40 I Caractéristiques du verre et expressions clés du domaine de la physique Financial Center, Abu Dhabi, UAE
4 Caractéristiques du verre et expressions clés du domaine de la physique 4.1 Le verre et le rayonnement solaire Le verre se distingue par sa grande perméabilité au rayonnement dans le spectre solaire. Dans la pratique, le comportement spécifique en termes de rayonnement solaire est donc un élément distinctif important lorsque l on compare différents types de verre. Il s exprime sous la forme des caractéristiques du verre, qui sont des valeurs de comparaison physiques en matière de rayonnement. 4 Distribution spectrale du rayonnement solaire Type de rayonnement Plage de longueur d onde Part (énergétique) Rayons ultraviolets 320 à 380 nm env. 4% Rayons lumineux visibles 380 à 780 nm env. 45% Rayons infrarouges 780 à 3000 nm env. 51% Le rayonnement solaire peut atteindre 800 W/m 2 ou plus, en fonction de l angle de rayonnement, du lieu, de l heure et des conditions atmosphériques. 4.2 L effet de serre Le verre flotté se caractérise par une perméabilité (transmission) élevée du rayonnement solaire. Ainsi, la plus grande partie de l énergie solaire arrivant sur le vitrage est transmise à l intérieur par transmission directe. T: 6000 K Rayonnement extraterrestre λ = 200-10 000 nm 1353 W/m 2 800 W/m 2 Verre flotté 6 mm Atmosphère λ = 30 Rayonnement global Rayonnement transmis λ = 300-3000 nm 576 W/m T: 300 K Rayonnement secondaire 2 λ = 7000 nm Absorption Caractéristiques du verre et expressions clés du domaine de la physique I 41
A l intérieur, le rayonnement solaire est absorbé par les murs, le sol et les personnes sous forme de chaleur. Cette énergie absorbée est alors retransmise en tant que rayonnement infrarouge à ondes longues. Comme le verre est pratiquement imperméable à ce genre de rayonnement, la température du local augmente, car l énergie ne cesse de pénétrer depuis l extérieur sans qu il y ait une évacuation suffisante vers l extérieur. Le principal facteur responsable de l effet de serre est la différence de perméabilité (transmission) du verre flotté pour les rayonnements à ondes courtes et à ondes longues. 4.3 Comportement en présence d un rayonnement Expressions importantes liées aux verres de protection solaire (caractéristiques physiques): Transmission, réflexion et absorption En matière de verres de protection solaire, trois termes (correspondant à trois valeurs clés) sont particulièrement importants. Réflexion renvoi des rayons solaires. Effet miroir. Transmission passage des rayons solaires. Absorption retenue des rayons solaires. Surfaces foncées. Réflexion Transmission Absorption Le verre en tant que matériau ne présente aucune de ces propriétés à l état pur. Tout verre laisse passer une certaine quantité de rayons (transmission), en retient une partie (absorption) et en renvoie également une certaine quantité (réflexion). La somme des parties réfléchies, absorbées et transmises est systématiquement égale à 100%. On distingue la lumière (partie visible du spectre, 380 à 780 nm) et le spectre solaire complet (320 à 3000 nm). Les caractéristiques physiques sont également définies en conséquence. 100% UV visible infrarouge 100% UV visible infrarouge 90% 80% Energie totale 90% 80% Lumière 70% 70% 60% 60% 50% 50% 40% 30% 40% 30% 20% 20% 10% 10% 0% 0% 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 2100 2200 2300 2400 2500 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 2100 2200 2300 2400 2500 Longueur d onde en nm Longueur d onde en nm 42 I Caractéristiques du verre et expressions clés du domaine de la physique
Energie (largeur totale du spectre) Lumière (partie visible du spectre) Transmission Transmission du rayonnement Transmission de la lumière Réflexion Réflexion du rayonnement Réflexion de la lumière Absorption Absorption du rayonnement Absorption de la lumière 100% Transmission Réflexion Rayonnement et convexion Rayonnement et convexion Caractéristiques du verre et expressions clés du domaine de la physique I 43
