Les flux d'énergie à travers une paroi vitrée

De nombreux facteurs influencent les flux d’énergie qui traversent une paroi vitrée: la conception architecturale, l’albédo du sol, les menuiseries, etc. Mais, les principales différences entre des fenêtres avec les mêmes dimensions dans le même climat sont dues à leur orientation et à la nature du vitrage.

  Apports solaires suivant l'orientation

Les apports solaires maximaux en kWh/m2.jour

pour chaque mois suivant l'orientation d'une façade en Région parisienne

Façade verticale SUD

Façade verticale SUD-EST ou SUD-OUEST

Façade verticale NORD-EST ou NORD-OUEST

Façade verticale NORD

Commentaires

1. Les apports solaires sur une façade Sud sont plus importants en hiver qu'en été

2. Les fenêtres utilisées pour des usines, des écoles et des ateliers d’artistes étaient orientées au Nord pour éviter les problèmes posés par le rayonnement direct du soleil; toutes les autres orientations sont exposées au soleil pendant certaines périodes de l’année.

3. Une fenêtre conçue pour optimiser les apports solaires aura une influence sur les performances thermiques du bâtiment pendant toute l'année. Il faut prévoir une protection solaire afin d'éviter les effets négatifs éventuels de surchauffe en mi-saison et en été. 

  Rayonnement solaire "global" = "direct" + "diffus"

Rayonnement solaire global reçu par un plan vertical au Sud, en kWh/m2.jour pour chaque mois.

La partie "jaune" des colonnes montre le rayonnement direct et la partie "rouge" le rayonnement diffus

Façade Sud à Perpignan

 
Façade Sud à Paris

Commentaires

1. On peut constater que le rayonnement solaire moyen reçu par une façade Sud pendant l’hiver à Perpignan est beaucoup plus important qu'à Paris; mais, en été le rayonnement solaire est plus important à Paris et les besoins de protection solaire ne doivent pas être sous-estimés.

2. Le rayonnement solaire moyen reçu par une façade Sud en été est surtout composé du rayonnement diffus; ainsi, un système de protection solaire qui ne diminue pas le niveau de l'éclairage naturel est probablement insuffisant pour éviter les surchauffes.

  Tableau comparatif de différents vitrages

2000 ans d'histoire

La fenêtre vitrée a été inventée à Rome il y a 2000 ans, pour permettre l’éclairage tout en faisant un écran contre la pluie et le vent.

La fenêtre de la deuxième génération est née de l’invention de la technique de fabrication du verre plat en France à la fin du 17ème siècle, ce qui a permis l’augmentation des dimensions et la réduction des coûts de fabrication. Ainsi, le verre pouvait devenir une paroi transparente universelle pour les maisons les plus modestes, les bâtiments industriels et horticoles, aussi bien que pour les palais.

La fenêtre de la troisième génération est caractérisée par l’amélioration des performances thermiques; depuis le développement industriel du double vitrage à Chicago en 1935 de nombreuses innovations ont permis de rendre les fenêtres plus performantes: les menuiseries sont étanches à l’air et à l’eau, les ponts thermiques sont éliminés et tout récemment, le développement du verre sélectif permet des économies d’énergie encore plus importantes.
Actuellement, les fenêtres de qualité sont de règle en Europe, mais les fonctions contradictoires associées à une baie vitrée ne sont pas satisfaites pour autant et l’usager est appelé à ajouter des équipements supplémentaires, comme des stores, volets, voilages et ventilateurs pour réduire les inconvénients ponctuels.

La fenêtre de la quatrième génération tient compte des variations dans les besoins en chauffage et en éclairage pendant le jour et la nuit en été comme en hiver; elle est surtout un système capable de contrôler:

• le rayonnement solaire,

• le flux de chaleur qui entre et qui sort à travers la paroi vitrée,

• l’éclairage,

• la ventilation naturelle.

Malheureusement, la conception des fenêtres est surtout liée aux propositions des fabricants de verre qui ont développé une gamme de vitrages qu’ils considèrent adaptée à chaque climat et à chaque besoin architectural :

• le verre faiblement émissif pour réduire les déperditions thermiques:

• le verre réfléchissant pour réduire les apports solaires;

• le verre diffusant pour éliminer l’éblouissement du rayonnement direct;

• le verre acoustique pour réduire le bruit... .etc.

Mais, il n’y a toujours pas de verre qui peut tenir compte des variations des besoins du jour et de nuit suivant les saisons.

Le choix technologique

La manière d’utiliser des grandes parois vitrées dans un bâtiment sans créer un environnement intérieur inconfortable, est un problème architectural bien connu. Malheureusement, la plupart des architectes le considèrent comme un détail technique et ils laissent les chauffagistes ajouter les équipements de chauffage et de climatisation afin de rendre le bâtiment confortable.

