Pertes dans une maison traditionnelle
Définitions des termes en isolation thermique :
Le coefficient de conductivité thermique λ décrit l'aptitude du matériau à conduire ou non la chaleur. Il est élevé pour les matériaux conducteurs et faibles pour les isolants. Le meilleur matériau isolant est l'air strictement immobile (λ=0,024).
La chaleur spécifique d'un matériau indique la quantité de chaleur (énergie) nécessaire pour élever d'un degré centigrade (ou kelvin) une masse d'1 kg de ce matériau.
Plus la chaleur spécifique d'un matériau est élevée, plus il peut fournir ou absorber de chaleur sans que sa température ne varie beaucoup (exemple: poêle de masse).
L'énergie grise (impact sur notre planète) est l'énergie qu'il faut dépenser pour fabriquer, distribuer le produit mais aussi pour extraire les matières premières et enfin pour éliminer ou recycler le produit en fin de vie. Pour donner un ordre d'idée, les matériaux d'une maison moyenne construite de manière conventionnelle ont nécessité de l'ordre de 700.000 à un million de kWh. Cette énergie grise représente de l'ordre de 50 à 100 ans de chauffage et d'eau chaude et son impact est donc très important.
La Résistance à la diffusion de vapeur d'eau (respiration des murs) est un indicateur de la perméabilité des murs, c'est à dire leur aptitude à laisser s'évacuer par diffusion les excédents de vapeur d'eau, CO2 et composés organiques volatils qui sont générés dans un logement.
La valeur μ (mu) indique l'épaisseur d'une couche d'air dont la perméabilité à la diffusion est équivalente à la couche d'un mètre du matériau considéré.
Plus μ est grand, moins le matériau est perméable.
Attention, il ne faut pas confondre la perméabilité et l'étanchéité à l'air. A titre d'exemple, les vêtements sportifs modernes (p.ex. Gore-Tex®) sont étanches à l'air (pare pluie et coupe vent) mais sont perméables à la vapeur d'eau pour laisser s'échapper la transpiration.
Quelques exemples de données sur les matériaux
3600 J/Kg.K = 1 Wheure/Kg.K
Plus la résistance thermique (R) de l'isolant est élevée, moins il y aura besoin de consommer de l'énergie. Cette résistance thermique (exprimée en m2.K/W) dépend de l'épaisseur (e) et de la conductivité thermique (λ) du matériau :
A λ égal, plus l'isolant est épais, plus la résistance thermique est forte. La conductivité thermique ou lambda (λ ) est la quantité de chaleur W/(m.K) pouvant être transférée dans un matériau en un temps donné. Plus la valeur λ est petite, plus le matériau est isolant. Les isolants thermiques ont des λ inférieurs à 0,060 W/(m.K). Le bois qui a une conductivité thermique de 0.12 (bois léger) à 0.2 (bois dense) est donc un semi isolant, mais comporte une caractéristique supplémentaire très intéressante : Sa chaleur spécifique qui nous amène un temps de transfert très important pour le confort de l’habitation.
Coefficient de transmission surfacique
U paroi = 1/ Σ R
Cette autre mesure sert de référence dans les normes thermiques, il s'agit du coefficient U ou coefficient de transmission surfacique, qui est exprimé en W/(m².K). Il s'agit tout simplement de l'inverse de la somme des résistances de chaque matériau utilisé. Pour les spécialistes il s'agit du flux thermique en régime stationnaire par unité de surface, pour une différence de température d'un kelvin entre les milieux situés de part et d'autre d'un système.
Concrètement plus le U est petit plus votre paroi est isolant.
La référence pour chaque paroi de la maison passive est fixée à 0.15 W/m2.K
Calculs de l’énergie dissipée par m2 de paroi (flux thermique surfacique)
Exemple :
Si nous avons une paroi de bois (20cm épaisseur) avec une température de 20 °C à l’intérieur et 5 °C a l’extérieur, alors :
Bois : Conductivité thermique = 0.12
Epaisseur paroi : 0.20 m (20cm)
R=0.20/0.12 = 1.66 m2.K/W
Considérons cette seule paroi :
Coefficient de transmission surfacique U = 1/R = 1/1.66 = 0.602 Watt / m2.K
Donc le flux thermique :
Flux (en Watt par m2) = 0.602 x différence de température = 0.602*(20-5) = 9 W /m2.
(Calculs approximatifs…)
Déphasage ou temps de transfert
C'est une donnée fondamentale d'un habitat confortable.
On appelle déphasage, le temps que met le chaud ou le froid pour passer au travers d'une paroi. Il est fonction de la capacité thermique des matériaux qui composent la paroi. Une toiture isolée avec un isolant léger standard aura un déphasage de 3 heures, c'est-à-dire qu'en été le local va surchauffer rapidement par les apports solaires. Les parois performantes ont un déphasage de plus de 12 heures, les locaux restent à une température confortable toute la journée.
Les isolants ont une faible capacité thermique en comparaison du bois massif
Ainsi il est possible d'avoir une sensation de confort dans un local chauffé à 16 degrés et une sensation d'inconfort dans un local chauffé à 22 degrés. La conception bioclimatique se résume à une bonne conception alliée à une bonne connaissance des matériaux. Vous comprendrez facilement pourquoi on se sent toujours bien dans une maison en bois massif : pas d'effet de parois froides, pas de courants d'air, matériaux peu effusifs, grande capacité de régulation hygrométrique des parois.
Le déphasage mesure le temps que met la chaleur ou le froid à traverser une paroi.
L’avantage du bois comparé à d’autre matériaux isolant est sa capacité thermique d’où découle un temps de transfert de chaleur beaucoup plus important. Ainsi quand la température varie dans de grandes proportions le temps de transfert de la chaleur aux travers des murs est très important (effet de gros murs de pierre).
Maison traditionnelle:
Dans le cas d'une maison dont les murs sont à faible inertie (maison traditionnelle ou ossature bois), la variation de température extérieure sont ressentie très vite à l'intérieur, d'ou un confort très nettement diminué.
Ci dessous, une maison dont les murs sont en bois massif (y compris les cloisons), cette variation extérieure de température se fait très faiblement ressentir à l'intérieur. De plus, la reproduction d'une élévation ou diminution de la température extérieure est retardé (flèche rouge et bleu).
Note :
Chaleur spécifique de laine de verre :1030
Chaleur spécifique du bois massif : 2500:
Formules :
Plus globalement :
Comparaison laine de verre et bois massif (unité de comparaison)
Racine carré de (Masse volumique x chaleur spécifique / conductivité thermique)
Nous constatons, pour la même épaisseur de paroi, un temps de transfert de la chaleur de 4 à 5 fois supérieur pour le bois comparé à la laine (de l’ordre de 13 heures pour le bois massif épaisseur 20cm).