 32 24% 38 31% 41 35%

0 17 12% 25 18% 29 21%

-20 2 6% 12 9% 17 12%

-40 -14 2% -1 5% 6 7%

On peut voir au Tableau II que l'on peut obtenir des augmentations importantes de la température de surface et de l'humidité maximum possible au moyen d'une convection forcée et d'une augmentation de la température de l'air aux abords des fenêtres. Ces valeurs sont encore plus basses que celles des doubles-fenêtres ayant une convection naturelle. Il y a lieu de noter également qu'une telle convection forcée et de plus hautes températures de l'air donnent lieu à une augmentation de la perte de chaleur allant de 50 à 70 pour cent lorsque la vitre est unique. Par contre la perte de chaleur produite au travers d'une vitre simple est de deux à quatre fois celle qui se produit au travers d'une double-fenêtre selon les conditions de la convection intérieure. Le coût d'une vitre unique particulièrement lorsqu'elle est accompagnée d'une convection forcée est par conséquent assez élevé si l'on tient compte des dépenses énergétiques auxquelles elle donne lieu en matière de chauffage.

Les rideaux et les doubles-rideaux peuvent affecter à la fois la température de l'air adjacent à la fenêtre et la condition de la convection intérieure. Ils peuvent augmenter ou diminuer les

températures de surface et la condensation selon l'emplacement où ils se trouvent par rapport à la fenêtre et à la source de chauffage. Les entablements des fenêtres affectent le passage de l'air au bas des fenêtres et tendent à diminuer les températures en cet endroit.

Condensation sur l'encadrement et sur le châssis des fenêtres

Les températures de surface des encadrements de bois sont normalement plus élevées que celles des surfaces intérieures des vitres par suite de la résistance thermique relativement élevée du bois et de l'épaisseur utilisée. Par exemple la résistance thermique de ¾ à 1 pouce de bois est égale à celle d'un cubage d'air de telle sorte que la condensation sur les châssis de fenêtres ne constitue généralement pas un problème. La conductivité thermique de l'aluminium par ailleurs est d'environ 800 à 1400 fois plus élevée que celle du bois et celle de l'acier doux est d'environ 300 fois plus élevée que celle du bois. Cela signifie que la résistance aux pertes de chaleur des châssis entièrement métalliques est extrêmement faible.

Les températures des surfaces intérieures des encadrements ou des châssis entièrement métalliques dépendront dans une large mesure des coefficients de transfert de la chaleur sur les surfaces intérieures et extérieures. C'est ainsi que la partie exposée à l'intérieur et à l'extérieur est un facteur important pour déterminer les températures des surfaces intérieures. Plus la surface de l'encadrement exposé à l'intérieur est grande par rapport à la surface extérieure plus la température de surface intérieure sera grande. Malheureusement il arrive souvent que l'on expose les cadres davantage à l'extérieur qu'à l'intérieur tout au moins en ce qui concerne les meneaux et les rebords. En fait si l'exposition intérieure est égale à celle de l'extérieur la température de surface intérieure sera essentiellement la même que celle d'une vitre simple. Cependant ceci n'est vrai que si les coefficients d'échange de chaleur à la surface sont les mêmes dans les deux cas. Ce coefficient est généralement plus bas à l'entablement ou à la traverse du bas par suite de l'interférence qui se produit dans le passage de l'air à cet endroit mais dans le cas de l'aluminium le coefficient sera beaucoup plus faible; peut-être sera-t-il deux fois plus faible que dans le cas du verre par suite de sa forte réceptivité. La lenteur du transfert de chaleur à la surface du métal donnera lieu à des températures de surface inférieures à celles des vitres simples et le degré d'humidité auquel la condensation se produira sera conséquemment moins élevé. On pourrait améliorer un peu la situation en réduisant la réflectivité des surfaces d'aluminium intérieures. Les températures des surfaces intérieures de l'encadrement sont également affectées par l'échange de chaleur qui se produit dans la construction environnante et pour cette raison il est souhaitable d'effectuer des liaisons avec le mur qui est situé près d'une surface intérieure chaude.

