11-3 - Bilan thermique d'une fenêtre passive
11/04/2017 -
La complexité du bilan thermique d'une fenêtre
Les fenêtres ont de multiples fonctions. Rares sont les équipements de nos habitations qui en possèdent d'ailleurs autant. Elles permettent notamment d'éclairer l'intérieur, de voir vers l'extérieur, de ventiler, de se protéger du bruit, de laisser passer la chaleur du soleil tout en se protégeant des aléas du climat. De grande hauteur, elles peuvent jouer le rôle de porte et assurer la sécurité en contrôlant les accès.
Les fenêtres, même passives, perdent beaucoup plus de chaleur par conduction qu'un mur de façade de surface équivalente. Contrairement à ces derniers, la transparence de leur vitrage leur permet toutefois d'apporter parfois bien plus de chaleur grâce aux rayons du soleil qu'elles n'en perdent par transmission au travers de toutes leurs surfaces opaques et transparentes. Bien orientées et exposées, elles peuvent même fournir une très grande partie de l'énergie nécessaire au chauffage d'une construction, notamment quand il s'agit d'une maison passive. Mal orientées ou trop ombrées, elles perdent évidemment toujours plus de chaleur qu'elles n'en apportent. Toutes leurs caractéristiques doivent être connues pour déterminer leurs pertes et apports simultanés, en définitive leurs bilans thermiques individuels avec leurs conséquences sur le bilan thermique global.
Le bilan des déperditions
Une fenêtre perd de la chaleur par sa propre structure, son dormant, ses ouvrants, ses montants verticaux et ses traverses horizontales, mais aussi pas ses vitrages et les intercalaires qui les séparent. Elles perdent également de la chaleur par leur système de mise en œuvre sur les façades, les joints qui assurent également l'étanchéité à l'air et à l'eau de pluie.
Le bilan des déperditions d'une fenêtre est la somme des déperditions par :
- la surface des parties opaques des menuiseries, notée Af, dont la qualité d'isolation est définie par le coefficient Uf (U frame)
- la surface des vitrages, notée Ag, dont le niveau de performance est donné par le coefficient Ug (U glass)
- le périmètre Li des intercalaires entre vitrage dont la qualité est précisée par le coefficient Ψi (lire PSI i pour intercalaire)
- le périmètre du dormant Lmeo dont la qualité de mise en œuvre est définie par le coefficient Ψmeo (lire PSI mis en œuvre) en fonction du système de pose, joints et isolation éventuelle des dormants
Les déperditions par transmission au travers des vitrages Qg peuvent être calculées par la même formule que par n'importe quelle autre paroi tel que défini dans l'article "Comprendre les flux de chaleur par transmission". Elles sont proportionnelles :
- à sa surface des vitrages Ag exprimée en m²
- au coefficient de transmission du vitrage Ug exprimé en W/m².K
- au cumul horaire des différences de températures entre l'intérieur et l'extérieur appelé degré-heures, noté Gt et exprimé en kKh/an (kilo Kelvin Heures par an)
Les déperditions par transmission dues aux intercalaires des vitrages Qi sont proportionnelles :
- à leur longueur Li, qui n'est autre que le périmètre des vitrages, exprimée en m
- au coefficient de transmission linéique par conduction ψi du pont thermique qu'ils provoquent, exprimé en W/m.K
Qi = Li * ψi * Gt
Les déperditions par transmission au travers du dormant et des châssis des ouvrants Qf sont proportionnelles :
• à leur surface Af, exprimée en m²
• à leur coefficient de transmission surfacique par conduction Uf, exprimé en W/m².K
• aux mêmes degrés-heures Gt que pour les parois
Qf = Af * Uf * Gt
Les déperditions par transmission dues aux systèmes de mise en œuvre Qmeo sont proportionnelles :
• à la longueur du joint d'étanchéité Lmeo, exprimée en m
• au coefficient de transmission linéique par conduction ψmeo du pont thermique provoqué par le joint d'étanchéité, exprimé en W/m.K
• aux mêmes degrés-heures Gt que pour les parois
Qmeo = lmeo * ψmeo * Gt
Les déperditions globales d'une baie QWmeo ( Window mise en œuvre) sont la somme des déperditions de chacune des parties d'une menuiserie auxquelles s'ajoutent les pertes dues à la mise en œuvre, soit:
QWmeo = Qg + Qi + Qf + Qmeo
Le coefficient global de déperdition par conduction Uw d'une baie de surface Aw, exprimé en W/m².K, est la somme des déperditions spécifiques de chacune de ses parties par m² de baie soit:
UW = (Ug*Ag + Uf*Af + Ψi*Li ) / AW
avec AW = Ag + Af
La mise en œuvre n'est pas une partie d'une menuiserie. Les déperditions qui en découlent sont comptées séparément, car la même menuiserie peut être posée de différentes manières. Uw est spécifique à la fenêtre quelle que soit sa méthode de pose. Cette dernière varie par contre en fonction du mode de construction et des choix du concepteur.
