La fenêtre, fonctions, performances et enjeux (1/2)

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Préambule

Bien qu’il n’y paraisse pas forcément au premier abord, la fenêtre est un composant très technique d’un bâtiment. Cet article en deux parties a pour objectif de vous présenter les enjeux qui président au choix de vos fenêtres dans le cadre de travaux en neuf ou en rénovation.

Nous aborderons dans un premier temps une réflexion sur les différentes fonctions que doit assurer une fenêtre.

Puis, nous “dissèquerons” une fenêtre pour en isoler ses différents composants.

Cela nous permettra de décrypter, dans un autre chapitre, les paramètres de calcul qui entrent en ligne de compte lors des études thermiques d’un bâtiment.

Par extension, nous aborderons également les éléments de choix qui concernent les portes isolées (portes d’entrée ou portes de service donnant sur des espaces non chauffés comme un garage, une cave, …).

A quoi sert une fenêtre?

Cette question semble triviale, mais elle ouvre la voie à une approche exhaustive de l’objet. Voici une liste de réponses :

  • une fenêtre permet d’éclairer des locaux;
  • une fenêtre peut réchauffer des locaux (apports solaires);
  • une fenêtre peut ventiler des locaux (par ses ouvertures);
  • une fenêtre, enfin, permet aux occupants d’une pièce d’avoir une vue sur l’extérieur.

Quels sont les composants d’une fenêtre?

Le démontage d’une fenêtre permettrait d’isoler les éléments suivants :

  • le cadre de la fenêtre, incluant :
    • le dormant;
    • l’ouvrant (sauf si le châssis est dit “fixe”);
  • le vitrage, composé de :
    • 1 à 4 verres;
    • des espacements entre les verres;
    • des intercalaires, permettant de maintenir ces espacements;
  • la “quincaillerie” de la fenêtre, qui permet aux ouvrants d’être actionnés, avec :
    • les ferrures;
    • les poignées;
    • éventuellement des serrures pour verrouiller la fenêtre/porte;
  • les joints de la fenêtre, qui assurent son étanchéité à l’air.

Si l’on s’amusait à croiser dans un tableau les quatre fonctions d’une fenêtre avec ses quatre composants principaux, on obtiendrait ceci :

Fonction/composantCadreVitrageQuincaillerieJoints
ÉclairerX
ChaufferX
Ventiler(X)XX
VoirX

Comment interpréter ce tableau?
Le vitrage joue un rôle pour trois fonctions de la fenêtre : éclairer, chauffer et voir.

La quincaillerie et les joints n’ont d’utilité que pour la fonction de ventilation : la première permet d’ouvrir la partie mobile d’une fenêtre pour faire de la ventilation naturelle – très utile en été ou en mi-saison, les seconds limitent les infiltrations d’air, et donc la ventilation “sauvage”, non voulue car non maîtrisable et source d’inconfort (courants d ‘air) et de pertes thermiques en hiver.

Quant au cadre, … et bien hormis sa présence nécessaire à la tenue structurelle de la fenêtre (maintien du vitrage) et à la création d’un ouvrant pour ventiler, il ne sert finalement pas à grand chose !

D’où l’un des dictons de la démarche passive qui dit que “une bonne fenêtre est une fenêtre sans cadre”. C’est sans doute un peu exagéré, mais nous verrons plus loin que cela se vérifie en thermique…

Le rôle des fenêtres (et des portes) dans le bilan thermique

Le bilan thermique d’un bâtiment, c’est un peu comme un bilan comptable : on établit la liste des dépenses et des recettes. Dans le cas d’une fenêtre, nous allons prendre en considération :

les pertes thermiques conductives, c’est-à-dire les calories perdues par transmission thermique au travers du corps de la fenêtre. Ce flux thermique est généré par la différence de température entre l’air intérieur et l’air extérieur. Il sera aussi dépendant de la surface de la fenêtre, et du coefficient de déperdition thermique de celle-ci, dénommé Uw.

A noter que les pertes conductive devront aussi prendre en compte les ponts thermiques occasionnés par les liaisons entre la fenêtre et le mur dans lequel elle s’insère.

les pertes aérauliques, c’est-à-dire les calories perdues par infiltrations d’air dues aux défauts d’étanchéité à l’air de la fenêtre.

Les gains solaires, c’est-à-dire les apports en calories dus au flux solaire qui traverse la fenêtre.

Les pertes thermiques conductives

Le cadre

Les déperditions conductives propres au cadre (dormant+ouvrant) s’expriment grâce à un coefficient dénommé Uf.

