Publié le 23 mars 2013, mis à jour le 7 octobre 2022
Le défi est ancien mais plus actuel que jamais : comment construire des maisons lumineuses et abordables qui permettent de jouir de la vue sur la nature et de l’énergie gratuite du soleil tout en assurant un grand confort à longueur d’année? Les experts en maisons solaires passives veulent permettre aux consommateurs d’optimiser le temps et l’argent investis. Pour sortir de la petite noirceur…
Frissons, sueurs, factures de chauffage salées et faiblesses à corriger sont trop souvent la norme dans nos maisons. C’est que la vaste majorité des résidences n’ont pas bénéficié des outils modernes de conception architecturale qui intègrent les principes du design solaire passif. Derrière la beauté des fenêtres se cachent des choix complexes qui peuvent nous faire perdre le nord comme le sud dans la recherche d’une maison solaire idéale.
Verre double ou triple? À faible ou fort contenu en fer? Vitrage clair ou doté d’une ou deux pellicules à faible émissivité, faites d’oxydes métalliques pulvérisés par pyrolyse (couches dures ou hard coat) ou fabriquées sous vide (couches tendres ou soft coat)? Les universitaires à qui nous avons posé ce genre de questions nous ont rabroué.
Simulation énergétique
« Je ne crois pas aux recettes, j’adopte plutôt une approche de performance », affirme l’ingénieur en mécanique du bâtiment Andreas Athienitis. Titulaire de la chaire de recherche en intégration des systèmes d’énergie solaire aux bâtiments à l’Université Concordia, le professeur Athienitis est également directeur scientifique du Réseau de recherche stratégique canadien sur les bâtiments intelligents à consommation énergétique nette zéro. Pour vous simplifier la vie, il recommande d’utiliser un logiciel d’analyse énergétique afin de choisir les permutations qui conviendront à vos besoins et à la cible énergétique de votre choix (maison Novoclimat, passive, etc.). Cette analyse tiendra compte notamment de la région climatique où vous construisez ainsi que de la taille et des autres caractéristiques de votre maison. « C’est une erreur de considérer isolément les éléments d’une résidence comme l’isolation, la masse thermique et la fenestration », dit-il.
Le savant professeur recommande d’utiliser le logiciel de cotation et d’analyse énergétique résidentielle HOT-2000. Bien connu depuis 1987 par les concepteurs et constructeurs de résidences à haute efficacité énergétique canadiennes certifiées R-2000 ou Novoclimat, il est téléchargeable gratuitement sur le site canmetenergie.rncan.gc.ca, du Centre canadien de recherche sur les énergies propres qui l’a développé.
Les fenêtres avant tout
Parole d’Andreas Athienitis : « Les fenêtres doivent être choisies en premier, c’est un élément tellement important pour le confort, la santé, la lumière naturelle, le bien-être psychologique et la qualité de vie. On devrait d’abord bien faire les choses du point de vue solaire passif avant de choisir la quantité d’isolation et les nombreuses autres solutions. »
C’est également l’avis d’une autre sommité nord-américaine en bâtiments durables, l’ingénieur John Straube : « Une trop grande superficie de vitrage à forts gains solaires cause des surchauffes et de l’inconfort durant les journées froides ensoleillées, et la chaleur captée est ventilée et gaspillée. Et la nuit, les fenêtres représentent les plus grandes pertes de chaleur par unité de superficie de l’enveloppe du bâtiment. La raison d’être de la conception planifiée d’une maison solaire [à l’aide d’un logiciel comme HOT-2000] est justement de trouver le bon équilibre entre les gains et les pertes de chaleur », explique le professeur agrégé de science du bâtiment à l’Université de Waterloo, en Ontario. Ce logiciel vous permettra de comparer l’impact énergétique de divers types de fenêtres en tenant compte notamment de leur taille et de leur coefficient d'apport par rayonnement solaire (en anglais, Solar Heat Gain Coefficient, SHGC) ainsi que de la valeur ou du facteur U de transfert de chaleur par conduction à travers les matériaux. qui est l’inverse de la fameuse valeur R de résistance thermique.
