Memoire Online - Le verre dans le batiment - Hamid Zeroub et Mohamed Larbi

L'énergie du rayonnement solaire reçu sur Terre est constituée approximativement de 43% de lumière visible (longueurs d'onde comprises entre 400nm et 800nm), de 52% de rayonnement Infrarouge (longueurs d'onde supérieures à 800nm) et de 5% d'Ultraviolet (longueurs d'onde inférieures à 400nm).

Pour réduire l'échauffement à l'intérieur des locaux (et des véhicules) dû au rayonnement solaire (surtout pendant les mois d'été) on utilise depuis longtemps des vitrages absorbant préférentiellement le rayonnement infrarouge (IR). C'est le cas des vitres `teintées' utilisées dans le domaine du bâtiment mais aussi des transports. L'absorption du rayonnement infrarouge par les verres teintés est due aux ions Fe2+ dans la masse du verre, qui leur donne une coloration verdâtre. L'inconvénient de cette méthode est que le verre absorbant le rayonnement s'échauffe et, puisque sa température s'élève, réémet un rayonnement IR vers l'intérieur des locaux ce qui produit un échauffement supplémentaire qui s'ajoute à celui produit par conduction et convection dans l'air du local.

Une méthode plus efficace, qui a tendance à se généraliser, pour contrôler le transfert d'énergie par rayonnement à travers un vitrage est d'utiliser des verres revêtus d'une couche à faible émissivité.

Les dépôts à faible émissivité contribuent à l'isolation thermique déjà obtenue grâce à la structure en doubles (et éventuellement triples) vitrages (diminution de la conduction et de la convection).

C'est l'isolation thermique `renforcée'. Les caractéristiques d'un vitrage sont : - le coefficient de transmission lumineuse (lumière visible) TL

La valeur du coefficient U est essentiellement déterminée par la structure du vitrage (double ou triple, l'épaisseur des vitres et des espaces et la nature du gaz de remplissage). Les couches à faible émissivité participent à l'isolation thermique.

Dans le domaine du bâtiment, les couches à faible émissivité (réfléchissant préférentiellement l'IR mais transparents dans le domaine visible) permettent d'éclairer une pièce par la lumière du soleil tout en limitant l'échauffement en été ainsi que les déperditions d'énergie en hiver.

Pour produire des vitres à faible émissivité, on utilise généralement des verres clairs (de type `float') qui sont revêtus d'un dépôt (soit de type pyrolytique, soit par procédé PVD magnétron) d'un métal ou d'un oxyde métallique qui réduit l'émissivité du verre, ainsi :

v' dans les climats froids, la chaleur générée par le rayonnement solaire et les appareils de chauffage est gardée à l'intérieur.

v' dans les climats chauds, le transfert de chaleur depuis l'extérieur est réduit.

En contribuant à la réduction de la valeur du coefficient U (voir normes et standards), les dépôts à faible émissivité participent aux économies d'énergie en réduisant la consommation de chauffage en hiver et de climatisation en été. Pour optimiser les économies d'énergie, il faut tenir compte non seulement de l'émissivité mais aussi du facteur solaire ainsi que du choix de la face du vitrage (face 2 ou 3) qui doit recevoir la couche.

Les premiers vitrages à faible émissivité ont été réalisés plutôt pour minimiser les dépenses de chauffage. Ils présentaient un facteur solaire g et un facteur de transmission lumineuse TL élevés. Ces vitrages des vitrages à basse émissivité et haute transmission. Ils devaient donc transmettre les longueurs d'onde du rayonnement solaire (visible et proche Infrarouge, voir figure 25) mais arrêter le rayonnement Infrarouge lointain à grandes longueurs d'onde produits par les appareils de chauffage et autres corps terrestres (voir figure 25).

Actuellement, dans les immeubles dédiés au secteur d'activité tertiaire (bureaux) on recherche à minimiser les gains solaires, tout en gardant une bonne transmission lumineuse et une bonne isolation.

Les vitrages correspondant doivent donc transmettre la lumière visible, mais arrêter (donc réfléchir) les Infrarouges du rayonnement solaire et les Infrarouges lointains (voir Figure 25). Il s'agit de vitrages à faible émissivité sélectifs.

