Impact des fuites d'air sur la performance hygrothermique et énergétique des bâtiments en Amérique du Nord: cote énergétiques es murs isolés

(1)

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Assemblée Générale Annuelle (AGA) de l'association Canadienne des entrepreneurs en mousse de polyuréthane: 15 avril 2011, Laval (Québec) [Proceedings], pp. 1-48, 2011-04-15

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Impact des fuites d'air sur la performance hygrothermique et

énergétique des bâtiments en Amérique du Nord: cote énergétiques es murs isolés

Maref, W.; Saber, H. H.; Elmahdy, A. H.; Swinton, M. C.; Glazer, R.; Nicholls, M.

(2)

Impact des fuites d’air sur la performance

hygrothermique et énergétique des

bâtiments en Amérique du Nord:

Cote énergétique des murs isolés

NRC - Institute for Research in Construction

W. Maref & Hamed Saber

Équipe de travail: Hakim Elmahdy, M. Swinton, R. Glazer & M. Nicholls

(3)

NRC-IRC Building Envelope & Structure Program

Aperçu

• Contexte

• Objectifs du projet

• Portée

• _{Méthode proposée d’évaluation}

énergétique pour les murs isolés

• Résultats du projet de recherche récent

• Observations finales

(4)

Contexte

• Exigences du Code national du bâtiment :

o

régulation de l’air, de l’eau, du son, etc.

• Guide d’évaluation pour les systèmes de pare-air,

1996, Centre canadien des matériaux de

construction (CCMC)

• Vers un code de l’énergie

• Évaluation énergétique des composants de

l’enveloppe du bâtiment

(5)

Fonctions et réglementation

• Certaines de ces fonctions sont réglementées par les

codes du bâtiment national ou provinciaux/territoriaux

(p. ex. ossature, prévention des incendies, etc.)

• Actuellement, les codes de l’énergie et certains codes

du bâtiment provinciaux renferment des exigences de

performance thermique relativement aux déperditions

de chaleur par conduction (p. ex. coefficient U ou valeur

R) et aux fuites d’air de l’enveloppe

• Le nouveau Code national de l’énergie est attendu

bientôt

(6)

Codes et normes – le dilemme

Il est difficile d’incorporer l’effet des

fuites d’air au travers de l’enveloppe à

la performance thermique globale du

système mural

(7)

Objectif du projet :

• Déterminer la cote énergétique de murs (CEM)

construits conformément aux pratiques sur le

terrain, qui consistent à utiliser un isolant

constitué de mousse de polyuréthane

pulvérisée, en combinant les déperditions de

chaleur mesurées attribuables à la conduction

et aux fuites d’air.

• Le travail a été étendu de manière à inclure les

(8)

Aperçu du Projet de CEM

• Échantillons de mur construits

conformément aux pratiques de construction

courantes

• Essais de résistance thermique et de fuite

d’air

• Caractérisation matérielle

• Simulation informatique

• Résultats finaux

(9)

La présente communication

• présente les résultats de six échantillons de mur : deux

murs en fibre de verre (murs de référence) et quatre

murs isolés à la MPP (Mousse Polyuréthane Pulvérisée)

basse densité (mousse à alvéoles ouverts).

• D’autres murs ont fait l’objet d’une série d’articles

publiés

• Un total de 16 murs ont été soumis à des essais,

modélisés et documentés jusqu’à maintenant.

• Autres publications :

En anglais : http://www.nrc-cnrc.gc.ca/eng/ibp/irc/publications/index.html

(10)

CEM 1 et CEM 5

• Ces deux murs

n

’ont

volontairement

pas

été construits

conformément aux exigences de la Partie 9 du Code national

du bâtiment (CNB)

de manière à permettre l’introduction d’un

large éventail de taux de fuite d’air.