Maisons passives
Un autre logiciel de plus en plus populaire, le Passive House Planning Package (PHPP), doit être utilisé lorsque l’on vise la certification d’une maison ou d’un plus grand bâtiment dit « passif ». D’origine allemande, le programme des maisons passives permet de construire des maisons dont les besoins de chauffage sont jusqu’à 90 % inférieurs à ceux d’une maison semblable construite de façon classique sur le même site. Comme l’explique Malcolm Isaacs, directeur du Canadian Passive House Institute (passivehouse.ca), ces maisons requièrent l’usage de fenêtres à gain net d’énergie au cours d’une année. Pour ce faire, il exige qu’on optimise leur taille, que leur SHGC dépasse 0,5 (plus de 50 % des calories solaires pénètreront ainsi le vitrage) et que leur valeur U n’excède pas 0,8 W/m2K (degrés Kelvin). Isaacs privilégie par ailleurs les vitrages à faible teneur en fer et aux pellicules à faible émissivité dites à couche dure car ces produits maximisent les gains solaires.
Mais ici encore, John Straube insiste sur le fait qu’on doit effectuer une simulation énergétique et ne pas appliquer bêtement ce genre de règle. « Évitez les règles simples comme ‘’C’est mieux de maximiser les gains solaires ’’; ce n’est pas plus valide que ‘’plus de verre, c’est mieux’’, dit-il. Bien qu’il soit vrai de dire ‘’Une valeur U plus basse est meilleure ’’, c’est faux si cela vous coûte trop de gains solaires utiles, problème fréquent dans les maisons ayant une faible superficie fenêtrée. »
Aussi déplore-t-il les recettes proposées par le Passive House Institute allemand. « Hélas, le climat allemand est différent du nôtre et les maisons que nous construisons sont bien différentes des maisons en rangée situées à Darmstadt… La façon appropriée de spécifier la performance des fenêtres est de considérer la valeur U, le coefficient de gain solaire et la transmission de la lumière. Plusieurs produits peuvent atteindre des cibles spécifiques pour chacun de ces paramètres critiques et ce, sans usage de couches dures ni de verre à faible teneur en fer. Plusieurs maisons modernes ont une superficie de fenestration plus importante qu’autrefois et une bien meilleure isolation, ce qui veut dire que maximiser les gains solaires n’est souvent pas le but recherché. De plus, les vitrages à gains solaires élevés ont souvent des valeurs isolantes plus faibles que les vitrages à gains inférieurs, ce qui complique le choix du consommateur »
Ceci étant dit, il faut se rendre à l’évidence de la vraie vie, dit l’ingénieur Stephen Thwaites, président et directeur technique de l'ancien fabricant Thermotech Windows, d'Ottawa : « Je suis d’accord pour dire que les logiciels modernes sont de beaucoup préférables aux règles empiriques [comme le fait de privilégier le verre pyrolytique (couche dure), moins isolant mais à gains solaires plus élevés]. Cependant, peu de professionnels de la conception et encore moins de constructeurs se donnent la peine d’utiliser même les outils de simulation les plus simples. En conséquence, la plupart des maisons solaires passives sont malheureusement construites sans le bénéfice d’un tel outil. Selon mon expérience, dire aux propriétaires qu’ils doivent apprendre à utiliser HOT-2000 ou payer [au moins 400 $] pour obtenir une simulation n’a pas bien fonctionné jusqu’ici. Ces gens ont besoin de principes de base, car sans de telles règles, ils ont encore moins d’orientation.»
Le plus grand concepteur québécois de maisons solaires (aujourd'hui ingénieur retraité), Luc Muyldermans, est du même avis. « Il est bien important de maîtriser le logiciel correctement car ce qu’on y entre comme données déterminera ce qui en sortira. Il faut mettre les bonnes choses au bon endroit. » Il souligne que le facteur humain influe aussi beaucoup sur la consommation énergétique, comme en témoigne ce tableau sur la consommation de divers locataires dans le même logement lui appartenant. 
