T + 33 1 44 79 37 10 www.elements-ing.com 47 rue de Paradis 75010 Paris - France ETABLISSEMENTS ADEIMA REFLEX SOL ETUDES DIVERSES & ACCOMPAGNEMENT TECHNIQUE Juin 2016 Version 1 V1 T. METGE
Sommaire 1. OBJECTIFS...3 2. DESCRIPTION DES PRINCIPES PHYSIQUES DU COMPORTEMENT DES VITRAGES ET DES STORES...4 2.1. RAYONNEMENT, LONGUEUR D ONDE ET EFFET DE SERRE... 5 2.2. FACTEUR SOLAIRE : PRINCIPES... 7 2.3. LES VITRAGES «SOLAIRES»... 9 2.4. L EMISSIVITE... 10 3. ETUDE COMPARATIVE DE PROTECTIONS SOLAIRES... 11 3.1. IMPACT DU TYPE DE VITRAGE... 12 3.2. IMPACT DU TYPE DE STORE INTERIEUR... 13 3.3. IMPACT DE LA COULEUR DE LA TOILE (GAMME REFLEX SOL 555 ET 323)... 14 3.3.1. Toile 555... 14 3.3.1. Toile 323... 14 2 / 14
1. OBJECTIFS L objet de cette mission «d études et d accompagnement» est d aider à renforcer la communication technique d Adeima sur ses produits Réflex sol (avec focalisation sur les toiles 555 et 323), via les compétences spécifiques de Eléments Ingénieries vis-à-vis du comportement énergétique des façades. En effet, en tant que praticiens de la Maitrise d Œuvre (conception et suivi de chantier), nous apprécions le potentiel spécifique des produits Réflex sol, recommandés régulièrement dans nos projets d architecture. Cependant, nous constatons également la difficulté à les maintenir jusqu au bout (face à la concurrence, bien implantée auprès des prescripteurs et des entreprises) et donc la nécessité d une documentation technique, voire d un argumentaire, à destination des façadiers, BET et architectes, pour favoriser leur prescription et à leur maintien jusqu à la livraison. Il s agit ainsi de fournir à Adeima les éléments techniques permettant d établir une communication solide, scientifique et donc indéniable, qui assure la performance in fine des bâtiments construits. Certains éléments existent déjà chez Reflexsol (notamment les caractéristiques détaillées des produits : transmission solaires, réflexion, etc.). Il s agit donc de les valoriser et de les compléter. Ce document se décompose ainsi en deux parties complémentaires : - Description des principes physiques du comportement des vitrages et des stores - Etude démonstrative et comparative de différentes solutions Il sera enfin complété par une réunion de restitution et présentation à l équipe ADEIMA 3 / 14
2. DESCRIPTION DES PRINCIPES PHYSIQUES DU COMPORTEMENT DES VITRAGES ET DES STORES Le comportement des vitrages et des stores sous ensoleillement est généralement mal connu et source de méprises, car de nombreux phénomènes physiques, réputés complexes, se superposent. Cette méconnaissance et les confusions associées entraînent régulièrement des erreurs dans les prescriptions de produits au sein des maitrises d œuvres, sans valoriser les qualités intrinsèques des toiles Reflex sol. Pourtant, les principes scientifiques qui régissent le comportement des façades vitrées restent relativement simples pour peu qu on les conçoive clairement. Il s agit donc ici d exposer les principes physiques du comportement des vitrages et des stores, ce à destination des commerciaux et des prescripteurs. On s intéressera aux questions suivantes : - Comment se décompose le rayonnement solaire, en longueur d ondes, et quelles sont les propriétés du verre vis-à-vis de ces longueurs d ondes? - Qu est-ce que l effet de serre? - Comment se comporte le rayonnement solaire au sein d un complexe vitrage + store? - Pourquoi les protections solaires extérieures sont en générales plus performantes que les stores intérieurs? Et quels sont les moyens pour valoriser au mieux les stores intérieurs? - Quelle est l impact de l émissivité? - Quelles sont les avantages d une protection solaire avec un store plutôt qu avec un vitrage solaire? 4 / 14