Les déperditions par transmission au travers d'une fenêtre QW sont proportionnelles :
- à sa surface AW, exprimée en m²
- à son coefficient de transmission surfacique par conduction UW, exprimé en W/m².K
QW = AW * UW * Gt
Les déperditions dues à la mise en œuvre complètent le bilan des déperditions de la fenêtre seule
QWmeo = QW + Qmeo
Le bilan des apports solaires
Les apports solaires au travers des vitrages en hiver Qs dépendent tout autant de leur facteur solaire que de leur surface et du rayonnement solaire pendant la période de chauffe. Les apports solaires au travers d'un vitrage sont proportionnels :
- à un facteur d'affaiblissement r qui dépend de l'ombrage du vitrage et de son état de propreté
- à sa surface de la paroi vitrée Ag, exprimée en m²
- au facteur solaire du vitrage g
- au rayonnement solaire global pendant la période de chauffe, noté G et exprimé en kWh/m².an
Le bilan thermique global
Le bilan thermique global d'une fenêtre peut être écrit sous la forme suivante
QWg = QWmeo - Qs
Lorsque le bilan thermique global est négatif, les apports solaires sont supérieurs aux déperditions. Les fenêtres se comportent alors comme des radiateurs et baissent le besoin global de chauffage. Pour que ce soit le cas, les menuiseries doivent bien sûr être très performantes et bien exposées, orientées de préférence plein sud pour être plus facilement protégées des risques de surchauffe en été et correctement entretenues.
Ordres de grandeur
- Une fenêtre classique perd, à surface équivalente, au moins 5 fois plus de chaleur que les murs d'une construction classique. Ce même facteur peut dépasser 10 lorsqu'elles sont comparées aux façades d'une maison passive.
- Les déperditions des fenêtres passives triple vitrage sont au minimum 2 fois moins importantes que celle des fenêtres classiques double vitrage
- Les déperditions par les vitrages peuvent varier de 0,5W/m².K lorsqu'ils sont triples, à plus de 1W/m².K lorsqu'ils sont doubles soit d'un facteur supérieur à 2.
- Les déperditions par les cadres dormants et ouvrants sont réduites dans les mêmes proportions.
- Le facteur solaire d'un vitrage double ou triple peut varier de 0,4 et 0,64 soit dans une proportion supérieure à 1,5
- Le clair de jour d'une fenêtre peut varier de 100% pour les fenêtres à ouvrant et dormant caché, à seulement 50% pour des fenêtres classiques, soit d'un facteur 2
Les facteurs qui influencent très largement la performance
- L'orientation peut aller du nord au sud. Au nord les déperditions de chaleur sont toujours supérieures aux apports alors qu'au sud, les apports peuvent être supérieurs aux pertes.
- Une menuiserie peut être posée au nu extérieur d'un mur de façade et limiter les déperditions dues aux ombrages du linteau et des tableaux des percements dans lesquels elles sont incluses.
- Une fenêtre peut être ombragée en hiver ou au contraire capter le maximum de soleil pendant cette période
- Une fenêtre peut être ombragée en été ou au contraire capter trop de soleil et provoquer un risque de surchauffe
- Une fenêtre peut avoir une forme proche du carré ou au contraire être très allongée horizontalement ou verticalement. À surface équivalente, les fenêtres très allongées perdent bien plus de chaleur par leur dormant, les intercalaires des vitrages et les joints de pose qu'une menuiserie dont la forme est proche d'un carré parce que leur périmètre est bien plus important.