Si en outre la couche à faible émissivité sélective est déposée sur une vitre teintée ou si le coefficient de réflexion de la couche est augmenté, on obtient un vitrage à basse émissivité sélectif et à basse transmission.

Partie du spectre à grande longueur d'onde (IR). Le dépôt à faible émissivité est un mince film métallique ou d'oxyde métallique. Ce dépôt peut être de type pyrolytique (CVD) ou obtenu par pulvérisation (PVD). Le dépôt pyrolytique est plus résistant, plus commode à manipuler et à fabriquer. Le dépôt obtenu par pulvérisation est plus fragile mais présente de meilleures performances. Le dépôt pyrolytique est appelé `couche dure' et le dépôt PVD est appelé `couche tendre' ou encore `couche douce'. Par dépôt, on obtient facilement des valeurs d'émissivité faibles e = 0,2 (et même 0,04 pour des couches `tendres') alors que l'émissivité d'un verre usuel non traité est de l'ordre de 0,8 à 0,9 (typiquement 0,89).

Il existe deux familles de vitrage à faible émissivité (low-e glazing en anglais) : > Les verres à couches classe C

La couche est déposée sous vide (dépôt PVD magnétron). Il s'agit d'une couche dite `tendre'. Pour obtenir un vitrage de sécurité à faible émissivité, le verre est trempé mais la trempe doit avoir lieu avant le dépôt de la couche afin de ne pas détériorer celle-ci.

Ces couches sont plus performantes en termes d'isolation thermique que les couches dites `dures' mais elles doivent être utilisées uniquement en double vitrage car elles sont délicates.

La couche est de type pyrolytique, déposée `en ligne' à chaud pendant que la température du verre est encore au voisinage de 600°C. Ce dépôt est appelé couche `dure'. Le verre peut être trempé après le dépôt de la couche.

La trempe thermique de ces verres classe A de type pyrolytique est plus délicate que celle de verres classiques non traités. En effet, la trempe thermique pose des problèmes engendrés par la dissymétrie de rayonnement des deux faces (revêtue et non revêtue).

La chauffe symétrique nécessaire pour éviter une déformation du verre impose des consignes de chauffage différenciées sur les deux faces.

De plus, pour ne pas dégrader la couche à faible émissivité, la température atteinte avant refroidissement ne doit pas dépasser 600°C (contre près de 650°C pour la trempe thermique d'un verre clair classique). Il en résulte qu'un refroidissement plus rapide s'impose pour obtenir un verre trempé.

Tableau5 : récapitulatif des propriétés comparées des deux types de couches.

Revêtement `dur' (pyrolytique)		Revêtement `tendre' (dépôt PVD)
Avantages	Inconvénients	Avantages	Inconvénients
Bonne durabilité, manutention facile	valeur de U plus élevée.	transmission dans le visible élevée.	fragile à la manipulation, précautions nécessaires pendant la fabrication du vitrage
la vitre traitée peut être trempée	diffusion optique légèrement plus visible.	bonne clarté, peu de diffusion.	doit être utilisé exclusivement en double (ou triple)

NB : Si un vitrage est déjà en place sur un immeuble, il est encore possible d'obtenir un vitrage à faible émissivité et réflecteurs en appliquant sur ce vitrage un film plastique mince revêtu d'une couche à faible émissivité et à contrôle solaire. Ces films sont en principe utilisés seulement pour la rénovation.

Près de 25% de la facture énergétique (chauffage et rafraîchissement) sont dus à la mauvaise qualité des vitrages en termes d'isolation thermique. L'efficacité des vitrages en ce qui concerne l'énergie est caractérisée par le coefficient U et le coefficient g (appelé SHGC pour `Solar Heat Gain Coefficient' en anglais).

Le coefficient g est exprimé par un nombre compris entre 0 et 1. Un faible coefficient g signifie moins d'apport de chaleur par le rayonnement solaire et plus d'effet d'ombrage.