  Le “f” signifie “frame”, soit cadre en anglais.

Quand au coefficient, son unité est le W/m2.°C.

  Concrètement, un cadre qui aurait un coefficient Uf = 1 W/m2.°C laisse passer 1 Watt de flux thermique par m2 de surface de cadre, et pour chaque degré centigrade de différence de température entre l’air intérieur (zone chauffée) et l’air extérieur (zone non chauffée).
Donc, plus Uf est élevé, moins performant est le cadre.

Quelques exemples de valeurs :

  • un cadre en bois ancien de 48 mm (les cadres des premières fenêtres à double vitrage des années 80. Attention, 48 mm c’est l’épaisseur du cadre, et non sa largeur!) a un Uf de l’ordre de 1,85 W/m2.°C;
  • un cadre en bois de 68 mm (les cadres modernes utilisés de nos jours) a un Uf de l’ordre de 1,44 W/m2.°C. Un cadre en PVC de même épaisseur a un Uf du même ordre de grandeur;
  • un cadre en aluminium récent courant a un Uf de l’ordre de 2,5 à 3,0 W/m2.°C. En effet, et malgré des rupteurs de pont thermique en plastique insérés dans la structure du cadre, l’aluminium est très conducteur de chaleur et donc plus déperditif. Par contre, il peut se permettre d’être moins large qu’un cadre en bois ou en PVC, et peut donc arriver à tirer son épingle du jeu en favorisant les apports solaires (plus de surface de vitrage à taille de fenêtre égale).
  • pour améliorer les performances des cadres au delà de ces valeurs, les fabricants insèrent des isolants dans leurs profilés. Aujourd’hui, les meilleurs cadres (généralement vendus avec des triples vitrages) peuvent atteindre des Uf de l’ordre de 0,45 W/m2.°C (mais plus couramment de l’ordre de 0,80 W/m2.°C pour nos latitudes tempérées) !

  Vous trouverez sur ce lien une liste de cadres passifs certifiés par le PHI (PassivHaus Institut, en Anglais).

Seul le fabricant peut vous renseigner de manière fiable sur la valeur Uf de son cadre. En effet, les cadres sont aujourd’hui des profilés complexes, et seul un test en laboratoire (la “boîte chaude”) ou une simulation numérique peuvent permettre de valider ce coefficient.
Attention, il n’est pas rare que suivant la traverse considérée (l’appui, le linteau ou bien les jambages), la valeur de Uf diffère légèrement !

  Concernant les largeurs de cadre (dormant + ouvrant), 110 à 140 mm sont des valeurs courantes.
Certains cadres passifs (dits de “3ème génération”) descendent jusqu’à 89 mm : c’est autant de surface de vitrage gagnée!

Le vitrage

Les déperditions conductives propres au vitrage s’expriment grâce à un coefficient dénommé Ug.
Le “g” signifie “glass”, soit verre en anglais.

  Ce coefficient a la même unité et la même compréhension physique que celui du cadre (voir plus haut).

  A noter que pour les vitrages, on numérote les faces des différents vitrages de 1 (la face extérieure) à 6 (qui serait la face interne du verre intérieur d’un triple vitrage) voire 8 (pour un quadruple vitrage).

Les premiers vitrage étaient de simples vitres, leur valeur Ug étaient de l’ordre de 5,7 W/m2.°C.
Leur face interne (la face 2, donc) est très froide en hiver, émet un fort rayonnement froid (effet dit de “paroi froide”), et de la condensation s’y forme immanquablement. On voit même parfois des vieilles fenêtres à simple vitrage dégouliner de condensation !

Les premiers doubles vitrages étaient ce qu’on appelle des 4/6/4, soit 4 mm d’un premier verre, 6 mm d’espacement (lame d’air) entre les deux, puis un deuxième verre de 4 mm.
Leur valeur Ug étaient de l’ordre de 3,4 W/m2.°C.

Par la suite, les doubles vitrages ont évolués, avec deux améliorations importantes :
– l’insertion dans l’espacement entre les verres d’une proportion importante (de l’ordre de 80% à ce jour) de gaz rare du type Argon ou Krypton, gaz plus lourds et moins convectifs, qui ont permis d’épaissir l’espacement jusqu’à 16, 18 voire 20 mm en améliorant le Ug ;
– le traitement de la face 3 du vitrage avec un revêtement faiblement émissif (à base d’oxyde d’argent ou de titane), évolution majeure pour la performance des vitrages.


