4 Encyclopédie des vitrages isolants

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3 Définition du vitrage isolant Le vitrage isolant en tant que tel fait partie du quotidien depuis une soixantaine d années, même si le premier brevet le concernant date de «Le double ou triple vitrage isolant est un ensemble composé d au moins deux feuilles de verre, séparées par un ou plusieurs intercalaires et scellés hermétiquement sur le pourtour.» La définition officielle de l expression «vitrage isolant» est formulée dans la norme EN : Contrairement aux idées reçues, l espace enfermé entre les feuilles de verre n est pas vide, il est rempli avec de l air ou un gaz rare Les différents types de vitrages isolants 4.1 Coefficient U selon EN Emissivité E selon EN Facteur solaire g selon EN Indice de rendu des couleurs R a selon EN Transmission lumineuse T L selon EN Absorption énergétique 4.7 Facteur b 4.8 Sélectivité S 4.9 Indice d affaiblissement acoustique R w 4.10 Déformation des image en réflexion 4.11 Phénomènes d interférences 4.12 Anisotropie 4.13 Température de point de rosée 4.14 Déterminer l épaisseur d un vitrage 53

4 4.0 Les différents types de vitrages isolants La longévité et la stabilité d un vitrage isolant dépendent en grande partie de la manière dont il a été posé et de la qualité de son joint d étanchéité. En fonction du type de joint d étanchéité existant, on distingue aujourd hui trois systèmes de vitrages isolants scellés : soudé verre-verre, soudé verre-métal et collé à espaceur organique. Le premier et le deuxième sont de moins en moins utilisés Soudé verre-verre Soudé verre-métal Collé à double barrière 1. Vitrage isolant soudé verre-verre Les deux feuilles de verre sont soudées l une à l autre à chaud dans un four industriel. Un orifice est ménagé au moment de la soudure pour permettre, après refroidissement, l introduction d une canule et un balayage d air sec. L ouverture est ensuite refermée avec un produit étanche à la vapeur d eau. 2. Vitrage isolant soudé verre-métal Après métallisation sur la périphérie, les deux feuilles de verre sont assemblées par soudure à l étain d un ruban d alliage à base de cuivre ou de plomb. L espace d air, ne contenant généralement pas de dessiccateur, est déshydraté par balayage d air sec avant la fermeture définitive. 3. Vitrage isolant collé à espaceur organique Il existe des vitrages isolants collés à simple ou à double barrière. Dans les vitrages collés à simple barrière, les feuilles de verre sont maintenues écartées par un intercalaire généralement métallique contenant le déshydratant. Un joint en mastic assure à la fois l étanchéité à la vapeur d eau et le scellement de l ensemble. Les vitrages de petites tailles peuvent même être équipés d un joint thermoplastique. Les vitrages isolants collés à double barrière, tels que les vitrages isolant d INTERPANE, sont conçus sur le même principe que les vitrages à simple barrière. Ils sont complétés par deux mastics constituant les barrières d étanchéité et de scellement. Un joint en butyle est posé en même temps que l intercalaire contenant le dessiccateur. Il a pour rôle d assurer l étanchéité des périphéries. La perméabilité du butyle à la vapeur d eau et au gaz est extrêmement faible. Dans un second temps, la deuxième barrière de type polysulfure vient compléter le scellement entre la surface extérieure de l espaceur et le bords des vitrages. Les matériaux les plus courants utilisés pour les joints sont le polysulfure ou le polyuréthane. Le silicone, quant à lui, est surtout utilisé là où les joints d étanchéité sont apparents, comme c est le cas par exemple des verres extérieurs collés (VEC). Mais le silicone est bien plus perméable au gaz utilisé habituellement pour remplir la lame entre les deux feuilles de verre. Bord chaud et solutions alternatives pour joints d étanchéité La dernière Réglementation Thermique a renforcé les exigences au niveau des déperditions par les ponts thermiques. Avec its, INTERPANE propose des intercalaires de doubles vitrages réalisés en inox à la place de l aluminium traditionnel. Ces intercalaires offrent l avantage d une meilleure conductibilité et sont assemblés latéralement par un joint primaire de butyle, le joint de remplissage périphérique secondaire étant par exemple en polysulfure. C est ainsi que le système its permet de réduire au maximum les pertes liés aux ponts thermiques en bord de vitrage. Les intercalaires mixtes en acier inoxydable associé à une matière synthétique hautement isolante, ont aussi donné d excellents résultats dans la diminution des pertes thermiques. Par ailleurs, il existe d autres alternatives en matière de joints d étanchéité qui bénéficient de très bonnes caractéristiques thermiques. Parmi elles, on trouvera par exemple le système TPS (espaceur thermoplastique). L intercalaire métallique est tout simplement remplacé par un cordon directement extrudé sur le verre qui contient le dessiccateur. Ce cordon, de type butyle, sert de barrière d étanchéité tout en retenant le gaz contenu dans la lame d air. Exigences en matière d isolation thermique obligent, l avenir verra l apparition de nouveaux concepts de joints d étanchéité. On envisage déjà des systèmes à base de colle thermofusible réactive ou encore, le développement d un nouvel élastomère thermoplastique (ES) à simple barrière.