2.1. Rayonnement, longueur d onde et effet de serre Le spectre de fréquence de rayonnement évolue avec la température du corps émetteur. C est ainsi que le soleil (env. 5500 C de température de surface) émet à la fois son ryonnement dans «l Ultra- Violet», le «Visible» et l «Infra-Rouge solaire, à courte longueur d onde». En revanche, les corps à température ambiante émettent seulement dans le «Grand Infra-Rouge». Les gammes spectrales sont donc clairement dissociées. Température, Rayonnement et Longueur d onde Le verre est un matériau très particulier : fortement transparent dans le spectre visible, il s opacifie progressivement à mesure que la longueur d onde augmente. Ainsi, dans le grand infra-rouge, ses indices de transparence et de réflexion sont très bas, tandis que l absorption et son alter-ego, l émissivité, sont très élevés (env. 89%) En d autres termes, dans le grand IR, le verre est opaque ; il asborbe et ré-émet tout le rayonnement, provoquant l effet de serre. Spectrophotométrie du verre en fonction de la longueur d onde L effet de serre dans l atmosphère et au sein d un volume vitré procède de phénomènes similaires, directement liés avec les phénomènes et propriétés explicités ci-avant. En effet, le verre et certains gaz qui constituent l atmosphère (vapeur d eau, CO2, CH4 et O3, situés principalement dans la couche stratosphérique) partagent des propriétés similaires de sélection spectrale : très transparents dans le domaine visible, ils sont au contraire très absorbants dans le grand infra-rouge. La lumière visible et l énergie solaire pénètre donc largement dans ces volumes (atmosphère / volumes vitrés) et frappe les surfaces en regard (terre / parois). Selon la réflectivité des surfaces en regard, parfois appelée «albédo», une portion plus ou moins importante de ce rayonnement sera réfléchie sans modification de la longueur d onde et retraversera la couche limite. Comme la transparence n est pas parfaite, on y observe déjà un premier niveau d absorption et donc d échauffement. 5 / 14
Ensuite, les surfaces ayant absorbé une certaine portion de l énergie solaire, elles réémettent l énergie accumulée dans le spectre des grands infra-rouges, compte tenu de leur température (comme vu ci-avant). Ce second niveau de rayonnement ne traverse pratiquement pas la couche limite et est ainsi totalement absorbé. L échauffement résultant est important et agit donc comme une véritable barrière thermique. Effet de serre dans l atmosphère (source www.abcclim.net) Cet échauffement par effet de serre a son intérêt : pour la terre, cela permet d assurer une température moyenne de 15 C contrairement à la lune, qui ne dispose pas d atmosphère et dont la température moyenne atteint seulement -17 C. Pour une cavité vitrée, comme une serre horticole ou une véranda, cela permet aussi d assurer une montée en température significative, sans chauffage, utile pour la culture ou l agrément. Cependant, pour la Terre, les limites de ce phénomène sont sa sensibilité importante aux taux de gaz dits à effet de serre, qui risquent d induire une montée en température significative. Pour un volume vitré et un bâtiment, cela implique que une fois que le soleil a traversé le vitrage, il est difficile de le faire ressortir sans échauffer le verre et le volume associé. C est pourquoi les stores extérieurs montrent leurs forces, puisqu ils limitent d emblée le rayonnement incident sur le vitrage (réflexion, faible transmission et infra-rouge) Dans le cadre de protections solaires placées à l intérieur, c est là que les stores Réflex sol présentent leur intérêt. En effet, ceux-ci sont recouverts d une fine couche d aluminium pur. Or l aluminium bénéficie d une propriété particulièrement intéressante : sa réflectivité est maximale dans toutes les gammes de longueur d onde qui nous intéressent, et notamment dans le domaine visible et le spectre solaire (0.25 à 2.5 μm). Ainsi, lorsque le rayonnement solaire traverse le verre, il vient frapper une surface très réfléchissante. Comme la réflexion s opère sans modification de la longueur d onde, le rayonnement retraverse le verre dans sa gamme de transparence maximale. L absorption et l effet de serre sont ainsi minimisés, le facteur solaire est optimal. Dans le cas d un store classique, en toile ou PVC, le rayonnement solaire réfléchi sera limité à l indice de réflexion de cette toile (qui dépend directement de sa couleur), soit au maximum 60-70% dans le cas de toile blanche, et plus couramment dans la gamme de 20 à 50%. Le reste du rayonnement traversera la toile vers l intérieur ou sera absorbé. La portion absorbée sera réémise sous la forme de rayonnement infra-rouge, sans pouvoir traverser de nouveau le verre vers l extérieur... 