Caractéristiques des matériaux et leurs performances thermiques :

Cette capacité isolante de la paroi est définie par un coefficient R, appelé résistance thermique et exprimée en m².K/W. Un matériau à fort pouvoir isolant thermique a une résistance thermique élevée (et inversement). Les isolants thermiques peuvent être placés à différents endroits de l’enveloppe, sans incidence sur leurs propriétés. L’emplacement aura cependant une influence sur l’inertie de l’enveloppe et le risque de condensation.

R est l’inverse de la quantité de chaleur passant à travers 1 m² d’un système (ex. : paroi) pour une différence de température de 1 K entre les deux faces de ce système.

Pour une couche thermiquement homogène, c’est-à-dire composée de matériaux ayant à peu près les mêmes valeurs de conductivité thermique (à l’exception des lames d’air), avec un flux de chaleur perpendiculaire au système, on aura : R = e/λ avec e l’épaisseur de la couche (m) et λ la conductivité thermique (W/m.K).

Pour une couche thermiquement hétérogène, c’est-à-dire composée de matériaux ayant des valeurs de conductivité thermique différentes, avec un flux de chaleur perpendiculaire au système, on aura : R = 1/U — Rsi — Rse avec U coefficient de transmission surfacique de la couche, Rsi la résistance superficielle vis-à-vis de l’intérieur, et Rse la résistance superficielle vis-à-vis de l’extérieur [22].

II.8.14.2 La conductivité thermique :

La conductivité thermique d’un matériau est égale à la quantité de chaleur qui traverse un mètre d’épaisseur de ce matériau par seconde et par mètre carré de surface, lorsque la différence

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degré Celsius (W/m. °C). C’est une donnée intrinsèque à chaque matériau qui caractérise donc uniquement ses performances isolantes. Le coefficient λ (lambda) d’un matériau caractérise sa capacité à transmettre la chaleur par conduction, plus λ est grand, plus le matériau est conducteur de chaleur. Plus λ est petit, plus le matériau est isolant thermiquement.

Les matériaux sont considérés comme isolants lorsque leur conductivité thermique est inférieure à 0,065 W/m. K. Figure. [II.12] montre la conductivité thermique de différents matériaux, les facteurs influençant la conductivité thermique d’un matériau sont :

– son poids volumique ; – sa teneur en eau ;

– la taille de ses pores d’air ;

– la nature du solide les renfermant.

La présence d’eau à l’intérieur du matériau influence sa conductivité thermique. La porosité intrinsèque des matériaux, conjuguée à leur exposition à l’eau, peut faire varier sensiblement leur conductivité thermique, pour quelques matériaux du bâtiment, les valeurs λ en condition sèche et en condition humide. Celle des matériaux isolants n’est donnée qu’en condition sèche, car il est déconseillé de les utiliser là où ils pourraient s’humidifier (condensation, vapeur d’eau, etc. [22]

Figure : II. 12 Valeurs de la conductivité thermique pour quelques matériaux du bâtiment.

[22]

II.8.14.3 Capacité thermique :

La capacité thermique d’un matériau représente sa propension à emmagasiner de la chaleur en fonction de son volume. Elle est exprimée en kJ/m3 °C. Plus la capacité thermique d’un matériau est grande, plus ce matériau sera capable d’emmagasiner et de restituer de la chaleur en hiver ou de la fraîcheur en été. Le principal bénéfice d’une forte capacité thermique est de lisser les variations de température d’un bâtiment[57].

En hiver, la pointe de température la plus froide se produit en fin de nuit. Pendant cette période

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emmagasinées la journée par l’apport solaire. Par ailleurs, cette diffusion de chaleur atténuant les effets des pics de froid pendant une période, elle permet d’éviter de nombreuses relances de chaudière, coûteuses en énergie. A l’inverse, en été, une forte capacité thermique permet d’emmagasiner le surplus de calories afin de les restituer pendant une période plus favorable à leur évacuation [57].

II.8.14.4 L’inertie thermique :

L’inertie thermique est une notion qui recouvre à la fois l’accumulation de chaleur et sa restitution, avec un déphasage dépendant des caractéristiques physiques, dimensionnelle et d’environnement de la paroi de stockage. Une grande inertie thermique permet la récupération de la chaleur du jour afin de la restituer la nuit. Ceci est notamment intéressant dans les climats où la différence de température diurne et nocturne est importante.

