La protection solaire dans les bâtiments basse … · Ce guide traite de la protection solaire et...

La protection solaire dans les bâtiments à basse consommation

FEVRIER 2012 Édition 1

Comment les fermetures et les stores réduisent les besoins énergétiques des bâtiments et améliorent leur confort thermique et visuel

La protection solaire dans les bâtiments basse consommation

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MEMBRES DU COMITE TECHNIQUE D’ES-SO

Animateur : Hervé LAMY (SNFPSA)

Ralf BAUR (ITRS) Richard BEUHORRY (SNFPSA) David BUSH (BBSA) Jean-Paul CLEMENT (SNFPSA) Alberto DANIELI (ASSITES) Yvon DEBIEZ (SNFPSA) Gonzague DUTOO (SNFPSA) Pascal NORDE (SNFPSA) Gabriele TRÖSCHER (ITRS)

Copyright © ES-SO, 2012 Les demandes de permission pour réaliser des copies de tout ou partie de ce guide doivent être adressées à :

ES-SO vzw Naessenslaan 9

B-1860 Meise, Belgium Email: [email protected]

Crédits de la page de couverture: Somfy, Warema, Mermet, Ferrari


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AVANT-PROPOS

Ce guide traite de la protection solaire et de son influence sur le bilan énergétique et la consommation énergétique d'un bâtiment. Les bâtiments comptant pour près de 40% de la consommation totale d'énergie primaire en Europe, la pression a augmenté pour les rendre plus économes en énergie. Le potentiel d'économies est énorme : il n'est pas rare aujourd'hui d'avoir des bâtiments qui consomment plus de 250 kWh/m².an, alors que des technologies courantes dans les bâtiments modernes permettent d’atteindre des valeurs bien inférieures à 100 kWh/m².an. Plusieurs pays travaillent sur des réglementations limitant la consommation d'énergie maximale à 50 kWh/m².an à l’horizon 2015 ou peu après. Dans le même temps, la technologie de maisons passives et actives gagne des parts de marché et le Parlement européen a rappelé son souhait de voir tous les nouveaux bâtiments atteindre le niveau « zéro énergie » à partir de 2019.

« Protection solaire » est un terme que nous utilisons pour couvrir toutes les techniques permettant de limiter l'entrée excessive d’énergie solaire, allant de l'ombrage des arbres aux stores fixes jusqu’aux fermetures et stores entièrement automatisés. Les conditions climatiques extérieures – lumière et chaleur – changent constamment au cours d'une journée. C'est pourquoi, dans le contexte de ce guide, un accent est mis sur les systèmes automatisés de protection solaire (stores, volets, etc.) de telle sorte que l'effet optimal puisse être obtenu.

Contrôler l'apport de chaleur solaire et de lumière naturelle a un effet considérable sur les besoins énergétiques d'un bâtiment. Cependant, la protection solaire n'est qu'un élément de l'enveloppe du bâtiment, tout comme les vitrages, les fenêtres, les murs, les toits et les planchers. Pour que la protection solaire automatisée puisse contribuer efficacement à la réduction des consommations d'énergie, la sélection du meilleur système doit être faite dès le stade de conception dans le processus de construction. De nombreux facteurs doivent être pris en compte : le climat extérieur, l'environnement immédiat, l'orientation du bâtiment, le profil de l'utilisateur et bien d'autres encore. La physique du bâtiment permet de montrer quel est l’effet de chacun de ces facteurs. Les logiciels de simulation des bâtiments peuvent quantifier ces effets. Comme les architectes vont progressivement tendre vers des bâtiments « zéro énergie », l’augmentation des épaisseurs d’isolation thermique peut aisément provoquer une surchauffe dans les conditions estivales. La protection solaire dynamique devient alors un élément essentiel dans le concept du bâtiment.

Les systèmes de protection solaire doivent être installés par des professionnels. L'expérience montre qu’au stade de l’installation, des erreurs doit être évitées afin d'obtenir les résultats escomptés. Parfois, les systèmes de protection solaire extérieurs sont considérés comme les briques et le béton : on ne s’en occupe tout simplement pas. Mais ce sont des systèmes mobiles, il est donc nécessaire d’en prendre soin.

Ces aspects et bien d'autres sont présentés dans ce guide. Nous espérons que vous y trouverez un intérêt.

Peter Winters

President

ES-SO, the European Solar-Shading Organization

www.es-so.com


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Ce document est la traduction stricte du guide technique d’ES-SO édité en anglais. Il se réfère notamment à des normes européennes. Certaines de ces normes, notamment celles relatives aux facteurs de transmission solaire et lumineuse, ont fait l’objet de développement spécifique en France suite à la mise en place de la RT2012 (norme française XP P50-777). Aussi certaines notations utilisées dans ce guide et propres aux normes européennes peuvent elles différer de celles couramment utilisées en France. A titre d’exemple, le facteur solaire gtot est désigné en France par le terme Sgs.

Néanmoins, les processus physiques expliqués dans le document restent les mêmes.

Avertissement aux lecteurs français


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SOMMAIRE

I. INTRODUCTION ..................................................................................................... 5

II. PRINCIPES DE BASE ............................................................................................... 6 II.1. Différents types de rayonnement .................................................................................... 6 II.2. Rayonnement solaire .......................................................................................................... 6 II.3. Influence de la position du soleil ...................................................................................... 7 II.4. Infrarouge de grandes longueurs d’onde ...................................................................... 8 II.5. Comment un matériau est affecté par un rayonnement .............................................. 9

III. LES CARACTERISTIQUES THERMIQUE ET LUMINEUSE DES FERMETURES ET STORES 11

III.1. Coefficient de transmission thermique (coefficient U) ................................................ 11 III.2. Facteur de transmission d’énergie total gtot (facteur solaire) ................................... 13

III.2.1. Généralités ................................................................................................................... 13 III.2.2. Méthode de calcul simplifiée : l’EN 13363-1 ........................................................ 13 III.2.3. Méthode de calcul détaillée : l’EN 13363-2 ......................................................... 15

III.3. Facteur de transmission lumineuse τv ............................................................................. 18 III.3.1. Généralités ................................................................................................................... 18 III.3.2. Méthode de calcul simplifiée : EN 13363-1 .......................................................... 18 III.3.3. Méthode de calcul détaillée : EN 13363-2 ........................................................... 19

III.4. Comparaison des calculs simplifiés et détaillés .......................................................... 20

IV. COMMENT LES FERMETURES ET STORES REDUISENT LES BESOINS ENERGETIQUES D’UN BATIMENT ? ......................................................................................................... 23

IV.1. L’outil « Textinergie® » ..................................................................................................... 23 IV.1.1. Qu’est ce que Textinergie® ? ..................................................................................... 23 IV.1.2. Impact de la localisation ............................................................................................ 23 IV.1.3. Impact de l’orientation ............................................................................................... 24

IV.2. Le guide ES-SO et REHVA ............................................................................................... 25 IV.2.1. Stockholm ...................................................................................................................... 25 IV.2.2. Madrid .......................................................................................................................... 27

V. COMMENT LES FERMETURES ET STORES AMELIORENT LE CONFORT THERMIQUE ET LUMINEUX D’UN BAIMENT ? ................................................................................... 29

V.1. L’impact des fermetures sur le confort d’été .................................................................. 29 V.2. L’impact de la protection solaire sur le confort visuel .................................................. 31


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I. INTRODUCTION La protection solaire est un élément clé pour améliorer l'efficacité énergétique et la gestion de la lumière naturelle des bâtiments existants et optimiser la conception des Bâtiments Basse Consommation. Cette technologie est encore sous-utilisée bien qu'elle ait un impact majeur sur la réduction de la consommation d'énergie des constructions et qu’elle améliore le confort thermique et visuel des occupants.

En effet, les dispositifs de protection solaire permettent d’ajuster les propriétés des fenêtres et des façades aux conditions climatiques et aux besoins des occupants. Une bonne gestion de ces systèmes peut alors maximiser les apports solaires en hiver – réduisant ainsi les besoins de chauffage – et minimiser ces apports en été – réduisant ainsi les besoins de refroidissement – tout en apportant en même temps un bon confort visuel pour les occupants.

Afin de faire un choix pertinent en termes de produits et de gestion de la façade lors de la conception d'un nouveau bâtiment ou de travaux sur un bâtiment existant, il est nécessaire de prendre en considération les caractéristiques des dispositifs de protection solaire. En effet, ces produits ont un impact sur le niveau d'isolation de la façade, son facteur de transmission solaire et son facteur de transmission lumineuse. En conséquence, il est nécessaire de trouver le meilleur équilibre entre toutes ces caractéristiques en fonction des propriétés du bâtiment, son emplacement et son orientation.

