Connaissance du secteur

Introduction

Avec le développement de l‘efficacité énergétique des bâtiments, le triple vitrage à double chambre est devenu la solution privilégiée pour les fenêtres extérieures. Comparé au triple vitrage traditionnel à simple chambre, l‘augmentation du nombre de chambres améliore les performances d‘isolation thermique. Alors que le coefficient K du triple vitrage (6+16A+6) est de 2,7 W/mK, celui du triple vitrage (6+16A+6+16A+6) atteint 1,7 W/mK. En intégrant des technologies telles que le verre à faible émissivité (Low-E), le remplissage de gaz inerte et les joints à bords chauds, on obtient un triple vitrage (6Low-E+16Ar+6+16Ar+6Low-E) dont le coefficient K peut atteindre 0,8 W/mK.

Tout en améliorant les performances d‘isolation thermique des portes et fenêtres, le triple vitrage à double chambre augmente également la consommation de matériaux. Premièrement, le poids du vitrage augmente, ce qui accroît la largeur et l‘épaisseur du profilé ainsi que les exigences de résistance de la quincaillerie. Dans le cas du triple vitrage à double chambre, les deux vitres extérieures assurent le support et la charge. La fonction principale de la vitre centrale est de séparer les chambres, de limiter les transferts de chaleur par convection du gaz de remplissage et, par conséquent, d‘augmenter l‘épaisseur de la couche isolante. Cependant, elle doit également répondre à certaines exigences de performance mécanique. Pour remplir cette fonction, on peut facilement envisager l‘utilisation d‘autres matériaux minces en remplacement de la vitre centrale de 6 mm existante, formant ainsi un triple vitrage mince.

1. Vitre isolante mince à montage central

2TD

Le verre inorganique est la forme de produit dominante du vitrage isolant à trois vitres et deux chambres. La méthode d‘amincissement est envisagée en fonction des trois couches de verre qui le composent. La vitre extérieure, soumise à la charge du vent, est amincie tout en respectant les exigences de performance mécanique. La vitre intérieure, non directement exposée au vent, est utilisée comme surface d‘usage. Cependant, cette surface devant également répondre à certaines exigences de performance mécanique, un certain potentiel d‘amincissement existe. La vitre intermédiaire (entre les vitres intérieure et extérieure) ne supportant pas directement la charge du vent, elle présente le plus grand potentiel d‘amincissement. La société japonaise Lixil a aminci le verre d‘origine de (3+3+3) mm à (3+1,3+3) mm, soit un gain de poids d‘environ 19 %. Avec un amincissement de (3+1,3+1,3) mm, le gain de poids atteint environ 38 %, comme illustré sur la figure 1. Le Western Pacific National Laboratory, aux États-Unis, a remplacé le vitrage isolant traditionnel par un vitrage isolant mince à haute efficacité énergétique. Une étude a été menée sur les économies d‘énergie réalisées grâce au remplacement des vitrages existants dans les bâtiments. Le vitrage isolant mince est composé de deux vitres de 3,2 mm d‘épaisseur environ, dotées d‘un film à faible émissivité, et d‘une vitre intermédiaire de 16 mm d‘épaisseur environ. Les résultats des tests montrent une économie d‘énergie pour le système de chauffage, ventilation et climatisation (CVC) de 0,2 à 18,7 kWh par jour en saison de chauffage (soit 3 % à 18 % d‘économie d‘énergie par personne), et de 2,5 à 8,0 kWh par jour en saison de climatisation (soit 23 % à 41 % d‘économie d‘énergie). La pénétration du bruit est quant à elle réduite de 8 à 10 dB. Le Laboratoire national Lawrence Berkeley a intégré une fine couche de verre de 0,7 mm dans un vitrage isolant ordinaire (verre de 3 mm + verre Low-E de 3 mm) pour former un vitrage isolant mince, comme illustré sur la figure 2. Des études ont montré que dans les climats à forte chaleur (comme Minneapolis, Minnesota), le potentiel d‘économie d‘énergie du vitrage isolant mince par rapport au vitrage extérieur classique est de 16 %, dans les climats tempérés (comme Washington, D.C.), ce potentiel est de 12 %, et dans les climats à forte fraîcheur (comme Houston, Texas), il est de 7 %. L‘épaisseur du verre utilisé pour les fenêtres extérieures en Chine a augmenté. Dans les années 1980, le verre de 3 mm était la norme pour le verre flotté. Après 1993, le verre de 5 mm était le produit le plus courant, et plus récemment, le verre de 6 mm est devenu la norme. En 2013, Wang Xinchun et ses collègues ont proposé de réduire l‘épaisseur des vitrages plats. La consommation annuelle de verre plat par habitant dans mon pays est de 20,7 kg, soit 1,25 fois celle des pays de l‘UE, deux fois celle des États-Unis et 2,6 fois la moyenne mondiale. L‘épaisseur du verre plat est l‘une des raisons de cette consommation anormale par habitant. On estime que si l‘épaisseur du verre de 5 mm était réduite à 4 mm en 2012, la production de verre pourrait être diminuée de 7,1 millions de tonnes et la consommation de matières premières de 7,71 millions de tonnes, dont 6,35 millions de tonnes de ressources naturelles telles que le sable siliceux.36 millions de tonnes de produits chimiques, comme le carbonate de sodium, sont produites. L‘article propose de transformer le modèle de développement des industries et des entreprises et d‘améliorer les techniques de production. Cinq suggestions sont formulées : ajuster le niveau technique de la chaîne industrielle, intensifier les efforts de recherche scientifique et inciter les services concernés à lancer au plus vite des travaux sur l‘amincissement du verre plat. Parallèlement, des entreprises comme le groupe CSG explorent activement des applications du verre mince pour les fenêtres extérieures.

