Calcul du facteur solaire de combinaisons protection solaire - vitrage

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1 Division Energie et Bâtiment Calcul du facteur solaire de combinaisons protection solaire - vitrage Comparaison des méthodes normalisées simplifiée et détaillée Auteurs : Guillaume Lethé, Gilles Flamant 27 Octobre 2011 Ce rapport a été rédigé dans le cadre des activités de l Antenne Normes Energie et climat intérieur et avec le soutier financier du SPF Economie

2 Contenu 1. OBJET DE L ETUDE REFERENCES NORMATIVES CARACTERISTIQUES DES VITRAGES ET DES PROTECTIONS SOLAIRES VITRAGES PROTECTIONS SOLAIRES CALCUL DU FACTEUR SOLAIRE SELON LA METHODE SIMPLIFIEE CALCUL DU FACTEUR SOLAIRE SELON LA METHODE DETAILLEE LOGICIEL DE CALCUL ET HYPOTHÈSES CONDITIONS AUX LIMITES RÉSULTATS CONCLUSIONS ANNEXE : DÉTAIL DES RÉSULTATS DES CALCULS SELON LA MÉTHODE DÉTAILLÉE /14

3 1. OBJET DE L ETUDE Dans ce rapport, nous soumettons au lecteur les résultats d une étude qui a consisté à comparer deux méthodes de calcul du facteur solaire (valeur g) de différentes combinaisons de vitrages et de protections solaires de type store déroulant. Les calculs ont été effectués selon une méthode simplifiée (norme EN ) d une part et selon une méthode détaillée (normes EN et ISO 15099) d autre part. Quatre systèmes de protections solaires parallèles au vitrage ont été évalués : store clair ou foncé placé en face intérieure ou extérieure au vitrage. 2. REFERENCES NORMATIVES EN A1/AC Dispositifs de protection solaire combinés à des vitrages - Calcul du facteur de transmission solaire et lumineuse - Partie 1 : Méthode simplifiée (2008) EN AC Dispositifs de protection solaire combinés à des vitrages - Calcul du facteur de transmission solaire et lumineuse - Partie 2 : Méthode de calcul détaillée (2006) ISO Thermal performance of windows, doors and shading devices Detailed calculations (2003) EN Fermetures et stores confort thermique et lumineux caractérisation des performances et classification (2005). 3. CARACTERISTIQUES DES VITRAGES ET DES PROTECTIONS SOLAIRES 3.1 Vitrages A l annexe A de la norme EN sont mentionnés 4 vitrages de référence, dont les compositions sont décrites ci-dessous : Vitrage A : simple vitrage clair 4 mm Vitrage B : double vitrage clair 4/12/4 avec remplissage à l air Vitrage C : double vitrage 4/16/4 avec un coating basse émissivité en face 3 et remplissage à l argon Vitrage D : double vitrage 4/16/4 réfléchissant avec un coating basse émissivité en face 2 et remplissage à l argon L annexe de la norme donne les caractéristiques thermiques et photométriques globales du vitrage complet et de chacune des couches (verre et lame de gaz) de ces vitrages (voir Tableau 1). 3/14

4 Vitrage U [W/m²K] g [-] e [-] e [-] e' [-] vitrage A vitrage B vitrage C vitrage D Tableau 1 : caractéristiques thermiques et photométriques des vitrages de la norme EN14501 Comme les données spectrales ne sont pas mentionnées dans la norme et que le calcul du facteur solaire selon la méthode détaillée requiert la connaissance des données photométriques spectrales, 4 autres vitrages (ci-après dénommés A*, B*, C* et D*) qui ont des caractéristiques thermiques et photométriques globales proches de celles des 4 vitrages de référence de la norme EN 14501, ont été choisis. Les caractéristiques globales de ces vitrages sont données dans le tableau ci-dessous : Vitrage U [W/m²K] g [-] e [-] e [-] e' [-] vitrage A* vitrage B* vitrage C* vitrage D* Tableau 2 : caractéristiques thermiques et photométriques des vitrages considérés dans cette étude 3.2 Protections solaires Dans le cadre de cette étude, deux protections solaires de type toile ont été considérées. La première correspond à un tissu clair peu absorbant, avec des coefficients de transmission et de réflexion relativement élevés. La seconde correspond à un tissu foncé très absorbant, avec des coefficients de transmission et réflexion faibles. Dans les tableaux et graphiques qui suivent, nous dénommons ces tissus respectivement «light» et «dark». Le tableau ci-dessous mentionne seulement les valeurs globales de transmission et réflexion des deux tissus considérés mais ces données sont issues des valeurs spectrales qui ont été mesurées préalablement à l aide d un spectrophotomètre. Les valeurs globales des caractéristiques photométriques sont utilisées pour le calcul selon la méthode simplifiée tandis que les valeurs spectrales sont utilisées pour le calcul selon la méthode détaillée. type e,n-h e,n-dif e,n-n e,n-h e',n-h v,n-h v,n-dif v,n-n v,n-h v ',n-h uv OF Dark 7.8% 1.1% 6.8% 11.3% 11.2% 7.7% 0.8% 6.9% 12.2% 12.1% 7.4% 6.9% Light 19.2% 14.9% 4.3% 68.1% 68.5% 18.3% 13.8% 4.5% 76.8% 77.4% 5.0% 4.5% Tableau 3 : caractéristiques photométriques des protections solaires considérées 4/14