Ce guide technique a pour objectif de fournir les connaissances de base permettant de comprendre comment les caractéristiques des protections solaires sont évaluées et quels sont les phénomènes physiques impliqués dans la transmission du rayonnement solaire. Il est principalement basé sur les méthodes de calcul des normes européennes.

Des exemples de simulations réalisées en Europe et montrant l'impact de la protection solaire sur les besoins énergétiques des bâtiments sont également présentés.

Bien qu'il soit principalement destiné à être utilisé par les fabricants et les installateurs de protections solaires, ce guide sera également utile pour les concepteurs de bâtiments et les ingénieurs thermiciens.


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II. PRINCIPES DE BASE Ce chapitre présente quelques éléments de base sur les différents types de rayonnement qui doivent être pris en compte dans la performance des dispositifs de protection solaire. Il montre également comment se comporte un matériau au contact d’un tel rayonnement.

II.1. Différents types de rayonnement Nous sommes tous exposés à une grande variété de rayonnements qui peuvent être naturels ou artificiels. Un rayonnement est caractérisé par sa longueur d'onde (voir Figure 1).

FIGURE 1 – CLASSIFICATION DES DIVERS RAYONNEMENTS ELECTROMAGNETIQUES EN FONCTION DE LEURS LONGUEURS D’ONDE

Un dispositif de protection solaire est concerné par les deux types de rayonnement suivants :

Le rayonnement solaire comprenant les longueurs d’onde comprises entre 280 nm to 2500 nm et qui est subdivisé en trois parties : UV, visible et infrarouge de courtes longueurs d’onde. Ce rayonnement est émis par le soleil (voir II.2).

Le rayonnement de grandes longueurs d’onde ayant des longueurs d’onde comprises entre 2500 nm to 10000 nm et qui est dû au niveau de température d’un matériau (par exemple un radiateur ou une surface chaude quelconque). Ce rayonnement est dans le domaine de l’infrarouge et est donc invisible (voir II.4).

II.2. Rayonnement solaire Le soleil produit une énorme quantité d'énergie (66 millions W/m²) qui est transmise à la Terre par un rayonnement. Seule une fraction de cette énergie atteint l'atmosphère (environ 1300 W/m²). Environ 15% de ce rayonnement est alors absorbé par l'atmosphère et émis dans toutes les directions sous la forme d’un rayonnement diffus. Environ 6% est réfléchi vers l'espace. La partie restante (79%) est directement transmise au sol à travers l'atmosphère.

Par conséquent, l'énergie du rayonnement solaire frappant le sol est beaucoup plus faible qu’à la limite de l'atmosphère. Il est généralement considéré qu’en cas de ciel clair, l'énergie atteignant le sol est d'environ 1000 W/m².

De fait, lorsque l'on considère un dispositif de protection solaire, il est nécessaire de diviser le rayonnement incident global en trois parties (voir Figure 2).


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Le rayonnement direct : la partie du rayonnement solaire qui n’est ni absorbée ni réfléchie par l’atmosphère,

Le rayonnement diffus : la partie du rayonnement absorbée par l’atmosphère et réémise dans toutes les directions,

Le rayonnement réfléchi qui correspond à la réflexion des rayonnements direct et diffus par le sol.

FIGURE 2 – PARTIES INCIDENTES DU RAYONNEMENT SOLAIRE

Ce rayonnement est groupé au sein de trois grandes parties formant le spectre solaire :

Les ultraviolet (UV) : de 250 nm à 380 nm, ces rayons sont invisibles à l’œil humain et peuvent être dangereux en cas de surexposition. Ils vieillissent les matériaux et détériorent les surfaces et les couleurs.

La partie visible : de 380 nm (violet) à 780 nm (rouge), ces rayons sont détectés par la rétine humaine et permettent la vue des formes, des reliefs et des couleurs.

Les infrarouges de courtes longueurs d’onde (IR) : de 780 nm à 2500 nm, ces rayons sont invisibles mais sont ressentis sous forme de chaleur.

FIGURE 3 – IRRADIANCE SPECTRALE AU NIVEAU DE LA MER POUR LE SPECTRE SOLAIRE

La « puissance » d'un rayonnement est caractérisée par son éclairement énergétique (en W/m²). Pour une longueur d'onde donnée, il est aussi appelé irradiance spectrale (en W/m².nm). La Figure 3 présente la distribution de l'irradiance spectrale du spectre solaire au niveau de la mer.

II.3. Influence de la position du soleil En complément, l'éclairement solaire dépend de la position du soleil dans le ciel (altitude et azimut). Cette position varie tout au long de l'année et de la journée (voir Figure 4). Il dépend aussi de la latitude.

La Figure 5 présente l’éclairement solaire sur des surfaces verticales en été (21 juin) et en hiver (21 décembre). Comme ces graphiques ont été calculés avec un ciel sans nuages et sans tenir compte des bâtiments environnants, le niveau indiqué peut être considéré comme l’éclairement solaire maximal qu’une surface verticale peut recevoir.

FIGURE 4 – POSITION DU SOLEIL DANS LE CIEL

Ces valeurs ont été calculées pour une latitude de 50° N. À d'autres latitudes, les résultats seraient différents. Cependant, en Europe, la tendance générale est la même.


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FIGURE 5 – ECLAIREMENT POUR UN FAÇADE VERTICALE NORD, EST, OUEST ET SUD A UNE LATITUDE DE 50° N (SOURCE GUIDE ES-SO & REHVA)

On peut noter que :

Les façades exposées au nord reçoivent le plus faible niveau d’éclairement solaire. Seule une petite quantité de rayonnement solaire frappe la surface verticale au début de la matinée et dans la soirée en été.

Les façades orientées à l’est et à l’ouest présentent une tendance symétrique : la surface à l’est reçoit la plus grande partie du rayonnement avant midi, alors que la surface à l'ouest la reçoit dans l'après-midi. On peut noter que l'éclairement énergétique est maximum quand il est principalement composé du rayonnement direct. L'après-midi pour la façade à l’est et avant midi pour la façade à l’ouest, le rayonnement est principalement constitué d’une partie diffuse venant du ciel. C'est la raison pour laquelle le rayonnement est plus faible.

Les façades exposées au sud reçoivent le rayonnement solaire presque toute la journée. C'est pourquoi il est essentiel de maximiser les surfaces vitrées sur cette orientation afin d'optimiser les apports solaires entrant dans le bâtiment en hiver tout en les protégeant en été pour éviter les surchauffes. On peut noter que la valeur de l'éclairement est plus élevée en hiver qu'en été en raison de la faible hauteur du soleil. Pour cette exposition, il est aussi important de veiller à la protection des usagers des bâtiments contre les risques d’éblouissement.

II.4. Infrarouge de grandes longueurs d’onde Tous les matériaux émettent en permanence un rayonnement dans toutes les directions sous forme d'énergie. Tandis que le spectre solaire comprend un rayonnement de courtes longueurs d'onde émis à des températures variées, le rayonnement thermique est essentiellement composé de rayonnement infrarouge de grandes longueurs d'onde émis à basse température.

En pratique, cela signifie qu’un matériau irradié par le rayonnement solaire se réchauffe et émet un rayonnement de grandes longueurs d'onde dans la zone environnante. Ce rayonnement échauffe ensuite les matériaux au voisinage qui émettront à nouveau un rayonnement, et ainsi de suite.

W/m

²

20 0

200

400

600

800

1000

4 6 8 10 12 14 16 18

North Facade21 jun21 dec

W/m

²

0

200

400

600

800

1000

4 6 8 10 12 14 16 18 20

East Facade21 jun21 dec

W/m

²

21 jun

0

200

400

600

800

1000

4 6 8 10 12 14 16 18 20

South Facade 21 dec

W/m

²

21 jun

0

200

400

600

800

1000

4 6 8 10 12 14 16 18 20

West Facade 21 dec

Façade nord Façade est

Façade sud Façade ouest


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Un radiateur est un parfait exemple d'un matériau qui émet un rayonnement infrarouge à grandes longueurs d’onde. Tout matériau chauffé par le rayonnement solaire devient une sorte de radiateur.

La capacité d'un matériau à émettre ce type de rayonnement est donnée par son émissivité (voir II.5). Tant qu’un matériau n'a pas d'ouvertures, il est opaque aux infrarouges de grandes longueurs d’onde. Par conséquent les murs et les vitrages ne permettent pas la transmission de ce type de rayonnement. La chaleur est conservée dans la salle. C’est le fameux « effet de serre ».

