11-1 - Les caractéristiques thermiques des vitrages (V2016)

Le sommaire des infos et concepts des maisons passives
Le verre est un des seuls qui permette de laisser passer la lumière et la chaleur vers l’intérieur et qui soit suffisamment transparent, parfois même jusqu'à passer inaperçu, pour permettre la vue vers l’extérieur tout en assurant un meilleur confort à l'abri des aléas du climat. Si les autres propriétés sont les mêmes que celles de tous les autres matériaux de construction, la transparence lui confère des spécificités supplémentaires en terme d'apport de chaleur. La prise en compte des apports solaires implique de nombreuses variables qui agissent parfois de concert, mais parfois aussi en opposition, à l'exemple des surfaces des vitrages qui augmentent les apports solaires simultanément aux déperditions par transmission, ou encore à celui des apports de chaleur qui baissent les besoins de chauffage mais risquent de provoquer des besoins de climatisation.


Les caractéristiques thermiques du verre

Bien que transparent, le verre provoque les mêmes réactions physiques que tout autre matériau et possède donc les mêmes propriétés. Elles sont expliquées en détail dans les articles "Les bilans thermiques" et "Comprendre les flux de chaleur" dont la lecture préalable pourra être nécessaire à la compréhension de certaines parties de cet article.

La transmission de chaleur par le verre dépend de la conductivité thermique λ du matériau. Celle-ci varie avec sa composition chimique mais se situe toujours autour de 1W/m.K au même niveau que celle du béton, 50 fois inférieure à celle de l’acier, mais 50 fois supérieure à celle des meilleurs isolants. Associées à cette conductivité, comme pour les matériaux opaques, la masse volumique et la chaleur spécifique du verre permettent de déterminer son effusivité et sa diffusivité.


Les caractéristiques thermiques des simples vitrages

Le verre utilisé sur les parois qui forment le clos et le couvert de nos bâtiments est la plupart du temps mis en œuvre dans des menuiseries sous forme de vitres constituant des parois planes entre les atmosphères intérieures et extérieures. Les déperditions qu’elles engendrent sont déterminées de manière similaire à toute paroi tel que défini dans l’article "Comprendre les flux de chaleur". Toutefois, contrairement aux autres matériaux de construction, les vitres présentent des épaisseurs toujours très faibles. Celles-ci ne sont en général que de quelques millimètres, souvent 4, parfois 6 mais rarement plus, alors que celles des autres matériaux se chiffrent la plupart du temps en centimètres, voire même en dizaines de centimètres. Cette dernière caractéristique est importante, car la faible épaisseur du matériau et sa forte conductivité conduisent à des résistances thermiques de parois très faibles.

L'effusivité et la diffusivité du verre, qui caractérisent respectivement l'inertie par absorption et par transmission des vitrages, n'ont pratiquement aucune influence sur le bilan thermique d'une construction du fait des faibles épaisseurs des matériaux mis en oeuvre, de leurs surfaces réduites par rapport à la somme de surfaces des autres parois et des masses mises en cause.

La résistance thermique par conduction d'un verre dépend, comme pour tout matériau, de son épaisseur et de sa conductivité. Elle est calculée par la formule Rg = e / λ dans laquelle Rg est la Résistance thermique de la vitre traduite par Glass en anglais. Pour un verre d'épaisseur e = 0,004 m et de conductivité λ = 1W/m.K, elle est seulement de 0,004m2.K/W. En considérant que les verres sont verticaux, les résistances thermiques superficielles, du côté intérieur et du côté extérieur, Rsi et Rse, sont respectivement de 0,13m2.K/W et 0,04m2.K/W. La résistance thermique globale d'une vitre de 4mm d'épaisseur est donc de 0,174m2.K/W. Son coefficient de transmission thermique Ug = 1 / Rg est donc de 5,75W/m2.K.

La conductivité d'une vitre est notée Ug

Un simple vitrage standard perd pratiquent 6 Watt par m2 de surface
et par degré d'écart de température entre l'intérieur et l'extérieur

À la vue des caractéristiques des résistances thermiques des simples vitrages ci-dessus, il paraît évident que la résistance thermique superficielle, qui n'a que peu d'influence dans une paroi classique, est capitale pour les vitrages, et plus généralement pour toutes les parois fines et conductrices soumises au contact de l'air. Dans ce cas, c'est la résistance à la conduction qui est très faible par rapport à la résistance globale et non pas la résistance superficielle. Doubler l'épaisseur d'un vitrage à 8mm au lieu de 4 donnerait une résistance thermique globale de seulement 0,178W/m.K au lieu de 0,174W/m.K. Autant dire que les déperditions seraient quasiment identiques alors que le prix et le poids s'envoleraient…

Contrairement aux isolants,
Épaissir un vitrage pour mieux isoler est absurde


Les déperditions par transmission des vitrages multiples

Comme indiqué dans l'article "Comprendre les flux de chaleur par transmission", les résistances thermiques des matériaux s'ajoutent. Il en va du verre et de l'air comme de tous les autres matériaux. L'air stable est un excellent isolant. Les isolants ne sont d'ailleurs généralement que des matériaux plus ou moins conducteurs qui emprisonnent des millions de bulles d'air stables et isolantes comme dans le polystyrène expansé par exemple.

