Éléments physiques de base relatifs à la construction

Le soleil fournit gratuitement plus d'énergie à la surface terrestre que la quantité dont l'humanité a besoin. En une heure seulement, il nous fournit une quantité d'énergie correspondant au besoin annuel de l'ensemble de la population mondiale. Seulement 0,1 % de cette quantité est stocké par photosynthèse, sous forme de biomasse dans les plantes. La lumière du soleil est essentielle à la santé de l'homme. L'hiver, le soleil avec son rayonnement sur les surfaces de fenêtres et façades transparentes, permet de chauffer les locaux.

Par la surface vitrée toujours plus grande de l'architecture moderne notamment, la surchauffe estivale des bâtiments, même sous nos latitudes, reste au cœur des préoccupations. Par des températures trop élevées, nous sommes extraits de la zone de confort, dans des bureaux trop chauds, l'efficacité diminue rapidement. Pendant les périodes de chaleur estivales, les installations climatiques dans les voitures, les bâtiments publics et de plus en plus dans les bâtiments privés, tournent à plein régime. La consommation énergétique élevée des installations climatiques à un niveau de rendement relativement mauvais, ne fait que favoriser le réchauffement climatique. Une fois de plus, cet état de fait est la cause de périodes de chaleur toujours plus fréquentes l'été et d'événements météorologiques violents en augmentation, un cercle vicieux. Étant donné que le soleil, assure gratuitement l'éclairage pendant la journée, afin d'éviter toute surchauffe, il ne doit pas être simplement masqué. Sinon, des éclairages artificiels seraient requis le jour, ce qui n'est pas non plus souhaitable pour des raisons d'efficacité énergétique. Une construction dans le respect du climat nécessite une connaissance des interactions du rayonnement solaire et du verre. Avec leur opacité sélective, les verres de protection solaire contribuent significativement à la protection solaire estivale.

Ce chapitre traite des bases en termes de rayonnement relatives aux thèmes de la protection solaire et de la protection solaire estivale et explique les caractéristiques les plus importantes en matière de protection solaire.

Les ondes électromagnétiques désignent des vibrations de champs électriques et magnétiques. La vibration s'effectue perpendiculairement à la direction de propagation (ondes transversales*). Pour se déplacer, les ondes électromagnétiques n'ont besoin d'aucun milieu, elles pénètrent également dans le vide.

*) Remarque : Contrairement au rayonnement électromagnétique oscillant transversalement, le son vibre dans l'air longitudinalement dans la direction de propagation (onde longitudinale). En outre, les ondes acoustiques ont besoin d'un milieu pour se propager (chapitre Bruit).

Le spectre du rayonnement électromagnétique est divisé en longueurs d'onde. La lumière visible comprend uniquement une petite zone de l'ensemble du spectre. Pour le reste du spectre électromagnétique, l'œil humain est aveugle, pour l'explorer, l'homme a besoin de capteurs et d'outils.

Rayons infrarouges (rayons IR) est invisible pour l'homme. Sa plage de longueur d'onde va de 780 nm (proche infrarouge) à 1 mm (infrarouge lointain). Le rayonnement infrarouge pénètre la brume et le brouillard mieux que la lumière visible. On peut donc prendre des photos à l'aide de pellicules sensibles aux infrarouges, même « en l’absence de vision ». Les photos par imagerie thermique, à l'aide d'une caméra infrarouge, rendent les pertes de chaleur visibles sur des bâtiments.

La lumière caractérise la zone visible pour l'homme du spectre électromagnétique entre environ 380 et 780 nm. La couleur est déterminée par la longueur d'onde. Les frontières aux RI et UV ne sont pas nettes, la sensibilité de l'œil humain diminue progressivement en périphérie. Dans la zone du rayonnement ultraviolet (UV), l'homme ne peut pas voir, mais certains animaux, notamment les insectes, voient également dans la zone UV. Certaines fleurs blanches insignifiantes pour nous attirent véritablement les insectes. Le rayonnement UV a une longueur d'onde plus courte et une charge énergétique plus élevée que la lumière. La plage de longueur d'onde va de 380 à 1 nm, elle est divisée en UV-A, jouxtant la zone visible, UV-B et UV-C.

Un rayonnement inférieur à 200 nm, comme le rayonnement radiographique et gamma est si chargé en énergie que les électrons issus des atomes ou des molécules peuvent se détacher. Il est ionisant et donc dangereux pour l'homme et d'autres organismes. Heureusement, l'atmosphère terrestre protèège de tout rayonnement solaire inférieur à 300 nm de longueur d'onde.

