Les Castors

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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)…

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 S_w (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 S_w = 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 S_w dépend lui même de deux éléments :

• Le facteur solaire du vitrage seul; noté S_g (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 :

• 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) = A_g / A_g + A_f

(voir les définitions de A_g et A_f dans la première partie de cet article).

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

S_w = S_g 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 (S_g élevé);
• un cadre le plus mince possible (A_f 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 :

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 :

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 :

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 :

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.

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 U_w.
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 U_f, la largeur du cadre dormant+ouvrant, la valeur Ug, la valeur Ψ_i 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 S_w.

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 S_g (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

Télécharger

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 !

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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 :

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 U_w.

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 U_f.

⩹  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 U_f = 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 U_f 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 U_f 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 U_f de l’ordre de 1,44 W/m².°C. Un cadre en PVC de même épaisseur a un U_f du même ordre de grandeur;
• un cadre en aluminium récent courant a un U_f 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 U_f 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 U_f 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 U_f 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 U_g.
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 U_g 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 U_g ;
– 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 U_g 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 U_g 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 Ψ_i (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 Ψ_i 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 Ψ_i 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 Ψ_i 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 U_w de la fenêtre complète (w est pour “windows” an anglais) est la suivante :

U_w = (U_f x A_f + U_g x A_g + Ψ_i x L) / (A_f + A_g)

, où :
U_f est le coefficient de déperdition du cadre (en W/m².°C)
A_f est l’aire totale du cadre (en m²)
U_g est le coefficient de déperdition du vitrage (en W/m².°C)
A_g est l’aire totale du vitrage (en m²)
Ψ_i 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 U_f=1,44 W/m².°C et de largeur 120 mm, un double vitrage de coefficient U_g=1,1W/m².°C, et un intercalaire à bords chauds de coefficient Ψ_i = 0,043 W/m.°C.
Le calcul donne :

A_g = (1230 – 2 x 120) x (1480 – 2×120) = 1 227 600 mm² = 1,2276 m²
A_f = 1,23×1,48 – A_g = 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, U_w ≈ 1,32 W/m².°C.

Plusieurs enseignements peuvent être tirés de ce calcul :

– Le coefficient U_w 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 U_w …

– Nous avons vu plus haut que le coefficient de cadre U_w est quasi-systématiquement supérieur (et donc plus mauvais) que le coefficient de vitrage U_g. 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 U_f 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 U_d (“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.