Avant de choisir l'un ou l'autre type de fenêtre, il peut être utile d'examiner le fonctionnement des fenêtres, c'est-à-dire en quoi elles contribuent aux gains d'énergie solaire d'une maison et comment elles agissent sur les pertes de chaleur par temps couvert.

4.1 Facteurs contribuant aux gains solaires

Plusieurs facteurs influent sur la capacité des fenêtres à capter l'énergie solaire, notamment 1) l'emplacement et l'orientation; 2) la conception de la fenêtre (et le pourcentage de vitrage transparent); 3) le type de vitrage utilisé; 4) la quantité d'ombrage à l'intérieur et à l'extérieur.

Emplacement et orientation

L'emplacement et l'orientation de la fenêtre par rapport au soleil est le facteur déterminant pour ce qui est des gains d'énergie solaire, bien qu'un certain gain puisse être réalisé dans toutes les directions par rayonnement diffus.

Au cours de l'hiver, le soleil du midi étant bas à l'horizon, les rayons peuvent pénétrer par les fenêtres orientées vers le sud (fig. 21a). Ces gains solaires peuvent contribuer à réduire les frais de chauffage pendant l'hiver.

En été, lorsque le soleil du midi est plus haut, une fenêtre orientée vers le sud reçoit en fait très peu de soleil (fig. 21b). En outre, ces rayonnements frappent la fenêtre à un angle tellement fermé qu'ils sont réfléchis. En été, des auvents ou un avant-toit légèrement en surplomb peuvent ombrager les fenêtres orientées vers le sud et réduire davantage ces gains solaires indésirables. Ces dispositifs, placés judicieusement, ne devraient pas empêcher les gains solaires en hiver.

Pendant l'été, l'excès de chaleur provient plutôt des fenêtres non ombragées orientées vers l'ouest et, dans une moindre mesure, de celles orientées vers l'est. Des arbres à feuillage caduc, plantés au bon endroit, réduisent l'excès de chaleur en été, tout en permettant d'obtenir des gains solaires souhaitables en hiver.

Conception des fenêtres

La conception et le facteur de gain de chaleur d'une fenêtre modifient également sa capacité à capter la chaleur du soleil. Une fenêtre à large cadre comportant de nombreux petits carreaux séparés par des meneaux et des montants présente une aire vitrée réduite et capte moins d'énergie solaire (fig. 22a). Par contre, une fenêtre à cadre réduit possédant un seul grand carreau placée dans la même ouverture brute présente un plus grand rapport carreau-cadre et laisse passer plus de soleil dans les pièces habitables (fig. 22b).

Choix du vitrage

Le nombre de vitrages a également un effet sur les gains solaires. Par exemple, une fenêtre à triple vitrage de verre ordinaire réduit le gain solaire de
20 p. 100 comparativement à une fenêtre à simple vitrage présentant la même aire vitrée. Un modèle à double vitrage réduit le gain solaire d'environ 10 p. 100 (fig. 23).

Les revêtements et les teintures pour vitrage ont aussi un effet. C'est le verre transparent qui transmet le plus d'énergie solaire à l'intérieur d'un bâtiment. Le verre teinté et le verre revêtu d'un enduit spécial isolant à faible E (dont il est question à la section 7) peuvent réduire d'un tiers les gains thermiques. Par exemple, une fenêtre à double vitrage revêtu d'un enduit à faible E sur une face transmet jusqu'à 20 p. 100 moins d'énergie solaire à l'intérieur qu'une fenêtre à vitrage double de verre ordinaire ayant une surface équivalente (fig. 24). Les différents types d'enduit à faible E varient grandement quant à leur effet sur les gains solaires. Certains, conçus pour des climats plus chauds, ne conviennent pas au Canada.

Ombrage

La protection des fenêtres contre les rayons du soleil, que ce soit de l'intérieur, au moyen de tentures ou de rideaux, ou de l'extérieur, par des éléments paysagers tels que les arbres, influent aussi sur les gains par rayonnement solaire. Pendant les jours ensoleillés d'hiver, il faut ouvrir les rideaux pour laisser pénétrer le plus de chaleur possible.

Il ne faut pas perdre de vue que les arbres et les arbustes que l'on plante près des fenêtres peuvent réduire les gains solaires en hiver. En sélectionnant des arbres au branchage fin et à feuilles caduques pour le côté sud, on reçoit de l'ombre en été, mais on optimise les gains solaires une fois que les arbres ont perdu leurs feuilles.

4.2 Facteurs modifiant les pertes de chaleur

Plusieurs phénomènes influent sur le taux de déperdition thermique à travers les éléments des fenêtres. Tous ces phénomènes obéissent à une loi fondamentale de la nature : la chaleur a tendance à se déplacer des zones chaudes vers les zones plus froides. Il n'existe aucun moyen de contourner ce principe fondamental; on ne peut que ralentir le processus.

