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

Temps de lecture: 13 min

Préambule

Voici la suite de ce sujet démarré il y a quelques semaines.

Dans la première partie de cet article, nous avons vu comment appréhender les différents éléments qui composent une fenêtre, quel rôle ils peuvent jouer et quelle incidence ils ont sur les pertes thermiques conductives de celle-ci.

Dans cette deuxième partie, nous aborderons :

  • les pertes aérauliques liées aux fenêtres;
  • les gains solaires qu’elles peuvent apporter et les conditions pour les optimiser;
  • l’importance de leur mise en œuvre dans la paroi qui les accueillent;
  • leur rôle pour l’éclairement naturel;
  • les critères de choix de vos fenêtres.

Fenêtres et pertes aérauliques

Rappelons tout d’abord l’importance d’une (très) bonne étanchéité à l’air du bâtiment.
Par “étanchéité à l’air”, nous entendons la plus ou moins grande capacité que va avoir l’enveloppe thermique du bâtiment à limiter les infiltrations d’air depuis ou vers l’extérieur, au travers des défauts de cette enveloppe.

Il n’est donc pas ici question de la ventilation “volontaire” du bâtiment, généralement par le biais d’une ventilation mécanique (VMC simple ou double flux) et d’entrées/sorties d’air calibrées (i.e. à débit contrôlé), mais plutôt de celle, “involontaire”, des faiblesses de la mise en œuvre.

Rappelons à ce titre qu’une mauvaise étanchéité à l’air entraîne invariablement :

  • des consommations de chauffage accrues (pour réchauffer cet air “parasite”);
  • une augmentation de l’inconfort (sensations accrues de courants d’air);
  • une baisse de la qualité d’air (les infiltrations d’air entraînent généralement avec elles des poussières, des fibres d’isolant, …);
  • une dégradation accélérée du bâti (les points d’infiltration d’air sont aussi des zones de condensation de la vapeur d’eau émise dans le bâtiment!)

Quel enjeu côté fenêtre? Et bien, la pose d’une fenêtre induit nécessairement un affaiblissement de l’étanchéité à l’air, par :

  • les faiblesses de celle-ci (liaison dormant-ouvrant, connexion cadre-vitrage);
  • la mise en œuvre plus ou moins aboutie de la liaison entre le cadre et la paroi.

L’étanchéité à l’air de la fenêtre

Concernant le premier point, il peut être appréhendé lors du choix de la fenêtre. En effet celle-ci a une spécification technique qui nous intéresse, le code AEV, ou “Air-Eau-Vent”.

Ce code, dont la valeur est issue de tests en laboratoire, est le reflet de la performance de la fenêtre en terme de :

  • perméabilité à l’air (code A)
  • étanchéité à l’eau (code E)
  • résistance au vent (code V)

Chaque code est associé à un chiffre, d’autant plus grand que la fenêtre sera efficace. Le code qui nous intéresse ici est bien sûr le code A.
La perméabilité à l’air est notée de 1 (faible) à 4 (très bon).

Les 3 étapes de l’essai en laboratoire sont :

  1. La fenêtre testée est mise en œuvre sur le mur d’une station d’essais.
  2. Le mur est raccordé à un système de soufflerie permettant d’appliquer une série de pressions d’air positives ou négatives sur la fenêtre. Lors de l’essai, la pression positive varie de 50 à 600 Pa (5 à 60 kg/m²), ce qui correspond à des vitesses de vent allant environ de 32 à 111 km/h, la pression négative variant de -50 à -600 Pa.
  3. À chaque palier de pression, un système de mesure (diaphragmes, fils chauds, etc.) relève la fuite d’air globale. Celle-ci est alors donnée en m3/h et plus particulièrement en m3/h/m² (de surface de fenêtre) et en m3/h/m (de jonction entre deux composants adjacents).

Pour chaque pression, la mesure de la perméabilité à l’air moyenne mesurée par rapport à la surface totale de la fenêtre (en m3/h/m2) ne doit pas dépasser :

Par exemple, sous 50 Pa de différence de pression (vent fort), une fenêtre de 1m2 de surface ayant un :

  • code A*1 pourra avoir un taux de fuite compris entre 17,01 et 31,50 m3/h ;
  • code A*3 pourra avoir un taux de fuite compris entre 1,89 et 5,67 m3/h ;
  • code A*4 devra avoir un taux de fuite inférieur à 1,89 m3/h.