4.4 Valeurs caractéristiques du verre Les valeurs caractéristiques du verre sont des éléments importants pour déterminer les performances des vitrages et les distinguer les uns des autres. Elles peuvent être déterminées par une mesure, pour les verres simples comme pour les vitrages isolants complexes composés de plusieurs couches. Dans la pratique, ces caractéristiques sont cependant aujourd hui établies le plus souvent en suivant des procédures de calcul certifiées. La lumière et le verre 4.4.1 Transmission de la lumière / taux de transmission lumineuse (TL) Le taux TL d un vitrage correspond à la proportion en pour-cent du rayonnement solaire dans la plage de lumière visible (380 à 780 nm) transmise de l extérieur vers l intérieur. 4.4.2 Absorption de la lumière / taux d absorption lumineuse (AL) Le taux AL correspond à la proportion du rayonnement solaire dans la plage de lumière visible (380 à 780 nm) absorbée par le vitrage. L absorption de la lumière est une valeur caractéristique moins utilisée que les autres. 4.4.3 Réflexion de la lumière / taux de réflexion lumineuse (RL) Le taux RL exprime la proportion en pour-cent du rayonnement solaire dans la plage de lumière visible (380 à 780 nm) réfléchie par le vitrage. L énergie totale et le verre 4.4.4 Transmission du rayonnement / taux de transmission énergétique directe (TED) Le taux de transmission énergétique désigne la proportion du rayonnement de l ensemble du spectre solaire susceptible de traverser le vitrage. 4.4.5 Absorption du rayonnement / taux d absorption énergétique (AE) Le taux d absorption énergétique exprime la proportion du rayonnement de l ensemble du spectre solaire absorbée par le vitrage. 4.4.6 Réflexion du rayonnement / taux de réflexion énergétique (RE) Le taux de réflexion énergétique exprime la proportion du rayonnement de l ensemble du spectre solaire réfléchie directement vers l extérieur par le vitrage. 44 I Caractéristiques du verre et expressions clés du domaine de la physique
Transmission secondaire de chaleur La part de rayonnement absorbée par le vitrage est rejetée sous la forme d un rayonnement infrarouge (ondes longues). Ce phénomène est aussi désigné par transmission énergétique secondaire qui, en règle générale, se subdivise en deux parties égales (transmission secondaire de chaleur vers l extérieur et transmission secondaire de chaleur vers l intérieur). Transmission secondaire de chaleur vers l extérieur Qa Transmission secondaire de chaleur vers l intérieur Qi 4.4.7 Transmission énergétique globale / facteur solaire (g) Le facteur solaire (g) exprime la transmission énergétique globale, c est-à-dire le résultat obtenu par addition de la transmission énergétique directe (TED) et de la transmission secondaire de chaleur vers l intérieur (Qi). TED + Qi = g TED Avec le coefficient U, le facteur solaire est la valeur caractéristique la plus importante pour les vitrages. Il indique la quantité d énergie solaire provenant de l extérieur qui finit par pénétrer dans les pièces intérieures d un bâtiment. Pour obtenir une exploitation passive optimale de l énergie solaire, le facteur g doit être le plus élevé possible. Pour une protection maximale contre le rayonnement solaire, il doit être le plus faible possible. Qi 4.4.8 Coefficient d ombre Le coefficient d ombre est une valeur caractéristique dérivée du facteur solaire (g). Deux calculs sont possibles : Coefficient d ombre = facteur solaire g : 0,80 (utilisable en Allemagne) Coefficient d ombre = facteur solaire g : 0,87 (utilisable en Angleterre et aux États-Unis) Le coefficient d ombre est conçu pour comparer l effet produit par l ombre sur un vitrage avec l effet produit par l ombre sur un double vitrage isolant usuel non revêtu (facteur solaire g = 0,80) ou sur un verre simple flotté de 6 mm d épaisseur (facteur solaire g = 0,87). Souvent, les directives applicables au calcul des charges de refroidissement ne se basent pas sur le facteur solaire g, mais sur le coefficient d ombre. Afin d éviter les malentendus, il est dans tous les cas recommandé de définir précisément les bases de calcul lors de l indication des coefficients d ombre. Caractéristiques du verre et expressions clés du domaine de la physique I 45