II.5. Comment un matériau est affecté par un rayonnement ? Lorsqu’il touche une surface (un verre, une toile ou une lame par exemple), le rayonnement incident se divise en trois parties (voir Figure 6):

Une partie qui est transmise à travers le matériau. Elle est caractérisée par le facteur de transmission τ, ratio du flux transmis sur le flux incident,

Une partie qui est réfléchie par le matériau. Elle est caractérisée par le facteur de réflexion ρ, ratio du flux réfléchi sur le flux incident,

Une partie qui est absorbée par le matériau et qui est caractérisée par le facteur d’absorption α,

de sorte que : τ + ρ + α = 100%

FIGURE 6 – COMPORTEMENT DU RAYONNEMENT AU

CONTACT D’UN MATERIAU

Pour un éclairement incident E, le rayonnement transmis est égal à τ x E, le rayonnement absorbé à α x E et le rayonnement réfléchi à ρ x E.

Les facteurs de transmission, de réflexion et d’absorption sont des caractéristiques spécifiques au matériau. Pour une toile par exemple, ces valeurs dépendront essentiellement du type de matériau, de l’ouverture et de la couleur de la toile.

Ces valeurs dépendent également de la longueur d’onde du rayonnement. Il est possible de mesurer ces propriétés pour des longueurs d’onde spécifiques (par exemple 250, 260, 270 nm, etc). Ces valeurs sont alors appelées « données spectrales ».

Cependant, elles sont souvent définies pour :

Le spectre solaire dans son ensemble, c'est-à-dire de 250 nm à 2500 nm (voir Figure 3). Ces propriétés sont alors identifiées par l’indice « e » (pour « énergétique ») : τe, ρe et αe,

La partie visible du spectre, c'est-à-dire de 380 nm à 780 nm. Dans ce cas, ces caractéristiques sont utilisées pour calculer les propriétés visuelles des produits (principalement le facteur de transmission lumineuse) et sont identifiées par l’indice « v » (pour « visible ») : τv, ρv and αv,

Le rayonnement infrarouge de grandes longueurs d’onde, c'est-à-dire de 2500 nm to 10000

nm. Ces valeurs sont nécessaires pour le calcul détaillé de certaines des caractéristiques thermiques des produits. Elles sont identifiées par l’indice « IR » : τIR, ρIR et l’émissivité ε (dans ce cas l’émissivité est équivalente à αIR).

Dans ce cas, ces valeurs sont appelées « données intégrées ».


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NOTE Dans tous les cas, la relation entre les facteurs de transmission, d’absorption et de réflexion est gouvernée par les formules génériques suivantes :

1 = τe + ρe + αe pour le spectre solaire complet 1 = τv + ρv + αv pour la partie visible du spectre solaire 1 = τIR + ρIR + ε pour le rayonnement de grandes longueurs d’onde

En pratique, seules deux valeurs sont donc nécessaires pour caractériser un matériau (par exemple τe et ρe ou τIR and ε).

En complément, il convient de noter qu’un rayonnement peut être transmis de deux manières. Le facteur de transmission τ comprend donc :

Une transmission directe, désignée par τn-n, pour laquelle le rayonnement n’est pas affecté par le matériau, et

Une transmission diffuse, notée τn-dif, qui correspond à la diffusion du rayonnement dans toutes les directions par le matériau (voir Figure 7).

FIGURE 7 – FACTEUR DE TRANSMISSION LUMINEUSE

DIRECT ET DIFFUS

La somme des parties transmises directement et de manière diffuse est égale à la transmission totale : par exemple τv,n-n + τv,n-dif = τv.

Enfin, les facteurs de réflexion et d’absorption peuvent également dépendre des faces du produit, par exemple dans le cas de revêtements de couleurs différentes. Deux valeurs peuvent alors être nécessaires : ρ et ρ’ par exemple correspondant aux deux faces d’une même toile.

La Figure 8 illustre les caractéristiques d’une fermeture ou d’un store (toile ou lame) requises pour un calcul détaillé des propriétés énergétiques et lumineuses d’un produit. Cette figure ne prend pas en compte les caractéristiques des vitrages qui sont également nécessaires. Cette partie est détaillée aux III.2 et III.3.

FIGURE 8 – ILLUSTRATION DES CARACTERISTIQUES DES MATERIAUX

Ces caractéristiques doivent être mesurées conformément à la norme européenne EN 14500 « Fermetures et stores - Confort thermique et lumineux - Méthodes d'essai et de calcul ».


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III. LES CARACTERISTIQUES THERMIQUE ET LUMINEUSE DES FERMETURES ET STORES Le précédent chapitre présentait les propriétés du rayonnement solaire et la manière avec laquelle ce rayonnement est modifié au contact des matériaux d’une fermeture ou d’un store. Ce chapitre présente comment les caractéristiques des systèmes de protection solaire sont déterminées.

III.1. Coefficient de transmission thermique (coefficient U) Le coefficient U (désigné par Uw) représente les déperditions thermiques à travers une fenêtre. Pour une fenêtre seule (avec un store ou une fermeture en position repliée), ce coefficient dépend du coefficient U du vitrage (Ug), du cadre (Uf) et de la liaison entre le vitrage et le cadre (ψg).

Il est calculé conformément à la norme EN ISO 10077-1 grâce à la formule suivante :

𝑈𝑤 =𝐴𝑔𝑈𝑔 + 𝐴𝑓𝑈𝑓 + 𝐼𝑔𝜓𝑔

𝐴𝑔 + 𝐴𝑓

Plus la valeur du coefficient Uw est basse, plus le niveau d’isolation de la fenêtre est élevé. Le coefficient U est donné en W/m².K.

FIGURE 9 – ILLUSTRATION DU COEFFICIENT UW

Une protection solaire en position déployée devant une fenêtre introduit une lame d’air supplémentaire caractérisée par une résistance thermique additionnelle désignée par ∆R (en m².K/W). La valeur du ∆R est calculée conformément à la norme européenne EN 13125 et dépend essentiellement de la perméabilité à l’air du dispositif et de la résistance thermique du tablier (désignée par Rsh).

Conformément à l’EN 13125, la perméabilité à l’air d’une fermeture ou d’un store est déterminée en considérant les espaces périphériques du tablier (voir Figure 10).

FIGURE 10 – CALCUL DU ETOT SELON L’EN 13125

Pour les stores intérieurs et extérieurs, l’EN 13125 prend également en compte les ouvertures qui pourraient être présentes dans le tablier (par exemple le coefficient d’ouverture d’une toile). Le critère de perméabilité à l’air est alors exprimé par la formule suivante :

Pe = etot + 10p

où etot est calculé conformément à la Figure 10 et p est le ratio entre la surface totale des ouvertures et la surface totale du tablier.


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Les tableaux suivants reprennent les formules données dans l’EN13125 pour le calcul de la valeur du ∆R dans le cas de fermetures, de stores extérieurs et intérieurs et de stores intégrés entre vitrages.

TABLEAU 1 – CALCUL DU ∆R DES FERMETURES

Très forte perméabilité à l’air (etot > 35 mm) ∆R = 0,08 m².K/W

Forte perméabilité à l’air (15 mm < etot ≤ 35 mm) ∆R = 0,25.Rsh + 0,09

Perméabilité à l’air moyenne (8 mm < etot ≤ 15 mm) ∆R = 0,55.Rsh + 0,11

Faible perméabilité à l’air (etot ≤ 8 mm) ∆R = 0,8.Rsh + 0,14

Étanches à l’air (etot ≤ 3 mm and e1+ e3=0 or e2+ e3=0) ∆R = 0,95.Rsh + 0,17

TABLEAU 2 – CALCUL DU ∆R DES STORES EXTERIEURS

Forte ou très forte perméabilité à l’air (Pe ≥ 35 mm) ∆R = 0,08 m².K/W

Perméabilité à l’air moyenne (8 mm ≤ Pe < 35 mm) ∆R = 0,11 m².K/W

Faible perméabilité à l’air (Pe < 8 mm) ∆R = 0,14 m².K/W

TABLEAU 3 – CALCUL DU ∆R DES STORES INTERIEURS ET ENTRE VITRAGES

Forte ou très forte perméabilité à l’air (Pe ≥ 80 mm) ∆R = 0,08 m².K/W

Perméabilité à l’air moyenne (20 mm ≤ Pe < 80 mm) ∆R = 0,11 m².K/W

Faible perméabilité à l’air (Pe < 20 mm) ∆R = 0,14 m².K/W

L’effet de la résistance thermique additionnelle d’une fermeture ou d’un store sur une fenêtre est donné par la formule suivante :

𝑈𝑤𝑠 =1

1𝑈𝑤

+ ∆𝑅

Cette formule est tirée de la norme EN ISO 10077-1. Pour une fenêtre donnée, elle peut être utilisée pour évaluer l’amélioration du coefficient U d’une fenêtre liée à la présence d’une fermeture ou d’un store en position déployée. Le Tableau 4 présente des exemples de calculs pour trois valeurs de ∆R et trois types de fenêtres différentes. Les valeurs de ∆R considérées sont :

0,08 m².K/W, par exemple un store extérieur très perméable, 0,15 m².K/W, par exemple un volet roulant en aluminium standard, 0,25 m².K/W, par exemple un volet roulant étanche.


