Thermographie sur les vitrages

Thermographie sur les vitrages Par Martin Veillette, ing. 28 décembre 2011

J ai été mandaté par Solution Thermos pour faire des essais sur plusieurs types de vitrages : double, triple, faible émissivité et standard, afin d en évaluer la performance énergétique. Le but était aussi de démontrer la perte énergétique associée à la technique de désembuage par le perçage de trous utilisée par Solutions Thermos. Nous avons utilisé un bâtiment type qui nous a permis de comparer les vitrages entre eux et nous avons utilisé une caméra thermique pour mesurer la température extérieure à la surface des vitrages. Il nous a été possible de prouver que le perçage de trous dans les vitrages diminuait l efficacité énergétique de ces derniers mais cette perte ne s est pas avérée aussi importante qu on pourrait le penser. Conclusion faite, un vitrage performant demeurera quand même un vitrage performant. Les fenêtres et leurs vitrages occupent une surface plus ou moins importante des murs des maisons québécoises, canadiennes et surement mondiales. Bien qu énergétiquement parlant, elles soient encore peu performantes si on compare à une surface équivalente de mur conventionnel, elles sont essentielles au bien-être des occupants des lieux. Plusieurs manufacturiers ont travaillé, dans les dernières années, à améliorer leur efficacité énergétique mais ils doivent malheureusement faire face à plusieurs contraintes. Offrir des fenêtres et des vitrages performants et durables à prix compétitifs représente encore aujourd hui un défi de taille. Les vitrages doubles (communément appelé «thermos») en sont probablement le plus bel exemple, mais avec le temps, le vitrage se descelle, l humidité s installe entre les vitres et le remplacement du vitrage s avère nécessaire. Pour éviter le remplacement, il existe une technique de désembuage qui consiste à percer une des deux vitres (la vitre extérieure) pour permettre à l air de circuler et d abaisser le taux d humidité entre les vitres. Cette technique est relativement nouvelle et peu documentée. Mais qu advient-il de l efficacité énergétique de ce même vitrage? Le but de notre expérience est de comparer plusieurs vitrages différents entre eux, et aussi d évaluer et de quantifier le gain ou la perte énergétique causé par le désembuage sur les vitrages. Le désembuage devrait engendrer une légère perte énergétique si on compare à des vitrages équivalents non-désembués (c est-à-dire non percés). Mais est-ce que cette perte justifie le remplacement ou bien est-elle négligeable? L utilisation d un bâtiment type à une seule pièce pour l expérience a été nécessaire. Le bâtiment avait des dimensions inférieures à celle d une maison standard et les méthodes de construction utilisées représentaient ce qui est utilisé dans la plupart des maisons québécoises types. Une structure en madrier de 2po * 6po a été utilisé et de la mousse giclée constituait l isolant et agissait aussi à titre de pare-air. Le mur côté sud-sud-ouest (±200 par rapport au nord), comportait six fenêtres. Une distance de 13.25po séparait les boîtiers des fenêtres. Les fenêtres à chacune des extrémités disposaient d une distance un peu moindre avec les coins du bâtiment. Le périmètre de chaque fenêtre était entouré d une couche de mousse giclée. Le mur ouest comportait deux fenêtres à guillotine et une porte centrale pour permettre l accès à l intérieur du bâtiment. Le mur est quant à lui, comportait trois fenêtres à guillotine. Finalement, il n y avait aucune ouverture sur le mur faisant face au nord. La température à l intérieur du bâtiment était maintenue constante à 22 C par deux chaufferettes avec ventilateurs de 4800W chacune. Un ventilateur de plafond était installé et fonctionnait en permanence pour assurer une