Maisons passives
Chez l’organisme Écohabitation.com, le coordonnateur en efficacité énergétique Denis Boyer estime aussi qu’il est préférable de baser la conception d’une maison sur une simulation afin de vérifier l'impact de chaque type de fenêtre. « J'ajouterais qu'une analyse de coût serait de mise et qu'il serait superflu de dépenser une fortune sur des fenêtres hyper-performantes si on n'a pas investi suffisamment sur l'isolation et l'étanchéité. Et oui, il peut être avantageux de choisir des fenêtres sur la façade sud ayant une valeur U plus élevée si le SHGC est aussi plus grand. Par exemple, la combinaison d’une valeur U 10 % plus élevée pour un SHGC 30 % plus élevé pourrait s'avérer grandement avantageuse et générer un bilan positif durant la période de chauffe. Une valeur U moins avantageuse le jour peut être compensée en partie par des volets automatisés qui se referment la nuit (pour une maison dotée d'une grande surface de fenestration, cela évite en même temps l'effet "trou noir" la nuit venue). »
Concernant l'utilisation du logiciel PHPP du Passive House Institute en territoire canadien, Denis Boyer n’y voit qu’un seul inconvénient : sa cible énergétique de chauffage. « Le but lui-même (15 kWh/m²·an) est selon moi trop exigeant pour notre climat. Cette valeur découle d'une étude qui a établi la valeur optimale entre le coût pour arriver au niveau de performance énergétique et le coût du chauffage, sur le cycle de vie du bâtiment. En Allemagne, il faut moins d'isolant pour arriver à cette valeur qu'à Montréal, Québec ou Mont-Tremblant. La valeur optimale pour notre climat devrait donc aussi être différente (peut-être 20 kWh/m² ou plus). Par ailleurs, le PHPP exige une consommation d'énergie primaire totale inférieure à 120 kWh/m²·an mais considère 1 kWh d'électricité comme équivalent à 2,7 kWh d'énergie primaire, compte tenu du "grid-mix" européen [le fait que les réseaux européens livrent beaucoup d’électricité produite à partir d’énergies fossiles]. L'approvisionnement en électricité dans le contexte québécois ne justifie absolument pas cette pénalité. Par contre, en autant que des données climatiques fiables soient disponibles pour le logiciel PHPP, celui-ci devrait faire un très bon travail à évaluer la consommation énergétique, si l'on se fie au Département de l'Énergie Américain.
Le RÉ pour le choix des fenêtres
Il y a d’autres moyens de choisir les fenêtres qui conviennent le mieux à votre maison et à vos besoins, selon ces experts. Thermotech fabrique des fenêtres à très haut Rendement Énergétique (RÉ), en fibre de verre rempli de polystyrène, qui sont très populaires auprès des concepteurs de maisons solaires nord-américaines. Il fut d’ailleurs fournisseur de la maison passive de Montebello, présentée dans notre numéro d’automne 2011. « La formule pour calculer le RE est présentée dans la norme CSA A440.2 », explique le site de l’Office de l’efficacité énergétique de Ressources naturelles Canada. Il s’agit d’une valeur qui représente la somme des gains solaires passifs potentiels d'un produit de fenêtrage donné au cours d’une saison de chauffage et desquels on déduit les pertes thermiques par conduction (facteur U) et par fuite d'air. (Détails : Critères d'admissibilité ENERGY STAR pour les fenêtres, portes et puits de lumière.)
Ancien journaliste au réputé magazine américain Fine Homebuilding et ex rédacteur en chef de Greenbuildingadvisor.com, Martin Holladay se réfère souvent aux tableaux de Thermotech qui présentaient les valeurs RÉ très élevées de leurs produits. Les meilleurs avaient une note de plus de 40 points : ils procuraient des gains nets d’énergie, c’est-à-dire qu’ils réduisent les besoins de chauffage annuels d’une maison. C’est l’avantage des fenêtres performantes par rapport aux murs : même surisolés, ces derniers présentent toujours des pertes nettes de chaleur car ils sont opaques et ne permettent donc pas de gains solaires.