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TABLEAU 4 – EXEMPLES DE CALCUL DU UWS

Fenêtre à simple vitrage

Uw = 4,90

Fenêtre à double vitrage

Uw = 1,8

Fenêtre à double vitrage

Uw = 1,2

∆R (m².K/W) ∆R (m².K/W) ∆R (m².K/W)

0,08 0,15 0,25 0,08 0,15 0,25 0,08 0,15 0,25

Uws (W/m².K) 3,52 2,82 2,20 1,57 1,42 1,24 1,09 1,02 0,92

Amélioration 28,2% 42,4% 55,1% 12,6% 21,3% 31,0% 8,8% 15,2% 23,0 %

De ces exemples, on peut constater que dans tous les cas, la fermeture ou le store diminue la valeur du coefficient U de la fenêtre (Uws < Uw) et par conséquent réduit les déperditions lorsque la température extérieure est basse.

De manière évidente, l’effet de la fermeture ou du store est plus important lorsque la fenêtre est peu performante : la valeur du coefficient U est divisée par deux dans le cas d’un simple vitrage. Cependant, l’effet reste significatif pour une fenêtre performante : un volet étanche réduit ainsi de 23% le coefficient U d’une fenêtre à double vitrage ayant un coefficient Uw de 1,2 W/m².K (ce qui signifie que le vitrage a un coefficient Ug de 1,0 W/m².K).

III.2. Facteur de transmission d’énergie total gto t (facteur solaire)

III.2.1. Généralités

Le facteur de transmission d’énergie total, appelé également facteur solaire, représente la part du rayonnement incident qui est transmise à l’intérieur d’un local.

g est le facteur solaire d’un vitrage seul. gtot est le facteur solaire de la combinaison d’un vitrage et d’un dispositif de protection solaire.

La valeur de g ou de gtot est comprise entre 0 et 1 : 0 signifie qu’aucun rayonnement n’est transmis et, à l’inverse, 1 signifie que tout le rayonnement est transmis.

La valeur de g d’un vitrage seul est déterminée par la méthode de calcul donnée dans l’EN 410.

Il existe deux méthodes de calcul pour le gtot d’un dispositif de protection solaire associé à un vitrage :

Une méthode simplifiée donnée dans l’EN 13363-1, Une méthode détaillée donnée dans l’EN 13363-2.

Les deux méthodes utilisent les propriétés du vitrage et du matériau constituant la protection solaire –la toile ou les lames – comme présenté au II.5.

III.2.2. Méthode de calcul simplifiée : l’EN 13363-1

La norme EN 13363-1 donne une méthode simplifiée pour évaluer la valeur du gtot. Ce calcul prend en compte le coefficient U et le facteur g du vitrage ainsi que le facteur de transmission et de réflexion énergétique du dispositif de protection solaire.


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La norme précise que l’écart entre les calculs simplifiés et les valeurs exactes est compris entre +0,10 and -0,02. Il est par conséquent fortement recommandé d’utiliser la méthode de calcul détaillée (voir III.2.3) pour déterminer les gains en termes d’apport solaire et de confort thermique.

L’avantage de cette norme réside dans le fait que les calculs peuvent être réalisés facilement sans l’aide d’outils spécifiques.

En effet, les formules à utiliser sont les suivantes :

Pour un store extérieur ou une fermeture :

𝑔𝑡𝑜𝑡 = 𝜏𝑒𝑔 + 𝛼𝑒𝐺𝐺2

+ 𝜏𝑒(1 − 𝑔)𝐺𝐺1

Avec G1 = 5 W/m².K ; G2 = 10 W/m².K et 𝐺 = � 1𝑈𝑔

+ 1𝐺1

+ 1𝐺2�−1

Pour un store intérieur :

𝑔𝑡𝑜𝑡 = 𝑔 �1 − 𝑔𝜌𝑒 − 𝛼𝑒𝐺𝐺2�

Avec G2 = 30 W/m².K et 𝐺 = � 1𝑈𝑔

+ 1𝐺2�−1

Pour un store intégré entre vitrages :

𝑔𝑡𝑜𝑡 = 𝜏𝑒𝑔 + 𝑔(𝛼𝑒 + (1 − 𝑔)𝜌𝑒)𝐺𝐺3

Avec G3 = 3 W/m².K et 𝐺 = � 1𝑈𝑔

+ 1𝐺3�−1

Dans toutes ces équations :

τe est le facteur de transmission énergétique du store ρe est le facteur de réflexion énergétique du store avec 1 = τe + ρe + αe (voir II.5) αe est le facteur d’absorption énergétique du store g est le facteur solaire du vitrage Ug est le coefficient de transmission thermique du vitrage G1, G2 et G3 sont des valeurs fixes définies par la norme

Il convient de noter que ces formules ne peuvent être appliquées que si les facteurs de transmission et de réflexion des dispositifs de protection solaire sont compris dans les valeurs suivantes :

0 ≤ τe ≤ 0,5 et 0,1 ≤ ρe ≤ 0,8

avec l’exigence additionnelle que le facteur solaire g du vitrage soit compris entre 0,15 et 0,85.

Dans tous les autres cas, il convient de réaliser un calcul selon l’EN 13363-2.


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III.2.3. Méthode de calcul détaillée : l’EN 13363-2

Cette méthode ayant pour but de représenter le comportement physique de la combinaison d’un store et d’un vitrage lorsqu’elle est impactée par un rayonnement, elle est bien plus complexe que les formules données par l’EN 13363-1. Cette méthode exige l’utilisation d’outils de calcul spécifiques.

Le principe de ce calcul est de considérer le store, le vitrage et les espaces entre eux comme des couches dans des positions définies (voir Figure 11), chaque couche ayant ses propres propriétés (transmission, réflexion, émissivité, …). Les conditions extérieures (température, niveau d’éclairement énergétique, ventilation) sont également considérées. L’objectif de ce calcul est d’évaluer l’interaction de chacune des couches avec ces conditions.

FIGURE 11 – EXEMPLE DES DIFFERENTES COUCHES DANS LE CAS D’UN STORE EXTERIEUR ASSOCIE A UN DOUBLE VITRAGE

Par conséquent, ce calcul consiste en trois parties :

La transmission du rayonnement solaire Cette part du gtot quantifie la partie du rayonnement solaire incident qui est transmise dans le local par des transmissions et réflexions multiples des deux faces de chacune des couches du système. La température du système n’a pas d’impact sur ce calcul. La Figure 12 donne un exemple du calcul qui doit être réalisé pour un système constitué d’un store extérieur et d’un double vitrage. Dans cet exemple, le calcul revient à résoudre la matrice des flux suivante :

E1 = Φ E2 = ρ1E3 + τ’1E4 E3 = ρ'eE2 + τeE1 E4 = ρ2E5 + τ'2E6

E5 = ρ'1E4 + τ1E3

E6 = 0


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FIGURE 12 – ILLUSTRATION DU FACTEUR DE TRANSMISSION DIRECTE POUR UN STORE EXTERIEUR ET UN DOUBLE VITRAGE

Ce transfert est caractérisé par le facteur de transmission solaire direct τe du système « store et vitrage ». Il se réfère au spectre solaire dans son ensemble.

Le transfert de chaleur Ce type de transfert prend en compte l’impact de la température extérieure et intérieure en conjonction avec l’effet de l’éclairement solaire (qui augmentera la température de chaque matériau par absorption). Ce transfert est subdivisé en deux parties (voir Figure 13) : Le transfert par rayonnement thermique

Ce transfert est dû à l’émission d’un rayonnement infrarouge de grande longueur d’onde (voir II.4) par chaque couche chauffée par la température extérieure et le rayonnement solaire. La chaleur est transmise d’une couche à l’autre par ce rayonnement. Ce transfert est caractérisé par le facteur de rayonnement thermique gth.

Le transfert de chaleur par conduction et convection Le transfert de chaleur par conduction est dû à la circulation directe de la chaleur au sein des matériaux et de l’espace de gaz entre eux par interaction moléculaire directe. Le transfert de chaleur par convection est dû au déplacement de la chaleur d’un matériau à l’espace de gaz (par exemple, la lame d’air d’un double vitrage). Ce transfert est caractérisé par le facteur de convection gc.