5 4.1 Coefficient U selon EN 673 Anciennement K, le coefficient de transmission thermique a changé de dénomination il y a quelques années et il est plus connu aujourd hui sous le nom de coefficient U. Quand une paroi sépare deux ambiances de températures différentes, il se produit un échange thermique du milieu le plus chaud vers le milieu le plus froid. Le coefficient U caractérise ce transfert. Le coefficient U est le flux de chaleur qui traverse 1 m 2 de paroi séparant deux ambiances dont la différence de température est égale à 1 C. U s'exprime en W/m 2 K. Plus sa valeur est basse, plus l'isolation est importante. Coefficient Y Le coefficient de transmission thermique linéique (coefficient Y) exprime le flux de chaleur à travers une liaison ou une ossature pour une différence de température d'un degré entre les deux ambiances que sépare la paroi correspondante, ramené à un mètre de longueur de cette liaison ou cette ossature. Il est obligatoire d en tenir compte lors du calcul du coefficient U w d une fenêtre. Le pont thermique d une fenêtre est une interférence entre le châssis, le vitrage et l intercalaire. Par conséquent, il n existe pas de coefficient de transmission thermique linéique spécifique uniquement au vitrage. 4.1 Le coefficient U est défini par calcul selon la norme EN 673 ou à partir de mesures selon la norme EN 674. Dans des conditions identiques, le calcul offre les mêmes résultats que les mesures. 55

6 4.2 Emissivité E selon EN L émissivité E mesure la capacité d un corps à absorber et à émettre de l énergie rayonnée. En matière d isolation thermique, cela veut dire pour un vitrage que plus l émissivité et faible, plus le coefficient U est performant. Par le passé, les coefficients U des vitrages étaient mesurés en laboratoire, mais aujourd hui, il existe des méthodes de calcul fiables (norme 673). Pour pouvoir réaliser ces calculs, il est nécessaire de connaître, entre autres, l émissivité du vitrage. Emissivité normale E n selon EN 673 Pour déterminer l émissivité normale E n selon la norme EN 673, on applique la méthode décrite ci-contre. La norme exige que l on mesure 30 longueurs d onde différentes comprises entre 5,5 et 50 µm. Une fois les résultats connus, il ne reste plus qu à calculer une moyenne en tenant compte de la répartition du rayonnement thermique à +10 C. La valeur obtenue par ce procédé est appelée émissivité normale E n. Emissivité déclarée E d selon EN 1096 La valeur déclarée de l émissivité E d correspond à la valeur nominale du verre standard annoncée par le fabricant comme émissivité normale. Afin de déterminer l émissivité par le bien d un essai, il est indispensable de mesurer la réflexion de la surface d un matériau. Pour effectuer cette évaluation, on suppose que l angle d incidence est quasiment perpendiculaire à la surface étudiée et que le mesurage s effectue sur différentes longueurs d ondes. La valeur de réflexion R que l on obtiendra pourra être convertie en valeur d émissivité en appliquant la formule suivante : E = 1 - R Vu que pour des raisons techniques, il est impossible d effectuer l essai sous un angle d incidence de 0, la mesure se prend en général sous un angle d incidence moyen de