Actuellement, le développement du vitrage isolant mince présente une bonne adaptabilité. Premièrement, pour répondre aux objectifs de développement liés à la double performance carbone (production et construction écologiques), le vitrage isolant mince favorisera les économies d‘énergie et de matériaux, ainsi que la réduction des émissions de carbone dans les filières du verre, des profilés, des portes et fenêtres, des murs-rideaux et des transports. Deuxièmement, le vitrage isolant à double ou multichambre est le produit phare des structures transparentes à haute efficacité énergétique de Chine et présente un fort potentiel d‘amincissement. Troisièmement, le vitrage isolant mince bénéficie d‘une solide base industrielle, propice à la transformation et au développement du secteur. Quatrièmement, la production de verre mince et de verre ultra-mince en Chine fournit les matériaux et les infrastructures nécessaires. Le verre photovoltaïque au sodium-calcium et le verre de protection constituent des produits de base. La transformation et la production de verre plat en verre mince sont inégalées en termes de technologie et de capacité de production. Comparé aux creusets en verre industriel et architectural :

2 Vitrages isolants avec matériaux de film central

Le vitrage isolant à film organique central (comme illustré sur la figure 3) divise une chambre unique en deux ou plusieurs compartiments de vitrage isolant. Le film organique non fonctionnel (film blanc) sert uniquement à séparer les compartiments, limitant ainsi la convection, augmentant l‘épaisseur de la couche isolante et permettant d‘obtenir une structure fine et légère. Le film organique fonctionnel (film réfléchissant thermique) confère des propriétés telles qu‘une faible émissivité et améliore l‘efficacité énergétique en contrôlant le rayonnement thermique, en plus du film blanc. Ce vitrage isolant à film central est fabriqué par la société américaine Southwall Technologies depuis 1970 et est utilisé dans le bâtiment. Le vitrage isolant à film réfléchissant thermique présente d‘excellentes propriétés thermiques, étudiées notamment par Li Wu et ses collaborateurs. Le film central est un film thermoplastique qui se rétracte sous l‘effet de la chaleur. La pose et l‘installation de ce film nécessitent une intervention manuelle, ce qui augmente le coût de production. He Xueping et ses collaborateurs ont étudié la conception du processus d‘assemblage clé du système de vitrage isolant à film central. La réduction du coût des matériaux de membrane, la réalisation de l‘installation automatique des membranes, la réduction du degré d‘intervention manuelle et des coûts de traitement correspondants deviendront les points clés du développement du vitrage isolant à film central.