Les principaux mécanismes du transfert de la chaleur à travers les fenêtres sont le rayonnement, la conduction et la convection. En outre, les fuites d'air causent une part importante des pertes de chaleur.

Rayonnement, conduction et convection

La chaleur, absorbée par la vitre intérieure d'une fenêtre à vitrage double, se déplace vers la vitre extérieure, plus froide, et se dissipe dans l'atmosphère. Cette perte de chaleur par les fenêtres se produit à travers le vitrage (rayonnement), à travers le matériau des intercalaires séparant les deux vitrages sur leur pourtour et à travers le cadre (conduction), ou résulte du mouvement de l'air dans l'espace qui sépare les deux vitrages (convection) et entre les éléments mobiles ou ouvrants du cadre (fuites d'air) [fig. 25].

Les pertes par rayonnement à travers la vitre représentent environ les deux tiers des pertes thermiques totales d'une fenêtre ordinaire. Comme le verre ordinaire transmet facilement la chaleur vers les surfaces froides (car il possède une émissivité élevée), il est possible de réduire les pertes par rayonnement en réduisant l'émissivité du verre (d'où le terme verre à faible émissivité ou faible E).

Les pertes par conduction à travers les fenêtres se produisent principalement sur le pourtour et le long du cadre. Faisant un usage plus efficace des isolants, les matériaux et les conceptions de pointe ont permis de réduire considérablement ces déperditions.

Les pertes par convection sont causées par le mouvement de la lame d'air entre les vitres des fenêtres à vitrages multiples. Si l'espace est trop étroit, la conduction devient importante. Si la lame d'air est trop épaisse, l'air immobile s'élève à mesure qu'il est réchauffé sur le côté intérieur chaud et redescend sous l'effet du refroidissement qu'il subit au contact du côté extérieur froid. Ce mouvement de convection de l'air transmet la chaleur à l'extérieur. L'espacement entre les vitrages qui permettra de réduire au minimum les pertes par convection est de 12 à 16 mm (de 1/2 à 2/3 po). On fait souvent appel à d'autres gaz (argon, krypton) pour réduire les pertes de chaleur par convection, auquel cas, l'espacement peut être différent.

Fuites d'air

Les coûts énergétiques assumés pendant la saison chaude et la saison froide sont attribuables pour une large part aux fuites d'air. Dans le cas des fenêtres ouvrantes, la plupart des fuites se produisent entre le châssis et le cadre, ou entre les traverses de jonction d'un châssis coulissant (fig. 26). Les grandes fenêtres ont tendance à laisser échapper moins d'air par unité de surface. Même les fenêtres fixes, si elles sont mal construites, peuvent occasionner des fuites entre le vitrage isolant et le cadre. (En effet, même ces fenêtres doivent comporter des trous pour laisser l'eau de pluie s'écouler.)

Les fenêtres présentant les plus faibles taux de fuites d'air, quel qu'en soit le type, sont surtout des fenêtres fixes, c'est-à-dire des fenêtres qui ne s'ouvrent pas. Il existe de nombreux types de fenêtres ouvrantes, comme il est indiqué à la section 3. Les fenêtres ouvrantes les plus étanches à l'air sont les fenêtres de type auvent, les fenêtres à battants et, de façon générale, tous les modèles pourvus d'un dispositif de fermeture qui maintient le châssis contre un joint à compression, comme l'illustre la figure 20a.

Les fuites d'air peuvent aussi poser un grave problème si les fenêtres sont mal installées à l'intérieur de l'ouverture brute. Si l'espace entre le périmètre extérieur du cadre et l'ouverture brute n'est pas scellé à l'aide d'un calfeutrage ou de mousse isolante, l'air s'en échappera. Cet espace doit donc être isolé et scellé avant qu'on pose les boiseries.

4.3 Bilan des pertes et des gains

Comme on l'a vu, il existe un grand mouvement bidirectionnel d'énergie à travers les fenêtres. Les fenêtres orientées vers le sud captent souvent plus de chaleur solaire pendant la journée qu'elles n'en perdent la nuit par convection, rayonnement ou conduction.

Les fenêtres orientées vers le nord accusent habituellement des pertes nettes d'énergie, tandis que les gains et les pertes de chaleur des fenêtres orientées vers l'est et vers l'ouest ont tendance à se neutraliser pendant la saison froide. Toutefois, pendant l'été, les fenêtres à l'ouest peuvent entraîner un gain net d'énergie et poser un problème de surchauffe.

La technologie des fenêtres à haut rendement énergétique ouvre la voie à des améliorations notables du bilan énergétique, en permettant de maximiser les gains quand il le faut et, parallèlement, de réduire la dissipation de la chaleur avec une efficacité inégalée à ce jour.

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