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verre à couches Une technologie au service des économies d'énergie

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verre à couches Une technologie au service des économies d'énergie

Les industriels du verre poursuivent leurs recherches vers les produits multifonctionnels en jouant sur l'association de couches variées et en réalisant des empilements de matières de plus en plus complexes. (Doc. Pilkington.)

Alors que leur utilisation se généralise dans les projets de construction neuve et de rénovation, les verres à couches n'ont rien volé de leur réputation de produits à hautes performances et haute technologie. Leur mise en œuvre améliore l'isolation thermique, le confort d'été et d'hiver et le nettoyage extérieur.

L'entrée en vigueur de la nouvelle réglementation thermique RT 2005, et la mise en place de mesures incitatives dont le crédit d'impôt, marquent un tournant dans l'utilisation des verres à couches. Ces produit innovants, relativement onéreux jusqu'alors, se sont rapidement banalisés dans leur version à couches peu émissives, pour devenir aujourd'hui un véritable standard de construction, tant dans le neuf que dans l'existant.

Selon Pierre-Alain Gillet, responsable produit chez Saint-Gobain Glass : « Les atouts des verres à couches se mesurent en termes d'économies d'énergie, d'impact environnemental et de confort. Un double vitrage à couches peu émissives isole en effet 3 fois plus qu'un double vitrage traditionnel et 6 fois plus qu'un simple vitrage. Un triple vitrage à couches peu émissives est quant à lui 7 fois plus isolant qu'un double vitrage classique et 14 à 15 fois plus isolant qu'une simple vitrage ». En outre, comme l'explique Edith Akiki, cogérante du bureau d'études Tribu : « Dans le nord, en utilisant des verres à couches très performants sur de grandes surfaces, on a calculé que l'on pouvait récupérer suffisamment d'énergie pour compenser les déperditions thermiques par les fenêtres et apporter en outre une bonne autonomie d'éclairage ». « Dans la réglementation actuelle, on limite cependant le pourcentage de vitrage à 16 % de la superficie du logement, ce qui est peu et nous conduit à imposer un minimum de 20 % de surface vitrée dans nos cahiers des charges ! », déplore Edith Akiki.

Dans le sud de la France, où la recherche d'économie d'énergie passe davantage par la limitation des apports solaires gratuits, les verres à couches de contrôle solaire permettent de réfléchir jusqu'à 70 % de l'énergie solaire en étant 2 à 3 fois plus transparents que des verres teintés de première génération. Dans des bâtiments BBC, on estime par ailleurs que leur utilisation permet de générer une réduction des besoins en éclairage artificiel de 20 à 12 %.

Sur le plan environnemental, l'utilisation de verres à couches concourt bien sûr à réduire les émissions de CO2 des bâtiments. Les ­produits sont en outre entièrement recyclables dans les fours de fusion, au même titre que le verre courant. Dans leur version autonettoyante, ils autorisent par ailleurs une diminution des besoins en eau de lavage et en produits détergents.

Enfin, du point de vue du confort, ils suppriment la sensation de paroi froide. À titre d'exemple, lorsque la température extérieure est de - 5 °C, et la température intérieure de 20 °C, la face intérieure d'un double vitrage classique a une température de surface de l'ordre de 2 °C, contre 16 à 17 °C pour un vitrage à couches peu émissives.

Des vitrages isolants à Ug compris entre 1,0 et 1,3 W/m2.K

Les différents verres à couches présents sur le marché ont été développés pour remplir une ou plusieurs des fonctions que sont l'isolation thermique, le confort d'été ou le nettoyage. Ils se répartissent couramment en quatre grandes familles : les vitrages à isolation renforcée, les verres de contrôle solaire, les verres de contrôle solaire à isolation renforcée et les verres autonettoyants.

Les vitrages dits peu émissifs, ou à isolation renforcée (VIR), sont obtenus en déposant en face 2 ou 3 d'un double vitrage (ou 2 et 5 d'un triple vitrage) une fine pellicule réfléchissant le rayonnement infrarouge vers l'intérieur du bâtiment. Cette pellicule est en réalité le fruit d'un savant empilement. La plupart des verres à couches peu émissifs utilisent les propriétés de réflexion de l'argent et présentent selon les cas une, deux voire trois couches de ce précieux métal, chacune étant entourée d'une sous-couche adhérente et d'une surcouche de protection faisant appel à des matériaux ­diélectriques. À noter qu'un diélectrique est soit un oxyde (ex : oxyde d'étain, de zinc d'aluminium), soit un nitrure (ex : nitrure de silicium, ou de titane). Réalisant un filtre par le biais de réflexions multiples, le traitement de couche diminue ainsi le coefficient d'émissivité du verre et limite les déperditions de chaleur vers l'extérieur. On obtient des produits adaptés aux pays nordiques, au nord et au centre de la France, dont le surcoût est de l'ordre de 10 à 15 %.

