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28 | www.editionsdumoniteur.com complément technique > Novembre/Décembre 2010 T

28 | www.editionsdumoniteur.com complément technique > Novembre/Décembre 2010 Techniques de construction Échanges thermiques d’une paroi (1/2) Un bâtiment est un ensemble complexe de matériaux en contact avec un environnement aux températures fluctuantes ; des trans‑ ferts de chaleur s’y produisent en permanence. C’est également un lieu que l’homme occupe plus de 80 % de son temps au cours de sa vie. Au‑delà des performances thermiques auxquelles un bâtiment doit répondre aujourd’hui, il doit s’intégrer parfaitement aux contraintes de son environnement, tout en le respectant, et offrir à ses usagers un confort optimum à chaque saison. Un bâti‑ ment est une enveloppe composée d’une multitude de parois, opaques ou non, chacune d’elles étant l’assemblage de matériaux aux caractéristiques diverses : c’est cet ensemble composite qui lui confère ses caractéristiques thermiques. Afin de mieux comprendre le fonctionnement thermique des parois d’un bâtiment, le rappel de quelques principes de base de physique s’impose. 1 Propagation de la chaleur Référence – Jean‑Pierre Oliva, L’Isolation écologique. Conception, matériaux, mise en œuvre, éd. Terre Vivante, 2001. Les principes de la thermodynamique énoncent que la chaleur ou l’énergie calorique ne disparaît jamais : elle ne fait que se déplacer ou se transformer sous une autre forme d’énergie. Au cours d’un échange de chaleur entre deux corps physiques, c’est toujours le plus chaud qui cède de l’énergie au profit du plus froid ; l’échange s’arrête lorsque les deux corps ont atteint la même température. D’un point de vue physique, le froid n’existe pas : on parle de froid lorsque la chaleur diminue. On peut seulement enlever de la chaleur à un corps jusqu’à ce qu’il atteigne la température du zéro absolu. Les transferts d’énergie se font selon trois modes : par conduction, convection et rayonnement. Remarque Le zéro absolu est la température la plus basse qui puisse exister dans l’univers. Elle vaut ‑ 273,15 °C ou 0 K (Kelvin). Le record sur Terre est ‑ 273,1499 °C, température atteinte en laboratoire. Ce degré de précision illustre le caractère quasiment inatteignable du zéro absolu. 1.1 Conduction La conduction est un phénomène de propagation de la chaleur à travers un ou plusieurs corps solides en contact direct. Le sens de ce flux thermique va toujours de l’élément le plus chaud vers l’élément le plus froid. L ’importance de ce flux est directement proportionnelle à la conductivité thermique (λ) et à la différence de température entre les deux faces (fig. 1) . François-Maxime Fuchs Ingénieur généraliste spécialisé en énergie renouvelable et système de production, expert thermicien pour le bureau d’architecture Atba, à Genève, spécialisé dans la construction et la rénovation Minergie. En 2010, il crée la filiale Isolation pour le Groupe Énerco puis, en 2011, la société Archinergie, structure innovante à la fois bureau d’études thermiques et maître d’œuvre spécialisé dans la rénovation énergétique des bâtiments. www.archinergie.fr Benoît Raymond Président et cofondateur de la société France ITE spécialisée dans la conception et la mise en œuvre de solutions intégrées d’isolation thermique par l’extérieur. Ingénieur généraliste spécialisé en rénovation énergétique, très impliqué dans la performance et la sobriété énergétique du bâtiment, il participe actuellement aux travaux de mise en place d’un DTU et d’un certificat de qualification professionnelle (CQP) pour l’isolation thermique par l’extérieur. www.france-ite.fr > Sommaire Y 1Y•YPropagationYdeYlaYchaleurY Y 2Y•YStockageYetYrestitutionYdeYlaYchaleurY Y 3Y•YÉchangesYgazeuxYdansYlesYparoisY Y 4Y•YConfortYthermiqueYY Y 5Y•YPremièreYconclusionY Y 6Y•YBibliographieYY Construction CTQ023_.indbYYY28 23/11/11YYY14:52 www.editionsdumoniteur.com | 29 complément technique > Novembre/Décembre 2011 Techniques de construction Important En demi‑saison, les températures intérieures et extérieures d’une habita‑ tion sont identiques : il n’y a pas de différence de température entre les deux faces et donc pas de transfert de chaleur par conduction. En hiver et en été, les différences de température entre les faces intérieures et extérieures des parois sont importantes : la chaleur se propage alors du point chaud vers le point froid à différentes vitesses. Plus la résistance thermique des matériaux composant la paroi est grande, plus le flux est ralenti : c’est cet effet que l’on va chercher à optimiser. 