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FIGURE 13 – ILLUSTRATION DU TRANSFERT DE CHALEUR POUR UN STORE EXTERIEUR ET UN DOUBLE VITRAGE

La présence d’un effet de tirage dans le cas d’un store intérieur

Cet effet est dû au déplacement d’air au sein de la lame d’air créée entre le vitrage et le store intérieur. Il est dû à l’échauffement de la lame d’air par le vitrage générant ainsi un flux de chaleur ascendant entre le vitrage et le store (voir Figure 14). Cet effet est caractérisé par le facteur de ventilation gv.

FIGURE 14 – ILLUSTRATION DE L’EFFET DE TIRAGE DANS LE CAS D’UN STORE INTERIEUR

La valeur du gtot est ensuite donnée par l’addition du facteur de transmission solaire directe τe, du facteur de rayonnement thermique gth, du facteur de convection gc et du facteur de ventilation gv :

gtot = τe + gth + gc + gv(1)

(1) gv = 0 dans le cas d’un store extérieur

L’EN 13363-2 fournit ainsi une bonne description du facteur solaire. Néanmoins, cette norme nécessite de prendre en compte simultanément différents phénomènes physiques. L’utilisation d’outils de calcul spécifiques est donc nécessaire.


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Cas d’une protection solaire relevée

Cas d’une protection solaire extérieure déployée

Cas d’une protection solaire intérieure déployée

FIGURE 15 – ILLUSTRATION DU GTOT

III.3. Facteur de transmission lumineuse τv

III.3.1. Généralités

Le facteur de transmission lumineuse τv représente la part de lumière naturelle transmise dans un local.

Comme pour le facteur solaire, il est nécessaire de distinguer la transmission lumineuse d’un vitrage seul de celle d’un vitrage utilisé avec une protection solaire. Malheureusement, selon les normes européennes, la notation utilisée est la même (τv dans les deux cas). Pour clarifier ce point, la notation τv,tot sera donc utilisée dans ce guide pour identifier le cas d’une protection solaire combinée à un vitrage.

La valeur de τv est comprise entre 0 et 1 : 0 signifie qu’aucune lumière n’est transmise dans le local et 1 que tout le rayonnement visible est transmis.

Les normes de référence pour le calcul de τv sont les mêmes que pour le facteur solaire : l’EN 410 pour un vitrage seul et deux possibilités pour une protection solaire associée à un vitrage :

Soit une méthode simplifiée donnée par l’EN 13363-1, Soit une méthode détaillée donnée par l’EN 13363-2.

III.3.2. Méthode de calcul simplifiée : EN 13363-1

Les conditions d’utilisation de cette norme sont les mêmes que pour le calcul du facteur solaire (voir III.2.2).

Conformément à l’EN 13363-1, les formules devant être utilisées pour le calcul de τv,tot sont :

Pour un store extérieur ou une fermeture :

𝜏𝑣,𝑡𝑜𝑡 =𝜏𝑣𝜏𝑣,𝑠𝑡𝑜𝑟𝑒

1 − 𝜌𝑣𝜌′𝑣,𝑠𝑡𝑜𝑟𝑒


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Pour un store intérieur :

𝜏𝑣,𝑡𝑜𝑡 =𝜏𝑣𝜏𝑣,𝑠𝑡𝑜𝑟𝑒

1 − 𝜌′𝑣𝜌𝑣,𝑠𝑡𝑜𝑟𝑒

Où :

τv est le facteur de transmission lumineuse du vitrage τv,store est le facteur de transmission lumineuse de la fermeture ou du store ρv est le facteur de réflexion lumineuse de la face du vitrage du côté du rayonnement ρ'v est le facteur de réflexion lumineuse de la face du vitrage du côté opposé au rayonnement ρv,store est le facteur de réflexion lumineuse de la face de la fermeture ou du store du côté du

rayonnement ρ'v,store est le facteur de réflexion lumineuse de la face de la fermeture ou du store du côté

opposé au rayonnement

III.3.3. Méthode de calcul détaillée : EN 13363-2

Dans la partie visible du spectre, aucun transfert de chaleur n’est considéré. Par conséquent, le principe de calcul du facteur de transmission solaire (voir III.2.3) s’applique en prenant en compte le rayonnement compris entre 380 nm et 780 nm au lieu du spectre solaire complet.

Cette méthode de calcul prend en compte la part du rayonnement qui est transmise sans aucune déviation par la fermeture ou le store, c’est-à-dire le facteur de transmission lumineuse directe τv,n-n, et la part du rayonnement qui est diffusée dans toutes les directions après réflexion par la fermeture ou le store, c’est-à-dire le facteur de transmission lumineuse diffuse τv,n-dif (voir Figure 16).

Le facteur de transmission lumineuse total est alors constitué de deux parties :

τv,tot = τv,n-n + τv,n-dif

FIGURE 16 – ILLUSTRATION DU FACTEUR DE TRANSMISSION LUMINEUSE D’UN STORE INTERIEUR


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III.4. Comparaison des calculs simplifiés et détaillés Les méthodes de calcul simplifiée et détaillée peuvent toutes les deux être utilisées pour le calcul du facteur solaire gtot et du facteur de transmission lumineuse τv,tot.

Pour la même combinaison de vitrage et de store, une comparaison peut être faite entre différentes couleurs d’une même toile. Trois configurations de coloris sont présentées au Tableau 5.

TABLEAU 5 – PROPRIETES DES TOILES

Couleur de la toile

Blanc perle Blanc gris Gris

Facteur de transmission solaire τe 0,13 0,09 0,05

Facteur de réflexion solaire ρe (1) 0,53 0,44 0,21

Facteur de transmission lumineuse τv 0,11 0,07 0,03

Facteur de transmission lumineuse diffuse τv,n-dif 0,08 0,04 0,01

Facteur de réflexion lumineuse ρv (1) 0,58 0,47 0,18

Facteur de transmission infrarouge τIR (2) 0,03 0,03 0,03

Emissivité ε (1) 0,89 0,89 0,89 (1) Les propriétés des deux faces du store sont identiques. Par conséquent : ρe = ρ'e ; ρv = ρ'v et ε = ε'

(2) Egal au coefficient d’ouverture de la toile

Dans l’EN 14501, des vitrages types utilisés comme référence ont été définis pour permettre de faire des comparaisons. Le vitrage C selon cette norme (double vitrage 4-16-4, à couche faible émissivité en face 3 – face externe du verre intérieur – à remplissage argon) est considéré ci-dessous (voir Tableau 6).

TABLEAU 6 – PROPRIÉTÉS DU VITRAGE

Verre extérieur Verre intérieur

Facteur de transmission solaire τe 0,85 0,58

Facteur de transmission solaire côté rayonnement incident ρe

0,08 0,30

Facteur de transmission solaire côté opposé au rayonnement incident ρ'e

0,08 0,24

Facteur de transmission lumineuse τv 0,90 0,82

Facteur de transmission lumineuse côté rayonnement incident ρv

0,08 0,08

Facteur de transmission lumineuse côté opposé au rayonnement incident ρ'v

0,08 0,04

Facteur de transmission infrarouge τIR 0,00 0,00

Emissivité côté rayonnement incident ε 0,89 0,04

Emissivité côté opposé au rayonnement incident ε' 0,89 0,89


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Les résultats pour un store extérieur sont présentés au Tableau 7.

TABLEAU 7 – CALCUL DE GTOT ET τV,TOT POUR UN STORE EXTERIEUR

Méthode de calcul

Simplifiée Détaillée (1)

gtot τv,tot gtot τe gth + gc τv,tot τv,n-diff

Blanc perle 0,12 0,09 0,11 0,08 0,03 0,09 0,06

Blanc gris 0,10 0,06 0,09 0,05 0,04 0,06 0,03

Gris 0,10 0,02 0,08 0,03 0,05 0,02 0,01

(1) calculs réalisés avec le logiciel « Win-Shelter » développé par l’agence nationale italienne pour les nouvelles technologies, l’énergie et le développement économique durable et disponible à cette adresse : www.pit.enea.it

Les résultats pour un store intérieur sont présentés au Tableau 8.

TABLEAU 8 – CALCUL DE GTOT ET τV,TOT POUR UN STORE INTERIEUR

Méthode de calcul

Simplifiée Détaillée (2)

gtot τv,tot gtot τe gth + gc gv τv,tot τv,n-diff

Blanc perle 0,40 0,09 0,38 0,06 0,13 0,19 0,09 0,06

Blanc gris 0,43 0,06 0,41 0,04 0,16 0,21 0,06 0,03

Gris 0,50 0,02 0,49 0,015 0,225 0,25 0,02 0,01

(2) calculs réalisés avec le logiciel « Physalis » développé par BBS Slama (12, rue Colbert BP 382 63010 Clermont-Ferrand Cedex 1France ; +33 (0)4 73 34 96 60 ; [email protected])

Dans tous les cas, pour la détermination de gtot, la méthode de calcul détaillée donne de meilleurs résultats que la simplifiée. Il convient de noter de ces exemples que la différence dans les résultats obtenus est plus grande pour les toiles sombres lorsque le store est extérieur et pour les couleurs claires lorsque le store est intérieur.