Pour avoir une idée de l’incidence de nos choix, imaginons une maison de 100 m2 habitables, ayant un volume d’air intérieur de 250 m3, et que nous souhaitons rendre très étanche à l’air, à un niveau passif (idéal pour le bon fonctionnement d’une VMC double flux), soit une infiltration d’air ne dépassant pas 0,6 vol/h avec une différence de pression de 50 Pascals.
Cela représente 150 m3/h de fuites d’air maximum.

Imaginons également que cette maison dispose de 18 m2 de surface de fenêtres.

Dans ces conditions, le choix de fenêtres ayant un code :

  • A*2 induit un risque de fuites d’air à 50 Pa pouvant aller jusqu’à 306 m3/h;
  • A*3 induit un risque de fuites d’air à 50 Pa pouvant aller jusqu’à 102 m3/h;
  • A*4 induit un risque de fuites d’air à 50 Pa pouvant aller jusqu’à 34 m3/h;

, risque imputable aux seules fenêtres. On voit donc que le choix A*2 est exclus, tandis que le choix A*3 est très risqué avec 68% du débit de fuite maximum visé potentiellement imputable aux fenêtres !

Le meilleur choix est donc ici une gamme de fenêtres en code A*4, qui limite à 23% la responsabilité des fenêtres sur l’objectif d’étanchéité à l’air.

L’étanchéité à l’air de la mise en œuvre

Pour ce qui est du deuxième point, il faut bien sûr soigner l’insertion de la fenêtre dans la paroi d’accueil (un mur, mais aussi une toiture s’il s’agit d’une fenêtre de toit), en :

  • prévoyant un raccord entre le cadre dormant de la fenêtre et le frein vapeur de la paroi;
  • évitant de laisser trop de jeu entre le “trou” dans la paroi et le cadre de fenêtre, avec de gros interstices que l’on risque de boucher imparfaitement (le fameux “bourrage à la mousse” 🙁 ) ! L’idéal serait d’ailleurs de prendre les mesures des fenêtres sur les parois une fois en œuvre, pour ne garder que quelques millimètres de jeu. Évidemment, cela peut avoir une incidence sur le planning (les délais de fabrication des fenêtres étant souvent de l’ordre de 9 semaines voire plus)…
Résultat de recherche d'images pour "liaison mur-fenêtre"

Fenêtres et gains solaires

Les apports solaires qui peuvent traverser une fenêtre dépendent de plusieurs critères :

Le facteur solaire de la fenêtre

Ce paramètre inhérent à la construction de la fenêtre a pour appellation Sw (w pour “window”). Il s’agit d’un pourcentage qui indique la proportion d’énergie solaire qui va pouvoir traverser une fenêtre donnée.

Ainsi, une fenêtre ayant un Sw = 45% et frappée par un ensoleillement d’une puissance de 1000 W (beau soleil radieux!) verra traverser théoriquement 45% de ce flux thermique, soit 450 W. Les 550 W restants seront en finalité réfléchis par les différents vitrages ou sur le cadre, et donc perdus.

Ce paramètre Sw dépend lui même de deux éléments :

  • Le facteur solaire du vitrage seul; noté Sg (ou plus simplement g, pour “glass”), qui est lui aussi un pourcentage. C’est la part énergétique d’ensoleillement qui pourra traverser le vitrage, après les pertes liées aux différentes réflexions sur les verres :
Résultat de recherche d'images pour "facteur solaire double vitrage"
  • Le clair de jour (ou clair de vitrage), qui indique la proportion de vitrage dans la fenêtre, en pourcentage. Son calcul est très simple :

Clair de jour (CDJ) = Ag / Ag + Af

(voir les définitions de Ag et Af dans la première partie de cet article).

