Etude du vitrage

Au cours de ces dernières décennies, l’évolution de l’architecture s’est traduite par une augmentation des surfaces vitrées des bâtiments. En parallèle, des systèmes d’occultation plus ou moins sophistiqués ont été intégré aux immeubles qu’ils soient commerciaux ou résidentiels. Cette évolution permet aux occupants de profiter de la lumière naturelle et d’avoir un meilleur contact avec l’extérieur tout en maîtrisant les consommations d’énergie et les conditions de confort, été comme hiver.

1 - Choix de l'orientation des ouvertures

= 45 min

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Question 1 - Compléter pour les façades 4 à 6, à l'aide des plans des différents niveaux, le tableau précisant les types d’ouvrant (fenêtre, porte fenêtre, baie vitrée, etc…) sur l'extérieur de chaque pièce (sans le sous-sol et le garage) avec leurs dimensions :

Question 2 - Combien y a-t-il d’ouvertures orientées :

• « Sud » (sud, sud-est, sud-ouest).
• « Nord » (nord, nord-est, nord-ouest).

Question 3 - Calculer la somme des surfaces vitrées orientées au « Sud » et la somme des surfaces vitrées orientées au « Nord ».

Question 4 - Interpréter et conclure quant la différence.

2 - Étude énergétique et économique

= 35 min

Les progrès réalisés par la technologie du verre ont permis de faire évoluer les surfaces vitrées utilisées dans la construction : les simples vitrages d’autrefois ont laissé la place aux doubles et triples vitrages réalisés avec des verres de plus en plus performants séparés par des couches d’air ou de gaz noble. Les compositions ainsi créées possèdent des caractéristiques techniques et économiques différentes qu’il faut adapter à une situation donnée.

Cette recherche d’optimisation énergétique amène à se poser la question du choix d’un vitrage pour une habitation donnée en tenant compte des impacts énergétiques, économiques et environnementaux liés à ce choix.

Thermiquement, une surface vitrée se caractérise principalement par sa conductance thermique U_g (unité : W.m^-2.K^-1) et son facteur solaire S (sans unité).

Lorsque la température extérieure est inférieure à la température intérieure, le vitrage laisse passer un flux thermique orienté de l’intérieur vers l’extérieur qui se traduit, pour une période donnée, par une perte d’énergie E_p.

A l’inverse, lorsque le vitrage est exposé au rayonnement solaire, celui-ci est traversé par un flux thermique de sens inverse qui se traduit par un gain d’énergie E_g.

En considérant les gains comme des valeurs positives et les pertes par des valeurs négatives, on peut calculer l’énergie E_t mise en jeu par les échanges thermiques : E_t = E_g - E_p.

Les expressions suivantes permettent de calculer E_g et E_p (en kWh) :

E_p = (0,024) x (U_g) x (N_DJU18) x (A)      et     E_g = (S) x (A) x (F_e) x (C₁) x (E)     avec :

• U_g : conductance thermique du vitrage (en W.m^-2.K^-1),
• N_DJU18 : cumul des degrés jours unifiés (facteur caractérisant le cumul de la différence de la température entre l’intérieur et l’extérieur),
• A : aire de la surface vitrée (en m²),
• S : facteur solaire du vitrage (sans unité),
• F_e : facteur d’ensoleillement (proportion d’ombrage créé par des obstacles liés au bâtiment et à l’environnement),
• C₁  : coefficient d’orientation,
• E : cumul de l’ensoleillement global reçu au point géographique considéré (en kWh.m-²).

Hypothèses simplificatrices :

Pour la suite de l’étude, et dans le cadre d’une étude simplifiée, on ne tiendra pas compte des déperditions engendrées par le type de menuiserie (bois ou aluminium) ni des « effets de bords » (échanges thermiques à la périphérie de la surface vitrée). On considérera que la surface vitrée étudiée est de 1m² et on se placera dans le cadre d’une situation idéale dans laquelle le vitrage n’est pas masqué et est parfaitement propre (F_e=1).

Question 5 - On donne les paramètres intervenant dans le calcul de E_t :

conductance thermique ; cumul des degrés jour unifiés ; facteur solaire ; facteur d’ensoleillement ; cumul de l’ensoleillement.

Dans les relations présentées ci-dessus et permettant les calculs des énergies échangées, identifier les paramètres internes au vitrage (qui dépendent des caractéristiques du vitrage) et les paramètres externes au vitrage (indépendant du type de vitrage).

Question 6 - Calculer, pour la seule période hivernale et pour une façade Est, la valeur de E_t (arrondie au kWh) pour le simple vitrage. Les caractéristiques nécessaires sont données dans les documents techniques Données météorologiques et Caractéristiques des vitrages. Préciser s’il s’agit d’une valeur positive (gain) ou négative (perte).

Le tableau suivant donne les cumuls annuels de la période hivernale de E_p et E_g calculées pour les doubles vitrages 1 et 2 ainsi que pour le triple vitrage :

	Ep en kWh/m² (Cumul période hivernale)			Eg en kWh/m² (Cumul période hivernale)			Et en kWh/m² (Cumul période hivernale)
Façade	Nord	Est/Ouest	Sud	Nord	Est/Ouest	Sud	Nord	Est/Ouest	Sud
Double vitrage N°1	157	157	157	73	200	364
Double vitrage N°2	58	58	58	46	126	229
Triple vitrage	29	29	29	33	90	163

Question 7 - Calculer le cumul de E_t pour chaque cas. Présenter vos résultats dans un tableau.

Question 8 - En vous aidant de vos résultats, indiquer le choix de vitrage le plus judicieux d’un point de vue énergétique correspondant à chaque exposition.

Pour la suite de l’étude, on se limite à l’exposition nord.

On souhaite comparer le triple vitrage et le double vitrage N°2. On considère :

• la durée d’utilisation moyenne d’un vitrage à 30 ans ,
• le prix de l’énergie stable.

Question 9 - Calculer le gain énergétique annuel engendré par l’utilisation de 1 m² de triple vitrage comparé au double vitrage N°2.

La maison sera équipée d’une pompe à chaleur dont le prix de revient de l’énergie thermique fournie est de 0,10 € / (kWh).

Question 10 - En déduire le gain économique correspondant pour une période de 1 an puis pour une période de 30 ans.

Question 11 - En tenant compte du surcoût lié à l’achat du triple vitrage, voir documents techniques, citer la solution la plus intéressante financièrement.

3 - Validation d’un point de vue développement durable

= 30 min

L’objectif de cette partie est de quantifier les impacts environnementaux liés au choix du vitrage sur la totalité de son cycle de vie.

On donne les impacts environnementaux liés aux cycles de vie du double vitrage N°2 et du triple vitrage  :



Sur une période de 30 ans, choisir le triple vitrage plutôt que le double vitrage N°2 permet d’économiser 480 kWh sur le poste chauffage du bâtiment et ainsi d’éviter le rejet de 144 kg de CO2.

Question 12 - Sur le cycle de vie complet, calculer les écarts d’énergie consommée (en kW.h) et des rejets de CO2 entre les deux solutions. En déduire le nom de la solution la plus efficace d’un point de vue développement durable.

Question 13 - En conclusion, on se propose de comparer, pour le pignon nord, le double vitrage N°2 et le triple vitrage sur les critères énergétique, économique et environnemental. Indiquer pour chaque critère la solution la plus efficace en se référant aux résultats précédents.

Question 14 - Citer trois aspects de l’étude non pris en compte susceptibles d’influer sur le choix final.

 

4 - Rendu de votre travail

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