Le plus grand bénéfice de la méthode détaillée est de différencier la part du flux qui est transmise sous forme de rayonnement ou de chaleur.

Cependant, ces exemples montrent que la méthode simplifiée donne les mêmes résultats pour le facteur de transmission lumineuse. Cela pourrait permettre un calcul simple et précis en utilisant cette méthode. Même si cela n’est pas présenté dans ces tableaux (car non considéré dans la norme EN 13363-1), un calcul du facteur de transmission lumineuse diffuse est également possible avec la méthode de calcul simplifiée.


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La base de données “Shade Specifier”

En collaboration avec des partenaires de l’Organisation Européenne de la Protection Solaire (ES-SO), l’Association Britannique de la Fermeture et du Store (BBSA) a développé une base de données de matériaux de protection solaire. Cette base de données comprend les performances énergétiques de toiles ou de matériaux de fermetures et de stores validées de manière indépendante selon les normes européennes. Cette base de données calcule la performance énergétique d’un store ou d’une fermeture lorsqu’il est combiné à un vitrage de référence défini dans les normes EN 13363-1 et EN 14501. Tous les calculs sont réalisés en conformité avec les normes européennes pertinentes et les procédures couvertes par le chapitre III.

Les bénéfices de la protection solaire sont connus depuis des siècles. Cependant, la comparaison des caractéristiques de performance spécifiques et indépendante des matériaux de protection solaire n’était pas possible jusqu’à maintenant. Le « Shade Specifier » permet aux prescripteurs et aux propriétaires de faire un choix en toute connaissance.

Le procédé utilisé par la base de données « Shade Specifier » est identique à celle utilisée par l’industrie du verre et est un moyen sûr et efficace de garantir l’intégrité de la base de données.

Les sorties comprennent :

Le facteur de transmission solaire, gtot Le facteur de transmission lumineuse, Tvis Le coefficient de transmission thermique, U


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IV. COMMENT LES FERMETURES ET LES STORES REDUISENT LES BESOINS ENERGETIQUES D’UN BATIMENT ? Les chapitres précédents ont présenté les caractéristiques des produits et quel peut être l’impact d’une protection solaire lorsqu’elle est combinée à une fenêtre ou un vitrage. Ce chapitre présente l’impact d’une protection solaire sur la demande énergétique d’un bâtiment. Il se réfère à des études ou des outils existants.

IV.1. L’outil « Textinergie® »

IV.1.1. Qu’est ce que Textinergie® ?

Textinergie® est un outil simple qui quantifie les économies d’énergie potentielles réalisables dans des bâtiments de bureaux grâce à l’utilisation de protections solaires en toile. Il a été développé par le Syndicat National de la Fermeture, de la Protection Solaire et des professions Associées (SNFPSA). Il est accessible à l’adresse suivante : www.textinergie.org.

Textinergie® compare les besoins énergétiques d’une pièce avant et après avoir été équipée de systèmes de protection solaire.

L’utilisateur sélectionne :

La zone climatique, L’orientation de la façade, La surface vitrée de la pièce, Le type de double vitrage (B, C ou D tels que définis dans l’EN 14501), La position du store (intérieure ou extérieure), Le type de toile, La couleur de la toile.

Une fois que la configuration a été définie, Textinergie® propose deux niveaux de résultats :

Des résultats simplifiés : pourcentage d’économies d’énergie associé à la climatisation et à l’ensemble des équipements (climatisation, chauffage, éclairage artificiel),

Des résultats détaillés : température calculée (°C) ; besoins en énergie (kWh) et pourcentage d’économies d’énergie pour chaque système (climatisation, chauffage, éclairage), niveau de lumière naturelle (lux).

Les résultats sont donnés pour un vitrage avec et sans store.

Les calculs ont été réalisés avec un logiciel de calcul dynamique pour une année entière avec un pas de temps de cinq minutes. Ces simulations ont été réalisées puis intégrées dans une base de données. Les choix de l’utilisateur renvoient directement vers cette base de données. Cela permet d’estimer l’impact des différents paramètres et d’aider l’utilisateur dans le choix de la meilleure solution technique.

IV.1.2. Impact de la localisation

La Figure 17 ci-dessous présente les besoins énergétiques pour le chauffage, la climatisation et l’éclairage d’un bureau de 20 m² dans différentes villes européennes. Le bureau est équipé d’un double vitrage clair (vitrage C selon l’EN 14501) et est orienté au sud. La surface vitrée représente 80% de la façade.

Le store est installé à l’extérieur et sa couleur est « neutre foncé ».


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FIGURE 17 – BESOINS ENERGETIQUES SELON TEXTINERGIE® POUR DIFFERENTES VILLES EUROPEENNES

L’utilisation d’un store extérieur conduit constamment à des économies d’énergie importantes dans tous les cas.

Il convient de noter que les besoins en chauffage sont plus importants lorsque le store est installé. Ceci est dû à la réduction des gains solaires gratuits entrant dans la pièce lorsque le store est déployé.

En effet, le principe de commande du store est basé sur le confort visuel des occupants : le store descend lorsque le niveau de lumière naturelle capté par un capteur placé sur un bureau atteint 500 lux en été et 900 lux en hiver. Par conséquent, la protection solaire peut être déployée lors de journées ensoleillées en hiver limitant ainsi l’entrée de chaleur gratuite dans la pièce.

Le principe de commande considère également que la lumière artificielle est uniquement activée lorsque la protection solaire est complètement repliée et que le niveau de lumière naturelle est insuffisant. Par conséquent, la présence du store n’impacte pas les besoins d’éclairage artificiel.

Cependant, comme les besoins énergétiques liés à la climatisation sont les plus significatifs, les résultats finaux sont très positifs et conduisent à des économies d’énergie importantes.

IV.1.3. Impact de l’orientation

La Figure 18 ci-dessous présente l’impact de l’orientation du bureau pour trois villes européennes : Stockholm, Paris et Rome.

Comme on pouvait s’y attendre, les résultats sont optimums pour les façades orientées à l’est, à l’ouest et au sud. Cependant, l’orientation pour laquelle le taux de gains énergétiques est maximum varie d’une ville à l’autre : c’est l’orientation est pour Stockholm (-28,1%), l’orientation ouest pour Paris (-31%) et la sud pour Rome (-75,2%).

Bien que les résultats soient plus faibles, l’utilisation de stores sur la façade exposée nord-ouest conduit encore à des économies d’énergie pour les trois villes.

0

500

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2000

2500

3000

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Sans stores

Avec stores

Sans stores

Avec stores

Sans stores

Avec stores

Sans stores

Avec stores

Sans stores

Avec stores

Sans stores

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Stockholm Berlin London Paris Madrid Rome

Beso

ins

éner

gétiq

ues

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h)

Eclairage

Climatisation

Chauffage

- 23,0 %

- 24,6 %

- 32,4 %

- 27,5 %

- 62,0 %

- 75,2 %


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FIGURE 18 – BESOINS ENERGETIQUES SELON TEXTINERGIE® POUR DIFFERENTES ORIENTATIONS DANS TROIS VILLES EUROPEENNES

IV.2. Le guide ES-SO et REHVA En 2010, ES-SO et REHVA (la fédération européenne des associations de chauffage, ventilation et climatisation) ont publié conjointement un guide sur la protection solaire1. Ce guide contient des références à des calculs de besoins énergétiques réalisés sur un modèle de bureau dans trois villes européennes (seules deux sont présentées ici). Le logiciel EnergyPlus™ a été utilisé pour réaliser ces calculs. Les détails des paramètres utilisés pour les calculs sont disponibles dans le guide ES-SO & REHVA. Un résumé des résultats de ces calculs est présenté dans les chapitres qui suivent.

IV.2.1. Stockholm

La Figure 19 présente les besoins annuels en énergie pour différentes orientations pour le bureau modèle à Stockholm.