7 4.3 Facteur solaire g selon EN 410 Le rayonnement solaire qui atteint une surface vitrée est réfléchi, transmis et absorbé dans des proportions variables suivant la nature du vitrage pour un spectre d ondes compris entre 300 et 2500 µm. Ce facteur est d une importance majeure pour les calculs climatiques et il est exprimé en pourcentage. La valeur g est elle-même composée de deux facteurs : la transmission directe de l énergie solaire T e et la réémission thermique vers l intérieur q i. Le facteur g représente la somme du rayonnement transmis et celle du rayonnement absorbé puis retransmis vers l'intérieur par le vitrage et se calcul d après la formule : Réémission thermique vers l extérieur q a = 11% 100% d énergie solaire Réflexion de l énergie solaire Q = 29% Facteur solaire g = 60% Réémission thermique vers l intérieur q i = 8% Transmission directe de l énergie solaire T e = 52% 4.3 g = T e + q i Le coefficient g est défini en général selon la norme EN 410. Facteur g de l iplus neutre E selon EN 410 Répartition de l énergie 57

8 4.4 Indice de rendu des couleurs R a selon EN L'indice de rendu des couleurs est la capacité d'une source de lumière à restituer les différentes couleurs du spectre visible sans en modifier les teintes. L'indice général de rendu des couleurs R a détermine la qualité d'une lumière à partir de l'indice de rendu de 8 couleurs normalisées. L'indice maximum R a = 100, correspond à une lumière blanche ayant le même spectre que celui de la lumière solaire. La meilleure valeur atteignable par un vitrage est de 99. L ambiance d une pièce pour ce qui est des couleurs dépend de la composition spectrale et de la lumière du jour incidente. Ainsi, la valeur R a,d désigne la différenciation des couleurs à la lumière du jour, derrière une paroi vitrée ou vue par transparence au travers de cette paroi. De la même façon, la valeur R a,r quantifie le rendu des couleurs en lumière réfléchie par le vitrage considéré. Les propriétés du rendu des couleurs d un vitrage sont déterminées selon la norme EN

9 4.5 Transmission lumineuse T L selon EN 410 La transmission lumineuse T L exprime la part de rayonnement de la lumière visible (longueurs d'onde comprises entre 380 nm et 780 nm) traversant directement le vitrage. Elle est un élément de base du traitement du confort visuel selon les types de locaux. La transmission lumineuse est exprimée en pourcentage et dépend notamment de l'épaisseur du verre. En raison des teneurs diverses en oxyde de fer, de petites variations sont possibles. Dans le spectre de lumière visible, le verre flotté simple possède une transmission lumineuse de 90%. Le vitrage isolant classique d INTERPANE, composé de deux verres flottés de 4 mm, a une transmission lumineuse d'environ 82%. Le vitrage iplus neutre E bénéficie d une transmission lumineuse de 80%. La valeur de référence de 100% correspond à une ouverture non vitrée dans un mur. Lors du choix d un vitrage, le coefficient de transmission lumineuse doit être pris en compte en fonction de la construction et de son environnement, afin de satisfaire les exigences de la norme DIN 5034 et les dispositions de confort relatives à un lieu de travail. Si la lumière s avère être insuffisante, il est conseillé d augmenter la surface vitrée. 4.5 Spectre du rayonnement solaire global, 100% UV 4% Visible 55% Infrarouge 41% Intensité relative du rayonnement Energie transmise par rapport au spectre solaire iplus neutre E Vitrage isolant standard Rayonnement visible 75 % 79 % Infrarouge 29 % 66 % Rayonnement total 52 % 73 % Transmission lumineuse d iplus neutre E et d un vitrage isolant standard, par rapport à la distribution de l intensité du spectre solaire. Répartition de l énergie selon la norme EN 410 (masse d air 1,0) Sensibilité relative de l œil Longueur d onde (µm) Spectre solaire Sensibilité de l œil Vitrage isolant standard Vitrage isolant avec iplus neutre E Transmission lumineuse d iplus neutre E et d un vitrage isolant standard, par rapport à la distribution de l intensité du spectre solaire. 59