Résultat de recherche d'images pour "clair de vitrage"

Une fois ces deux paramètres évalués, et en négligeant les transmissions thermiques au travers du cadre lui-même, on obtient facilement :

Sw = Sg x CDJ

On voit donc que, pour obtenir une fenêtre très performante en matière d’apports solaires, on doit choisir :

  • un vitrage avec un fort facteur solaire (Sg élevé);
  • un cadre le plus mince possible (Af très faible, donc CDJ élevé);
  • plutôt une fenêtre de grandes dimensions (moins de cadre, plus de vitrage en proportion).

Le positionnement de la fenêtre

Du point de vue énergétique, prévoir une fenêtre sur une paroi n’a d’intérêt que si cette fenêtre récupère plus d’apports solaires gratuits qu’elle ne perd de calories par déperditions conductives sur l’année (voir première partie de cet article).

Pour ce qui concerne les gains solaires,les paramètres qui entrent en ligne de compte sont :

L’orientation de la fenêtre

L’idéal est de positionner les fenêtre dans un cadran Sud-est à Sud-ouest.
Dans nos régions Rhônalpines, les fenêtres orientées dans l’axe Est ou Ouest sont le plus généralement :

  • déficitaires (plus de pertes que gains sur l’année) s’il s’agit de double vitrage;
  • équilibrées (autant de gains de que de pertes) s’il s’agit de triple vitrage.

Et si l’on dépasse le cadran Est-Ouest, TOUTES les fenêtres, aussi performantes soit-elles, deviennent déficitaires.

Voici un aperçu des apports solaires directs journaliers pour une surface vitrée de 1m2, avec différentes orientations :

Valeurs d’énergie solaire reçue par un double-vitrage vertical, lors d’une journée à ciel clair.
(source « Le guide de l’énergie solaire passive », Edward Mazria, 1980)

On voit que le vitrage Sud est le plus intéressant pour les gains solaires en hiver. Il est aussi intéressant pour l’été, car du fait de la hauteur solaire importante en été dans ce cadran, il récupère moins d’apports solaires indésirables (soleil moins pénétrant, réflexions) que sur les orientations Est et Ouest.

Voici un autre graphe des apports solaires directs par jour clair en juillet :

Apports solaires par jour clair en juillet
(source « Le guide de l’énergie solaire passive », Edward Mazria, 1980)

On y voit que l’orientation Sud ne récupère pas plus d’apports solaires que les orientations Nord-est ou Nord-ouest, du fait de l’incidence du rayonnement direct.

On peut donc constater que, pour des surfaces verticales, le double objectif de favoriser les apports solaires en hiver tout en limitant les apports solaires en été est tout à fait atteignable en façade Sud, sans incompatibilité.

ATTENTION cependant, les vitrages Sud devront absolument être protégées par des protections solaires mobiles, d’une part pour limiter tout de même les apports solaires en été, mais aussi pour éviter les risques de surchauffe en mi-saison, quand le soleil est encore bas.
Ceci est particulièrement vrai pour les maisons très bien isolées, voire passives.

Par ailleurs, il ne faut pas oublier que les fenêtres peuvent aussi récupérer :

  • des apports diffus (notamment au Nord, où l’ensoleillement direct est rare);
  • des apports directs réfléchis (par d’autres bâtiments, des terrasses très claires, …).

Qu’en est-il des fenêtres de toit?

Prenons, par exemple, une surface de 1m2 inclinée de 45°, à la latitude de Clermont-Ferrand selon diverses orientations, ainsi qu’une surface verticale de 1m2 de référence orientée au sud. Les gains journaliers (directs + diffus) sont :

Apports solaires par jour clair en juillet
(Source INES/ADIL 63)

Le constat est évident : quelle que soit son orientation, une fenêtre de toit joue un rôle énergétique à contre-emploi : peu d’apports en hiver, beaucoup en été !
Et cela sera d’autant plus marqué que la pente de toit sera faible.

Le retrait de la fenêtre

Il correspond à la distance entre le nu extérieur de la paroi et le premier vitrage rencontré.
Ce retrait induit ce qu’on appelle un “masque d’embrasure” sur la fenêtre, un ombrage dit structurel (le bâtiment s’ombre lui-même), qui va limiter les apports solaires récupérables.