Écart de performance entre fenêtre classique et fenêtre passive
Entre une fenêtre double vitrage classique posée en applique au nu intérieur d'une façade, et une fenêtre passive triple vitrage à dormant caché isolé, posée en feuillure au nu extérieur d'une façade isolée par l'extérieur, à ouvrant caché avec un clair de jour de 100% et un fort facteur solaire, la différence de performance peut largement dépasser un facteur 4 pour des dimensions et une exposition strictement identique vers le sud.
Une fenêtre passive bien posée peut être
au moins 4 fois plus performante qu'une fenêtre classique
Les fenêtres passives sont les radiateurs
qu'une maison passive et bioclimatique n'a pas par ailleurs
Variations de performance
Une fenêtre ne peut garantir une performance élevée que si elle est étanche. Rien ne servirait en effet d'investir dans des fenêtres passives dont l'étanchéité intrinsèque ou celle résultant de la pose ne serait pas assurée de manière efficace. Les pertes par le renouvellement d'air incontrôlé seraient totalement contre-productives et supprimerait tout leur intérêt comme, par ailleurs, celui de la VMC double flux ou d'un puits provençal. Les grilles de ventilation sont bien sûr totalement bannies quel qu'en soit leur type, autoréglable ou hygroréglable.
Les fenêtres passives sont étanches à l'air.
Leur méthode de pose doit garantir l'étanchéité à l'air.
Dans les constructions seulement conformes à la RE2020, des VMC simple flux hygroréglables sont quasi systématiquement mises en œuvre. Ce type d'équipement nécessite des entrées d'air hygroréglables sur les fenêtres. La conséquence est sans appel. Pourquoi payer des menuiseries étanches qui sont percées par des grilles de ventilation même hygroréglables? Le meilleur confort qu'elles sont capables d'assurer serait anéanti pas un passage d'air froid en hiver et chaud en été.
Les fenêtres passives sont inutiles
dans les constructions seulement dotées d'une VMC simple flux
La garantie de performance
La garantie de résultat d'une fenêtre peut résulter d'une certification Passivhaus. Lorsque cette dernière n'existe pas, en sus du contrôle des caractéristiques thermiques de la baie, son classement AEV, qui concerne l'étanchéité à l'air, à l'eau de pluie et au vent, devra être vérifié. Le niveau d'étanchéité à l'air exigé doit être de niveau A4, soit le meilleur possible. La méthode et la qualité des joints de pose devront garantir que les performances thermiques et d'étanchéité à l'air ne risquent pas d'être remises en cause. Dans tous les cas toutes les caractéristiques dovient provenir d'un tiers de confiance indépendant.
Même s'il n'est pas obligaoire, le label Passivhaus d'une menuiserie est le meilleur gage de qualité thermique qui puisse exister. Même passives, les menuieries ne peuvent en aucun cas garantir qu'une construction bien isolée sera effectivement passive.
En résumé :
- Une fenêtre passive bien posée peut être au moins 4 fois plus performante qu'une fenêtre classique
- Les fenêtres passives sud apportent plus de chaleur qu'elles n'en perdent et constituent les radiateurs que les maisons passives n'ont pas par ailleurs.
- La méthode de pose des fenêtres passives doit garantir l'étanchéité à l'air.
Thème 11 - Les fenêtres pour maison passive
- 11-1 - Les caractéristiques thermiques des vitrages
- 11-2 - Choix du type de vitrage en maison passive
- 11-3 - Les bilans thermiques des fenêtres
- 11-4 - Comment choisir une fenêtre
- 11-5 - Méthode de pose des fenêtres dans une maison passive
- 11-6 - Pose facilitée de fenêtres sans pont thermique et sans fuite
- 11-7 - Ouverture des fenêtres dans les maisons passives
- 11-8 - Les fenêtres triple vitrage sont elles indispensables dans une maison passive?