• La Partie 9 du CNB donne deux options pour la continuité du

pare-air :

o

scellement du joint, ou

o

joint rabattu sur au moins 100 mm, et calage entre les éléments

d’ossature et le panneau rigide

• le CNB exige également le scellement des fenêtres, des

canalisations, des gaines et des boîtes électriques pour

maintenir l’intégrité du pare-air

(toutes les pénétrations n’ont

(11)

Échantillons de mur :

• Six murs à colombage d’épinette 2 po sur 6 po,

avec espacement de 16 po (nominal)

o

un échantillon sans pénétration, avec pare-air en poly rabattu

(échantillon de murs à isolant fibreux CEM-1)

o

un échantillon similaire au précédent, mais avec pénétrations

(CEM-5)

• La mousse pulvérisée est une mousse basse densité

(alvéoles ouverts), quatre échantillons, différentes

mousses, avec et sans pénétrations (CEM-AA à DD)

(12)

Échantillons de mur :

Mur n

o

_{Type d’isola t}

_Description

CEM-1

Isolant fibreux (pare-air

en poly rabattu)

Murs de référence, sans

pénétrations

CEM-5

Comme ci-dessus

Comme ci-dessus, mais

avec pénétrations

CEM-AA

Mousse à alvéoles

ouverts

Mur orbe, sans

pénétrations

CEM-BB

Mousse à alvéoles

ouverts, comme

ci-dessus

Avec pénétrations

CEM-CC

Marque différente de

mousse à alvéoles

ouverts

Sans pénétrations

(13)

96.00

2X6 in Economy Grade SPF Studs, 16 in on Center

Hexagonal and rectangular external junction boxes installed in accordance with construction practice

0.50 in gap (12.5 mm) Typical gap 1/4 - 1/2 in (6.35 - 12.5 mm) Double Top Header Stud Fastening: 3 1/2 in Spiral Nails, 2 minimum per stud-plate interface

Top Header Fastening; 3 in spiral nails on 16 in centers, 2 minimum per spacing

49.75

3/4 in hole bored 2 1/2 in from weatherside surface for 14-2 electrical wire

22.00 1.5 in PVC (38 mm) Galvanized duct 3.94 in (100 mm) window 47.2 x 23.6 in (600 x 1200 mm) 5.91 19.51

Disposition des pénétrations

(Guide de l’évaluation pour les systèmes

pare-air du CCMC 07272)

Chevêtres jumelés

Fixation du chevêtre; clous torsadés 3 po espacés de 16 po de c. à c., au moins deux par espacement

Espace type

Gaine galvanisée

Boîtes de jonction extérieures hexagonales et rectangulaires installées conformément à la construction

Fenêtre

Poteaux en MPP qualité économique 2 po sur 6 po, 16 po c. à c.

Trou ¾ po alésé à 2 ½ po de la surface exposée aux intempéries pour câble électrique 14-2

Fixation du colombage : clous torsadés 3 ½ po, au moins 2 par interface poteau-sablière

Espace 0,5 po (12,5 mm)

(14)

Section transversale

d’é ha tillo s de ur t pes

Membrane résistant

aux intempéries

Revêtement

intermédiaire en

panneaux OSB 11 mm

Sablière basse

et poteaux en épinette

Sablière en épinette

Plaque de plâtre

12 mm

Isolant, fibre de

verre, épaisseur des

poteaux 140 mm

Pare-air/vapeur en feuilles

de polyéthylène 6 mils

Échantillon de mur

2400 sur 1400 mm

Isolant fibreux

Isolant en MPP

(alvéoles ouverts)

Isolant, mousse de

polyuréthane

pulvérisée,

épaisseur des

poteaux 140 mm

(15)

Emplacement des thermocouples :

B201 B203 B207 B209 B313 B317 B319 B211 B213 B217 B219 B301 B303 B307 B309 C201 C203 C207 C209

Grille de

thermocouple

Thermocouples interstitiels

Fluxmètre

thermique

(16)

(17)

Mur orbe avec isolant fibreux et

pare-air en poly rabattu

(18)

Cote énergétique des murs (CEM)

Aperçu du projet

Partie expérimentale

Partie numérique

Élaboration du modèle et mise en œuvre Simulation numérique Résultats Élaboration du protocole d’essai Instrumentation Conditions d’essai et conditions limites

Caractérisation des matériaux

Tenue des expériences

Comparaison et analyse Intrants

Résultats

(19)

Séquence d’essai

Valeur R dans la BCG

Conditionnement des échantillons

Essai de fuite d’air

Valeur R dans la BCG

BCG

Boite Chaude Guardée

Appareillage d’essai de fuite d’air et de conditionnement

ASTM E283

ASTM C1199 et

ASTM E1423

Systèmes de pare-air,

section 07272

– CCMC

(20)

Cycles de pression et de rafale

Conditionnement des échantillons

Pressure cycle for sample conditioning

-1600 -800 0 800 1600 Time, s Pressure di fference , Pa P2 P'2 P3 P'3 Repeated positive pressure n times. Repeated negative pressure n times.