répartition uniforme de la chaleur à l intérieur du bâtiment. Des thermomètres analogiques étaient placés sur chacune des 6 fenêtres côté SSO. C est sur ces fenêtres que les essais de thermographie ont été faits. Une station météorologique de marque La Crosse Technology modèle WS1912RXITCA a été utilisée pour les données de température extérieure et la vitesse des vents. Les températures à la surface des vitres ont été mesurées à l aide d une caméra thermique FLIR modèle E30BX. Les vitrages utilisés avaient tous des caractéristiques différentes. Cependant, tous les vitrages utilisés possédaient des intercalaires de types hybrides de la marque Innex et de même épaisseur. La dimension des vitrages étaient tous de 19po par 65po. Pour des raisons pratiques et pour permettre de faire les essais dans des conditions similaires, nous n avons pas utilisé de scellant pour sceller le périmètre des vitrages à leur fenêtre respective, ni pour la population de référence, ni pour la population variable. Les mesures ont toutes été prises le 18 décembre 2011. Il n y avait pas ou peu de vent la journée des essais, et en plus, le vent provenait de la direction opposée du bâtiment, soit le nord. Les boitiers de fenêtre (en bois) étaient neufs et permettaient d avoir une surface de contact adéquate entre le bois et les vitrages. Les vitrages étaient fixés en place par des morceaux de bois vissés au bois des fenêtres (figure 1). Nous avons aussi vérifié, à l aide de la caméra thermique, l étanchéité des vitrages avec les cadrages en bois pour nous assurer qu il n y avait pas d infiltrations d air majeures. Aussi, les températures prises par la caméra thermique ont toutes été prises au centre des vitrages pour s assurer de diminuer l impact causé justement par les infiltrations d air (ou perte de chaleur dans le cas présent) et par l impact des ponts thermiques causé entre autre par la conduction d énergie entre les matériaux (contact verre/bois, intercalaires, etc.). Les vitrages des populations variables étaient entreposés à l extérieur et les mesures ont toujours été prises après que nous nous soyons assuré que les températures étaient stabilisées sur les surfaces et intérieures, et extérieures des vitrages. À chaque essai, nous avons pris des mesures sur la surface des vitres intérieures. Nous n avons pas documenté ces températures pour la simple raison que la température à la surface des vitres intérieurs était sensiblement la même sur tous les types de vitrages. Les variations de température sont beaucoup plus importantes à l extérieur, ce qui nous a permis de mieux visualiser les pertes d énergies. La population de référence (A, B et C sur la figure 3) est demeurée en place tout au long de l expérience. Ces vitrages ont été installés de la même façon que les vitrages de la population variable, malgré le fait qu ils n ont jamais été enlevés durant toute la durée de l expérience. La population variable était en position D, E et F sur la même figure. À chaque essai, la population variable (D, E, et F) était composée de trois individus identiques. Les trous dans les verres extérieurs, lorsqu ils ont été percés, étaient aux nombres de quatre (4), soient à chaque coin des plaques de verre. Lors du désembuage, il est fréquent que seulement deux (2) trous soient faits dépendamment de la surface du vitrage à désembuer. L utilisation de quatre (4) trous nous permettait d accentuer le phénomène de la circulation d air entre les vitrages. Le diamètre des trous utilisés étaient de 3mm, soit le diamètre utilisé lors du désembuage par les techniciens de Solutions Thermos.

Les températures ont toutes été mesurées au centre des vitrages, à 30 cm du bas des vitrages. Les températures à cet endroit sont plus stables que dans le haut des vitrages comme on peut voir à la figure 2. Il est possible de voir clairement sur cette figure que le haut des vitrages possède une zone chaude plus ou moins importante. On ne retrouve pas cette zone dans le bas des vitrages. Le tableau 1 montre les températures qui ont été prises lors des essais et leurs moyennes respectives. Aussi, toutes les données de températures extérieures, de vents, et autres observations sont inscrites dans ce même tableau. pop. variable Test #1 Test #2 Test #3 Test #4 Test #5 Test #6 double Std, avec trous double Low-E, sans gaz double Low-E, avec trous double Low-E, avec Ar triple Std triple Std, avec trous Conditions Plein soleil Plein soleil Plein soleil Plein soleil Plein soleil Sans soleil Heure 13h10 13h50 14h25 14h45 15h20 16h00 Vents (km/h) négligeable négligeable ± 2 N ± 4 N négligeable négligeable T ext. -12.2-12.6-14.2-14.3-16.8-18.9 A -4.0-5.0-8.0-8.3-7.9-19.1 B -4.8-4.7-7.2-7.9-6.5-17.6 C -4.7-4.1-8.0-8.0-6.8-17.2 moy. réf. (Y) -4.5-4.6-7.7-8.1-7.1-18.0 D -4.1-5.9-10.2-10.2-8.6-20.4 E -3.2-8.1-10.5-11.3-10.2-18.7 F -5.9-8.8-12.0-11.7-11.1-17.4 moy. pop. (Z) -4.4-7.6-10.9-11.1-10.0-18.8 Diff. (Y-Z) -0.1 3.0 3.2 3.0 2.9 0.9 Tableau 1 Résumé des températures mesurées et moyennes respectives Pour le premier essai (voir photo Test #1 à la fin du document), nous avons comparé des vitrages standards (notre population de référence) avec des vitrages standards percés. Bien que nous nous attendions à ce que les trous aient pu diminuer l efficacité des vitrages, l expérience permet de l affirmer bien que cette perte ne soit pas aussi importante qu on aurait pu le croire. La température moyenne sur la surface des vitres extérieures étaient presque identique entre la population de référence et la population variable. L hypothèse était que les trous permettaient une circulation d air entre les verres, favorisant ainsi le contact du verre intérieur avec l air