3. Verre composite isolant véritable

Le verre sous vide est un produit verrier composé de deux ou plusieurs plaques de verre séparées par des colonnes de support. Le pourtour est scellé pour former une cavité, puis cette cavité est mise sous vide. Afin d‘optimiser le transfert thermique et la résistance mécanique des colonnes de support, leur nombre et leur surface doivent être minimisés. On privilégie ainsi des colonnes de faible section et de faible longueur, sans incidence sur l‘esthétique. En théorie, les transferts thermiques par convection et par conduction sont indépendants de l‘épaisseur de la couche de vide. Cette épaisseur est généralement comprise entre 0,15 et 0,25 mm. Au moins une plaque de verre sous vide est constituée d‘un verre à faible émissivité, assurant une isolation efficace contre les trois modes de transfert thermique fondamentaux : conduction, convection et rayonnement. Le verre sous vide est donc un produit verrier mince très performant. Seul le vitrage isolant composite sous vide permet d‘exploiter pleinement les performances d‘isolation du vitrage sous vide, et sa structure est illustrée à la figure 4. Bien qu‘une lame de verre soit présente au centre du vitrage isolant sous vide, cette lame est soumise à la pression atmosphérique après la mise sous vide et supporte la pression de la colonne de support, ce qui limite l‘amincissement du vitrage sous vide. Grâce à sa haute efficacité et à ses performances énergétiques, le vitrage sous vide permet de réduire l‘épaisseur totale du vitrage isolant composite, atteignant ainsi l‘objectif d‘amincissement. La production de vitrage sous vide en Chine a considérablement progressé, mais le coût demeure le principal frein à son développement. Chaque lame de vitrage sous vide est composée de verre à faible émissivité afin d‘assurer une isolation efficace contre les trois modes de transfert thermique fondamentaux : conduction, convection et rayonnement. Le vitrage sous vide est donc un produit en verre mince très performant. Seul le vitrage isolant composite sous vide permet d‘exploiter pleinement les performances d‘isolation du vitrage sous vide. Sa structure est illustrée à la figure 4. Bien qu‘une lame de verre soit présente au centre du vitrage creux, celle-ci est soumise à la pression atmosphérique après la mise sous vide et supporte la pression de la colonne de support, ce qui limite l‘amincissement du vitrage sous vide. Grâce à son efficacité élevée et à ses performances énergétiques remarquables, le vitrage sous vide permet de réduire l‘épaisseur totale du vitrage isolant composite, atteignant ainsi l‘objectif d‘amincissement. La production de vitrage sous vide en Chine a considérablement progressé, mais le coût demeure le principal frein à son développement.

4 Verre creux en aérogel

L‘aérogel présente d‘excellentes performances d‘isolation thermique, notamment en termes de légèreté. Son intégration dans un vitrage creux permet d‘obtenir une faible épaisseur, une haute efficacité et des économies d‘énergie. Le coefficient K du vitrage creux (6+12A+6) est de 2,8 W/mK, celui du vitrage (6Low-E+12A+6) est de 1,8 W/mK et celui du vitrage (6+12aérogel+6) atteint 1,0 W/mK. Une solution économique pour intégrer l‘aérogel consiste à utiliser des particules d‘aérogel comme matériau de remplissage. La différence d‘indice de réfraction entre l‘interface aérogel/particules et le verre, ainsi que la transparence de l‘aérogel lui-même, augmentent le voile du vitrage isolant et affectent sa transparence. Réduire le voile de l‘aérogel et privilégier un matériau composite constitué d‘une seule pièce d‘aérogel (plutôt que de particules) est une méthode efficace pour améliorer la transparence. La structure transparente de l‘enveloppe d‘un bâtiment (portes et fenêtres extérieures, murs-rideaux) doit répondre à des exigences élevées en matière de transparence et devrait être largement utilisée pour l‘éclairage. Il est toutefois nécessaire d‘étudier les effets de l‘accumulation de chaleur due au rayonnement solaire et des chocs thermiques sur les propriétés mécaniques du vitrage isolant.

5 Résumé

L‘amincissement du vitrage isolant est une tendance de développement présentant de multiples avantages, tels que des économies de matériaux, d‘énergie et de carbone. Le vitrage isolant d‘épaisseur intermédiaire, bénéficiant d‘une bonne industrialisation et d‘un coût avantageux, constitue la voie de développement privilégiée. Le vitrage isolant à film mince et le vitrage composite sous vide, très fins, trouvent des applications dans les bâtiments neufs et présentent des avantages indéniables pour le remplacement du vitrage traditionnel dans le cadre de la rénovation énergétique des bâtiments existants. À l‘avenir, le vitrage isolant en aérogel devrait être utilisé dans les structures d‘éclairage.