La capacité d’accumulation d’un matériau dépend de sa chaleur spécifique, de sa conductivité thermique et de son poids volumique. Une paroi peut aussi s’échauffer en absorbant la chaleur rayonnée par d’autres parois ayant une température supérieure. De même, si l’air est plus chaud que la paroi, celle-ci peut gagner des calories par convection. [57] Ce type de stockage est alors indirect.

Lorsque les rayons du soleil frappent, une paroi opaque, une partie, de l’énergie rayonnée est absorbée, le reste est réfléchi. Un flux de chaleur s’établit alors entre la face externe et la face interne de la paroi. La chaleur, qui se transmet par onde de l’extérieur à l’intérieur, se propage avec un certain déphasage et subit un amortissement. Le maximum de température atteint sur la face extérieure n’est pas immédiatement senti sur la face intérieure de la paroi. Le temps de déphasage est en fonction de l’épaisseur ainsi que de la conductivité thermique des matériaux. Le déphasage et l’amortissement constituent l’inertie thermique.

Les caractéristiques de l’inertie thermique peuvent être regroupées pour chaque matériau en deux grandeurs intermédiaires : la diffusivité thermique et l’effusivité thermique.

La diffusivité thermique « a » correspondu à la vitesse d’avancement d’un front de chaleur à travers le matériau (unité : m2/h).

λ : conductivité thermique du matériau (W/m.K) ρ : masse volumique du matériau (kg/m3) c : chaleur massique du matériau (Wh/K.kg) II.8.14.4.A Effusivité:

L’effusivité d’un matériau, appelé couramment chaleur subjective, est la vitesse à laquelle varie la température de surface d’un matériau. Ce paramètre a pour unité le J/m2 S °C. Si l’effusivité n’est pas prise en compte dans un bilan thermique, elle reste cependant un paramètre

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non négligeable du confort thermique

Un matériau d’effusivité élevée absorbe rapidement une grande quantité d’énergie sans se réchauffer notablement;

Si son effusivité est faible, le matériau se réchauffe en surface en peu de temps. C’est l’effusivité qui donne en hiver la sensation de mur froid, synonyme d’inconfort thermique. Si l’on pose la main contre une paroi en faïence (effusivité = 1100 J/m2 S C°), elle semble froide, car ce matériau à forte effusivité absorbe rapidement la chaleur de la peau. Dans la conception d’une paroi, ce paramètre permet de choisir la qualité du revêtement en fonction du climat et de l’utilisation future de la pièce [57].

II.8.14.4.B Diffusivité:

La diffusivité thermique d’un matériau caractérise la vitesse de diffusion de la chaleur en son cœur. Elle est exprimée en m2/s. Plus la diffusivité est élevée, plus le matériau s’échauffe et se refroidit rapidement. La diffusivité est directement liée à la conductivité thermique, à la capacité thermique ainsi qu’à la masse volumique d’un matériau. Elle croît avec la conductivité thermique d’un matériau et décroît avec sa capacité thermique et sa masse volumique. Appliquée à un bâtiment, la diffusivité d’un matériau d’une paroi permet de gérer le temps de restitution de la chaleur. Par exemple, elle permet de dimensionner l’épaisseur d’un mûr accumulateur qui capte des calories la journée et les restitue quelques heures plus tard vers une pièce de vie nocturne.

Le déphasage ainsi créé est un paramètre essentiel dans l’optimisation du confort d’été d’une habitation. Un fort déphasage permet de décaler dans le temps un pic de température. Une forte chaleur d’une journée estivale atteint l’intérieur du bâtiment 12 heures après avoir impacté les faces extérieures. Il est donc possible d’évacuer ce surplus de calories en surveillant le bâtiment et ainsi de limiter l’inconfort thermique dans les pièces figure [II.13], [57].

Figure: II. 13 Temps de déphasage des différents matériaux de construction

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Une forte inertie est recommandée pour emmagasiner une partie des apports afin de les restituer au bâtiment lorsqu’il en a le plus besoin. D’autres traités d’architecture bioclimatique [22] dressent les mêmes constats : dans les climats tempérés, les solutions privilégiées pour l’hiver et l’été s’opposent, mis à part l’utilisation de l’inertie du bâtiment comme déphaseur.