Les performances d'un vitrage isolant sont caractérisées par sa valeur U. Le coefficient U, exprimé en W/ (m2.K) (watts par m2 et par degré) représente le niveau de déperdition de chaleur. Ainsi la valeur U d'un simple vitrage classique est 5,8.

La valeur U est 2,8 pour un double vitrage ordinaire et 1,9 pour un double vitrage avec couche isolante à faible émissivité déposée sur la face 3 (figure 2).

La valeur de U est abaissée à 1,1 si la l'air entre les feuilles de verre est remplacée par de l'azote. L'épaisseur totale d'un tel double vitrage est 24mm. La valeur de U pour un triple vitrage à faible émissivité et rempli d'azote est aussi basse que 0,65 W/ (m2.K).

Figure 33. isolation thermique

comparées d'un simple vitrage,d'un double vitrage ordinaire et d'un double vitrage avec couches à faible emissivité

Dans un proche avenir, les vitrages isolants thermiques auront des performances encore meilleures. Ainsi, un double vitrage isolant où la lame d'air intermédiaire est remplacée par du `vide' pourrait avoir une valeur de U aussi basse que 0,6 W/ (m2.K) pour une épaisseur totale n'excédant pas 8mm. Rappelons qu'un mur sans isolation particulière a une valeur de U typique de l'ordre de 0,5 W/ (m2.K). Les meilleures performances actuelles en termes d'isolation thermique sont obtenues avec des triples vitrages composés de feuilles de verre à dépôts peu émissifs et dont les espaces sont remplis de gaz xénon. Si dans tous les cas on a intérêt à avoir une valeur de U la plus faible possible, la valeur du facteur solaire g optimale dépend du climat. Pour les pays à climats chauds (où la dépense d'énergie en climatisation est prépondérante), g doit être faible. Au contraire, dans les pays à climat froid (où les dépenses de chauffage sont prépondérantes), une valeur de g est préférable pour profiter de l'apport d'énergie solaire.

Pour caractériser de façon simple les performances optiques d'un vitrage, il est commode de mesurer le coefficient de transmission spectrale, c'est à dire la transmission en fonction de la longueur d'onde du rayonnement. La couche à faible émissivité permet de conserver une transmission lumineuse TL élevée tout en réfléchissant sélectivement le rayonnement Infrarouge (grandes longueurs d'onde). Le film plastique métallisé abaisse le coefficient de transmission lumineuse TL jusqu'à 20%, mais surtout abaisse fortement de coefficient g en réfléchissant fortement le rayonnement Infrarouge. Ce type de comportement est recherché pour les immeubles administratifs (principalement pour les façades exposées au soleil).

La puissance incidente, caractérisée par le flux G est absorbée, réfléchie ou transmise, ce qui s'écrit (figure 35):

Avec: a = absorbance ; p = réflectivité ; t = coefficient de transmission. Naturellement, a + p + t = 1.

Figure 34. bilan énergétique (les fflux s'expriment en W/m2 ).G est le flux de chaleur

incident en provenance de la source. J est le flux total envoyé par la surface vers la source.

Soit à étudier le transfert de chaleur par rayonnement à travers un vitrage (figure 36) :

- venant de l'intérieur : le rayonnement infra rouge émis par les objets présents et les appareils de chauffage. Il s'agit d'optimiser les échanges pour avoir :

Des économies d'énergie sont réalisées si on place une lame mince transparente dans le visible et réfléchissante dans l'IR. En effet on optimise les transferts radiatifs :

- en été, la lumière visible et surtout la chaleur sous forme de rayonnement IR provient de l'extérieur (la lumière solaire).

- en hiver, la source de rayonnement IR est essentiellement située à l'intérieur.

Un vitrage à faible émissivité est donc réalisé par un dépôt métallique de faible épaisseur (de l'ordre de 4 nm), transparent dans le visible mais réflecteur dans l'IR lointain.

Les matériaux ou structures électrochromes ont la particularité de changer de propriétés optiques (couleur et/ou transparence lumineuse) sous l'effet d'un champ électrique appliqué.