1.2 Convection La convection est le transfert de chaleur au moyen d’un fluide intermédiaire tel que l’air ou l’eau. Dans un bâtiment, nous pou‑ vons retrouver ce phénomène de transfert de chaleur à différents niveaux en raison de l’air ambiant d’une pièce ou encore par le fait des vides d’air au sein même des parois. À température de l’air égale, une paroi extérieure exposée au vent se refroidira plus vite qu’une paroi non exposée (fig. 2) . 1.3 Rayonnement Le rayonnement est un phénomène caractérisé par un transfert thermique ne nécessitant aucun milieu intermédiaire. Le flux de chaleur est de nature électromagnétique et transite par le rayon‑ nement infrarouge. Les rayons se propagent en ligne droite dans l’espace jusqu’à ce qu’ils soient interceptés par un solide. La transmission de chaleur par rayonnement est le procédé utilisé par le soleil pour réchauffer notre planète. Les braises tièdes n’émet‑ tent plus de clarté mais continuent à rayonner de la chaleur pen‑ dant des heures seulement sous forme de radiations infrarouges (fig. 3) . 1.4 Optimisation des parois opaques À l’échelle d’un bâtiment, les trois modes de transmission se combinent : la chaleur transmise à une paroi en partie par convec‑ tion et rayonnement s’y propage par conduction, si la paroi est solide (hors vide d’air) (fig. 4) . L ’hiver, le chaud cherche à sortir de l’enveloppe du bâtiment ; l’été, c’est l’inverse : le chaud cherche à y entrer. Lutter contre ces déperditions de chaleur (ou de froid) revient donc à limiter ce flux de chaleur par conduction à l’intérieur même de la paroi. Par ses propriétés intrinsèques, chaque matériau est plus ou moins conduc‑ teur. La conductivité thermique (λ), exprimée en W/m.K, traduit la quantité de chaleur qui traverse un mètre d’épaisseur de ce matériau par seconde et par mètre carré de surface lorsque la différence de température entre les deux faces du matériau est de 1 °C. Ce coef‑ ficient permet ainsi de comparer des matériaux entre eux. Plus λ est petit, plus le matériau freine le flux de chaleur et plus il est isolant. Afin de ramener la performance d’un matériau seul à la perfor‑ mance globale d’une paroi, il est nécessaire d’y intégrer les dif‑ Flux de chaleur 20° – 5° Fig. 1. Transfert de chaleur : la conduction. Flux de chaleur Briquettes Mur Vide d'air 20° – 5° Fig. 2. Transfert de chaleur : la convection. Flux de chaleur Flux de chaleur Fig. 3. Transfert de chaleur : le rayonnement. Construction CTQ023_.indbYYY29 23/11/11YYY14:52 30 | www.editionsdumoniteur.com complément technique > Novembre/Décembre 2011 Techniques de construction férents matériaux qui la composent mais aussi l’épaisseur de ces derniers. La résistance thermique d’une paroi ( R ), exprimée en m 2 .K/W, caractérise la résistance thermique globale d’une paroi : R = e / λ avec : e : épaisseur du matériau (m) ; λ : conductivité thermique du matériau (W/m.K). Les résistances thermiques des éléments successifs d’une paroi s’additionnent (fig. 5) . Plus la résistance thermique d’une paroi est grande, plus elle est isolante. Exemple λ béton = 2,1 W/m.K λ laine de verre = 0,032 W/m.K Nous souhaitons construire un mur en matériau unique d’une résistance thermique R = 3,125 m 2 .K/W . e béton = R × λ = 6,6 m e laine de verre = 0,10 m Pour atteindre cette résistance thermique, il faudrait une épaisseur de 6,6 m de béton ou de 10 cm de laine de verre. En revanche, si nous ajoutons 10 cm de laine de verre à 20 cm de béton, la résistance thermique de cette paroi sera : R paroi = ( e béton / λ béton ) + ( e laine de verre / λ laine de verre ) = 3,125 + 0,1 = 3,225 m 2 .K/W . Remarque Dans le fonctionnement global d’une paroi, des échanges thermiques se font sur chacune de ses faces. Nous pouvons donc caractériser des résis‑ tances de surface extérieure ou intérieure notées Rse et Rsi respectivement. Par exemple, la résistance thermique totale d’un mur en béton de 14 cm, isolé par des plaques de polystyrène de 10 cm et d’une plaque de plâtre est : R totale = Rsi + R plâtre + R polystyrène + R béton + Rse R totale = 0,13 + 0,021 + 2,6 + 0,082 + 0,04 R totale = 2,873 m 2 .K/W 2 Stockage et restitution de la chaleur Référence – Thierry Gallauziaux et David Fedullo, Le Grand livre de l’isolation, éd. Eyrolles, 2009. Si la capacité résistive d’une paroi est une composante essentielle dans la conception d’un bâtiment économe, d’autres propriétés intrinsèques aux matériaux caractérisent le comportement dyna‑ mique d’une enveloppe. Outre qu’ils freinent le flux de chaleur, les matériaux possèdent une capacité thermique leur permettant d’emmagasiner plus ou moins la chaleur. Il est donc intéressant de connaître comment la chaleur est stockée et à quelle vitesse : on parle alors de l’effusivité d’un matériau. Autre propriété physique, la diffusivité indique la vitesse de diffusion de la chaleur à l’intérieur même du matériau. Ces notions, plus communément uploads/Ingenierie_Lourd/ echanges-thermiques-d-une-paroi-explication-pdf.pdf