Une des méthodes utilisées pour venir à bout de la forte conduction de chaleur des cadres ou des châssis métalliques et pour augmenter les températures des surfaces intérieures consiste à placer à l'intérieur des montants une garniture isolante. Il n'est pas courant d'installer cette garniture dans le cas des châssis simples quoi-qu'on pourrait très bien y avoir recours lorsque la condensation sur ces châssis est indésirable. Les garnitures isolantes sont absolument nécessaires dans le cas des vitres multiples si l'on veut obtenir des humidités relatives plus élevées, ce qui est précisément le but de ce type de fenêtre. Autrement la condensation se produira sur les cadres lors des humidités relatives limites applicables aux fenêtres simples. Théoriquement les cadres ou les châssis métalliques devraient être conçus de telle sorte que la température des surfaces intérieures du métal soit au moins égale à celle de la température minimum de la surface intérieure du verre. L'épaisseur de la garniture thermique qui est nécessaire pour réaliser cet idéal dépendra des détails de l'encadrement ou du châssis mais deux des facteurs les plus importants sont la surface de l'exposition intérieure et extérieure et les coefficients d'échange de la chaleur à la surface du cadre. D'autres facteurs sont la région transversale de la garniture thermique perpendiculairement au passage de la chaleur et à sa conductivité thermique; les valeurs de ces deux éléments doivent être aussi basses que possible. En général les garnitures isolantes doivent être suffisamment rigides pour permettre aux deux éléments du cadre de se comporter comme un seul élément lorsqu'ils sont vissés ensemble. Étant donné que les matériaux appropriés ne sont pas susceptibles d'avoir une conductivité inférieure à celle du bois, l'épaisseur de la garniture isolante qui est nécessaire ne

sera pas inférieure à ½ pouce à moins que son profil latéral soit anormalement petit même lorsque les autres facteurs calorifiques sont favorables; il peut être de 1 pouce ou plus dans certains cas. Cette épaisseur dépasse celle de la séparation thermique que l'on installe dans certaines fenêtres métalliques actuellement sur le marché et il semble que ces fenêtres ne répondent pas aux besoins indiqués ci-dessus en ce qui concerne la performance thermique des cadres et des châssis et les humidités que l'on peut avoir dans les maisons, sans qu'il en résulte de condensation.

Il existe donc un problème spécial en ce qui concerne les cadres ou les châssis métalliques des fenêtres sur lesquels sont installées des doubles-vitres scellées à l'usine. Étant donné que ces ensembles n'ont généralement que ¾ de pouce d'épaisseur J'espace disponible à l'intérieur des montants pour placer une garniture thermique est limité. De plus les bandes utilisées pour séparer les vitres et le canal qui entourent ces ensembles peuvent contribuer à faire baisser les températures latérales. On devra soigner davantage la conception des cadres et des châssis métalliques si l'on veut tirer pleinement avantage des doubles-vitres.

Résumé

Les surfaces des fenêtres déterminent généralement le maximum d'humidité relative que l'on peut avoir dans une pièce sans qu'il se produise de condensation. La condensation peut se manifester sur les vitres, sur le châssis ou sur l'encadrement et la performance thermique de chaque élément doit être considérée individuellement. L'emploi de plusieurs vitres permet d'avoir des humidités relatives plus élevées que les vitres simples quoi qu'il soit possible d'augmenter les humidités qui sont possibles avec une vitre unique en ayant recours à la convection forcée et à l'air chaud. La perte de chaleur qui se produit au travers des vitres simples est au moins le double de celle qui se produit au travers des vitres doubles et elle est encore plus forte lorsqu'on emploie la convection forcée.

Afin d'obtenir tous les avantages des vitres multiples c'est-à-dire d'avoir des humidités relatives plus élevées sans condensation les cadres et les châssis métalliques doivent être composés de deux parties séparées par une garniture thermique. L'épaisseur que cette garniture doit avoir pour que les températures du cadre soient égales à la température minimum de surface du verre dépend de la façon dont la fenêtre est fabriquée mais un minimum de ½ à 1 pouce de matériaux isolants ayant une conductibilité thermique équivalente à celle du bois, semble nécessaire.