6 / 14
2.2. Facteur solaire : principes Pour comprendre l impact quantitatif de ces phénomènes, et donc les atouts des toiles Reflex sol, il est important de bien comprendre la notion de «facteur solaire». Elle exprime simplement le rapport entre la quantité d énergie traversant la façade vitrée (store inclus) sur l ensoleillement incident Il est donc par définition inférieur à 1 ; par ailleurs, plus il s approche de 0, meilleure est le contrôle solaire. Facteur Solaire = Energie transmise Ensoleillement Incident Facteur Solaire : Energie transmise à travers un double vitrage VS. double vitrage + store intérieur L énergie transmise à l intérieur correspond à l énergie totale, selon de multiples modes de transferts : - Part directe o Ce transfert est propositionnel à la transparence du système vitré, que ce soit dans le mode directe ou diffus ; - Part rayonnée dans le spectre «IR» o Elle dépend de la température de la couche intérieure et de son émissivité (face intérieure) - Part transmise par convection o Elle dépend principalement du différentiel de température entre la couche intérieure et l air intérieur ; - Part transmise par ventilation o Ce mode de transfert existe dans le cas d un système «ouvert» : lorsqu il y a un transfert d air entre une zone du système vitré et l air intérieur. C est notamment le cas des stores intérieurs, compte tenu de la ventilation naturelle qui apparait au sein de la lame d air comprise entre le vitrage et le store, via les ouvertures (basse et sur les côtés) Dans le cas des stores Réflex sol, tous ces modes sont concernés. 7 / 14
Il est utile de mettre en perspective les Facteurs Solaires résultants, en ordre de grandeur, selon les différents modes de protections solaires (en ordres de grandeurs) et donc de positionner les stores Reflex sol Store extérieur Store intermédiaire (cavité ventilée) Store intermédiaire Store Réflexsol Store intérieur classique Vitrage seul 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 Facteur Solaire Outre ces notions théoriques et générales, on étudiera concrètement, ci-après (cf. 3 Etude comparative de protections solaires), des calculs comparatifs, afin de déterminer l influence de différents paramètres (réflexion de la toile, lame d air ventilée, etc.). On comparera enfin la performance de produits réels. 8 / 14
2.3. Les vitrages «solaires» On désigne par l appellation «vitrage solaire» un composé verrier muni d une couche «sélective» (à distinguer des verres teintés ou réfléchissants, développés dans les années 70-80). En effet, quel que soit le type de couche (couche dure / enduit tendre «magnétronique»), leur ambition est d abaisser le facteur solaire du vitrage en diminuant la transmission du verre dans la gamme des infra-rouges à courte longueur d onde, donc «solaires». A contrario, on cherche à affecter le moins possible la transmission lumineuse (dans le spectre «visible») ce qui relève donc bel et bien d une sélectivité. En général, on désigne les vitrages en associant leur transmission lumineuse et leur facteur solaire, ce qui permet à la fois de connaitre le niveau de filtre permis par la couche et donc d en qualifier la qualité. Ainsi : - Un vitrage «70/40» permettra une transmission lumineuse de 70% (pour une épaisseur standard, par exemple 6-16-6) et un facteur solaire de 0.4. - Un vitrage «60/30» ou a