Cyclic loads Gust loads

3s _1s 1s

Conditioning (Weathering), +800 Pa, 1000 cycles

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 Di ffe re nt ial Pr ess ur e, Pa

Cycle de pression pour le conditionnement des échantillons

Dif fé re nc e de p re ssi on , P a

Charges cycliques _{Charges de rafale} Temps, s

Pression positive répétée n fois

Pression négative répétée n fois

(21)

Appareillage d’essai de fuite d’air et de

conditionnement

PC de commande et

Acquisition de données

Unité de fuite d’air et

de conditionnement

Nouveau cadre

d’ossature en aluminium

Spécimen de mur CEM

(22)

(23)

Méthodes d’essai

• Fuite d’air (ASTM E283)

• Résistance thermique du mur (ASTM C1199 et

ASTM E1423)

• Caractérisation des matériaux (ASTM C518-98)

au moyen d’un fluxmètre thermique

• Conditionnement des échantillons

conformément au guide technique du CCMC

(section 07272 du Répertoire normatif, section

6.62, page 14 )

(24)

Résultats

• Résultats d’essai

o

Fuite d’air

o

Résistance thermique, valeur R

o

Caractérisation de la ou des mousses

• Résultats de la simulation

• Comparaison des essais et de la simulation

• Élaboration de la CEM

(25)

Caractérisation de la mousse :

Paramètre du mur

Symbole

CEM-AA &

BB

CEM-CC &

DD

Température

moyenne d’essai

T

m

(°C)

0.2

0.3 Densité du matériau

ρ (Kg/m

3

₎

_12.0

_7.8

Conductivité

thermique, unités SI

λ (W/(m.K))

0.0352

0.0388

(26)

Résultats des essais de fuite

d’air (CEM-1)

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 0 25 50 75 100 125 150 175 Flo w Ra te, L/(s *m ^ 2) Differential Pressure, Pa CCMC Limit Wall unconditioned Wall conditioned (final)

WER-1, Air Leakage, Glass Fiber (Reference Wall) Net Infiltration, No penetration

Prise électrique NON scellée

(27)

Résultats des essais de fuite d’air :

CEM-AA and CEM-BB

CEM-AA

CEM-BB

0.00 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.10 0 25 50 75 100 125 150 175 Flo w Ra te, L/(s *m^ 2) Differential Pressure, Pa CCMC Limit Wall unconditioned Wall conditioned

WER-AA, Air Leakage, Demilec - OCF, Net Infiltration, No penetration

0.00 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.10 0 25 50 75 100 125 150 175 Flow Rate, L/(s*m^ 2) Differential Pressure, Pa CCMC Limit Wall unconditioned Wall conditioned WER-BB, Air Leakage, Demilec - OCF, Net Infiltration, With penetration

(28)

Air leakage test results: CEM-CC

and CEM-DD

CEM-CC

CEM-DD

0.00 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.10 0 25 50 75 100 125 150 175 Flow Rate, L/(s*m^ 2) Differential Pressure, Pa CCMC Limit Wall unconditioned Wall conditioned WER-CC, Air Leakage, BASF - OCF, Net Infiltration, No penetration

0.00 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.10 0 25 50 75 100 125 150 175 Flo w Ra te, L/(s *m^ 2) Differential Pressure, Pa CCMC Limit Wall unconditioned Wall conditioned WER-DD, Air Leakage, BASF - OCF, Net Infiltration, With penetration

(29)

Résultats d’essai – valeur R

Température

froide -20 C -35 C

Valeur R de murs conditionnés, m2_.K/W

Mur no _m2_.K/W _F.ft2_.hr/BTU _m2_.K/W _F.ft2_.hr/BTU

CEM-1 3.25 18.45 3.44 19.53 CEM-5 2.78 15.79 2.84 16.13 CEM-AA 3.59 20.38 3.60 20.44 CEM-BB 3.30 18.74 3.24 18.39 CEM-CC 3.36 19.07 3.26 18.51 CEM-DD 3.00 17.03 3.02 17.14