10 4.6 Absorption énergétique En plus de la transmission et de la réflexion, l absorption énergétique est la troisième valeur déterminante du rayonnement solaire. 4.7 Facteur b Transmission + Réflexion + Absorption = 100 % L absorption énergétique d un vitrage est le pourcentage d énergie solaire absorbée par le vitrage et qui provoque son échauffement, l énergie absorbée est ensuite dissipée dans l atmosphère, intérieure ou extérieure, en fonction de l ambiance régnant de part et d autre du vitrage. Cette valeur permet d évaluer les risques de casse par choc thermique. 4.6 Le facteur moyen de transmission b est la valeur utilisée pour le calcul de la charge de rafraîchissement en climatisation. Appelé aussi «shading coefficient», ce facteur est exprimé en pourcentage en fonction du coefficient g. 4.8 Sélectivité S Pour un double vitrage isolant, le facteur b est égal au rapport entre le facteur solaire g de ce vitrage et le facteur g d un double vitrage non transformé. g vitrage b = 0,80 Pour un verre simple de 3 mm d épaisseur, on obtient : g vitrage b = 0,87 L indice de sélectivité S donne le rapport entre la transmission lumineuse T L et le coefficient global de transmission d'énergie (g). S= T L g Cet indice S exprime l efficacité des verres de protection solaire dans le rapport entre la transmission lumineuse - que l on souhaite la plus élevée possible - et le degré de transmission de l'énergie - que l on souhaite le plus faible possible. Un indice de sélectivité élevé exprime un rapport favorable avec une valeur maximale d environ 2, comme chez l'ipasol neutre 50/27, un exemple à haut rendement en matière de contrôle solaire (facteur solaire g selon EN 410). ipasol neutre 50/27 S = 50 = 1, Indice d affaiblissement acoustique Rw L indice d affaiblissement acoustique R dépend de la fréquence émise par un matériau. La gamme de fréquences applicable à l acoustique dans le bâtiment est comprise entre 100 et H z. R défini le rapport logarithmique entre la puissance sonore du matériau et la puissance sonore P 2 émise par ce même matériau, multiplié par 10. En raison de cette échelle logarithmique, une amélioration de l isolation acoustique de 10 db réduit la nuisance sonore de 50%. Pour évaluer le comportement acoustique des matériaux utilisés dans le Bâtiment, on utilise dans l appréciation acoustique des vitrages l indice pondéré d'affaiblissement acoustique R w selon la norme EN Cet indice, exprimé en décibels, est établi par une mesure réelle, et par comparaison avec une courbe de référence. La norme DIN 4109 (11/89) définit les indices suivants : 60 Indice Désignation R w Indice pondéré d affaiblissement acoustique en db avec transmission latérale R w Indice pondéré d affaiblissement acoustique R W sans transmission latérale R w, res Indice pondéré d affaiblissement acoustique résultant de l ensemble du matériau R w, P Indice pondéré d affaiblissement acoustique mesuré au banc d essai R w, R Indice pondéré d affaiblissement acoustique, valeur calculée Indice pondéré d affaiblissement acoustique, mesuré in situ R w, B