fortiori «50/25» seront donc plus filtrants - Enfin, un vitrage «70/40» sera plus performant qu un «68/40», puisqu il permettra plus de transmission lumineuse pour un même facteur solaire. Exemple de Spectre en transmission, pour un vitrage clair (Planiclear StG.) et un vitrage solaire type 70/40. L intérêt de ce type de verre est qu il permet (parfois) de se passer de store. Cependant, sa limite principale est liée à son caractère «permanent». En effet, il ne bénéficie d aucune logique saisonnière or s il est certes primordial d assurer un contrôle solaire stricte en été, il peut au contraire être pertinent de permettre des apports solaires plus généreux en période froide, de manière à réduire les besoins de chauffage via les apports thermiques «passifs» du soleil. En outre, la transmission lumineuse est significativement impactée même dans le cas de vitrages faiblement sélectifs (dans l exemple ci-dessus, la transmission lumineuse passe de 82% à 70%, soit une perte de 1/6 de lumière) Cela pose donc aussi une limite à l échelle journalière, puisqu on protège autant la façade en situation fortement ensoleillée qu en ciel diffus, impactant d autant la transmission lumineuse. On peut donc arriver à un manque de lumière patent, a fortiori dans le cas des vitrages fortement sélectifs Enfin, comme on le verra avec les calculs présentés ci-après, l association d un vitrage solaire avec un store intérieur, est généralement peu pertinente : en effet, si le rayonnement solaire traverse mal le vitrage dans un sens, il en va de même dans l autre sens (sans même compter l effet de serre inhérent au matériau verrier). Ce type d approche dénote donc d une méthode compensatoire, lorsque les seuils de contrôle solaire doivent être maintenus au plus bas. Dans ce dernier cas, les stores Reflexsol apportent aussi un avantage significatif sur les produits de la concurrence, dans une association avec un vitrage solaire, dans une perspective où chaque point de Facteur Solaire compte. 9 / 14
2.4. L émissivité Dans l univers de la façade et des stores, l émissivité est une notion «à la mode» ; pourtant elle reste généralement mal comprise L émissivité représente la capacité plus ou moins importante d un corps à émettre un rayonnement (en surface). Pour la quantifier, on compare la surface à un «corps noir», objet idéal réémettant la totalité de son énergie dans toutes les longueurs d ondes et donc d émissivité égale à 1. En conséquence, l émissivité d un corps notée par convention Epsilon «ε» est toujours inférieure à 1. Pour la plupart des matériaux usuels, on peut assimiler l émissivité à l absorption (ou absorptivité) ; pour les corps classiques (béton, bois, verre), elle est égale à 0.9. Enfin, dans la mesure où, dans le domaine de la construction, les températures envisagées sont proches de l ambiante (-50 à +100 C), l émissivité s intéresse à la gamme spectrale du grand Infra-Rouge. Il s avère que l aluminium présente des caractéristiques très spécifiques : il reste en effet très réfléchissant (de l ordre de 90-95%) dans toutes les longueurs d onde (UV à grand Infra-Rouge cf. courbe ci-avant). Son émissivité pouvant être assimilée à son absorptivité, elle reste donc inférieure à 0.05 0.10. En conséquence, même relativement chaud, il ne réémettra que peu d énergie par rayonnement. Cette propriété peut ainsi être intéressante au sein des doubles vitrages, puisqu elle crée une «barrière» à la transmission de chaleur par rayonnement, en parallèle de la barrière à la conduction permise par la lame de gaz. De même, cette propriété peut être intéressante sur la face intérieure d une toile exposée directement au rayonnement solaire (par exemple pour un parasol). En effet, le rayonnement IR vers l individu sera limité, tandis que le rayonnement vers le ciel sera privilégié. Dans le cas de protections solaires intérieures, l émissivité ne joue qu un rôle limité, en termes de performances. En effet, lorsque