5 Les valeurs suivantes sont données : Transmission lumineuse : normal-hémisphérique v,n-h + normal-diffus v,n-dif + normal-normal v,n-n Transmission énergétique : normal-hémisphérique e,n-h + normal-diffus e,n-dif + normal-normal e,n-n UV : transmission normal-hémisphérique dans le domaine UV v,n-h (resp. ' v,n-h ): réflexion lumineuse normal-hémisphérique de la face orientée vers le soleil (resp. vers l intérieur) e,n-h (resp. ' e,n-h ): réflexion énergétique normal-hémisphérique de la face orientée vers le soleil (resp. vers l intérieur) OF : coefficient d ouverture ( Openness Factor ) 4. CALCUL DU FACTEUR SOLAIRE SELON LA METHODE SIMPLIFIEE Le Tableau 4 et le Tableau 5 mentionnent le facteur solaire de la combinaison protection solaire + vitrage calculé selon la méthode simplifiée EN , en utilisant les caractéristiques globales des vitrages de référence (A, B, C et D) et celles des vitrages (A*, B*, C* et D*). On constate que les facteurs solaires relatifs aux vitrages A*, B*, C* et D* tels que calculés selon la norme sont très proches de ceux relatifs aux vitrages A, B, C et D. De manière à pouvoir comparer de manière précise les facteurs solaires selon les méthodes simplifiée et détaillée, ceux-ci sont donnés avec 3 décimales au Tableau 5. Type Applic. Vitrage A Vitrage B Vitrage C Vitrage D Light ext Light int Dark ext Dark int Tableau 4 : Facteur solaire de la combinaison protection solaire & vitrage selon la méthode simplifiée (vitrages A, B, C et D) Type Applic. Vitrage A* Vitrage B* Vitrage C* Vitrage D* Light ext Light int Dark ext Dark int Tableau 5 : Facteur solaire de la combinaison protection solaire & vitrage selon la méthode simplifiée (vitrages A*, B*, C* et D*) 5/14

6 La Figure 1 suivante montre les mêmes résultats pour les vitrages A*, B*, C* et D* sous forme graphique. Figure 1 : Facteur solaire de la combinaison protection solaire & vitrage selon la méthode simplifiée (vitrages A*, B*, C* et D*) 5. CALCUL DU FACTEUR SOLAIRE SELON LA METHODE DETAILLEE 5.1 Logiciel de calcul et hypothèses Le calcul du facteur solaire selon la méthode détaillée a été réalisé à l aide du logiciel WIS v3.01. Les hypothèses suivantes ont été considérées : caractéristiques photométriques spectrales de la protection solaire et du vitrage. incidence normale du rayonnement solaire par rapport au plan vertical formé par la protection solaire, conformément à la norme EN une réflexion complètement diffuse du tissu de la protection solaire et une transmission incluant une composante diffuse et une composante directe, de manière à pouvoir réaliser le calcul le plus précis possible (voir norme ISO 15099). 5.2 Conditions aux limites Conditions de référence et conditions d été Deux ensembles de conditions ont été considérés, tels que décrits dans la norme EN : a) conditions de référence : elles doivent être utilisées pour la comparaison de produits et pour le calcul des apports solaires moyens pendant la période de chauffage b) conditions d été : ces conditions aux limites sont représentatives de conditions plus extrêmes. Elles sont à utiliser pour l évaluation du confort et pour les calculs de charge de refroidissement. 6/14