4.4.9 Indice de sélectivité L indice de sélectivité représente le rapport entre le taux de transmission lumineuse et le facteur solaire. Indice de sélectivité = taux de transmission lumineuse facteur solaire L indice de sélectivité est particulièrement important pour les vitrages de protection solaire. Un indice de sélectivité élevé (>1,5) est synonyme d une bonne protection solaire, tout en permettant une bonne luminosité naturelle. Exemple SILVERSTAR SUPERSELEKT 60/27 T : transmission lumineuse = 60%, facteur solaire = 27% Indice de sélectivité = 2,22 4.4.10 Indice de rendu des couleurs général (R a ) L indice de rendu des couleurs général permet d évaluer le niveau de modification de la lumière dû à un vitrage, c est-à-dire l influence de ce dernier sur la perception des couleurs (8 tons normalisés différents sont évalués). Plus l indice de rendu des couleurs est élevé, moins les couleurs sont modifiées par le vitrage. Un indice de rendu des couleurs de 95 à 100 est synonyme de très faibles modifications des couleurs. Un indice de 90 à 95 est lui synonyme de faibles modifications des couleurs. L indice de rendu des couleurs peut être un critère de choix décisif pour les musées, les galeries d art ainsi que les activités artisanales et commerciales pour lesquelles les couleurs jouent un rôle important. 4.4.11 Transmission des UV En règle générale, la transmission des UV par les verres de protection solaire subit une réduction proportionnelle au facteur solaire g. Une possibilité de protection supplémentaire contre les UV consiste à placer un film absorbant dans un verre feuilleté de sécurité. Cela permet de réduire considérablement le rayonnement UV. A partir de 380 nm, les rayons photochimiques deviennent très actifs, ce qui peut altérer les couleurs. Il faut être particulièrement prudent à partir de 600 m d altitude lorsqu il s agit de choisir des vitrages pour des vitrines, des musées ou autres. 4.5 Le coefficient U Le coefficient de transmission thermique (coefficient U) est une unité de mesure permettant de connaître la déperdition thermique au niveau d un élément de construction. Il exprime la quantité de chaleur passant à travers une surface de 1 m 2 pendant une unité de temps en présence d une différence de température de 1 kelvin. Plus la valeur du coefficient U est faible, plus la déperdition de chaleur vers l extérieur est limitée, ce qui se traduit par une réduction sensible de la consommation d énergie. 46 I Caractéristiques du verre et expressions clés du domaine de la physique
Pour les vitrages isolants, le coefficient U (désigné par la formule Ug selon la norme de contrôle SN EN 674) est la valeur caractéristique la plus importante. Dans la pratique, il est possible de déterminer avec précision la valeur Ug pour chaque composition de vitrage isolant en utilisant une procédure de calcul certifiée. Il convient de noter que la valeur Ug ne s applique qu à la zone dite «non perturbée», c est-àdire hors influence de la zone de bord (dans laquelle le flux thermique est significativement plus élevé). L assemblage périphérique est donc non significatif pour la valeur Ug. Il n entre en ligne de compte que pour le calcul du coefficient U pour l ensemble de la fenêtre, comprenant le verre et le cadre de la fenêtre. Ce coefficient global correspond à la valeur U w. Grâce à des revêtements isolants de grande efficacité, les vitrages isolants SILVERSTAR atteignent des valeurs Ug allant jusqu à 0,4 W/m 2 K. Cela correspond à l isolation d une paroi en bois d au moins 25 cm d épaisseur. Dans le verre isolant, le transport de chaleur et d énergie se fait de trois façons différentes : par conduction, à travers les différents verres et à travers le gaz ou l air présent dans les espaces intercalaires ; par convexion, en raison du gaz ou de l air se déplaçant dans les espaces intercalaires ; par rayonnement, via la dissipation de chaleur (rayonnement infrarouge à ondes longues) au niveau de la surface du verre. C est le rayonnement de chaleur qui contribue le plus à la déperdition de chaleur (env. deuxtiers). Grâce à des revêtements isolants extrêmement fins et pratiquement invisibles, il est possible d améliorer de manière significative le niveau d isolation thermique. Revêtement isolant Conduction Conduction 33% 33% Convexion Convexion Rayonnement 67% Rayonnement 7% Transport d énergie dans le verre isolant sans revêtement isolant Transport d énergie dans le verre isolant avec revêtement isolant Caractéristiques du verre et expressions clés du domaine de la physique I 47