extérieur, et par le fait même, le réchauffement de l air entre les vitres, et ultimement, le réchauffement de la vitre extérieure. Nous pouvons donc assumer que l air qui se situe entre les plaques de verres pourrait circuler entre les verres, mais qu il n y a pas une circulation si importante de cet air vers l extérieur. S il y a peu ou pas de circulation de cet air entre les vitres, cela expliquerait que les températures pour la population de référence et celle de la population variable soient demeurées similaires. Nous avons noté une baisse d efficacité des vitrages percés de 2,2% comme le montre le tableau 2. L air entre les vitres de la population variable a quand même agit comme isolant, respectant par le fait même le principe du vitrage double. pop. variable Test #1 Test #2 Test #3 Test #4 Test #5 Test #6 double double double double triple triple Low-E, sans Low-E, avec Low-E, avec Std, avec Std, avec trous gaz trous Ar Std trous Conditions Plein soleil Plein soleil Plein soleil Plein soleil Plein soleil Sans soleil Heure 13h10 13h50 14h25 14h45 15h20 16h00 Vents (km/h) négligeable négligeable ± 2 N ± 4 N négligeable négligeable T ext. -12.2-12.6-14.2-14.3-16.8-18.9 moy. réf. (Y) -4.5-4.6-7.7-8.1-7.1-18.0 moy. pop. (Z) -4.4-7.6-10.9-11.1-10.0-18.8 Diff. (Y-Z) -0.1 3.0 3.2 3.0 2.9 0.9 Efficacité (%), Z par rapport à Y -2.2 65.2 40.9 37.2 41.0 4.8 Tableau 2 Pourcentage d efficacité relatif à la population de référence Pour le deuxième essai (voir photo Test #2 à la fin du document), nous avons comparé notre population de référence avec des vitrages avec une pellicule à faible émissivité (ci-après Low-E). L espace entre les verres n a toutefois pas été comblé avec un gaz rare tel que l argon (Ar) ou le krypton (Kr). L idée d avoir choisi ce type de vitrage était d évaluer un vitrage ayant perdu son gaz, soit un vitrage juste avant qu il soit désembué par la technique avec perçage de trous. Les résultats démontrent bien l avantage que cette simple pellicule apporte au vitrage. Les températures mesurées à la surface des verres extérieurs étaient de 3 C inférieures à celles de la population de référence. Ceci démontre à quel point cette pellicule permet de «contenir» l énergie à l intérieur du bâtiment. Puisque la pellicule permet de conserver une grande partie des rayons «gorgés» d énergie à l intérieur du bâtiment, l air emprisonné entre les vitres ne peut augmenter sa température et donc, contribue moins à l augmentation de la température de la vitre extérieure. Le verre extérieur plus froid est un signe que la perte d énergie est moindre. Le tableau 2 montre que ce vitrage a été 65,2% (voir tableau 2) plus efficace que la population de référence.

