6-11 - Qualités thermiques comparées des matériaux de construction (V2017)

Le sommaire des infos et concepts des maisons passives
Le choix des matériaux qui ont une incidence déterminante sur la qualité thermique des constructions performantes, notamment les maisons passives, ne peut résulter que de la connaissance et de la compréhension de leurs caractéristiques physiques qui définissent leurs aptitudes à assurer le confort tout en limitant les consommations d’énergie. La connaissance des notions de conductivité thermique et d’inerties ainsi que de leurs valeurs caractéristiques pour chaque matériau n’est en effet pas suffisante pour appréhender leurs qualités pratiques réelles. La compréhension réelle de leur qualité thermique ne peut résulter que de la comparaison de leurs caractéristiques propres avec celles de matériaux déjà connues pour leur efficacité concrète, le polyuréthane pour la conductivité, la fibre de bois pour l'inertie thermique par transmission et le béton pour l’inertie thermique par absorption par exemple. C’est cette comparaison qui va permettre de faire les bons choix dès les premières esquisses de projet, mais aussi pendant la phase de confirmation par les calculs thermiques indispensables à la garantie des résultats.

Dans la suite de cet article, les données sont principalement, mais pas uniquement, issues des règles Th-U des matériaux de la réglementation thermique française. Elles ne sont fournies qu’à titre indicatif, pour définir des ordres de grandeur, pour comparaisons, et ne peuvent pas être utilisées dans des calculs thermiques concrets.

Exemples de coefficients de conductivité

La conductivité d’un matériau est sa capacité à transmettre la chaleur. Elle est caractérisée par le coefficient de conductivité λ (Lambda), exprimé en W/m•K (Watt par mètre Kelvin) qui doit être le plus faible possible.

Les matériaux sont considérés isolant lorsque leur coefficient de conductivité λ et inférieur à 0,05W/mK. Les isolants habituels ont un coefficient d’environ 0,04W/mK alors que les meilleurs d’entre eux ont, actuellement, un coefficient de 0,022W/mK. Mesuré en laboratoire, il doit être certifié par des organismes indépendants. La variation de conductivité entre les meilleurs isolants et les meilleurs conducteurs de type métallique dépasse 15 000. Le cuivre est 17 000 fois plus conducteur que les meilleurs isolants.

Base de comparaisons - Conductivité

La conductivité des matériaux est la seule caractéristique, parmi les trois prises en compte dans ce chapitre, qui permet de garantir la limitation des besoins énergétiques tout au long de l’année, en été comme en hiver, la nuit comme le jour.

L’isolation thermique protège toute l’année

Exemples de diffusivité

La diffusivité D d’un matériau caractérise sa vitesse de transmission des flux de chaleur d’une de ses parois à l’autre ou, ce qui revient au même, sa capacité à ralentir ce transfert de chaleur. Elle n’est pratiquement jamais connue directement, mais elle peut être déterminée par un calcul simple qui nécessite de connaître les caractéristiques de masse volumique ou densité ρ (Rhô) et de chaleur spécifique ou chaleur massique C du matériau. La formule de calcul D = λ/(ρC) donne le résultat exprimé en m2/s.

Plus la diffusivité est élevée et plus la vitesse de transmission est rapide. Inversement, plus elle est faible et plus la vitesse de transmission est lente. Elle n’a d’intérêt que lorsqu’il existe de fortes variations de température et que le transfert du flux de chaleur doit être ralenti ou stabilisé. Sa valeur, en elle-même, n’a pas grand intérêt, la différence avec les autres matériaux non plus, ce qui compte c’est son rapport avec les autres.

La fibre de bois à une diffusivité pratiquement 1 000 fois plus faible que celle du cuivre, mais elle est seulement environ 7 fois inférieure à celle du béton comme, d’ailleurs, celle du polystyrène expansé ou de la laine de verre. Cet écart est suffisant pour avoir une importance marquée sur la qualité du confort estival sans climatisation dans les constructions faiblement isolées.

Dans le cadre de maisons passives isolées par l’extérieur, le matériau qui est le plus efficace du point de vue inertie par transmission, celui qui a la plus faible diffusivité, est la fibre de bois. C’est elle qui ralentit le plus le flux de chaleur qui traverse les parois exposées au sud ou sous les toits.