Si augmenter l'épaisseur d'un vitrage pour améliorer sa résistance thermique est inefficace, l'amélioration de la résistance thermique d'une paroi vitrée ne peut résulter que de la multiplication des couches de verre et d'air. Les verres multicouches ainsi obtenus remplissent toujours leur rôle en laissant passer la lumière et en permettant la vue de l'extérieur mais ils limitent de plus les déperditions de chaleur par transmission.

Les mesures et les calculs démontrent que cette solution divise, à elle seule, les déperditions de chaleur par un facteur équivalent au nombre de vitrages. Ainsi des doubles vitrages divisent la chaleur par 2 et des triples par 3. Les premiers vitrages multiples étaient réalisés ainsi.

Améliorer les déperditions par transmission de tels vitrages consiste à réduire celles résultant de la convection comme de la conduction ou encore du rayonnement.

En milieu confiné, un gaz est d'autant plus stable que ses molécules sont grosses parce qu'elles ont plus de difficultés à se délacer par convection. L'air est composé de multiples gaz dont les gaz rares que sont l'Argon et le Krypton. Ces gaz sont ceux qui ont les molécules les plus grosses. Ce sont eux les moins conducteurs quand ils sont emprisonnés entre deux vitres. Le Krypton est le plus performant mais le plus rare et le plus cher à extraire. L'Argon est donc le gaz le plus utilisé pour les vitrages multiples.

Utiliser des multiples vitrages pour confiner ces couches de gaz rare implique de réaliser des intercalaires étanches sur toute leur périphérie. Ces espaceurs doivent être les plus isolants possible pour éviter les ponts thermiques linéiques ψg entre les vitrages, et donc limiter la transmission de la chaleur par conduction entre leurs bords intérieurs et extérieurs. Les bords intérieurs des vitrages efficaces doivent rester chauds en hiver et frais en été.

Le verre est pratiquement opaque aux rayonnements infrarouges qui sont ceux émis quand un corps chauffe. Cette propriété permet de bloquer une grande partie de la chaleur produite lorsque, par exemple, les rayons du soleil frappent directement une surface absorbant la chaleur à l'intérieur de l'habitation. C'est elle qui est mise en œuvre dans les serres. Mais une partie de ce rayonnement traverse le verre qui par ailleurs émet lui-même une partie de sa chaleur par rayonnement vers l'extérieur. Ces déperditions peuvent être très fortement réduites par la mise en œuvre d'une ou de plusieurs couches métalliques réfléchissantes ultra fines et invisibles qui renvoient les rayonnements infrarouges absorbés par les vitrages vers l'intérieur. Les verres équipés de telles couches sont des verres à couche basse émissivité.

Les vitrages multiples et les intercalaires isolants minimisent les pertes par conduction, les gaz rares limitent les pertes par convection, les couches à faible émissivité réduisent les pertes par rayonnement. Les performances ont tellement été améliorées que les coefficients de déperditions par transmission Ug, des meilleurs doubles vitrages basse émissivité à l'Argon descendent actuellement à 0,9W/m2.K, tandis que les triples vitrages limitent les déperditions à 0,5W/m2.K. avec ce même gaz.

Les doubles vitrages perdent au minimum
6 fois moins de chaleur qu'un simple vitrage

Les triples vitrages perdent au minimum
10 fois moins de chaleur qu'un simple vitrage


Les apports de chaleur par les vitrages

Comme précisé dans l'article 'Les bilans thermiques", les rayons directs du soleil qui nous éclairent et nous réchauffent agissent de même sur les parois contre lesquelles ils se projettent après avoir traversé les vitrages. Le facteur solaire g définit la proportion de l'énergie ainsi véhiculée qui est efficace pour le chauffage de nos maisons mais qui, parfois aussi, peut provoquer des surchauffes en été. Certains vitrages sont d'ailleurs prévus pour laisser passer un maximum d'énergie et limiter le recours au chauffage alors que d'autres, au contraire, sont destinés à la stopper pour limiter le recours à la climatisation. Le facteur solaire g peut actuellement varier de 0,33 à 0,64. Ces valeurs n'ont pas d'unité puisqu'il s'agit seulement d'une proportion entre l'énergie incidente et celle qui réussit à passer au travers d'un vitrage.