Le spectre du rayonnement solaire traversant la terre va des UV, en passant par les UV visibles, jusqu'aux infrarouges moyens d'environ 300 à 2500 nm. De ce fait, l'ensoleillement intégral, en parcourant l'atmosphère terrestre est réduit par absorption et dispersion. Il convient donc de distinguer le rayonnement solaire extra-terrestre (hors de l'atmosphère terrestre) du rayonnement à la surface de la terre. La puissance de rayonnement qui atteint la surface de la terre dépend surtout de la position du soleil, c'est-à- dire de la saison et de l'heure. Par des journées ensoleillées d'été, les rayons solaires en suisse atteignent à midi une puissance de rayonnement allant jusqu'à 1000 W/m². Lors du solstice d'hiver, fin décembre, la puissance de rayonnement par temps maussade, est d'environ un cinquième de cette valeur.

(Source : Wikimedia Commons)

*) Remarque : Le radiateur thermique idéal est le théorique « corps noir ». Il absorbe et émet le rayonnement maximum possible, son émissivité est de 1. À des températures ambiantes classiques, le rayonnement maximal se situe dans la zone infrarouge longue (infrarouge lointain). Le rayonnement thermique est donc familièrement assimilé au rayonnement infrarouge. Plus le corps est chaud, plus son maximum se décale en direction de la lumière visible.

La lumièère visible contribue à la puissance de rayonnement totale du soleil à la surface de la terre (niveau des mers) à environ 52 %, le rayonnement infrarouge à environ 42 %, où encore seulement 1 % du rayonnement total d'infrarouge lointain est supérieur à 2500 nm. Le rayonnement UV fournit avec environ 6 %, certes une part relativement faible, mais est notamment avec la part d'UV-B, très actif sur la peau et occasionne des coups de soleil. La part d'UV-A abîme la couche profonde de la peau, occasionne le vieillissement cutané et la formation de rides.

L'œil humain est précisément dans la zone la plus sensible où l'intensité de rayonnement la plus forte du soleil, atteint la surface de la terre.

On peut qualifier de « coïncidence heureuse » le fait que la plage de longueur d'onde totale du rayonnement solaire corresponde principalement à la zone perméable du verre. Le comportement du rayonnement solaire au contact du verre dépend toutefois de la longueur d'onde. La perméabilité du type de verre est déterminée avant tout à l'extrémité courte du spectre.

Les verres au silicate de sodium utilisés principalement pour la construction et l'automobile ne sont pas perméables pour des longueurs d'onde inférieures à 320 nm dans la zone infrarouge moyenne à lointaine supérieure à environ 2500 nm. Cette perméabilité du verre dépendante de la longueur d'onde est responsable de l'effet de serre. L'énergie solaire qui arrive à la surface de la terre parvient à l'intérieur par du verre sans revêtement, en grande partie. Les murs, sols et meubles de la pièce sont réchauffés par absorption de rayonnement. Ils renvoient l'énergie accumulée sous forme de rayonnement thermique (émission). À des « températures ordinaires », le maximum de ce rayonnement thermique se situe dans l'infrarouge lointain. À cette fin, le verre n'est cependant pas perméable, le rayonnement thermique est absorbé ou réfléchi dans la pièce. L'énergie reste à l'intérieur, la pièce est donc plus chaude.

L'effet porte donc le nom d'effet de serre, car le processus est utilisé en horticulture dans les serres. Le soleil qui pénètre dans une serre réchauffe le sol sombre. Le rayonnement thermique émis par le sol ne s'échappe plus par le verre, réchauffe l'air et favorise ainsi la croissance des plantes lorsqu'il fait encore trop froid dehors.

Comme indiqué au Chapitre Spectre solaire et rayonnement électromagnétique pour le corps noir, des objets absorbant des rayons renvoient un rayonnement thermique (émission). Les plaques de verre diffusent l'énergie solaire absorbée sous forme de dissipation de chaleur secondaire à l'intérieur (q_i, i = intérieur) et à l'extérieur (q_a, a =extérieur).

* Index e = énergie, Index v = visible. Pour la dissipation de chaleur secondaire q vers l'extérieur, l'index e est toutefois souvent utilisé, où e signifie ici externe. Pour éviter toute confusion, la dissipation de chaleur secondaire q vers l'extérieur dans ce chapitre est désignée à l'aide de l'index a. Pour les autres désignations utilisées partiellement pour les valeurs caractéristiques du verre, S = Strahlung (rayonnement) (SR = Strahlungsreflexion (réflexivité), SA = Strahlungsabsorption (absorption du rayonnement) et ST = Strahlungstransmission (transmission de rayonnement)) L = Licht (lumière) avec les parts LR, LA et LT.

Pour la réflectance ρ=1 (α=0 et τ=0) : l'ensemble du rayonnement est réfléchi (miroir idéal)

Pour le degré d'absorption α= 1 (ρ=0 et τ=0) : l'ensemble du rayonnement est absorbé (appelé corps noir)

Pour le facteur de transmission τ=1 (ρ=0 et α=0) : l'objet serait complètement transparent.