Pour le troisième essai (voir photo Test #3 à la fin du document), nous avons tout simplement percé les vitrages du deuxième essai. Nous les avons surveillés pendant plus d une demi-heure pour les laisser se stabiliser, et à l intérieur, et à l extérieur. Encore une fois, les résultats démontrent encore l avantage énergétique relié à la pellicule à faible émissivité. Le fait d avoir percé des trous a eu un impact sur la perte énergétique des vitrages. Bien que la température extérieure ambiante ait chuté de 1.6 C, l écart entre les moyennes est demeuré de l ordre de 3.0 C. Ce vitrage a accusé un recul de 24,3% par rapport aux essais effectués avant le perçage. Néanmoins, l avantage relié à la pellicule Low-E est demeuré puisque ces vitrages percés ont montré un gain d efficacité de 40,9% (voir tableau 2) par rapport à la population de référence. En quatrième lieu (voir photo Test #4 à la fin du document), nous avons testés des vitrages similaires au deuxième essai (avec pellicule Low-E) mais cette fois-ci avec présence d argon entre les deux vitres. C est ce que l industrie appelle communément «vitrage énergétique». La théorie veut que l argon apporte une valeur isolante supérieure à l espace contenu entre les deux vitres. Nous nous attendions à ce que ce vitrage performe mieux que les essais scellé sans gaz (#2) ou bien percé (#3), ce qui n a pas été le cas. Nous nous expliquons mal ce phénomène. Nous avons mesuré une différence de 3.0 C entre les moyennes de la population de référence et les vitrages actuels. Bien que le gain ait été de 37,2% (voir tableau 2) par rapport à la population de référence, ce gain est toutefois inférieur aux vitrages testés aux deux essais précédents. En cinquième lieu (voir photo Test #5 à la fin du document), des mesures ont été prises sur des vitrages triples standards. Ces vitrages ont relativement bien performé. L avantage des deux chambres d air leur a permis de limiter les pertes d énergies comparativement aux vitrages de référence. La différence des températures à la surface des vitres extérieures a été de 2,9 C, soit sensiblement la même différence que les vitrages doubles avec pellicule Low-E. En pourcentage, il s agit d un gain énergétique de 41,0% (voir tableau 2) par rapport à la population de référence. Il est important de noter que lors de la mesure des températures sur ces vitrages, la température extérieure commençait à chuter considérablement et bien que le soleil atteignait encore 100% de la surface des vitrages, l intensité de ce dernier ne se faisait plus sentir. Il est cependant impossible de démontrer si cette situation a eu un impact significatif sur les températures mesurées. Finalement (voir photo Test #6 à la fin du document), nous avons pris des mesures sur des vitrages triples, mais cette fois-ci seule les vitres intérieures n étaient pas percées. Autrement dit, les vitres extérieures et centrales avaient été percées. Au moment où nous avons mesuré les températures, le soleil n atteignait plus les vitrages. Il y avait peu de différence entre les moyennes de températures entre les deux populations, 0,8 C à l avantage des vitrages triples. Les vitrages triples montrent quand même un gain de 4,8% (voir tableau 2) par rapport à la population de référence. Les résultats démontrent plusieurs aspects importants des vitrages qui sont utilisés sur les maisons contemporaines québécoises, canadiennes, et aussi à travers le monde. Nous tentions de