11 Pour tenir compte des différents spectres de bruits issus de divers sources sonores d origine variée, telles que les bruits à l intérieur d un immeuble ou le bruit engendré par le trafic routier, la norme EN ISO définie deux valeurs spectrophotométriques de référence C et C tr (voir tableau). Les valeurs spectrophotométriques de référence C et C tr tiennent compte du spectre amplifié de la gamme de fréquences comprises entre 100 et H z. Tableau Source du bruit Valeur spectrophotométriques de référence correspondante 4.9 Activité domestique (conversation, musique, radio, télévision) Jeux d enfants Trafic ferroviaire de vitesse moyenne à rapide 1 Trafic routier rapide (supérieur à 80 km/h) 1 Trafic aérien proche (avion à réaction) Entreprise produisant un bruit de moyenne et haute fréquence 1 C (Spectre n 1) Trafic urbain Trafic ferroviaire lent 1 Avion à hélices Avion à réaction à très longue distance Musique de discothèque Entreprise produisant un bruit de basse et de moyenne fréquence C tr (Spectre n 2) 1 Plusieurs pays européens utilisent des méthodes de calcul pour les bruits du trafic routier et ferroviaire qui définissent des bandes d octaves. Celles-ce peuvent être utilisées pour établir une comparaison avec les spectres 1 et 2. 61

12 4.10 Déformation des image en réflexion 4.10 Lors de la fabrication du vitrage isolant l air ou le gaz est emprisonné entre les feuilles de verre à la température et à la pression atmosphérique de l'atelier. Vu que les feuilles de verre sont scellées, elles se comportent comme des membranes. La pression de l air peut se modifier sous l effet des variations de température ambiante, des variations d ensoleillement qui l échauffent et de la variation d'altitude entre le lieu de pose et le lieu de fabrication. Il résulte de cette surpression ou de cette contraction une déformation des verres, qui, de plans, deviennent convexes ou concaves. Les images réfléchies sont alors déformées. Aussi bizarre que cela puisse sembler, ce phénomène est en réalité une preuve de la qualité du vitrage car il démontre l étanchéité de la lame d air. La déformation des images en réflexion dépend aussi bien de la taille des vitrages et leur géométrie que de la largeur de la lame d air et l épaisseur des verres. Pour les triples vitrages, cet effet est encore plus marqué étant donné qu on additionne les largeurs des deux lames qui agissent en réalité comme une seule lame d épaisseur plus importante, c està-dire : Lame d air 12 mm + Lame d air 12 mm = Lame d air de 24 mm Les lames d air sont additionnées pour une raison bien simple : le vitrage du milieu ne se déforme pas sous la pression de l air et ne dépend pas des variations climatiques puisqu il est enfermé entre deux feuilles de verre. Cela entraîne une plus forte pression et donc déformation sur les deux vitres extérieures Phénomènes d interférences 62 Un double vitrage comporte toujours quatre interfaces verre/air. Si ces surfaces sont très planes et d épaisseur uniforme, les différentes composantes de la lumière blanche réfléchie ou colorées en fonction de la longueur d'onde, peuvent se superposer et faire apparaître, sous la lumière naturelle, un ensemble de franges colorées qui peut être observé tant par transparence que par réflexion. Ce phénomène optique n apparaît que sous certaines conditions d éclairage, de 4.12 Anisotropie Les anisotropies sont des phénomènes d irisation pouvant apparaître sur des verres qui ont été thermiquement traités, comme c est le cas des verre de sécurité trempé ou des verres recuits. Ces derniers présentent de fortes contraintes internes dues à la manipulation thermique à laquelle ils ont été soumis. Sous l effet d une lumière polarisée peuvent apparaître sur le verre, là ou les tensions sont les température et de pression quand les épaisseurs des verres répondent à des tolérances extrêmement faibles et quand ceux-ci sont quasiment parallèles. A la suite des variations de pression de l air intérieur du double vitrage, les verres peuvent prendre une forme convexe ou concave qui engendre un déséquilibre du parallélisme variable dans le temps. En sollicitant un des verres par une légère pression, celui sur lequel est exercée la sollicitation se déformera davantage que l autre et les franges d interférence se déplaceront. plus fortes, des champs elliptiques qui sont perçus comme des motifs. Il s agit d une singularité physique dont l apparition est très typique sur les verres trempés ou recuits. La lumière naturelle, selon l angle d incidence et les conditions météorologiques, est plus ou moins polarisée. Les interférences peuvent être limitées par l'utilisation de verres d épaisseurs nominales différentes. Le phénomène d'interférence n est dû qu à la très haute qualité des verres et aux légères variations de parallélisme dépendant des conditions climatiques et ne peut être considéré comme un défaut. Interférences sur un vitrage isolant simple avec une même épaisseur des feuilles de verre.