« En l’absence d’une simulation informatique réalisée avec les bonnes entrées de données, le RÉ est le meilleur outil pour choisir les fenêtres d’une maison solaire passive, estime Stephen Thwaites. Mais le RÉ n’est pas parfait, au mieux c’est une simulation pour les moins fortunés. »
Le professeur Straube précise : « Les valeurs CSA RÉ ont été développées en présumant que vous utiliserez le même type et la même superficie de fenêtres sur les quatre côtés de la maison, et qu’aucune pièce n’aura beaucoup de fenestration. Il faut être prudent car dans les vraies maisons solaires, on met plus de vitrage au sud. »
Or, une autre norme, CSA A440.3, permet de calculer le RÉS (RÉ spécifique) d’une fenêtre, correspondant à une orientation donnée. Stephen Thwaites nous a envoyé un tableau présentant quelques uns de ses produits : le meilleur, appelé NetGain+ 322 (trois vitres séparées par deux intercalaires isolants, deux d’entre elles enduites d’une pellicule faible émissivité, et les deux espaces d’air remplacés par un gaz isolant, l’argon), a un coefficient de gain solaire de 0,47 et un RÉS de 59,5 !
Évidemment, on opte pour ce genre de fenêtre non pas pour sa rentabilité, mais pour ses nombreux avantages dont la durabilité, la beauté et le confort. Les fenêtres de fibre de verre sont typiquement 50 % plus chères que celles en vinyle (PVC), selon M. Thwaites, qui précise que ses produits haut de gamme coûtent 60 à 80 $ le pied carré (660 $ à 880 $/m2) selon les options choisies. Ceci comparativement à 15,45/pi2 ou 170 $/m2 pour construire un mur R-44 et aussi peu que 27 $/pi2 (300 $/m2) pour la fenestration bas de gamme, d’après un sondage réalisé en 2009 auprès de constructeurs canadiens par l’ingénieur Gary Proskiw, de Proskiw Engineering.
Mais comme le PVC est beaucoup moins rigide, il rétrécit au froid et favorise davantage les fuites d’air, en plus de réduire les gains solaires. En effet, pour être plus solides, les grandes fenêtres de PVC doivent être plus larges donc proportionnellement moins vitrées. « Quand vous achetez une voiture ou même du papier de toilette, vous ne vous demandez pas si c’est rentable », ironise Stephen Thwaites. Le confort a un prix ! Et il ajoute : « J’ai beaucoup de clients dont la maison surisolée est surchauffée en hiver, mais ils ne s’en plaignent pas !» C’est aussi parce que leur maison est très étanche, très isolée, et peu fenêtrée ailleurs qu’au sud.
La compagnie canadienne Inline Fiberglass fabrique également un produit similaire, dont la fenêtre fixe de la série 325 possède un RÉ de 50 (moyenne pour les quatre côtés de la maison). Pour maximiser le chauffage solaire passif, son gérant régional Phil Warnell recommande aussi le vitrage triple doté de deux pellicules à faible émissivité, avec gaz isolant (argon ou krypton), intercalaires et cadres isolants ainsi qu’une résistance supérieure à l’infiltration d’air et d’eau. « Le vitrage à faible contenu en fer, dit-il, a un impact marginal sur l’accroissement de la transmission de la lumière visible et un impact minimal sur l’accroissement des gains solaires. Il apporte donc peu d’avantages au consommateur. »
En conclusion
Expert en photonique au Conseil national de recherches du Canada, l'ingénieur Boris Lamontagne estime aussi qu'une simulation n'est pas essentielle pour concevoir une bonne maison. Il affirme : « Cela peut être utile, mais des principes de base sont souvent suffisants », comme l'usage de verres enduits de couches tendres à faible émissivité, à hauts gains solaires. Il ajoute par ailleurs qu'on néglige trop le fait que les grandes fenêtres de la plupart des fabricants ont un espacement trop faible entre les vitrages et nécessiteraient un remplissage au krypton, gaz plus isolant que l'argon. « Certains triples vitrages ont des espacements beaucoup trop faibles sans krypton. »
Pour en savoir davantage, lire ce rapport de la Société canadienne d'hypothèques et de logement traitant de l'impact des fenêtres sur la santé.