mesurer, par nos essais, l impact énergétique du désembuage sur les vitrages de type «thermos» (double) et triple. L hypothèse était que l efficacité en soit diminuée. Les essais confirment dans la majeure partie des cas cette hypothèse, mais à différents niveaux d intensité. La perte énergétique associée au perçage des trous sur les vitrages doubles standard a presque été négligeable, soit 2,2%. La perte énergétique a été plus importante sur les vitrages avec pellicule Low-E, soit 24,3%. Bien que la perte ce soit avérée plus importante, les vitrages avec pellicule Low-E percés sont demeurés nettement avantageux du point de vue énergétique si on les compare aux vitrages standard. Quant aux vitrages Low-E avec argon, leur efficacité n a pas été à la hauteur des attentes. Ces vitrages auraient dû, en théorie, performer un peu plus que ce que nous avons mesuré. Bien que difficile à expliquer, nos informations provenant de l industrie quant aux techniques relatives aux remplissages avec l argon et le krypton pourraient expliquer cette piètre performance des vitrages. En fait, il n existe, à notre connaissance, aucun système de contrôle permettant de mesurer et d évaluer la quantité de gaz qui est insérée entre les vitres. Et par le fait même, aucun contrôle de qualité et aucune certification spécifique à cette méthode. Basé sur ces affirmations, la saturation en gaz peut être fortement mise en doute, ce qui pourrait expliquer le rendement «ordinaire» de ces vitrages. La littérature propose que les pellicules Low- E permettent de réduire de ±30% les pertes de chaleur par rapport au vitrage double standard. L ajout de gaz Argon, un 5 à 10% supplémentaire (http://www.guide-de-la-fenetre.com, http://oee.rncan.gc.ca/equipement/fenetres-et-portes). Nos essais n ont pu démontrer de bénéfices quant à l utilisation de l argon mais nous pouvons clairement affirmer que l utilisation d une pellicule Low-E améliore de beaucoup le rendement énergétique et que le perçage permet de conserver les caractéristiques des pellicules Low-E malgré une légère baisse d efficacité. En ce qui a trait aux vitrages triples, les conditions climatiques lors des essais ont changés drastiquement à un certain moment tel que cité ci-après. Le comportement du vitrage triple standard s est avéré assez concluant. Les vitrages triples ont en effet montré des performances similaires aux vitrages doubles avec Low-E lorsque soumis aux mêmes conditions. Les vitrages triples percés ont par contre affiché une performance assez ordinaire. Il est important de spécifier que les essais sur ces vitrages (triples percés) ont été effectués alors que les rayons du soleil n atteignaient plus les vitrages et qu une chute des températures drastiques s effectuait. Quoique supérieur aux vitrages doubles standards, le perçage semble avoir affecté considérablement ce type de vitrage. Il aurait été extrêmement pertinent de pouvoir comparer les résultats de ces mêmes vitrages percés dans les mêmes conditions mais la fenêtre de temps de l expérience n a pas permis de le faire. Nous sommes donc très prudents à tirer des conclusions face à cette situation. Nous ne pouvons démentir l hypothèse voulant que la circulation de l air entre les vitres avec l air de l extérieur fait en sorte qu il y ait une augmentation de l échange thermique. Par contre, il est possible que cette circulation ou ce mouvement de l air avec l air extérieur soit moins important que ce que l on aurait pu s attendre. Il est aussi plausible de croire que l air ne circule pas suffisamment pour empêcher cet air d agir comme barrière isolante. C est fondamentalement le principe des vitrages doubles et le perçage avec l utilisation de bouchons

appropriés ne semble pas aller totalement à l encontre de ce principe. Néanmoins, il existe certainement un échange d air avec l extérieur puisque l expérience avec cette technique de désembuage démontre qu elle a permis de diminuer le taux d humidité entre les vitres. Quant à la perte énergétique de cette méthode sur un bâtiment, plusieurs facteurs entrent en ligne de compte et il est très difficile de la quantifier. Par exemple, la zone climatique, l orientation du bâtiment, le pourcentage de fenestration, etc. ne sont que quelques exemples non-négligeables de facteurs qui peuvent influencer l efficacité énergétique d un bâtiment. Bien que la technique de désembuage en cause réduit l efficacité des vitrages, son impact semble relativement peu important quant on la compare à l efficacité de la fenêtre complète, et encore moins important si on regarde le bâtiment dans son ensemble. Nous nous sommes concentrés sur la température du verre seulement, et par conséquent, la perte d énergie par les vitrages seulement. Les pertes énergétiques par les infiltrations d air, par la conduction par les intercalaires et par les matériaux utilisés pour les boîtiers de fenêtre ne sont nullement affectées par le désembuage. Bien que le vitrage ait pu perdre de sa performance après avoir été percé, une fenêtre de qualité, demeurera une fenêtre de qualité. Autre point fort important, est l utilisation de la pellicule Low-E. Les essais ont volontairement été faits en période hivernale relativement froide pour mettre l emphase sur les pertes d énergie considérables qui sont reliées aux vitrages et aux fenêtres pour être plus général. L ajout de cette pellicule pratiquement invisible à l œil nu a un impact majeur sur les pertes de chaleur par un vitrage et donc la quantité d énergie nécessaire pour chauffer nos bâtiments. De plus, il a aussi été démontré par d autres études que la pellicule Low-E permet aussi d améliorer l efficacité énergétique des bâtiments en période plus chaude. Cette étude démontre que ces vitrages nettement plus performants que les vitrages standards resteront performants même après avoir été percés. Un autre fait particulièrement intéressant est que la caméra thermique, bien qu extrêmement sensible aux moindres petites variations de température, n a pas relevé de façon marquée la présence des trous sur les vitres. Si le mouvement d air par les trous avait été très important, nous aurions vu apparaître les trous de façon claire et détaillée sur les images. Pour conclure, la technique de désembuage par le perçage de trou permet clairement un certain niveau d échange d air avec l air extérieur puisque l utilisation de cette technique depuis de nombreuses années a montré des résultats réels et efficaces. En ce qui a trait au point de vue perte d énergie, il est clair que cet échange d air diminue l efficacité énergétique du vitrage seulement. Sur un vitrage de qualité moindre, ou standard, la perte est presque négligeable. Sur un vitrage plus performant (soit avec pellicule Low-E), il est clair que le vitrage demeurera performant dans la mesure où les propriétés de la pellicule sont conservées et cette même pellicule continuera son travail. Bien que la perte soit plus importante, le vitrage énergétique percé sera de loin supérieur à un vitrage standard. De plus amples recherches seraient nécessaire pour permettre de valider notre expérimentation. Aussi, le vitrage énergétique neuf garantira des pertes énergétiques moindre, mais tôt ou tard, il se descellera et la buée s installera entre les vitres. Dès ce moment, il faudra se questionner à nouveau si on doit envisager le remplacement