Invisible à l’œil nu, ce revêtement a la particularité de refléter le rayonnement infrarouge, empêchant ainsi la chaleur accumulée dans le bâtiment de ressortir au travers de la fenêtre.

  A noter qu’il est aussi possible de traiter la face 2 du vitrage avec une couche faiblement émissive, mais son rôle est alors d’améliorer le confort d’été, en reflétant le rayonnement infrarouge venant de l’extérieur, et qui participerait à la surchauffe des locaux.

Aujourd’hui, les meilleurs doubles vitrages sont généralement du type 4/16/4, 4/18/4 ou 4/20/4, avec couche faiblement émissive et gaz rare dans l’espacement. Leur coefficient Ug peut prendre une valeur de 1,1 voire 1,0 W/m2.°C.

En période hivernale, la température de surface du verre n°4 (côté zone chauffée, donc) atteint généralement 16 ou 17°C.
Les risques de condensation sont donc beaucoup plus rares (mais restent possible, notamment dans des pièces humides comme les salles de bains).
Par contre l’effet de “paroi froide” peut encore déranger, notamment si la fenêtre est grande et l’occupant en position statique près du vitrage (cas d’un séjour, d”un bureau, …).

Il existe depuis quelques années déjà des triples vitrages, du type 4/16/4/16/4 ou bien 4/18/4/18/4 le plus souvent. Ils reprennent bien sûr les “recettes” d’efficacité des bons doubles vitrages, à savoir la ou les couches faiblement émissives et les gaz rares dans les espacements.
Leur coefficient Ug peut prendre une valeur de 0,6 voire 0,5 W/m2.°C, soit un triple vitrage environ deux fois plus isolant qu’un double vitrage.

En période hivernale, la température de surface du verre n°6 (côté zone chauffée, donc) atteint généralement 19 voire 20°C, ce qui élimine quasiment tout risque de condensation intérieure et d’effet de paroi froide, et améliore donc grandement le confort.

  Il existe sur le marché quelques quadruples vitrages, … mais la plupart du temps l’espacement supplémentaire a pour fonction d’intégrer un store de protection solaire. Nous n’aborderons pas ces vitrages dans cet article.

Les intercalaires

Un bon vitrage n’est rien sans les intercalaires qui maintiennent le ou les espacements entre les verres.

Ces bandes étroites qui courent entre les verres étaient dans un premier temps fabriquées en aluminium. Mais ce métal très conducteur générait des ponts thermiques de bord de vitrage, qui dégradaient la performance globale et occasionnait de la condensation intérieure en périphérie des vitrages par temps froid.

Les fabricants ont donc conçu des intercalaires en plastique (polypropylène), dits à “bords chauds” (warmedge en anglais), avec un pont thermique très réduit.

Les déperditions conductives propres à l’intercalaire s’expriment grâce à un coefficient dénommé Ψi (la lettre “psi” grecque). On l’appelle aussi le “pont thermique intercalaire”, son unité est le W/m.°C.

  Cela signifie qu’avec une valeur de 1 W/m.°C, les déperditions d’un mètre linéaire de bord de vitrage liées au pont thermique intercalaire seraient de 1 Watt pour chaque degré de différence entre température intérieure et température extérieure.

Quelques exemples de valeurs :

  • pour un double vitrage, la valeur Ψi d’un intercalaire en aluminium serait de l’ordre de 0,08 W/m.°C. Elle se réduirait à environ 0,043 W/m.°C pour un intercalaire à bords chauds.
  • pour un triple vitrage, la valeur Ψi d’un intercalaire à bords chauds (en réalité deux bandes d’intercalaires en série, puisque deux espacements!) serait de l’ordre de 0,035 à 0,020 W/m.°C (suivant la configuration).

  A noter que les fabricants d ‘intercalaire sont capables de fournir des valeurs de Ψi pour leurs intercalaires, … mais en réalité cette valeur pourra varier légèrement en fonction du cadre dans lequel le vitrage est inséré.
En effet, la profondeur d’insertion du vitrage dans le cadre va influer sur la valeur du Ψ
i.

Bien sûr, il n’y a plus de sens aujourd’hui à acquérir des vitrages à intercalaires aluminium, qui de toute façon ont tendance à disparaître (sauf sur certaines gammes à bas coût).