L'effet est réversible mais il peut être rémanent ou non rémanent. Nous montrons ici deux exemples de vitrages électrochromes. Ces vitrages électrochromes fonctionnent sous basse tension et consomment une puissance électrique extrêmement faible.

Le premier exemple est un vitrage apte à passer de l'état diffusant à l'état transparent sous l'effet d'une tension alternative de quelques dizaines de volts. Le film actif est constitué d'une matrice polymère contenant de fines gouttelettes de cristaux liquides (PDLC est l'acronyme de Polymer Dispersed Liquid Crystal).

Ces vitrages, qui sont commercialisés, même avec des dimensions importantes (plusieurs m2) sont plutôt utilisés pour les bureaux, hôtels, hôpitaux ... Les applications domestiques sont encore peu diffusées.

Au repos (lorsqu'aucune tension électrique n'est appliquée) le vitrage est translucide. Le vitrage devient transparent si la tension électrique est appliquée. Il n'y a pas d'effet `mémoire' : le vitrage redevient translucide dès que la tension électrique est supprimée. Le temps de réponse est très court (inférieur au 1/10ème de seconde).

La réalisation est obtenue en plusieurs étapes. Un liquide comprenant un mélange de molécules cristaux liquides, de molécules polymérisables (appelées monomères) et d'une petite quantité de billes de silice de très petit diamètre (quelques dizaines de microns, en fait leur diamètre correspond à l'épaisseur du film électrochrome à former) et appelées à jouer le rôle d'espaceurs est versée sur la face d'une vitre rendue conductrice par un dépôt d'ITO (voir dépôt conducteur à base d'oxyde d'étain et d'indium). Ensuite, une deuxième vitre dont la face interne est elle aussi rendue conductrice par un dépôt d'ITO est appliquée sur le film liquide. On obtient ainsi une structure `sandwich' schématisée sur la figure 37.

Figure 37. Structure d'un vitrage obturateur.
L'épaisseur du film est de quelques dizaines de micromètres.

Les `espaceurs' (en silice) maintiennent l'épaisseur du film constante et évitent tout court-circuit entre les deux électrodes transparentes. Ces espaceurs occupent un très petit volume du film et sont pratiquement Invisibles. L'épaisseur totale du vitrage est de l'ordre de 3 millimètres. La morphologie de type `microcomposite' composée d'un film mince polymère renfermant de fines gouttelettes (dont le diamètre est de l'ordre de la dizaine de micromètres) de cristaux liquides est formée au moment de la polymérisation qui provoque une séparation de phase entre molécules de cristaux liquides et molécules monomères formant le film polymère.

A l'intérieur d'une gouttelette, les molécules de cristaux liquides sont orientées les unes par rapport aux autres. Une gouttelette est donc anisotrope du point de vue optique.

Cette anisotropie est caractérisée par la présence d'un axe optique correspondant à la direction d'alignement des molécules de cristaux liquides dans la gouttelette. Au repos, les axes optiques des gouttelettes sont distribués au hasard et la lumière est diffusée (le vitrage est opaque, ou plutôt translucide) car le film PDLC n'est pas homogène (il diffuse la lumière à l'instar du brouillard qui est constitué de fines gouttelettes d'eau en suspension dans l'air).

Sous l'effet d'un champ électrique, les axes optiques des gouttelettes sont alignés. Les molécules de cristaux liquides sont choisies de telle façon que l'indice ordinaire n_o des gouttelettes soit égal à l'indice de la matrice polymère.

Le film apparaît `homogène' au rayonnement incident et la lumière n'est plus diffusée (le vitrage devient transparent) comme indiqué sur la figure 3. Rappelons que l'effet est non rémanent : le vitrage redevient translucide si la tension électrique est supprimée.

Figure 38. Principe de fonctionnement d'un vitrage `obturateur'.Sous l'effet d'une tension
électrique alternative de quelques volts, les molécules de cristaux liquides s'orientent.

Le verre dans le batiment

5.3 - Les verres à couches pour l'isolation thermique renforcée et le contrôle solaire

5.3.1-Le verre et le rayonnement solaire

5.3.1.1- Introduction et définitions