1 “Solar Shading, how to integrate solar shading in sustainable buildings”


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Dou

ble

vitra

ge c

lair

Sans stores Avec stores extérieurs

Dou

ble

vitra

ge à

fai

ble

émiss

ivité


Vitr

age

de c

ontr

ôle

sola

ire


La courbe rouge représente les émissions annuelles du système de chauffage, la courbe bleue la chaleur de la pièce absorbée par le système CVC. La courbe jaune représente l’énergie électrique requise pour l’éclairage. La courbe verte représente la totalité de l’énergie primaire pour le chauffage, le refroidissement et l’éclairage (voir le guide ES-SO & REHVA pour la méthode de calcul détaillée).

FIGURE 19 – BILAN ENERGETIQUE ANNUEL POUR LE BUREAU TYPE A STOCKHOLM (SOURCE GUIDE ES-SO & REHVA)

Les demandes énergétiques sont nettement dominées par le chauffage. Au sud, les besoins de chauffage sont sensiblement réduits pour tous les types de vitrages en comparaison de ceux requis au nord, en raison des apports solaires en hiver. En été, les apports solaires sont considérables au sud, entraînant une demande importante d’énergie pour le refroidissement. L’augmentation du facteur solaire des vitrages renforce nettement cet effet.

En utilisation une protection solaire extérieure, la situation devient sensiblement différente, comme le montre la colonne de droite de la Figure 19. La demande annuelle en énergie frigorifique est réduite de plus de 70% au sud. Une protection solaire entraîne de légères hausses de la demande d’énergie pour le chauffage et l’éclairage. La protection solaire réduit l’énergie solaire qui aurait contribué à

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kWh/

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north east south west0

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north east south west

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north east south west0

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kWh/

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kWh/

m²a


Nord Est Sud Ouest Nord Est Sud Ouest




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l’éclairage naturel et au chauffage solaire passif. Il convient de souligner que la demande globale d’énergie primaire est la plus basse pour le vitrage à faible émissivité associé à une protection solaire.

La Figure 20 présente la puissance frigorifique en fonction de l’orientation de la paroi vitrée pour trois types de vitrages différents. Les courbes continues représentent la situation sans protection solaire et les courbes en pointillé représentent les puissances avec protection solaire. Les couleurs utilisées sont le rouge pour le double vitrage, l’orange pour un vitrage à faible émissivité et le bleu pour un vitrage de contrôle solaire.

FIGURE 20 - PUISSANCE FRIGORIFIQUE EN FONCTION DE L’ORIENTATION DE LA FAÇADE (SOURCE GUIDE ES-SO & REHVA)

IV.2.2. Madrid

La Figure 21présente les besoins annuels d’énergie en fonction de l’orientation pour le bureau type à Madrid. Les demandes énergétiques sont clairement dominées par le refroidissement. Au sud, les besoins d’énergie pour le chauffage sont nettement inférieurs à ceux requis au nord, compte tenu des apports solaires en hiver. En été, les apports solaires sont très importants pour les orientations sud, occasionnant une demande d’énergie importante pour le refroidissement.

A l'exception du cas des orientations nord, la protection solaire réduit fortement les besoins d’énergie primaire. Dans ce cas, les besoins d’énergie primaire les plus faibles sont atteints en associant un vitrage de contrôle solaire et une protection solaire extérieure.

L’association d’un vitrage de contrôle solaire et d’une protection solaire est un choix quelque peu inhabituel. Habituellement, le vitrage de contrôle solaire est considéré comme une alternative à la protection extérieure. Néanmoins, ces résultats montrent que l'association d’un vitrage de contrôle solaire et d’une protection solaire peut aboutir à une réduction de 30% de la demande d’énergie primaire par rapport à la seule utilisation d'un vitrage de contrôle solaire.

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W/m

²

north east south westNord Est Sud Ouest


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Dou

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ge c

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Dou

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vitra

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Vitr

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de c

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ôle

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La courbe rouge représente les émissions annuelles du système de chauffage, la courbe bleue la chaleur de la pièce absorbée par le système CVC. La courbe jaune représente l’énergie électrique requise pour l’éclairage. La courbe verte représente la totalité de l’énergie primaire pour le chauffage, le refroidissement et l’éclairage (voir le guide ES-SO / REHVA pour la méthode de calcul détaillée).

FIGURE 21– BILAN ENERGETIQUE ANNUEL POUR LE BUREAU TYPE A MADRID (SOURCE GUIDE ES-SO & REHVA)

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V. COMMENT LES FERMETURES ET LES STORES AMELIORENT LE CONFORT THERMIQUE ET LUMINEUX D’UN BATIMENT ? Le chapitre précédent présentait l’impact de la protection solaire sur les besoins en énergie de bureaux climatisés. Ces produits jouent cependant un rôle majeur pour le confort thermique et visuel des occupants. Ce chapitre présente les résultats d’études concernant ces points essentiels à prendre en compte dans la conception des bâtiments.

V.1. Impact des fermetures sur le confor t d’été En 2010, une étude a été réalisée par le bureau d’études TBC pour le compte du Syndicat de la Fermeture, de la Protection Solaire et des professions Associées (SNFPSA).

D’après les résultats des simulations thermiques réalisées avec le logiciel de calcul Comfie+Pleïade2 sur un logement type pour trois localisations en France, l’utilisation de volets roulants dans des conditions estivales réduit jusqu’à 6°C la température maximale.

La Figure 22 présente la température maximale atteinte dans le logement pour différents mode de commande des volets roulants :

− Un mode « horloge » : les volets roulants sont déployés de 8h à 18h, − Un mode « température extérieure » : les volets roulants sont déployés à 50% si la

température extérieure dépasse 23°C et complètement déployés si la température extérieure dépasse 26°C,

− Un mode « éclairement » : les volets roulants sont complètement déployés si le niveau de l’éclairement incident est supérieur à 10 000 lux.

FIGURE 22 – TEMPERATURE MAXIMALE POUR DIFFERENTS MODES DE COMMANDE DE VOLETS ROULANTS (SOURCE TBC ET SNFPSA)

2 Pleiades + Comfie utilise le système de calcul Comfie développé par le Centre Energie de l’Ecole d’Ingénieurs “Mines ParisTech”.

27

29

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33

35

37

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41

Volets ouverts toute la journée

Mode horloge Mode température extérieure

Mode éclairement

T (°

C)

Paris

La Rochelle

Nice


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Les résultats détaillés sont présentés au Tableau 9 ci-dessous.

TABLEAU 9 – TEMPERATURE MAXIMALE POUR DIFFERENTS MODES DE COMMANDE DE VOLETS ROULANTS

L’utilisation des volets roulants durant les jours chauds réduit la température maximale dans tous les cas.

Le mode de commande dépendant du niveau d’éclairement donne le meilleur compromis puisqu’il est le plus efficace en terme de limitation des surchauffes et qu’il permet aux occupants de bénéficier de la lumière naturelle lorsque le niveau d’éclairement incident est inférieur à 10 000 lux ou lorsque la façade n’est pas exposée au rayonnement.

La durée d’inconfort est définie comme le temps pendant lequel la température intérieure est soit inférieure à 16°C soit supérieure à 27°C. Il est alors possible de définir un taux d’inconfort comme le rapport du nombre d’heures où le logement est occupé et où la température est soit inférieure à 16°C soit supérieure à 27°C et le nombre total d’heures d’occupation.

Le Tableau 10 présente les résultats du calcul du taux d’inconfort pour trois localisations et les quatre modes de commande considérés. En pratique, la consigne de chauffage étant fixée à 19°C, ces résultats ne prennent en compte que la période où les températures sont supérieures à 27°C.

TABLEAU 10 – TAUX D’INCONFORT POUR DIFFERENTS MODES DE COMMANDE DE VOLETS ROULANTS

Le mode de commande « éclairement » est la meilleure option pour diminuer le taux d’inconfort (entre 11% et 18% en fonction de la zone climatique). Le mode « horloge » aboutit à des résultats similaires mais, à nouveau, il ne prendrait pas en compte le niveau de lumière naturelle qui pourrait être perçu comme inconfortable par les occupants.

Le mode « température extérieure » est le moins efficace, surtout dans la zone de Nice où il n’y a aucun bénéfice. Il convient de noter que Nice est la zone la plus chaude de France et que des dispositions supplémentaires (telle que l’inertie thermique du bâtiment) doivent être prises en compte pour atteindre un niveau de confort raisonnable.