Base de comparaisons - Diffusivité
La diffusivité des matériaux est une caractéristique thermique qui ne peut en aucun cas se substituer à la qualité de l’isolation. Elle ne peut pas améliorer le confort d’hiver, mais peut permettre de réduire les températures intérieures estivales, dans la journée, en repoussant les pénétrations de chaleur après la tombée de la nuit, quand une ventilation forcée, naturelle ou artificielle, peut être mise en œuvre.
L’inertie par transmission n’a d’intérêt qu’en période estivale
lorsqu’elle est couplée à une forte ventilation nocturne

Exemples d’effusivité

L’effusivité E d’un matériau caractérise son aptitude à jour un rôle d’éponge thermique, sa capacité à réguler l’ambiance intérieure. Exactement comme pour la diffusivité, elle n’est pratiquement jamais connue directement, mais elle peut également être déterminée par un calcul simple qui nécessite de connaître les mêmes caractéristiques thermiques. La formule de calcul E = √(λρC) = ρC√D donnent le résultat exprimé en J/m2•K•s1/2

Plus l’effusivité est élevée et plus le matériau est capable de réguler l’ambiance intérieure. Inversement, plus elle est faible et moins le matériau est en mesure d’assurer ce rôle. Comme pour la diffusivité, elle n’a d’intérêt que lorsqu’il existe de fortes variations de température et que le microclimat intérieur doit être stabilisé. Sa valeur, en elle-même, n’a pas grand intérêt, la différence avec les autres matériaux non plus, ce qui compte c’est son rapport avec les autres.

Alors que le béton à une effusivité seulement 17 fois plus faible que celle du cuivre, elle est environ 50 fois supérieure à celle des isolants habituels tels que la laine de verre, le polystyrène ou le polyuréthane. Cet écart est plus que suffisant pour avoir une importance capitale sur la qualité du confort estival sans climatisation.

Dans le cadre de maisons passives isolées par l’extérieur, le matériau qui est le plus efficace du point de vue inertie par absorption, celui qui a la plus forte effusivité, est le béton plein. C’est lui qui régule le mieux les variations des flux de chaleur qui peuvent rendre l’ambiance intérieure inconfortable.

Base de comparaisons - Effusivite
L’effusivité des matériaux est une caractéristique thermique qui ne peut en aucun cas se substituer à la qualité de l’isolation. Elle ne peut pas améliorer le confort d’hiver, mais peut permettre de réduire les températures intérieures estivales, dans la journée, en absorbant les afflux de chaleur intempestifs et, inversement, elle peut réduire les baisses de température nocturne, en relâchant la chaleur emmagasinée dans la journée. Pendant cette période, adossée à une ventilation forcée, naturelle ou artificielle, elle peut largement contribuer à assurer le confort sans climatisation.
L’inertie par absorption n’a d’intérêt qu’en période estivale
lorsqu’elle est couplée à une forte ventilation nocturne

Un document de comparaison

Les tableaux ci-dessus sont regroupés dans un document intitulé « Base de comparaison - Caractéristiques thermiques - Conductivité - Diffusivité - Effusivité ». Les données précisées sur ce document n’ont qu’une valeur indicative approximative. Non utilisables pour des calculs thermiques, elles sont uniquement destinéesś à des comparaisons avec d’autres matériaux.

Base de comparaisons - Conductivité-Diffusivité-Effusivité

Feuille de calcul pour comparaison

Si vous désirez utiliser un matériau particulier, ou du moins savoir ce qu’il vaut, la seule solution est de comparer ses caractéristiques avec celles précisées dans les tableaux ci-dessus. Si vous ne connaissez pas sa diffusivité et son effusivité, vous pouvez les calculer avec le tableau Excel « Calcul Diffusivité et Effusivité » disponible sur le site, mais, dans ce cas, vous devrez connaître sa conductivité, sa masse volumique et sa chaleur spécifique.

Le résultat pour une fibre de bois spécifique est celui-ci après qui a été repris dans les tableaux comparatifs :

Calcul de la diffusivité & de l'effusivité

Les résultats obtenus par le Calcul Diffusivité et Effusivité ne sont donnés qu’à titre informatif, dans l’unique but de les comparer avec des données connues. Ils dépendent, en grande partie, de la réalité des caractéristiques fournies par le fabricant qui devront, dans la mesure du possible, être attestées par des certificats de qualité. La responsabilité de ce site, ou de son auteur, ne pourra être engagée pour cet usage comme pour tout autre, et en particulier, pour toute utilisation dans un quelconque procédé de calcul thermique.


En résumé :

  • Un isolant doit à une conductivité toujours inférieure à 0,05W/mK
  • Les isolants classiques ont des conductivités de l’ordre de 0,04W/mK
  • Les meilleurs isolants ont des conductivités de l’ordre de 0,022W/mK
  • La fibre de bois est un des matériaux les moins diffusifs
  • La fibre de bois est un des matériaux qui présente la plus grande efficacité d’inertie par transmission
  • La béton est un des matériaux les plus effusifs
  • Le béton est un des matériaux qui présente la plus grande efficacité d’inertie par absorption


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