La crise de l’énergie dans les années 70 a provoqué une nouvelle réflexion sur la conception architecturale et une partie de la profession ont cherché des moyens de concevoir des bâtiments moins dépendants des sources d’énergie artificielles. Les choix technologiques concernant les parois vitrées sont les suivants:

• Soit, la réduction du flux d’énergie avec l'utilisation de fenêtres de petite taille pour réduire les déperditions thermiques aussi bien que les apports solaires,

• Soit, la maîtrise des flux d’énergie qui entrent et qui sortent à travers les surfaces vitrées afin qu’ils puissent assurer les besoins de l’environnement intérieur sans entraver le confort thermique et visuel des occupants.

Les fonctions d’une fenêtre

La fenêtre est un des plus complexe et coûteux composants du bâtiment dus au grand nombre de rôles contradictoires qu’elle doit jouer:

• éclairage/occultation,

• vue dehors/recherche d’intimité,

• pénétration du soleil/protection solaire,

• étanchéité/ventilation...

En plus des qualités techniques nécessaires pour assurer le confort thermique et visuel, la fenêtre doit définir l'organisation de l’espace intérieur et situer l’entrée de la lumière du jour.

Il a toujours été difficile de répondre à toutes ces demandes et certaines priorités dominent la conception traditionnelle des fenêtres. Ainsi, les meilleurs exemples montrent une liaison entre:

• Les dimensions et l’orientation;

• Le climat et les systèmes de protection contre les déperditions thermiques ou les apports solaires.

Traditionnellement, il y a trois fonctions principales associées à une fenêtre: l’éclairage, la ventilation et l’ouverture vers l’extérieur; mais actuellement, la seule fonction spécifique est de permettre la vue dehors, car l’éclairage et la ventilation peuvent être réglés par ailleurs. Les immeubles de bureau réalisés à l’aide de murs rideaux en verre teinté sont des exemples où la fonction de la paroi vitrée est limitée à la vue vers l’extérieur; L’éclairage des locaux est surtout électrique et la ventilation est mécanique. Le choix d'une telle solution technologique est dictée par une volonté d’assurer un éclairage et une ventilation optimum à tout moment sans être influencé par le mouvement du Soleil, le passage d’un nuage ou la force du vent. En effet, il est bien difficile de garantir un niveau d’éclairage naturel adéquat toute la journée suivant les saisons et le recours aux techniques 'artificielles' évitent une réflexion poussée.

L’intérêt de l’éclairage naturel est d’abord qualitatif:

• Les variations de luminosité, suivant les heures de la journée, mettent l’architecture en relief et animent l’espace intérieur. Elles fournissent l’information qui fait réagir notre horloge biologique, très sensible chez les enfants;

• Il permet de voir en spectre continue.  

Ensuite, l’intérêt est économique:

• Les besoins d’électricité pour l’éclairage sont réduits;

• Les apports solaires peuvent assurer une partie des besoins en chauffage;

• La ventilation naturelle peut éviter la climatisation en été, donc il est important de concevoir un système d’ouvertures qui fonctionne bien, même dans le cas où le renouvellement de l’air en hiver serait assuré par un système de ventilation mécanique.

Ces considérations encouragent la définition des "fonctions anticipées". Par exemple: s’il faut plusieurs fenêtres pour répondre aux besoins d’éclairage, de captage solaire, de ventilation et d’assurer une vue vers l’extérieur, il est préférable de séparer la fonction "visuelle" (vue vers l’extérieur) des fonctions ‘énergétiques' (éclairage, chauffage, ventilation) car la conception d’une fenêtre adaptée à une des fonctions n’est probablement pas adaptée aux besoins des autres. Une petite fenêtre au niveau de l’œil suffit pour regarder dehors mais une fenêtre qui doit assurer l’éclairage naturel pendant l’année a besoin d’être relativement grande et munie d’un système de contrôle.

Ceci explique le parti pris par les Architectes du Collège d'Estagel, où les Salles de Classe ont des fenêtres classiques en partie basse pour assurer la vue et l'ouverture vers l'extérieur et des surfaces vitrées avec des Volets Isolants en parties hautes pour couvrir les besoins énergétiques.

Pour choisir le type de vitrage ainsi que le système de contrôle adapté au projet architectural, il faut établir les priorités car il n’y a pas de solution idéale et universelle.

Schémas de fonctionnement des volets isolants

Collège d'Estagel:

Coupe perspective de la Salle de Science

Verre de faible émissivité

  Il garantit une isolation thermique renforcée pour les doubles vitrages, avec une réduction de la condensation.

Au moment de la fabrication, une couche dure d’oxydes métalliques est déposée sur la surface du verre. 

Protection solaire mobile avec des profilés à lamelles mince

"Grinotex" de Griesser

Une vue non entravée vers l'extérieur 
avec une modulation de l'éclairage 
naturel à l'intérieur.

Le brise-soleil préfabriqué en béton 

Pavillon de Brésil
Le Corbusier

Le brise-soleil est un élément de construction 
de forme variable. Il sert à faire de l’ombre, 
en été, et à permettre aux rayons solaires 
de pénétrer dans l’immeuble en hiver. 

  Exemples de bâtiments en Californie avec des façades conçues pour favoriser l'éclairage naturel

Balcons vitrées et Serres accolées

Logements collectifs en Allemagne : serres individuelles   

Maisons en bande au Danemark : serre + "combisystem" actif