13 4.13 Température de point de rosée La température de point de rosée désigne la température de l air à laquelle l'humidité relative de l'air atteint une valeur de 100%. Si la température baisse alors que le taux d humidité reste inchangé, on constate la formation de condensation. Les températures de point de rosée peuvent apparaître à différents endroits: 1. Point de rosée dans intercalaire du vitrage isolant La température de point de rosée de l intercalaire d un vitrage isolant doit être < -60 C. Cette température, déterminée par la norme EN 1279, est un critère essentiel de qualité et la garantie de la pérennité du vitrage. 3. Température de point de rosée de la surface de la vitre du côté extérieur Même avec l utilisation de verre thermiquement renforcé, on constate dans certains cas la formation de condensation à la surface extérieure des vitrages. Elle apparaît tôt le matin, lorsque le taux d humidité de l air extérieur est élevé. A ce moment de la journée, la température de la vitre extérieure peux descendre en dessous de la température du point de rosée. Cela est dû à la bonne isolation thermique des vitrages, la feuille de verre intérieure n opérant plus d échange de chaleur avec la Diagramme des points de condensation avec des exemples feuille de verre extérieure. La condensation se forme au moment où la température de l air augmente de manière plus rapide que celle de la vitre. Toutefois, la buée disparaît rapidement, dès les premiers rayons du soleil. La formation de condensation sur le vitrage, aussi bien du côté intérieur qu extérieur, est déterminée par les conditions physiques et climatiques Température de point de rosée de la surface de la vitre du côté intérieur De la condensation peut se former sur la surface de la vitre du côté intérieur lorsque de l air chaud se refroidit soudainement au contact de la surface de la vitre ou lorsque de l'air relativement froid est subitement enrichi en humidité, par exemple dans les salles d'eau ou dans les cuisines. Cette condensation peut apparaître de façon très rapide lorsque l humidité contenue dans l air se dépose par condensation sur les vitres froides. Cette tendance à la formation de buée peut être nettement réduite si l on utilise un vitrage à isolation thermique renforcée, tel que l iplus neutre E. Grâce à son coefficient U amélioré, la vitre côté intérieur n est plus sujette à l effet de paroi froide. Pour faire face à un taux d humidité important à l intérieur de l habitat, il est très important d installer un système de ventilation adapté. Température intérieure Température extérieure Température extérieure Humidité relative Le diagramme des points de condensation permet de déterminer la température extérieure à laquelle la condensation commence à se former (= point de rosée) sur la vitre intérieure. Exemples indiqués dans le diagramme : iplus neutre E, coefficient U = 1,1W/m 2 K, température intérieure = +21 C, humidité relative = 50%. Résultat : ce n est qu à partir de -48,2 C que la vitre commence à présenter de la condensation. 63

14 4. Température de point de rosée aux ponts thermiques Dans la pratique, lors de la conception d une fenêtre, on ne peut éviter les ponts thermiques soit à cause des contraintes géométriques (forme de la fenêtre), soit en raison de la conductibilité des matériaux utilisés. Dans la zone de ces ponts thermiques, la résistance calorifique entre l intérieur et l extérieur est diminuée, d où la possibilité d apparition d eau de condensation sur les surfaces les plus froides Déterminer l épaisseur d un vitrage L épaisseur des vitrages est un domaine particulièrement réglementé, aussi bien en France que dans les autres pays de l Union Européenne. Tout vitrage, différent des exigences en vigueur, doit faire l objet d une évaluation en accord avec l organisme compétant en charge de l inspection des travaux. Les dimensions maximales indiquées dans ce document reflètent le savoir-faire et les possibilités techniques connues à ce jour. Le client est responsable des dimensions des volumes verriers qu il commande et doit s assurer que les tailles choisies sont conformes aux règles techniques d usage. 64