Pour l'indication des valeurs caractéristiques physiques de rayonnement pour vitrage (Chapitre Valeurs caractéristiques de technique de rayonnement du verre), on distingue les valeurs du spectre global d'énergie solaire et les indications de zone partielle de la lumière visible:

Par les mesures appliquées au verre, les trois parts (reflet, absorption et transmission) peuvent être impactés de manière ciblée. Si une part est modifiée, les deux autres parts sont impactées. Une part peut donc également toujours être augmentée ou réduite sous l'influence des deux autres parts.

Les caractéristiques physiques relatives à la lumière et au rayonnement des vitrages pour les bâtiments sont déterminées selon la norme SN EN 410 et servent de base aux calculs relatifs à la lumière, è la chaleur et au climat.

Elle se situe entre 0 et 1. Une valeur g équivalente à 1 correspond à une transmission d'énergie de 100 % Un verre simple sans revêtement a une valeur g d'environ 0,85, c'est-à-dire 85 % de l'énergie rayonnée parvient directement ou indirectement à l'intérieur de la pièce, la quantité restante est réfléchie ou absorbée. Pour la protection solaire, la valeur g doit être la plus basse possible, cependant pour le gain solaire l'hiver, la plus élevée possible.

La transmission lumineuse T_v (également valeur L_T) indique le pourcentage de part de rayonnement visible du spectre solaire transmis de l'extérieur. Elle dépend de l'épaisseur de verre, de la composition du verre ainsi que du revêtement de la vitre. Selon la norme SN EN 410, elle est liée à la sensibilité de l'œil humain. Le verre au silicate de sodium sans revêtement a une transmission lumineuse d'environ 90 %. La lumière naturelle du jour ne se contente pas d'être plus agréable pour l'œil que l'éclairage artificiel. La lumière du jour influe également sur notre métabolisme, elle est importante pour la croissance des plantes d'intérieur. Une bonne utilisation de la lumièère du jour par des surfaces vitrées permet d'économiser de l'énergie. Un éclairage par la lumière du jour, qui n'éblouit pas, revêt également toute son importance pour une conception optimale des postes de travail.

L'indice de rendu de couleur R_a joue également un rôle lors de la sélection des vitrages. La lumière du soleil se compose de chacune des plages de longueur d'onde de couleur, du rouge en passant par l'orange, le jaune, le vert et le bleu puis le violet, le tout se transformant en blanc. Si les plages de longueur d'onde de la lumière vers l'extérieur sont transmises différemment ou ne sont pas réfléchies du dessus vers l'extérieur uniformément, l'impression couleur est modifiée. Cela peut avoir un impact sur l'effet esthétique et le bien-être dans l'espace. L'indice de rendu de couleur est mesuré selon la norme SN EN 410 avec une source de lumière normée. La valeur maximale pour un rendu de couleur parfaitement neutre est 100. Avec des revêtements vitreux pour une protection solaire et thermique, on peut obtenir un rendu de couleur bon ou très bon. Les verres paraissent en grande partie neutres malgré le revêtement.

Pour une autre détermination selon la norme SN EN 410, le facteur b du vitrage sur un verre simple de 3 mm, se rapproche de 0,87.

La protection solaire estivale dépend des éléments suivants :

• Coefficient global de transmission d'énergie (valeur g) des parties extérieures transparentes
• Dispositifs de protection solaire pour les parties extérieures transparentes 
• Orientation des surfaces transparentes selon la direction cardinale et l'inclinaison par rapport à la verticale
• Coefficient surfacique des parties extérieures transparentes sur l'ensemble de l'enveloppe du bâtiment
• Type et intensité d'aération des pièces 
• Capacité thermique, c'est-à-dire la capacité d'accumulation thermique des éléments de construction qui délimitent les locaux
• Conductivité thermique des parties extérieures qui ne sont pas transparentes 
• Sources de chaleur internes

1. Les éléments permettant de lutter contre le froid l'hiver, permettent également de lutter contre la chaleur l'été. Une bonne bouteille thermos conserve longtemps la chaleur des boissons chaudes et la fraîcheur des boissons froides. Aujourd'hui, les réfrigérateurs et les congélateurs ont une bonne isolation thermique et sont donc performants en termes de consommation énergétique. Un bâtiment climatisé s'apparente à un grand réfrigérateur. Une enveloppe du bâtiment avec une bonne isolation thermique permet également l'été de conserver la chaleur dehors. Les coefficients de transmission thermique des éléments (parois, toits, fenêtres, portes) ont donc toute leur importance également pour la protection solaire.

