6-10 - Caractéristiques thermiques et choix des matériaux de construction (V2017)

Le sommaire des infos et concepts des maisons passives
L'objectif initial du concept de "Maison passive" est d'améliorer les performances d’une construction jusqu’à ce que le niveau du besoin de chauffage soit suffisamment bas pour que la chaleur qui peut être amenée par le renouvellement d’air de la VMC double flux puisse maintenir une situation permanente de confort sans réseau de chauffage classique mais sans aller inutilement au delà de ce niveau de performance. Le prix de construction sera ainsi optimisé et le confort amélioré tout au long de l’année quel que soit le climat local. Comment choisir les matériaux de construction pour qu'ils permettent d'atteindre cet objectif en association, bien sûr, avec les équipements performants tels les fenêtres passives, une VMC double flux ou encore un puits climatique, canadien ou provençal? Quelles sont les caractéristiques thermiques des matériaux à prendre en compte? La connaissance de leurs caractéristiques est elle suffisante pour pouvoir juger de leurs qualités concrètes ou ne vaut-il pas mieux les comparer avec celles de matériaux déjà connus pour une particularité qui fait leur efficacité dans un domaine thermique particulier?

Une maison passive est une construction dont la réduction de la consommation d'énergie et la qualité de confort résultent en premier lieu des caractéristiques thermiques des matériaux qui constituent son enveloppe. Leur choix doit uniquement découler de la connaissance des données physiques spécifiques certifiées qui, seules, peuvent garantir le résultat.

Qualité et défauts thermiques d’un matériau de maçonnerie

Le béton est probablement le matériau de maçonnerie le plus courant. Sa conductivité peut atteindre, parfois même dépasser 1W/mK, soit 25 fois plus que les coefficients des isolants les plus quelconques dont la conductivité est de l’ordre de 0,04W/mK. Armé d’acier, il peut être 100 fois plus conducteur que les meilleurs isolants sont les caractéristiques sont définies dans l'article "Qualités thermiques comparées des matériaux". Un tel écart de conductivité signifie que, du seul point de vue des déperditions par transmission, un seul petit centimètre des meilleurs isolants est aussi efficace qu'un mètre de béton armé.

Sa diffusivité, qui caractérise la vitesse de transfert de la chaleur en son sein, est six à sept fois plus forte que celle des isolants à base de bois, mais à peine légèrement plus faible que celle du polystyrène expansé, le PSE, ou de certaines laines de verre.

La connaissance de la conductivité et de la diffusivité du béton permet de confirmer que les possibilités de transmission des flux de chaleur et leur vitesse de transfert sont suffisamment élevées pour limiter considérablement l’intérêt thermique de son usage à l’extérieur, en contact direct avec le climat, pour son défaut d'isolation et son manque d’inertie par transmission.

Son effusivité, qui caractérise sa capacité à jouer le rôle d’éponge thermique, est par contre très importante, bien plus faible que celles des métaux, mais bien plus forte que celles de tous les isolants. L’association d’une forte conductivité avec une effusivité importante conforte les possibilités d’un usage à l’intérieur, en contact avec l’ambiance interne dont il peut stabiliser la température, grâce à sa forte inertie par absorption.

Qualité et défauts thermiques des isolants

Un matériau est considéré isolant si son coefficient de conductivité est inférieur à 0,05W/mK. Les meilleurs isolants qui sont généralement des mousses polyuréthanes et phénoliques peuvent actuellement descendre à 0,022W/mK.

Leurs diffusivité sont toutes faibles, mais leurs variations sont importantes et peuvent atteindre un facteur 10. Certaines, comme celle de la fibre de bois, sont plus faibles que toutes celles des matériaux des constructions maçonnées alors que d’autres en sont très proches, voire même légèrement supérieures à celle du béton, comme dans le cas du polystyrène ou de la laine de verre.

Les isolants dotés d’une faible diffusivité sont ceux qui présentent la plus faible vitesse de transmission de la chaleur. Leur inertie par transmission est maximale et le déphasage entre les variations de températures extérieures et intérieures qui en découle est également maximal.

En hiver, la forte inertie par transmission des isolants à base de bois ne diminue en rien les déperditions par transmission. Celles-ci ne sont pas non plus influencées par la faible effusivité du polystyrène ou de la laine de verre. La capacité d’isolation des matériaux ne dépend pas de leur diffusivité. Les matériaux à faible diffusivité n’ont pas plus d’intérêt, en saison d’hiver, que ceux à forte diffusivité parce que les températures qui ne varient que très lentement peuvent être considérées relativement stables. Dans ces conditions la fibre de bois n’est pas meilleure que le polystyrène.

En été, par contre, les variations de température sont importantes et rapides lorsque les parois sont soumises au rayonnement direct du soleil. Une forte inertie par transmission permet de retarder le moment ou la chaleur finit par pénétrer à l’intérieur. Lorsqu'elle est suffisamment forte, une partie de la chaleur peut même repartir vers l'extérieur lorsque les rayons directs du soleil disparaissent. L’idéal est que la chaleur qui réussit à traverser la paroi arrive à l'intérieur à la nuit tombée, lorsqu’il devient possible de ventiler au maximum afin de l’évacuer. La fibre de bois est le matériau le pus efficace de ce point de vue.

Il est toutefois important de souligner que les épaisseurs d'isolant nécessaires aux maisons passives, parfois 30cm ou plus en façade dans le nord de la France, diminue l'intérêt du déphasage qui pourra être suffisant même avec les matériaux les moins performants de ce point de vue. Dans les maisons passives moins isolées du sud de la France ou celles qui sont seulement RT2012, l'usage de matériaux à fort déphasage est préférable.