Prenons quatre exemples pour illustrer cela :

Cas d’une fenêtre posée en applique intérieure et isolation intérieure

On voit que le retrait important de la fenêtre génère un masque d’embrasure élevé (une bonne partie du vitrage est ombrée par le mur).
Par contre, du fait que la fenêtre se trouve dans le plan de l’isolant, le pont thermique de liaison mur-fenêtre est très faible.

Cas d’une fenêtre posée en tunnel et isolation intérieure

Ici, on a essayé de pousser la fenêtre vers l’extérieur afin de limiter le masque d’embrasure. Avec succès, certes, … mais cela apporte deux inconvénients :

  • à dimension de trou égale, la fenêtre devra être un peu plus petite que dans le premier cas, et du coup le clair de vitrage en sera également réduit;
  • le pont thermique sera plus élevé que dans le premier cas, et ce même si le retour de tableau est isolé comme sur le dessin (ce qui est très vivement conseillé!).

A noter que dans le cas d’une isolation par l’extérieur et une pose en tunnel, on retrouvera sensiblement les mêmes avantages et inconvénients.

Cas d’une fenêtre posée en tunnel extérieur et isolation extérieure

Il s’agit ici d’un cas intéressant, qui conjugue :

  • un masque d’embrasure limité à l’épaisseur de l’isolant;
  • un pont thermique faible (on vient recouvrir une partie du dormant du cadre par l’isolant extérieur).

Par contre, on est toujours dans le “trou” du mur, avec une dimension de fenêtre réduite en conséquence. Par ailleurs, il reste peu de place pour positionner un coffre de protection solaire mobile (volet roulant ou BSO).

Cas d’une fenêtre posée en applique extérieure et isolation extérieure

C’est la situation idéale du point de vue de l’énergétique :

  • un clair de vitrage plus élevé (fenêtre plus grande que le trou);
  • un masque d’embrasure quasi-nul (dépend de l’épaisseur d’isolant);
  • un pont thermique très faible (fenêtre dans le plan de l’isolant).

Mais c’est une configuration difficile pour les protections solaires à coffre (volet roulant ou BSO), car il n’y aucune épaisseur dans le mur pour les caser.

Alors, quel est le bon choix?

En fait, il peut dépendre d’autres facteurs, particulièrement en rénovation :

  • choix (ou impératif) de conserver l’aspect extérieur de la façade;
  • choix (le plus souvent économique, mais non recommandé pour la performance énergétique) de conserver une partie des cadres dormants existants, et de poser les nouvelles fenêtres, en mode “rénovation”, sur ces morceaux de cadres existants.

Mais quoi qu’il en soit, il est recommandé de réfléchir aux trois principales incidences qu’aura le choix de la position de la fenêtre :

  • les apports solaires récupérables (et donc particulièrement pour les fenêtres dans le cadran Sud-est à Sud-ouest), qui vont inciter à “pousser” la fenêtre vers l’extérieur;
  • la réduction du pont thermique de liaison mur-fenêtre, qui va inciter à placer celle-ci le plus proche du plan de l’isolant;
  • la possibilité de placer un éventuel coffre de protection solaire, qui va inciter à laisser un peu de place devant la fenêtre (avec, bien sûr, une réflexion sur le pont thermique qui sera généré par ce coffre).

Pour les deux premiers points, un calcul thermique pourra permettre d’arbitrer, entre les gains solaires et les optimisations de pont thermique.

Les ombrages

Bien sûr, on s’intéressera aussi aux masques solaires qui pourraient amoindrir les apports solaires récupérables d’une fenêtre, parmi lesquels :

  • les masques dits “lointains” (la hauteur de l’horizon);
  • les masques dits “proches” (les bâtiments voisins, des arbres, …);
  • les masques dits “structurels” : nous avons déjà évoqué l’un d’eux – le retrait de la fenêtre dans la paroi, mais il peut y en avoir d’autres, notamment un retour de façade :
  • … ou bien une casquette fixe, qui protège certes (partiellement) en été, mais peut aussi faire perdre des apports solaires gratuits en hiver :

Pour les masques lointains et proches, un diagramme solaire réalisé sur l’emplacement de la fenêtre et dans son “champ de vision” de 180° pourra s’avérer très utile :

Résultat de recherche d'images pour "diagramme solaire"

Fenêtre et éclairage naturel

Dans le cadre de la fonction “éclairer” de la fenêtre, nous nous intéressons ici à l’éclairage naturel (par opposition à l’éclairage artificiel apporté par des lampes électriques) qu’elle pourra apporter dans une pièce.