(30)

Simulation numérique

• Utiliser hygIRC-C pour prédire les valeurs R

pour l’ensemble des murs sans fuite d’air et

comparer les prédictions aux résultats

mesurés

• Utiliser HygIRC-C pour prédire les valeurs R à

différents taux de fuite pour l’ensemble des

murs

• Fournir une corrélation simple à utiliser pour la

détermination des valeurs R à différents taux

de fuite

(31)

Évaluation comparative des deux

modèles

Plaque de plâtre

Mousse _Air Poteau Mousse Air

Panneau OSB

Modèle hygIRC 2-D

Modèle hygIRC-C 3-D

hygIRC-C

Profils de température

hygIRC

(32)

Cha p de vitesse de l’air

Écoule e t d’air

Échantillon de résultats 3D

(suite) CEM-1, ΔP = 75 Pa

(33)

Comparaison des résultats des essais

en laboratoire et des résultats de

(34)

Introduction du rapport

β - valeur R

Ce facteur o tre l’i pact

des fuites d’air sur la valeur R du ur

(R-value with air leakage)

value without air leakage)

L

o

R





(valeur R avec fuite d’air)

(35)

Qu’est-ce que la cote énergétique

d’un mur (CEM)?

• Un outil d’évaluation énergétique des

murs qui est axé sur la physique du

bâtiment et tient compte des facteurs

suivants :

o

déperditions de chaleur dues à la conduction thermique

dans le système

o

déperditions de chaleur dues aux fuites d’air dans le

système

o

interaction entre les deux modes de déperditions de

chaleur. Fournit un moyen d’évaluer la performance

globale du système

(36)

Détermination de la CEM

• Requis

o

Valeur R SANS fuite d’air (EEC), m2.K/W

o

Taux de fuite d’air, ξ, à ΔP = 75 Pa, l/(s.m2)

• Déterminer la valeur R « apparente » du mur

avec fuite d’air à différentes valeurs de ΔP

• Déterminer le rapport apparent β de la valeur R

(37)

Corrélation de

β avec le taux de fuite d’air

(six murs) :

0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 WER-1 WER-5 WER-AA WER-BB WER-CC WER-DD -3% +3% 6 Walls at 75 Pa CCMC Criterion ( = 0.05 L/(s.m2)  = exp(a*b) a = -1.53, b = 0.89

Leakage Rate,



(L/(s.m

2

))



-V

a

lu

e

Taux de fuite

Vale

ur

β

(38)

LR @ 75 Pa,

(

L/(s.m

2

₎₎

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 0 0.2 0.4 0.6  = exp(a*b) a = -1.54, b = 0.89  -V a lu e

exp(

a

b

)







T



RSI

0 0

RSI

L





(39)

Approche de la norme CSA A-440.2

Cote énergétique des fenêtres CE

_cal

Apport par

rayonnement solaire

Déperdition de chaleur

par conduction

Déperdition de chaleur

par fuite d’air

CE

_cal

(40)

CEM : un outil d’évaluation

énergétique des murs

Cote énergétique d’un mur - CEM

Déperdition de chaleur par

conduction

Déperdition de chaleur

par fuite d’air

Toujours -ve

(41)

Effet des fuites d’air sur la CEM –

Cas I

Effet d’une fuite d’air élevée sur la CEM

Mur classique avec pénétrations – Poly rabattu

CEM

Sa s fuite d’air

Avec fuite d’air

(42)

Effet des fuites d’air sur la CEM –

Case II

Effet d’une fuite d’air élevée sur la CEM

Mur MPP à mousse à alvéoles ouverts avec pénétrations

Avec fuite d’air

(43)

Prochaines étapes?

• Élaboration d’outils d’évaluation énergétique pour

d’autres composants du bâtiment

• Combinaison des outils dans un protocole maître

en vue de la détermination de la cote énergétique

de l’ensemble de l’enveloppe du bâtiment

• Étape vers un étiquetage énergétique des

bâtiments

• Un nouveau consortium se réunira prochainement

(44)

Sujets de discussion futurs:

Au point où les murs intérieurs ou les pla chers re co tre t l’e veloppe extérieure, le système de pare-air s’éte d au-delà de l’i tersectio .