Tous les isolants ont par contre une effusivité largement inférieure à celles des matériaux de structure maçonnés. Elle est de 17 à 50 fois plus faible que celle du béton. La fibre de bois est seulement trois fois plus effusive que le polystyrène. La connaissance de cette caractéristique des isolants permet de confirmer que leurs possibilités d’absorber les variations de température intérieures, et de les répartir dans leur masse, pour les stabiliser, sont tellement faibles que leur usage à l’intérieur devrait être proscrit. Leur inertie par absorption est quasiment nulle.

Les critères thermiques de choix des matériaux

La connaissance des isolants, les raisons pour isoler un bâtiment, les différentes méthodes d’isolation, le fait que l’isolation protège aussi de la chaleur en été en association avec l’inertie thermique permettent de comprendre la recette pour concevoir un bâtiment passif. L'objectif essentiel est de limiter la consommation énergétique en optimisant le prix de construction avec, pour principal corollaire, un confort maximum tout au long de l’année. Ce confort peut être amélioré, en climat chaud d’été, en choisissant un isolant extérieur certes sans pont thermique, mais, de plus, à forte inertie de transmission, et des matériaux intérieurs à forte inertie d’absorption pour tendre vers un mur de façade idéal.

Comment choisir un matériau en fonction de ces caractéristiques thermiques

La connaissance de tous les matériaux n’est pas possible, mais le choix ne doit pas, pour autant, être le fait du hasard, celui d’une croyance injustifiée ou, simplement, celui de l’écoute des arguments des marchands de matériaux qui plaident souvent plus pour leur porte-monnaie que pour la réalité des faits. Elle doit simplement résulter de la prise en compte des caractéristiques qui doivent être contrôlées et de préférence certifiées, afin de vérifier si les matériaux retenus sont en mesure de remplir le rôle qui leur est dévolu ou non. Pour être en mesure de juger de leur utilité réelle d’un point de vue thermique, il n’y a pas d’autre solution que de connaître les caractéristiques physiques qui influencent principalement leur qualité d’isolation, mais aussi d’inerties par transmission et par absorption. :
  • La capacité d’un matériau à conduire la chaleur, sa conductivité, est caractérisée par le coefficient de conductivité λ (Lambda). Mesuré en laboratoire, il doit être certifié par des organismes indépendants. Il est exprimé en W/m•K
  • La diffusivité et l’effusivité des matériaux ne sont pratiquement jamais connues. Elles résultent de calculs simples nécessitant de connaître les caractéristiques de masse volumique ou densité ρ (Rhô) et de chaleur spécifique ou chaleur massique C.
  • La diffusivité D d’un matériau, sa vitesse de transmission de la chaleur, sa capacité à ralentir le transfert de chaleur, résulte du calcul D = λ/(ρC) exprimé en m2/s.
  • L’effusivité E d’un matériau, sa capacité à réguler l’ambiance intérieure, son aptitude à jouer un rôle d’éponge thermique, est définie par les formules E = √(λρC) = ρC √D qui donnent un résultat exprimé en J/m2•K•s1/2
La connaissance des caractéristiques de conductivité, de densité et de chaleur spécifique de chaque matériau ainsi que le calcul ou la connaissance de leur diffusivité et de leur effusivité n’ont toutefois aucun intérêt seul parce que ces données brutes ne permettent pas de juger de leurs qualités concrètes.

La connaissance des qualités thermiques d’un matériau ne peut résulter que
de la comparaison de ses caractéristiques de conductivité
λ, de diffusivité D et d’effusivité E
avec celles de matériaux déjà connues pour leur efficacité dans un de ces domaines particuliers

Les matériaux les plus efficaces sont le polyuréthane pour sa conductivité, la fibre de bois pour son inertie thermique par transmission et le béton pour l’inertie thermique par absorption. Les points de comparaison sont fournis dans l’article « Qualités thermiques comparées des matériaux ».

La connaissance de ces informations et surtout de leur impact sur le plan des besoins de chauffage et de climatisation ainsi que sur celui du confort permet de se rendre compte de l’ineptie de l’exception Française qui consiste à isoler par l’intérieur avec des plaques minces de plâtre dont l’isolation est dopée au polystyrène. Il est rappelé que la France est le seul pays du monde à utiliser quasiment systématiquement ce genre d’isolation. Il est également rappelé que ce type d'isolation est interdit dans d'autres pays du fait de son inefficacité tant sur le plan de l'isolation que du confort.

Dans tous les cas la connaissance des critères de sélection des produits et la comparaison de leurs caractéristiques avec celles de matériaux connus ne permettent qu’une approche théorique, assez imprécise, de leur qualité propre et des conséquences de leur intégration dans un projet. Les résultats de leur mise en œuvre concrète ne peuvent être vraiment approchés que par la réalisation de calculs thermiques. Pour les maisons passives, ils doivent impérativement être effectués avec le logiciel PHPP du Passivhaus institut qui, de plus, est le seul qui permette la certification.


En résumé :

  • La conductivité d’un matériau détermine sa qualité d’isolant thermique
  • Une faible diffusivité des façades permet de retarder l’heure de pénétration de la chaleur en été
  • Une forte effusivité permet de stabiliser la température intérieure et d’écrêter les maxima et minima inconfortables
  • Les calculs thermiques sont seuls capables d’entériner ou de proscrire les choix initiaux des matériaux


 Article précédent sur le sujet   Article suivant sur le sujet 
 

Sur le même sujet
La thermique