Le vitrage

Pour ce qui concerne le vitrage, la paramètre qui entre en ligne de compte est le facteur de Transmission Lumineuse (TL), un pourcentage qui indique (à l’instar du facteur solaire g pour l’énergétique) la proportion de rayonnement lumineux qui traverse le vitrage, et participe donc à l’éclairement naturel.

Résultat de recherche d'images pour "transmission lumineuse vitrage"

(Source : Architecture et Climat)

S’il n’y a pas de formule simple pour lier le facteur solaire g et le facteur de transmission lumineuse TL, il est clair que la diminution du premier entraîne la diminution du second, et inversement : difficile de protéger un vitrage du rayonnement solaire énergétique sans l’assombrir et perdre aussi en apports lumineux !

Les autres paramètres

Il sont multiples, on pourra citer :

  • la largeur du cadre et donc le clair de vitrage (plus il est important mieux c’est);
  • les masques solaires en général (masques lointains, masques proches, masques structurels), qui réduisent bien sûr le potentiel d’éclairement;
  • la réflectivité des parois extérieures (par exemple, une terrasse au sol très clair amènera beaucoup de lumière réfléchie vers une porte-fenêtre);
  • la réflectivité des parois intérieures (des parois claires faciliteront la diffusion de la lumière naturelle dans la pièce).

Pour les personnes intéressées par ce sujet à part entière, elles pourront utilement consulter ce site.

A noter que certaines modélisations 3D permettent d’évaluer l’éclairement d’un local. On peut également trouver des logiciels de simulation, certains gratuits.

Comment choisir ses fenêtres?

Au vu de tout ce qui a été dit dans cet article, essayons de résumer tous les critères qui pourront présider au choix de vos fenêtres :

Une bonne isolation

Ce critère va s’intéresser à la minimisation des déperditions conductives de la fenêtre, soit la réduction de la valeur Uw.
En valeur absolue et idéalement, celle-ci ne devrait pas dépasser (hors pont thermique de pose) 1,3 W/m2.°C pour une fenêtre à double vitrage, et 0,85 W/m2.°C pour une fenêtre à triple vitrage de dimension moyenne (prenons notre fenêtre à 1 vantail de 123×148 cm).

Il vous est donc suggéré de vérifier ce point (voir formule de calcul dans la première partie de cet article), et vous pourrez également comparer plusieurs produits.

La difficulté (et de taille!), c’est que très peu de fournisseurs vous communiquent les éléments nécessaires : la valeur Uf, la largeur du cadre dormant+ouvrant, la valeur Ug, la valeur Ψi de l’intercalaire.
Il vous faudra donc vous armer de persévérance et exiger d’eux ces éléments.

A défaut, le fournisseur vous fournira peut-être une fiche de calcul détaillée, montrant les différents éléments et leur prise en compte sur un cadre de dimensions données.

Ce sera bien sûr plus facile si vous visez une très bonne performance avec des cadres certifiés au PassivHaus Institut (PHI), car tous ces éléments figurent sur leur certificat!

Une bonne solarisation

Ce critère va s’intéresser à la maximisation des apports solaires de la fenêtre, soi l’augmentation de la valeur Sw.

Pour cela, il va vous falloir connaître, en plus du clair de jour (que vous pourrez calculer à l’aide de la largeur de cadre chèrement acquise précédemment!), le facteur solaire Sg (ou g) du vitrage.

Là aussi, les fournisseurs sont particulièrement peu loquaces sur le sujet, … autant dire qu’ils ne le communiquent jamais spontanément !

Il va falloir leur demander la fiche technique du vitrage. En voici un exemple, qui montre les trois valeurs intéressantes pour nous : le facteur solaire, bien sûr (encadré en vert), mais aussi la valeur Ug (encadré en jaune) et la valeur TL (encadré en rouge) :

Exemple de fiche technique de triple vitrage

A défaut d’obtenir cette fameuse fiche, sachez que la majorité du temps, le facteur solaire des vitrages proposés est plutôt de l’ordre de 55% pour des doubles, 50% pour des triples.
Il vous faudra donc insister auprès du fournisseur pour espérer avoir des vitrages plus solarisants.