La fenêtre complète (hors pose)

Une fois ces différents éléments déterminés, la formule pour calculer le coefficient Uw de la fenêtre complète (w est pour “windows” an anglais) est la suivante :

Uw = (Uf x Af + Ug x Ag + Ψi x L) / (Af + Ag)

, où :
Uf est le coefficient de déperdition du cadre (en W/m2.°C)
Af est l’aire totale du cadre (en m2)
Ug est le coefficient de déperdition du vitrage (en W/m2.°C)
Ag est l’aire totale du vitrage (en m2)
Ψi est le pont thermique intercalaire (en W/m.°C)
L est le linéaire d’intercalaire (en m)

  Voici un exemple de calcul :

Supposons une fenêtre à simple vantail de dimensions 1230×1480 mm, ayant un cadre de coefficient Uf=1,44 W/m2.°C et de largeur 120 mm, un double vitrage de coefficient Ug=1,1W/m2.°C, et un intercalaire à bords chauds de coefficient Ψi = 0,043 W/m.°C.
Le calcul donne :

Ag = (1230 – 2 x 120) x (1480 – 2×120) = 1 227 600 mm2 = 1,2276 m2
Af = 1,23×1,48 – Ag = 0,5928 m2
L = 2 x ((1,23 – 2×0,12) + (1,48 – 2×0,12)) = 4,46 m

, et donc, avec la formule ci-dessus, Uw 1,32 W/m2.°C.

Plusieurs enseignements peuvent être tirés de ce calcul :

– Le coefficient Uw est une valeur qui varie pour CHAQUE fenêtre. Par conséquent, un devis qui vous présente des “fenêtre ayant un Uw de 1,3” est une incorrection. Dans la réalité, il s’agit d’une valeur moyenne, calculée sur une dimension plus ou moins “standard” de fenêtre.
Là où le bât blesse, c’est qu’il n’existe, à notre connaissance, aucune norme fixant la dimension “standard” de cette fenêtre type, et qu’elle n’est pas toujours précisée sur les devis ou les spécifications fabricant.

  1230 x 1480 mm est une valeur couramment rencontrée, … mais ce n’est pas la norme, loin s’en faut. Par ailleurs, il n’est pas systématiquement précisé s’il s’agit d’un calcul sur fenêtre à simple ou double vantail, ce qui bien sûr change la surface de cadre et donc le Uw

– Nous avons vu plus haut que le coefficient de cadre Uw est quasi-systématiquement supérieur (et donc plus mauvais) que le coefficient de vitrage Ug. Nous pouvons donc en déduire que :

  • Une petite fenêtre (qui a en proportion plus de cadre qu’une grande, donc moins de surface de vitrage, appelée aussi “clair de vitrage”) sera moins performante qu’une grande fenêtre avec les mêmes composants;
  • Une fenêtre à double vantail (et qui aura donc plus de cadre en proportion) sera moins performante que la fenêtre de même dimension en simple vantail;
  • Une fenêtre avec un cadre plus large sera moins performante que la fenêtre de même dimension avec un cadre plus fin, à Uf équivalent. C’est un avantage qu’exploitent, notamment, les cadres en aluminium.

Et les portes?

Pour les portes opaques, c’est un peu plus simple : elles sont déterminées par un coefficient de déperditions Ud (“d” pour “door”), exprimé en W/m2.°C.
Une bonne porte isolée a un Ud maximum de 1,5 W/m2.°C.

Les portes très isolantes passives peuvent descendre à moins de 0,8 W/m2.°C

  Vous trouverez sur ce lien une liste de portes passives certifiées par le PHI (en Anglais).

Les ponts thermiques de mise en œuvre

Aux déperditions conductives de la fenêtre vont s’ajouter les déperditions conductives liées à la mise en œuvre de la fenêtre, ou ponts thermiques de liaison.

Il s’agit de ponts thermiques linéiques, identifiés par la lettre Ψ (ne PAS confondre avec le pont thermique intercalaire!) et exprimés en W/m.°C.

Nous n’entrerons pas dans le détail sur le calcul et l’optimisation de ces ponts thermiques, mais il faut retenir qualitativement que :

  • Le pont thermique sera d’autant plus faible que la fenêtre se trouvera proche du plan de l’isolant du mur support. Si l’on éloigne la fenêtre de celui-ci, il faudra isoler le retour de tableau entre la fenêtre et cet isolant, et de toute façon le pont sera aggravé.
  • Le pont thermique sera d’autant plus faible qu’il y aura continuité de l’isolant entre le mur et la fenêtre. Cela est particulièrement problématique pour les appuis de fenêtre, et encore plus pour les seuils de porte-fenêtre, où la nécessité d’une tenue mécanique du seuil rend difficile l’atteinte de cet objectif.

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