La plupart des verres peu émissifs présentent aujourd'hui un coefficient de transmission thermique Ug compris entre 1,0 et 1,3 W/m2.K, les produits les plus performants du marché ­réfléchissant jusqu'à 97 voire 99 % du rayonnement infrarouge. « Dans la majorité des CCTP, remarque Edith Akiki, on exige un vitrage ayant un Ug inférieur à 1,1 W/m2.K. Les performances des menuiseries dépendent en revanche de la nature du programme. Pour des ouvrages en aluminium, on demande un coefficient Uw de 1,6 ou 1,7 W/m2.K, et dans quelques cas de 1,5 W/m2.K. Sur des bâtiments très performants, on peut atteindre 1,4 W/m2.K avec des menuiseries bois ou mixtes bois/aluminium. Les projets à énergie zéro nécessitent pour leur part du triple vitrage, avec un Ug de l'ordre de 0,8 W/m2.K et des menuiseries en bois ou bois avec capotage aluminium ayant un Uw de 1 voire 0,9 W/m2.K. »

Par ailleurs, la généralisation des bâtiments BBC et l'évolution annoncée du marché vers le triple vitrage conduit les industriels du verre à s'interroger sur l'adaptation de leurs produits élaborés pour des applications en double vitrage. En réalisant des vitrages superisolants, la problématique consiste en effet à ne pas perdre d'un côté ce qui est gagné de l'autre, en l'occurrence à ne pas se priver des apports solaires gratuits en renforçant leur pouvoir isolant.

Combiner isolation thermique et contrôle solaire

« En assemblant trois verres dont deux peu émissifs ayant un facteur solaire de l'ordre de 63 %, on se retrouve avec un triple vitrage dont le facteur solaire (g) est de 47 % environ, soit une perte considérable en apport solaire », note Nelly Philipponnat, responsable marketing chez AGC. Un constat qui a conduit l'industriel AGC à sortir un produit dédié, le Planibel Tri qui garantit un coefficient g de l'ordre de 60 % et un Ug de 0,6 à 0,7 W/m2.K grâce à des dépôts de couches magnétrons très spécifiques.

Au-delà de ses performances en évolution, le triple vitrage demeure un produit onéreux. « Il faut compter une moyenne de 800 Y le m2 pour du triple vitrage, contre 500 à 600 Y le m2 pour un double vitrage peu émissif. Un écart que ne parvient pas encore à atténuer la réglementation thermique, qui favorise moins le travail sur l'enveloppe que sur la technique », remarque Edith Akiki.

Les verres de contrôle solaire forment la deuxième grande famille de produits à traitement de couche. Limitant les apports du soleil en période chaude et les besoins en climatisation, ils sont principalement destinés aux pays du sud, comme l'Espagne, l'Italie ou les régions les plus ensoleillées de France. Toutefois, leur coût élevé limite leur utilisation aux bâtiments tertiaires disposant de grandes surfaces vitrées, et ce sur les faces pour lesquelles il n'existe pas de protection solaire extérieure, de type store, brise-soleil, ou persienne.

Pendant longtemps, on a utilisé des verres teintés qui avaient le désavantage de ne pas ou peu laisser entrer la lumière et obligeaient à compenser la perte de lumière naturelle par de l'éclairage artificiel. Ce qui au final pouvait générer un bilan énergétique défavorable. Les nouveaux verres de contrôle solaire laissent davantage passer la lumière visible, tout en limitant le rayonnement thermique. Aujourd'hui, note Philippe Grell, directeur marketing de Pilkington, « il existe une large gamme de produits dont la transmission lumineuse varie de 30 à 70 % et le facteur solaire de 17 à 40 % ». Leur fabrication met généralement en œuvre une à trois couches à base d'argent et autant de sous-couches et de surcouches interstitielles, bien qu'il existe des verres de contrôle solaire sans dépôt d'argent. Soucieux d'optimiser le bilan énergétique des façades vitrées, et de combiner confort d'été et confort d'hiver, les industriels du verre ont mis au point une nouvelle catégorie de produits : les verres de contrôle solaire à isolation renforcée, qui sont le fruit de dépôts élaborés. Une quatrième famille de verres à couches regroupe enfin les verres dits autonettoyants, qui ont été développés il y a une dizaine d'années pour faciliter l'entretien des grandes façades en verre, des vitrages situés en toiture, en verrière et dans toute zone d'accès difficile. Le dépôt réalisé sur leur face extérieure se compose d'une couche dure de dioxyde de titane, qui a la propriété, sous l'action des UV, d'oxyder les particules organiques à la surface du verre et d'avoir, en outre, un effet hydrophile qui provoque un nappage de l'eau et permet d'éliminer uniformément les saletés. Dans la pratique, leur bon fonctionnement est conditionné à une bonne exposition à la pluie et aux UV. Leur coût est quant à lui environ 25 % supérieur à celui d'un verre classique.