Une bonne étanchéité à l’air

Nous l’avons vu, obtenir le code AEV de la fenêtre et vérifier qu’il est classé A*3 voire même A*4 est une bonne approche.

Une autre bonne assurance est le choix de fenêtres certifiées passives (au PHI), assurance qu’elles sont très correctement étanches à l’air.

Et bien entendu, fuir comme la peste les coulissants (sauf si à translation, et encore…) et autres galandages !

D’autres critères de choix

Il peut y avoir d’autres critères liés à votre projet, comme :

  • la largeur suffisante des cadres dormants, permettant d’y retourner un isolant de tableau;
  • la robustesse des ferrures;
  • le traitement des cadres contre les intempéries (si votre budget le permet, un cadre bois-alu avec capotage extérieur en aluminium laqué est un choix judicieux);
  • favoriser un artisan local (pour peu qu’il soit assez “technique” pour vous fournir tous les renseignements ci-dessus!).

Bons choix et bons chantiers !

5 réflexions au sujet de « La fenêtre, fonctions, performances et enjeux (2/2) »

  • Florian NICOLAIS
    19 février 2020 à 10 h 21 min
    Permalink

    Merci Jean-Luc pour cet article très complet.

    J’ai quand même une question : quelle est la différence entre le facteur de Transmission Lumineuse (TL) et le et le facteur solaire (Sw) ?
    J’imagine qu’ils sont un peu liés, mais j’ai du mal à les différencier, et du coup dans l’exemple de fiche technique je ne comprends pas pourquoi ils sont différents.

  • Jean-Luc DELPONT
    19 février 2020 à 12 h 55 min
    Permalink

    Florian,

    Le facteur solaire (g ou Sg pour le vitrage seul, Sw pour la fenêtre complète), c’est la part d’énergie solaire (kWh/m2) qui traverse le vitrage ou la fenêtre. On s’en sert pour déterminer les apports solaires et donc les gains gratuits qui sont possibles pour chauffer le bâtiment.

    La transmission lumineuse (TL pour le vitrage seul, TLw pour la fenêtre complète), c’est la part d’éclairement naturel (lux/m2) qui traverse le vitrage ou la fenêtre. On s’en sert pour déterminer l’apport en éclairement naturel dans les pièces, et donc le complément nécessaire en éclairage artificiel.

    Les deux facteurs, même si un peu corrélés, sont tout de même distincts, car les différentes longueurs d’ondes contenues dans le rayonnement solaire n’ont pas la même influence en énergétique et en éclairement (ce dernier étant lié au mode de fonctionnement de la vision humaine).

    • Florian NICOLAIS
      20 février 2020 à 16 h 31 min
      Permalink

      Merci pour ta réponse. J’entrevoyais quelque chose comme ça, mais je n’en étais pas certain.
      Donc j’imagine que cela va varier très peu d’un fabricant de verre à un autre, sauf différence dans le traitement de surface du verre (et encore j’imagine qu’il n’en existe pas des tonnes) ?

  • Jean-Luc DELPONT
    20 février 2020 à 17 h 28 min
    Permalink

    Détrompe-toi, il y a un catalogue ÉNORME de vitrages, avec des facteurs solaires qui peuvent varier de 24% (fenêtres de toit) à 65 voire 70% (verre solarisant)!
    Et pour une conception très basse consommation/passive, le choix du facteur solaire des vitrages a un impact non négligeable.

    Après, d’autres éléments entrent en ligne de compte dans le choix : taille du vitrage (qui peut amener à des verres de 6 mm pour des grandes surfaces), contraintes acoustiques (qui peuvent amener des vitrages dissymétriques en épaisseur), contraintes de sécurité (qui peuvent amener des verres feuilletés), contraintes de vue directe (qui peuvent amener au choix de verres satinés).

    De quoi s’amuser…

Laisser un commentaire

Ce site utilise Akismet pour réduire les indésirables. En savoir plus sur comment les données de vos commentaires sont utilisées.

0