la face extérieure est recouverte d une couche à faible émissivité, elle limitera le rayonnement infra-rouge seulement vers l extérieur (sachant que le double vitrage ne laissera pas passer le rayonnement Infra-Rouge). Il s ensuit donc une élévation de la température du store, qui perdra ainsi ses calories par convection et ventilation A titre d exemple, on voit ci-après que la différence entre une toile avec ou sans faible émissivité est très faible (pour un double vitrage clair et une toile type 323) : la diminution de rayonnement IR est pratiquement compensée par la convection et la ventilation. ε = 0.9 ε EXT = 0.13 ε INT = 0.9 ε EXT = 0.13 ε INT = 0.13 Part directe 0.027 0.027 0.027 Part convection 0.038 0.031 0.054 Par rayonnement IR 0.086 0.070 0.021 Part ventilation 0.076 0.093 0.12 FACTEUR SOLAIRE 0.227 0.221 0.217 La véritable différence de performance se joue ainsi avant tout au niveau de la réflexion solaire qui doit être maximisée et de la transmission solaire qui doit être minimisée. Les propriétés des toiles 555 et a fortiori de la toile 323 remplissent justement ces deux conditions. 10 / 14
3. ETUDE COMPARATIVE DE PROTECTIONS SOLAIRES Afin d étayer le discours, il est utile de démontrer «en chiffres» les performances, notamment en comparant diverses solutions de protections solaires et plus précisément d assemblages vitrages + stores. Pour cela, on se basera sur des produits réels et typiques des projets d architecture actuels. L objectif est d apporter des informations telles que : - L impact du type de vitrage (clair, feuilleté, solaire) sur les performances - La comparaison entre un store intérieur classique, la toile Réflex sol 555 et la toile 323 - Impact de la couleur de la toile - Impact de l épaisseur de la lame d air entre le vitrage et le store intérieur et de la ventilation possible (ou non) de cette lame d air Les résultats sont présentés sous une forme graphique, indiquant le facteur solaire. 11 / 14
Facteur solaire Reflexsol 3.1. Impact du type de vitrage Comme on l a vu précédemment, la transmission solaire du complexe vitré participe directement à l ampleur de l effet de serre : paradoxalement, plus un vitrage laissera passer de rayonnement solaire, plus il sera performant, puisqu il laissera aussi mieux ressortir le rayonnement après réflexion sur le store intérieur. Par conséquent, un vitrage dit «extra-clair» sera plus performant qu un vitrage «clair», et a fortiori qu un vitrage à couche sélective «solaire». On compare plusieurs types de verres, de composition 6mm / 16 mm d Argon (90%) / 6 mm, avec couche low E en face 2 (désormais classiques et permettant d améliorer la capacité isolante du complexe verrier, avec un Ug de l ordre de 1,1 W/m 2.K) : - Vitrages extra-clairs (low iron) : Ipawhite (AGC Interpane) + couche Iplus top en lame N 1 ; Ipawhite en lame n 2 - Vitrages clairs (float) : Planilux + couche Planitherm Ultra N (Saint Gobain) en lame n 1 ; Planiclear en lame n 2 - Vitrages «solaires» o Planilux + couche Cool-Lite SKN 174 en lame n 1 ; Planiclear en lame n 2 type «70/40» o Planilux + couche Cool-Lite SKN 154 en lame n 1 ; Planiclear en lame n 2 type «52/28» On s intéresse à la fois au facteur solaire résultant avec le store intérieur, mais aussi à l écart entre le cas sans store et le cas avec stores intérieur lequel gagne à être maximal. 