7 Vitrage Le vitrage est supposé être en position verticale, d une hauteur de 1 m et d une largeur de 1 m. Pour des tailles de vitrage limitées, l effet sur le facteur solaire d une variation de hauteur et de largeur du vitrage est faible. Protection solaire La protection solaire est placée parallèlement au vitrage, à une distance de 5 cm de celui-ci. L effet sur le facteur solaire d une variation de la distance d écart entre le vitrage et la protection solaire intérieure est faible. Ventilation de la lame d air entre la protection solaire et le vitrage Le facteur solaire a été déterminé pour différentes conditions de ventilation de la lame d air entre la protection solaire et le vitrage : a) protection solaire non ventilée b) protection solaire ventilée naturellement, pour laquelle on suppose l ouverture supérieure fermée et les ouvertures latérales et inférieure complètement ouvertes L effet du taux de ventilation sur le facteur solaire a été évalué spécifiquement pour la combinaison des différentes protections solaires et (uniquement) du vitrage C*. 5.3 Résultats Les figures 2 à 5 mentionnent, pour chaque protection solaire, le facteur solaire (valeur g) de la combinaison protection solaire & vitrage calculé selon la méthode détaillée pour chaque vitrage, chaque condition (référence / été) et chaque type de ventilation envisagés. Pour la facilité de comparaison entre méthode simplifiée et détaillée, est également indiquée sur les figures la valeur du facteur solaire calculée selon la méthode simplifiée EN Les tableaux 6 à 9 (voir annexe) mentionnent par ailleurs les différentes composantes du facteur solaire : la composante directe (c est-à-dire la fraction du rayonnement solaire incident traversant directement la protection solaire et le vitrage) et la composante indirecte (dite secondaire), qui elle-même se subdivise en 3 sous-composantes : facteur de rayonnement thermique (ir), facteur de convection (conv) et facteur de ventilation (ventil). Comme mentionné ci-dessus, dans le but de faciliter la comparaison entre différents produits, la norme préconise d utiliser les conditions de référence pour le calcul du facteur solaire. Le vitrage classiquement utilisé est le vitrage C, un double vitrage 4/16/4 avec un coating basse émissivité en face 3 et remplissage à l argon. La Figure 6 donne les résultats pour les 4 protections solaires, pour ce vitrage C* et pour les conditions de référence avec ventilation naturelle, et ce afin de permettre une première comparaison des méthodes de calculs selon la méthode simplifiée et la méthode détaillée. Les résultats obtenus selon la méthode détaillée de la norme EN (figures 2 à 5 cidessous) montrent que : Pour une protection solaire extérieure, le facteur solaire est toujours plus petit lorsque la lame d air entre la protection solaire et le vitrage est ventilée, ce qui est logique puisque la ventilation favorise le transfert de chaleur vers l espace (intérieur ou extérieur) où est située la toile. Pour une protection solaire intérieure, le facteur solaire 7/14