2. Outre l'apport thermique sur des surfaces non transparentes, les gains solaires indésirables l'été par les surfaces vitrées sont déterminants, ils peuvent entraîner une surchauffe des pièces. L'été, le soleil apporte cependant sous nos latitudes une intensité de rayonnement sensiblement plus élevée que pendant les mois d'hiver. L'effet de serre souhaité l'hiver se transforme en surchauffe l'été. Le coefficient global de transmission d'énergie (valeur g) des verres, le coefficient surfacique et l'orientation des fenêtres constituent des caractéristiques importantes, en tenant compte des mesures de protection contre le soleil.

3. Le réchauffement des pièces d'un bâtiment, dû au rayonnement solaire et par des sources de chaleur internes (par exemple, éclairage, personnes) est d'autant plus faible que les composants au contact de l'air ambiant présentent une bonne capacité de stockage. Plus la chaleur produite dans la journée par l'air ambiant chauffé peut être diffusée sur les structures, moins la pièce se réchauffe. Les masses thermiques atténuent les variations de température au cours de la journée. Seules des couches d'éléments de construction sont alors efficaces à l'intérieur en termes d'isolation thermique. L'isolation thermique à l'extérieur et les couches de capacité d'accumulation de la chaleur à l'intérieur ont généralement un effet positif sur le climat intérieur l'été.

4. L'orientation du bâtiment la plus critique n'est pas le Sud mais l'Ouest en raison du soleil qui est plus bas. Ici, le rayonnement solaire en raison de la transmission directe du rayonnement est au maximum. Les surfaces vitrées orientées vers l'Ouest sans protection solaire entraînent une surchauffe l'été, étant donné que dès le matin l'espace est baigné d'énergie. Même lorsque les façades sont orientées au Nord, les pièces peuvent encore se réchauffer par un rayonnement diffus (indirect).

En termes de protection solaire, il convient de comprendre toutes les mesures permettant de réduire l'apport d'énergie par rayonnement solaire. Plusieurs façons d'y arriver, en combinant également différentes options :

Protection solaire non variable :

• Construction (toits et balcons dimensionnés via des vitrages orientés au sud)
• Verres de protection solaire statiques

Protection solaire variable :

Dispositifs de protection solaire extérieurs (persiennes, volets, brise-soleil, stores)
Dispositifs de protection solaire intérieurs (volets, rideaux, volets roulants) 
Dispositifs de protection solaire dans l'espace intercalaire (volets, volets roulants)
Vitrages commutables de manière dynamique (valeur g)
La norme SIA 180:2014 exige, pour les nouvelles constructions et pour la rénovation énergétique, la preuve d'une protection solaire estivale suffisante. Dans les bâtiments, il ne doit y avoir aucune condition de température inacceptable, entraînant des mesures de refroidissement mécaniques ou gourmandes en énergie. La protection solaire estivale doit être anticipée au mieux, introduite dès la phase de planification d'un bâtiment. Les éléments constructifs font partie intégrante de la planification architecturale et ne peuvent plus être montés ultérieurement sur un bâtiment terminé, à moins d'efforts substantiels.

Les vitrages de protection solaire avec revêtements appropriés spécifiquement conçus permettent de réduire efficacement l'irradiation du soleil, sans entraver la transparence. Le revêtement de protection solaire « idéal » (380 à 780 nm) laisserait parfaitement entrer la lumière visible et toutes les autres zones seraient entièrement bloquées pour un faible apport d'énergie par reflet et absorption. On tente d'y parvenir le plus possible par des revêtements sélectifs. Cela revêt toute son importance en termes d'économie d'éclairage artificiel et de neutralité de la couleur. Toutefois, la part visible du rayonnement solaire comporte également beaucoup d'énergie. Selon les circonstances, il est donc pertinent de la réduire, tout au moins partiellement.

Les verres de protection solaire sont teintés ou enduits ou les deux.

Le verre feuilleté de sécurité présente, en raison du film PVB (polyvinyle butyral) situé entre les 2 plaques de verre, un facteur de transmission d'UV très réduit. Ce type de verre n'est donc pas approprié pour les serres. En raison de la part d'UV manquante à la lumière, les plantes ne peuvent pas survivre longtemps (photosynthèse).

La conformité aux dispositions en partie à contre courant en matière de lumière du jour, protection solaire, protection thermique et protection anti-éblouissement, reste une tâche de planification ardue.

Le développement est permanent, les technologies et composante innovants doivent permettre d'apporter une solution aux exigences partiellement contradictoires. Des approches intéressantes existent dans de nombreux domaines :

• Systèmes de volets très réfléchissants intégrés aux vitrages isolants
• Volets et brise-soleil avec guidage de lumière
• Systèmes de contrôle intégrés à la technique des bâtiments
• Installations thermiques solaires ou photovoltaïques intégrées à la protection solaire
• Vitrages commutables (vitrage intelligent)
• Matériaux intelligents - Matériaux qui peuvent se modifier en raison de certains facteurs, par exemple, textiles, membranes et films ; mais également plastiques revêtements et systèmes de sandwich