Le facteur solaire d'une vitre est noté g

Le choix sera proche de 0,3 s'il faut se protéger de la chaleur en été ou de 0,6 pour, au contraire, bénéficier de la chaleur en hiver avec probablement l'obligation de prévoir un ombrage en été. Ce sont les calculs thermiques adaptés qui en décideront pour éviter au maximum les mauvaises surprises à l'usage tout au long de l'année.

Comme indiqué dans l'article "Comment choisir un vitrage", les valeurs de ce coefficient sont actuellement équivalentes entre les doubles et les triples vitrages. Le choix de doubles vitrages au sud et de triples vitrages au nord, qui étaient souvent la règle il y a seulement quelques années, n'a plus aucune raison physique de perdurer.


Le bilan thermique des vitrages

Les vitrages perdent de la chaleur par transmission comme tous les matériaux opaques mais, contrairement à eux, ils peuvent en apporter quand ils sont traversés par les rayons du soleil. Le bilan de chaque vitrage n'est autre que la différence entre ces pertes et ces gains. Il peut donc varier considérablement d'un vitrage à l'autre. Le climat, l'environnement local, mais aussi les caractéristiques Ug et g du vitrage ainsi que sa conception qui inclut sa taille, sa forme, son orientation, son inclinaison et les ombrages qu'il supporte du fait du projet en sus de ceux de l'environnement provoquent des flux de chaleur multiples, complexes et parfois opposés dont le bilan est incertain. Enfin sa mise en œuvre dans une menuiserie modifie le bilan thermique. Il est en effet inutile de prévoir des vitrages parfaitement adaptés dans une mauvaise menuiserie puisqu'il y a alors de fortes chances que cette dernière ne permette pas d'atteindre les objectifs visés notamment lorsque, par exemple, les dormants ou les ouvrants de mauvaise qualité déperdent plus de chaleur que leur vitrage. Si le choix des vitrages peut être réalisé indépendamment de celui des menuiseries, les calculs thermiques ne sont pas réalisables sans connaître les caractéristiques de ces dernières et celles de leurs mises en œuvre puisque leurs bilans thermiques peuvent varier dans de très fortes proportions avec le même vitrage.


Les choix de tous les paramètres qui entrent en jeu, avec les interactions complexes et parfois surprenantes qu'ils provoquent, ne pourront être réalisés que grâce aux calculs thermiques.

Les vitrages peuvent amener plus de chaleur qu'ils n'en perdent,
mais l'inverse peut aussi être vrai

Seuls les calculs thermiques permettent d'établir
le bilan d'un vitrage en fonction de sa situation


Les valeurs repères à la date de réalisation de cet article

Le coefficient de transmission Ug des meilleurs doubles vitrages à l'Argon est de 0,9W/m2.K tandis que les triples limitent les déperditions à 0,5W/m2.K

Les meilleurs doubles vitrages perdent autant de chaleur que 4 petits centimètres d'isolant dont la conductivité est seulement de 0,04W/m.K et les triples atteignent tout juste l'équivalent de 6 centimètres du même isolant. Les apports solaires peuvent compenser ces défauts d'isolation.

Les facteurs solaires des vitrages g peuvent varier de 0,3 à 0,64.

Entre un double vitrage classique utilisé en RT2012 et des menuiseries adaptées aux maisons passives le gain de performance peut approcher un facteur 4. Les premières perdent plus de chaleur qu'elles n'en gagnent alors que le rapport est inversées pour les secondes qui deviennent ainsi les radiateurs que les maisons passives n'ont pas par ailleurs.

Jean-Michel Pupille - Architecte D.P.L.G.

En résumé :

  • La transparence du verre lui confère des propriétés spécifiques d'apport de chaleur qui sont à la base des concepts des constructions bioclimatiques et passives.
  • La conductivité est la seule propriété thermique spécifique des vitrages qui permet de calculer les déperditions par transmission
  • L'effusivité et la diffusivité des vitrages n'ont pratiquement aucune influence sur le bilan thermique
  • Les vitrages peuvent amener plus de chaleur qu'ils n'en perdent mais l'inverse est aussi vrai.
  • L'augmentation des épaisseurs des vitrages est totalement inutile
  • L'augmentation des surfaces augmente les pertes de chaleur par transmission, mais augmente aussi les apports. Le bilan peut être positif ou négatif suivant la conception de chaque vitrage.
  • Le bilan thermique d'un vitrage dépend de la menuiserie dans laquelle il est inclus
 

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