8 est, tout aussi logiquement, toujours plus grand lorsque la lame d air entre la protection solaire et le vitrage est ventilée. Le facteur solaire est toujours plus petit dans les conditions de référence que dans les conditions d été, ce qui s explique par le fait que le coefficient de transfert thermique par convection à l extérieur (h c,e ) est plus élevé sous les conditions de référence que sous les conditions d été. Ce constat est valable aussi bien pour une protection solaire extérieure qu intérieure. Les différences obtenues sur le facteur solaire pour les conditions d été d une part et les conditions de référence d autre part sont d autant plus marquées que la protection solaire est absorbante. De même, l effet de la variation de la ventilation de la lame d aire entre vitrage et protection solaire est d autant plus élevé que la protection solaire est absorbante. Ce constat est valable aussi bien pour une protection solaire extérieure qu intérieure. En outre, l effet est plus marqué quand le vitrage est peu isolant thermiquement (valeur U élevée). La comparaison entre la méthode simplifiée et la méthode détaillée nous apprend que : La méthode simplifiée donne des valeurs de facteur solaire plus élevées (parfois significativement) que la méthode détaillée, sauf dans le cas de la protection solaire extérieure peu absorbante («Light») où la correspondance entre les deux méthodes est bonne (voir point suivant). Pour une protection solaire extérieure non absorbante (Figure 2), il existe une bonne correspondance (écart inférieur à 0.02) entre les facteurs solaires calculés selon les deux méthodes, quelles que soient les conditions aux limites utilisées. Pour une protection solaire extérieure absorbante (Figure 4), la correspondance est bonne seulement pour les conditions d été et sans ventilation de la lame. De manière générale, cette dernière constatation est logique puisque ces conditions se rapprochent le plus des hypothèses sous-jacentes à la méthode simplifiée. Pour une protection solaire intérieure (qu elle soit absorbante ou non), l écart entre méthode simplifiée et méthode détaillée est le plus limité pour les conditions d été et avec ventilation (calcul détaillé). Cet écart sur les valeurs de facteur solaire est de l ordre de 0.02 à 0.04 (en valeur absolue) pour les protections solaires considérées dans cette étude, à l exception de la protection solaire «light» associée avec le vitrage réfléchissant D* (Figure 3). Dans le cas particulier du vitrage D* associé à une toile intérieure «light», l écart entre les méthodes simplifiée et détaillée est élevé, la méthode simplifiée surestimant le facteur solaire de l ordre de Cela s explique en partie par le caractère sélectif du vitrage D* ; un calcul basé sur les propriétés globales (tel qu adopté dans la norme EN ) surestime dans ce cas le facteur solaire de la combinaison vitrage & protection solaire. De plus, l effet du coefficient de réflexion élevé de la protection solaire intérieure est traité de manière imparfaite dans la méthode simplifiée. 8/14

9 Facteur solaire [-] Facteur solaire [-] Protection solaire extérieure "Light" Méthode simplifiée (EN ) C. référence - non ventilé (méthode détaillée) C. référence - ventilé (méthode détaillée) C. été - non ventilé (méthode détaillée) C. été - ventilé (méthode détaillée) Vitrage A* Vitrage B* Vitrage C* Vitrage D* Figure 2 : Facteur solaire protection solaire extérieure «light» Protection solaire intérieure "Light" Méthode simplifiée (EN ) C. référence - non ventilé (méthode détaillée) C. référence - ventilé (méthode détaillée) C. été - non ventilé (méthode détaillée) C. été - ventilé (méthode détaillée) Vitrage A* Vitrage B* Vitrage C* Vitrage D* Figure 3 : Facteur solaire protection solaire intérieure «light» 9/14

10 Facteur solaire [-] Facteur solaire [-] Protection solaire extérieure "Dark" Méthode simplifiée (EN ) C. référence - non ventilé (méthode détaillée) C. référence - ventilé (méthode détaillée) C. été - non ventilé (méthode détaillée) C. été - ventilé (méthode détaillée) Vitrage A* Vitrage B* Vitrage C* Vitrage D* Figure 4 : Facteur solaire protection solaire extérieure «dark» Protection solaire intérieure "Dark" Méthode simplifiée (EN ) C. référence - non ventilé (méthode détaillée) C. référence - ventilé (méthode détaillée) C. été - non ventilé (méthode détaillée) C. été - ventilé (méthode détaillée) Vitrage A* Vitrage B* Vitrage C* Vitrage D* Figure 5 : Facteur solaire protection solaire intérieure «dark» 10/14

11 Figure 6 : Facteur solaire synthèse des résultats pour le vitrage C* Influence du débit d air entre la protection solaire et le vitrage Avant d aborder l influence du débit d air entre la protection solaire et le vitrage rappelons ici que les résultats mentionnés plus haut ont été obtenus dans deux cas bien distincts : protection solaire non-ventilée et protection solaire ventilée naturellement, pour laquelle on suppose l ouverture supérieure fermée et les ouvertures latérales et inférieure complètement ouvertes. L effet d une variation du taux de ventilation sur le facteur solaire a été évalué plus en détail pour les 4 protections solaires associées au vitrage C*. A la Figure 7, on observe que le facteur solaire des protections solaires absorbantes («dark») est, logiquement, plus sensible au taux de ventilation. On voit également qu au-delà de 10 dm³/s (par mètre courant de vitrage), l impact de la ventilation sur le facteur solaire devient faible. Notons également que le taux de ventilation naturelle obtenu par calcul pour les cas discutés plus haut se situe entre 7 et 10 dm³/s par mètre courant de vitrage et se situe donc dans la partie pour laquelle l influence du taux de ventilation n est pas négligeable. 11/14