Dans un avenir plus ou moins proche, les verres à couches se verront adjoints des produits actifs capables de s'adapter aux changements de saison et aux variations de température, en modulant transmission lumineuse et facteur solaire. Répondant à cette définition, les verres électrochromes sont en phase de pré-développement dans le bâtiment (Saint-Gobain a ouvert un showroom en Espagne) et dans le secteur automobile (Ferrari), bien que leur prix soit encore prohibitif. Fonctionnant sur le principe inverse d'une batterie, ils sont revêtus d'un empilement très complexe de couches, entre lesquelles sont échangés des ions sous l'action d'un courant électrique. Le verre change ainsi de couleur, passant de transparent à clair puis à bleu foncé et vice versa, son fonctionnement pouvant être manuel ou automatisé.

Au sein des grandes familles de verre à couches, d'importantes nuances existent afin de répondre à la grande variété des projets. « Le verre est l'un des rares matériaux de construction, si ce n'est le seul qui influe sur autant de paramètres à la fois, comme la lumière, les déperditions, l'acoustique, la sécurité. », rappelle Nelly Philipponat. Choisir un vitrage implique donc de trouver un équilibre entre ses principales caractéristiques que sont le coefficient Ug, la transmission lumineuse TL, le facteur solaire g. La gymnastique est toutefois complexe sachant que ces différents paramètres sont liés les uns aux autres. Ainsi, plus un verre est isolant, c'est-à-dire plus son Ug est faible, et plus l'on se prive des apports solaires gratuits. En outre, si l'on diminue le facteur solaire, on touche également à la transmission lumineuse. La TL est l'intégration du flux entre 0,38 et 0,78 ?m, le FS entre 0,295 et 2,5 ?m. Il n'est mathématiquement pas possible d'avoir un rapport entre TL et FS supérieur à 2,4. C'est le rapport de sélectivité. Il faut tendre vers 2 lorsque l'on souhaite laisser suffisamment entrer la lumière naturelle en se protégeant de la chaleur. Un verre de contrôle solaire peu performant est par exemple un verre teinté ayant une sélectivité de 1 voire moins. Les meilleurs verres de contrôle solaire à bicouche d'argent ont une sélectivité proche de 1,8, voire de 2,2 pour des verres à tri-couches argent.

Bilan thermique avec simulations dynamiques

Cela étant, le choix d'un produit est avant tout dicté par les contraintes du projet : sa localisation, l'importance des surfaces vitrées, l'orientation du bâtiment, l'usage des locaux. Sur les opérations de grande taille, la réalisation d'un bilan thermique approfondi par des simulations dynamiques et des calculs aérauliques donne les valeurs optimisées des différents paramètres. Dans les autres cas, l'approche est simplifiée voire pragmatique. « Dans le nord de la France, précise Philippe Grell, directeur marketing de Pilkington, pour profiter au maximum des apports solaires gratuits, on choisira un verre à couche ayant une transmission lumineuse élevée, de 70 % par exemple, et un facteur solaire de 40 %, ce qui permettra dans le même temps de disposer d'une bonne protection solaire en période chaude ». Dans le sud de la France, l'accent sera davantage mis sur la protection solaire. « On utilisera par exemple un verre à TL de 66 % et à g de 33 %, ou un verre à TL de 50 % et à g de 25 %. Dans le cas de verrières et d'ouvrages vitrés inclinés, un g de 25 ou de 17 % sera conseillé ».

En terme d'aspect, les verres à couches les plus répandus sont neutres et transparents. Toutefois, il existe des verres de contrôle solaire légèrement bleutés, verts, ou à effet miroir.

Les limites dimensionnelles sont dictées par les contraintes de fabrication du verre float et par les possibilités d'assemblage des transformateurs. Ceci étant, les plus grands volumes mesurent 3 à 4 m de hauteur sur 2 m de largeur, ce qui correspond aux dimensions courantes utilisées en façade vitrée toute hauteur. Les épaisseurs s'échelonnent de 4 à 12 mm. De leurs côtés, les possibilités de transformation des verres à couches dépendent de la composition des dépôts et de leur technologie. Il y a quelques années, seuls les verres à couches pyrolytiques ou « on line » pouvaient subir l'ensemble des opérations de bombage, trempe, sérigraphie, émaillage, feuilletage. La première génération de verres à couches magnétrons ou « off line » était plus limitée en raison de sa faible résistance aux hautes températures. De nouveaux dépôts off line supportent aujourd'hui une température de plus de 600 °C et rendent possible certaines opérations de sérigraphie, trempe et bombage. Ils intègrent des couches sacrificielles, ayant pour vocation de s'oxyder au-delà d'une certaine température afin de protéger les couches d'argent.

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