0.7 0.6 555 Blanc Sans stores 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 Vitrage extra clair Vitrage clair Vitrage clair Feuilleté Vitrage solaire 70/40 Vitrage solaire 52/28 On constate tout d abord que le vitrage extra-clair permet effectivement d atteindre de meilleures performances que le vitrage clair (sachant qu un écart de 2 à 3 points de facteur solaire est significatif). Les performances du feuilleté (clair) sont comparables au vitrage en lame pleine, avec store, mais il est intéressant de noter que, sans store, son facteur solaire est légèrement moindre En réalité, le PVB introduit une baisse parfois significative de la transmission solaire du vitrage. En l occurrence, pour le vitrage n 1, on passe ainsi de Ts = 60% à Ts = 56% (pour une épaisseur équivalente) Dans la réalité des projets, les feuilletés introduisent généralement des surépaisseurs, par exemple 66.2 au lieu de 33.2, ce qui impacte la transmission solaire du vitrage à double titre : à la fois à cause du PVB et compte tenu de l épaisseur de vitrage résultante. Par conséquent, pour atteindre de très hautes performances (par exemple avec une toile 323), il faut privilégier des vitrages en lames pleines, et en cas de vitrages feuilletés, des assemblages à fine épaisseur (33.2 ou 44.2) Le cas des vitrages solaires est différent ; en effet, c est d abord la couche sélective qui «travaille». On voit ensuite que l écart entre le double vitrage non protégé et le vitrage avec store intérieur est moindre que pour un vitrage clair (on verra ci-après que, pour des stores classiques, cet écart diminue encore ) On peut donc conclure que les stores Réflex sol permettent bel et bien une amélioration importante du contrôle solaire des vitrages (même «solaires»). L écart sans/avec store est maximal avec un vitrage clair et à fortiori extra-clair. 12 / 14
Facteur solaire Reflexsol 3.2. Impact du type de store intérieur Il est évident que le type de store intérieur impacte fortement la performance solaire de l assemblage verrier. Pour l illustrer, on compare ci-après les performances pour divers produits : - La toile 323 (version blanche) : Ts = 3% ; Rs = 83% - La toile 55 (version blanche) : Ts = 6% ; Rs = 77% - Le produit concurrent Soltis 86-2061 «Low E» : Ts = 18% ; Rs = 61% - Le produit concurrent Soltis 86-2048 : Ts = 22 % ; Rs = 42% On associe successivement ces toiles aux vitrages extra-clairs, clairs et solaires 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 Reflexsol toile 323 (blanc) Reflexsol toile 555 (blanc) Soltis 86-2061 Low E Soltis 86-2048 Sans stores 0 Vitrage extra clair Vitrage clair Vitrage solaire 70/40 Vitrage solaire 52/28 L intérêt des produits Réflex sol (toiles 323 en bleu, et 555 en orange) ressort clairement par rapport aux produits concurrents Soltis (86-2061 low E en gris, et 86-2048 en jaune), avec un gain : - de 10 à 25 points de facteur solaire avec un vitrage extra-clair - de 7 à 18 points, avec vitrage clair - de 5 à 13 points, avec un vitrage solaire faiblement sélectif (70/40) - de 3 à 8 points, avec un vitrage solaire fortement sélectif (52/28) L avantage concurrentiel des produits Réflex sol ressort donc particulièrement, pour des vitrages clairs et extra-clairs. Dans le cas de vitrages solaires, les écarts sont certes moindres ; cependant, il est beaucoup difficile d atteindre de hautes performances avec ce type de vitrage et 1 à 2 points de facteur solaire sont donc particulièrement précieux. Les produits Réflex sol peuvent donc faire une grande différence avec des vitrages «solaires». 13 / 14
Facteur solaire Facteur solaire Reflexsol 3.3. Impact de la couleur de la toile (gamme Réflex sol 555 et 323) Parmi les toiles Réflex sol, plusieurs coloris existent pour la face intérieure, sans changement perceptible pour la face métallisée. Quelques petits écarts existent sur les propriétés solaires. Il est intéressant d examiner leur impact sur les performances résultantes en Facteur Solaire (norme ISO 13 363-2, vitrage extra-clair à couche low-e). 3.3.1. Toile 555 Les variations (réelles ou seulement mesurées) impliquent une amplitude en Facteur Solaire jusqu à 1,5 point. 0.25 Extra-Clair + 555 0.245 Extra-Clair + 555 0.24 0.235 0.23 Blanc Ecru Gris clair Gris foncé Noir 3.3.1. Toile 323 Dans le cas de la toile 323, ces variations sont plus significatives, à la fois en amplitude (2 points de Facteur Solaire) et en écart relatif (13%). 0.21 Extra-Clair + 323 0.205 0.2 Extra-Clair + 323 0.195 0.19 0.185 0.18 Blanc Noir Gris Ivoire Brun 14 / 14