Paris La Rochelle Nice

Volets ouverts toute la journée 34,46°C 36,26°C 38,89°C

Mode « horloge » -3,41°C -3,04°C -5,13°C

Mode « température extérieure » -3,31°C -3,10°C -1,78°C

Mode « éclairement » -5,05°C -3,23°C -6,37°C

Paris La Rochelle Nice

Volets ouverts toute la journée 19,6 % 23,6 % 39,1 %

Mode « horloge » 4,1 % (- 15,5 %) 6,9 % (- 16,7 %) 30,4 % (- 8,7 %)

Mode « température extérieure » 14,9 % (- 4,7 %) 18,1 % (- 5,5 %) 39,0 % (- 0,1 %)

Mode « éclairement » 4,3 % (-15,3 %) 5,8 % (- 17,8 %) 27,6 % (- 11,5 %)


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V.2. Impact de la protection solaire sur le confor t visuel Comme il est dépendant d’une perception personnelle, le confort visuel varie d’une personne à l’autre. C’est un élément subjectif. Néanmoins, la lumière naturelle est généralement préférée à l’éclairage artificiel comme source principale de lumière.

Cependant, des situations d’inconfort visuel peuvent facilement apparaître dans un bureau éclairé par la lumière du jour. Il arrive occasionnellement que la lumière soit trop vive ou que les contrastes soient trop grands. Pour que la lumière naturelle offre entière satisfaction, elle doit être contrôlée.

L’éblouissement est habituellement causé par la lumière directe du soleil sur les objets situés dans le bureau ou des valeurs élevées de luminance extérieures dans le champ de vision. L’éblouissement peut également se produire lors de l’utilisation d’un écran d’ordinateur : la luminance du reflet des surfaces environnantes peut être plus forte que la luminance de l’écran d’ordinateur.

La Figure 23 montre le niveau de luminance d’un bureau lorsqu’une protection solaire est repliée ou déployée. Elle montre que les protections solaires réduisent sensiblement les taux de luminance évitant ainsi des écarts importants entre l’écran d’ordinateur et l’environnement, sources d’inconfort visuel.

Sans protection solaire Avec protection solaire

FIGURE 23 – NIVEAU DE LUMINANCE AVEC ET SANS PROTECTION SOLAIRE DANS UN BUREAU (PHOTOS SOMFY)

Le guide ES-SO & REHVA publié en 2010 (voir IV.2) présente un résumé des recherches scientifiques montrant l’influence de l’utilisation de la lumière naturelle sur des facteurs liés à la productivité de travailleurs et d’étudiants.

− En maximisant l’utilisation de la lumière du jour sans éblouissement et en prévoyant des moyens de la contrôler, Carnegie Mellon University a mis en évidence un bénéfice de productivité moyen de 3 à 4%. [CMU 2004]

− En moyenne, les principales plaintes en matière de santé exprimées par les personnes qui se trouvent près d’une paroi vitrée donnant sur l’extérieur sont de 20% à 25% inférieures à celles exprimées par des personnes qui travaillent dans la zone centrale intérieure sans accès à une vue ou à la lumière du jour. [Hart 1999, Hart 1994]

− L’accès aux parois vitrées et à la lumière du jour permet de réduire l’absentéisme de 15%. [Thay 1995]

− La pénétration directe du soleil dans les salles de classes, en particulier à travers des fenêtres non protégées exposées à l’est ou au sud, est associée à des performances moindres des étudiants. [Hesh 2003b]

− Les étudiants bénéficiant d’une lumière naturelle adéquate dans leur salle de classe ont réalisé des progrès plus rapides de l’ordre de 20% dans des tests de mathématiques et de 26% dans des tests de lecture au cours d’une année. [Hesh 1999]


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De ce qui précède, on peut conclure que la lumière naturelle a une influence significative et positive sur la santé, le bien-être et la productivité des occupants. Cependant, un contrôle adaptatif de la lumière est nécessaire pour garantir les conditions d’un bon confort visuel à tout moment.


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Bibliographie

(1) Normes européennes EN 14501 « Fermetures et stores - Confort thermique et lumineux - Caractérisation des performances et classification »

EN 14500 « Fermetures et stores - Confort thermique et lumineux - Méthodes d'essai et de calcul »

EN 13125 « Fermetures pour baies équipées de fenêtres, stores intérieurs et extérieurs - Résistance thermique additionnelle - Attribution d'une classe de perméabilité à l'air à un produit »

EN 13363-1 « Dispositifs de protection solaire combinés à des vitrages - Calcul du facteur de transmission solaire et lumineuse - Partie 1 : méthode simplifiée »

EN 13363-2 « Dispositifs de protection solaire combinés à des vitrages - Calcul du facteur de transmission solaire et lumineuse - Partie 2 : méthode de calcul détaillée »

EN ISO 10077-1 « Performance thermique des fenêtres, portes et fermetures - Calcul du coefficient de transmission thermique - Partie 1 : généralités »

EN 410 « Verre dans la construction - Détermination des caractéristiques lumineuses et solaires des vitrages »

(2) Guides « Guide de la Fermeture et de la Protection Solaire », 2010, co-édité par SEBPTP et Metal’Services

« Solar Shading, how to integrate solar shading in sustainable buildings », 2010, édité par REHVA, 40 rue de Washington, 1050 BRUSSELS, BELGIUM; [email protected]

(3) Recherches “Création d'un outil d'aide au choix optimisé du vitrage du bâtiment selon des critères physiques, écologiques et économiques, pour un meilleur confort visuel et thermique”, Magali Bodart, UCL, Avril 2002.

Analyse de l’apport énergétique du volet roulant, TBC & SNFPSA, Mars 2010

[CMU 2004] Guidelines for High Performance Buildings 2004 http://cbpd.arc.cmu.edu/ebids/images/group/cases/Daylighting.pdf

[Hart 1994] Hartkopf, V., V. Loftness, S. Duckworth, S. Lee, P. Drake, J. Posner, and G. Rainer. The Intelligent Workplace Retrofit initiative: DOE Building Studies. Produced under contract for the U.S. Department of Energy, December 1994.

[Hart 1999] Hartkopf, V., Loftness, V. Global relevance of total building performance, Automation in Construction 8, (1999) pp. 377-393.

[Hesh 1999] Heschong, Mahone, Daylighting in Schools: An investigation into the relationship between daylighting and human performance, 1999.

[Hesh 2003b] Heschong, L., Windows and Classrooms: A Study of Student Performance and the Indoor Environment. Report prepared for the California Energy Commission, 2003.

[Thay 1995] Thayer, Burke Miller, Daylighting & Productivity at Lockheed, Solar Today, Vol.9, 1995.

(4) Liens informatifs Site internet ES-SO : www.es-so.com

Outil Textinergie : www.textinergie.org

Logiciel Win-Shelter : www.pit.enea.it


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a Directive sur la Performance Energétique des Bâtiments (« DPED »), et notamment sa version revue de 2010, exige qu’à partir de 2020 tous les nouveaux bâtiments en Europe aient une consommation d’énergie quasi nulle. Cet objectif n'est réalisable que grâce à l'optimisation de

l'enveloppe du bâtiment.

Au sein de l’enveloppe d’un bâtiment, la paroi vitrée joue un rôle clé car elle permet à la lumière et à la chaleur de pénétrer dans le bâtiment. Cependant, les niveaux de lumière et de chaleur varient tout au long de l'année. Ils doivent être contrôlés d’une part pour atteindre l'objectif du « quasi zéro énergie » et, d'autre part, pour assurer le confort des occupants. La protection solaire – qui couvre une grande variété de produits et de commandes – est conçue pour répondre à ces besoins car elle adapte les propriétés des parties vitrées de l’enveloppe aux conditions climatiques et aux besoins humains.

C'est pourquoi la protection solaire ne peut pas être considérée comme un équipement secondaire de l'enveloppe vitrée, mais doit être intégrée dans la conception du bâtiment dès la toute première étape de l'élaboration du projet. De cette façon, l'impact sur les performances lors du développement du bâtiment peut être évalué et les équipements de chauffage et de refroidissement dimensionnés en conséquence. Le confort visuel et thermique des occupants peut également être déterminé à l'avance évitant ainsi d'éventuelles modifications de la façade ou de l'environnement interne après la mise en service du bâtiment.

Ce guide est destiné à donner les informations techniques nécessaires pour évaluer la performance des protections solaires. Il contient les principes de base utiles à la compréhension des propriétés physiques impliquées dans la transmission du rayonnement solaire. Il met ensuite en évidence les méthodes de calcul normalisées qui sont utilisées pour évaluer les caractéristiques thermiques et lumineuses des fermetures et des stores. Enfin, sur la base d’études techniques et de recherches, il donne un aperçu de l'impact de la protection solaire sur la consommation énergétique des bâtiments et le confort des occupants.

Bien qu'il soit destiné à être utilisé par les fabricants et les installateurs de protections solaires, ce guide sera d'un intérêt certain pour les architectes et les énergéticiens.

ES-SO vzw Naessenslaan 9

B-1860 Meise, Belgium Email: [email protected]

SNFPSA 10 rue du Débarcadère 75852 Paris Cedex 17

www.fermeture-store.org

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