12 Figure 7 : Facteur solaire - vitrage C* - influence de la ventilation (conditions d été) 6. CONCLUSIONS Les méthodes de calcul utilisées peuvent donner des valeurs de facteur solaire sensiblement différentes pour un système vitrage-protection solaire, en fonction des hypothèses de calcul considérées. Il est donc essentiel d utiliser des hypothèses de calcul standardisées si l on désire comparer des protections solaires entre elles sur une base identique. La méthode simplifiée, décrite dans la norme EN , est une méthode conservative permettant de calculer des valeurs approximatives et qui ont généralement tendance à se trouver du côté de la sécurité pour l'estimation des charges de refroidissement (surestimation du facteur solaire). La présente étude a montré que les valeurs de facteur solaire obtenues par cette méthode simplifiée sont donc presque toujours (et parfois sensiblement) supérieures à celles obtenues par la méthode détaillée, décrite dans la norme EN Dans le cas des protections solaires extérieures, la correspondance entre méthode simplifiée et détaillée est cependant bonne dans le cas de toiles claires et pour les autres toiles en conditions d été et sans ventilation de la lame d air entre protection solaire et vitrage. Pour une protection solaire intérieure, l écart entre méthode simplifiée et méthode détaillée est le plus limité avec les conditions d été et avec ventilation (pour le calcul détaillé). Cet écart sur les valeurs de facteur solaire est de l ordre de 0.02 à 0.04 (en valeur absolue) pour les protections solaires considérées dans cette étude, à l exception de la protection solaire claire («light») associée au vitrage réfléchissant D*. Dans ce dernier cas, l écart entre les deux méthodes est élevé, la méthode simplifiée surestimant le facteur solaire de l ordre de 0.10 pour chacune des conditions envisagées ; une estimation précise du facteur solaire requiert dans cette situation l utilisation de la méthode détaillée de la norme EN /14

13 ANNEXE : détail des résultats des calculs selon la méthode détaillée g direct conv ventil ir Vitrage A* Référence non ventilé Référence ventilé Eté non ventilé Eté ventilé Vitrage B* Référence non ventilé Référence ventilé Eté non ventilé Eté ventilé Vitrage C* Référence non ventilé Référence ventilé Eté non ventilé Eté ventilé Vitrage D* Référence non ventilé Référence ventilé Eté non ventilé Eté ventilé Tableau 6 : Facteur solaire- protection solaire extérieure «Light» g direct conv ventil ir Vitrage A* Référence non-ventilé Référence ventilé Eté non-ventilé Eté ventilé Vitrage B* Référence non-ventilé Référence ventilé Eté non-ventilé Eté ventilé Vitrage C* Référence non-ventilé Référence ventilé Eté non-ventilé Eté ventilé Vitrage D* Référence non-ventilé Référence ventilé Eté non-ventilé Eté ventilé Tableau 7 : Facteur solaire- protection solaire intérieure «Light» 13/14

14 g direct conv ventil ir Vitrage A* Référence non-ventilé Référence ventilé Eté non-ventilé Eté ventilé Vitrage B* Référence non-ventilé Référence ventilé Eté non-ventilé Eté ventilé Vitrage C* Référence non-ventilé Référence ventilé Eté non-ventilé Eté ventilé Vitrage D* Référence non-ventilé Référence ventilé Eté non-ventilé Eté ventilé Tableau 8 : Facteur solaire- protection solaire extérieure «Dark» g direct conv ventil ir Vitrage A* Référence non-ventilé Référence ventilé Eté non-ventilé Eté ventilé Vitrage B* Référence non-ventilé Référence ventilé Eté non-ventilé Eté ventilé Vitrage C* Référence non-ventilé Référence ventilé Eté non-ventilé Eté ventilé Vitrage D* Référence non-ventilé Référence ventilé Eté non-ventilé Eté ventilé Tableau 9 : Facteur solaire- protection solaire intérieure «Dark» 14/14