ou la restauration par le désembuage. Quoiqu il en soit, une évaluation du coût de remplacement versus le coût relié à la perte d efficacité du vitrage seulement devrait être envisagée, et les résultats pourraient être surprenants. En complément, nous avons fait quelques clichés sur les fenêtres de type guillotine (avec pellicule Low-E et argon) et la porte d entré du bâtiment que nous avons utilisée pour les essais. Le but étant d observer le comportement de ce type de fenêtre et de voir s il pourrait y avoir matière à de futures discussions. Ces photos ont été prises sans aucune radiation solaire. La figure 4 nous démontre à quel point ce type de fenêtre est plus assujetti aux infiltrations d air et comporte des ponts thermiques plus importants. Nous pouvons voir de façon évidente les infiltrations d air sur le pourtour supérieur des fenêtres. Celles-ci sont cependant dues à des «erreurs» de construction, et il était possible de le voir à l œil nu. On remarque aussi des pertes d énergies significatives au centre des fenêtres. Ces pertes pourraient être causées par des infiltrations d air, mais aussi par le pont thermique à la jonction des deux vitrages. Un autre fait important est l uniformité de la température sur les vitrages tels quels. On remarque une zone plus chaude sur le périmètre des vitrages. Le cadrage et les intercalaires sont probablement l explication logique à ce phénomène. Mais dans son ensemble, la température sur la presque totalité du vitrage est presque uniforme. L argon pourrait en être l explication puisque ce gaz plus lourd que l air a comme particularité de réduire le phénomène de convection entre les vitres, et conséquemment, une meilleure répartition de la chaleur entre les vitres. Quoiqu il en soit, du point de vue énergétique, ce type de fenêtre comporte plusieurs caractéristiques pouvant en réduire considérablement l efficacité. La figure 5 nous permet de comparer les pertes énergétiques des fenêtres par rapport à une porte. Nous savions que la porte laissait s infiltrer de l air par le coin supérieur, et la photo le démontre bien. Cependant, si on regarde la moitié inférieure de la porte, on remarque que les températures en surface sont inférieures aux sections de murs avoisinants. Il s agissait d une porte standard en acier, mais l évolution des techniques de construction des portes et l utilisation de matériau de qualité montre à quel point il est possible d obtenir une efficacité plus qu acceptable. Aussi, on peut remarquer la performance de ces fenêtres, et particulièrement des vitrages. Il s agit encore de vitrages Low-E avec argon. On peut encore voir les ponts thermiques assez clairement. Malgré tout, il est possible de nos jours, de choisir des fenêtres et des portes de qualité nous permettant de réduire nos pertes d énergies et ainsi réduire notre empreinte environnementale.

Figure 1 Vue intérieure et système de fixation des vitrages aux cadres de fenêtre. Figure 2 Vue d ensemble du principal mur visé par les essais

Figure 3 Population de référence (A, B, C) et population variable (D, E, F)

Figure 4 Mur Est 3 fenêtres à guillotines Figure 5 Mur ouest 2 fenêtres à guillotines, 1 porte