Physique du bâtiment
Pour bien comprendre certaines notions présenté sur notre site internet, nous avons décidé de réaliser une page pour bien clarifier certaines notions de physique du bâtiment, en partie celles liées à l'inertie , au déphasage thermique et de toutes les notions et les grandeurs qui y sont rapportés.
Au commencement, il y avait la masse...
Tout matériau a une masse, une masse volumique pour ce qui nous concerne.
C'est cette masse (en Kg) ou ce poids (en Newton) qui nous intéresse.
C'est dans cette masse que va se stocker des calories, mais résumer la capacité d'un matériau à cette masse est un peu réducteur comme nous allons vous l'expliquer.
Poids volumique de plusieurs matériaux de construction . En KN/m3. (1 kn/m3 = 100 kg/m3)
C'est quoi la masse volumique apparente ?
Un matériaux de construction n'est pas toujours plein.
On utilise donc parfois la masse volumique dit apparente de certains matériaux. C'est le cas par exemple des blocs de béton creux. Il faudrait en théorie calculer les parties pleines et les parties vides du bloc entier et multiplier ce volume par le poids volumique du béton non armé... fastidieux !
Les fabricants mentionnent plutôt une masse volumique apparente, c'est-à-dire la masse volumique d'un bloc plein de mêmes dimensions ayant au final le même poids que le bloc creux. Un bloc béton ci-contre a ainsi une masse volumique apparente de 1400 kg/m3, nécessairement inférieur au poids volumique du béton non armé utilisé pour fabriquer ce bloc (2100 kg/m3), car il contient des vides !
Et maintenant l'inertie
L'inertie thermique est la capacité physique d'un matériau à conserver sa température.
Plus un matériaux à de l'inertie, plus il faudra de calories pour monter en température, et plus il stockera un volume important de calorie. Donc plus il restera chaud ou froid longtemps.
L'inertie thermique d'un bâtiment est recherchée afin de minimiser les apports thermiques à lui apporter pour maintenir une température constante. L'inertie thermique est importante pour assurer une ambiance climatique confortable pour ses occupants.
Un bâtiment à forte inertie thermique équilibrera sa température en accumulant le jour, la chaleur qu'il restituera la nuit pour assurer une température moyenne.
Il y'a 2 moments dans l'année ou il est important d'avoir de l'inertie dans un bâtiment:
En hiver:
Cette inertie est indispensable si vous avez un mode de chauffage intermittant. Comme par exemple:
Un poêle à bois: Avoir de l'inertie autours du poele ou dans la pièce ou il se situe va permettre d'éviter une surchauffe quand le poêle tourne , et resistuer cette chaleur quand il s'éteint.
Le soleil: Tout batiment qui se chauffe en utilisant du solaire passif est concerné. Il s'agit par exemple de tout bâtiment qui est a une face au sud, et pour bien des baies vitrées sur cette face. Donc , presque tout les bâtiment! La journée, le soleil va réchauffer les matériaux derrière la baie vitrée. Puis le soir, ceux-la vont restituer cette chaleur vers l'intérieur (et aussi vers l'extérieur si le bâtment n'est pas isolé!).
Certains chauffages electrique: Si vous voulez bénéficier des heures creuses, la aussi il faudra faire tourner les radiateurs électrique pendant les heures creuses et accumulé cette chaleur dans un matériaux à proximité.
En été:
C'est ici que l'inertie est probablement la plus importante.
En été, on va chercher à ventiler au maximum le bâtiment la nuit et à stocker la fraicheur de la nuit dans les matériaux (en vrai on ne stocke pas du froid (le froid n'existe pas en physique), mais on arrache des calories au matériaux pour les envoyer den dehors du bâtiment).
Quelle durée d'inertie faut-il?
L'idée est d'avoir entre 6h00 à 12h00 d'inertie pour tenir, la nuit ou la journée en fonction de si onrecherche le confort d'été.
Sauf pour l'été en période de canicule, ou la température peut ne pas baisser la nuit pendant plusieurs jour, alors la il faudrait plusieur jours d'inertie pour bien.
Et de même pour l'hiver, si on est sur du captage d'énergie solaire, il faudrait pouvoir tenir plusieurs jours sans soleil. Mais c'est loin d'être évident.
On entend souvent que des murs en pierre ou en terre de 50cm permettent de stocker des calories sur plusieurs mois. C'est faut, l'inertie réelle de ce type de bâtiment n'est que de quelques jours en fait. Ce qui est déja pas mal.
Pour avoir de l'inertie sur plusieurs mois, il faudrait des quantité trés importantes d'un matériaux qui stocke beaucoup de calories. Il existe quelques bâtiment qui possèdent des stockage de dizaines de m3 d'eau couplées à des capteurs solaires thermiques pour y arriver. Mais c'est un gros investissement, pas certain que ça en vaille toutjour le coût.
Comment et où mettre de l'inertie dans un bâtiment:
Pour commencer, le meilleur endroit pour mettre un matériaux qui stocke des calories c'est à l'intérieur de l'enveloppe isolé. Des murs en pierre isolée par l'intérieur, ça marche beaucoup moins bien.
De même on a intéret à avoir une grande surface d'échange entre cette masse et la source de chauffage, pour faciliter les échanges Thermiques. C'est bien pour ca qu'il y'a des ailettes aux radiateurs, pour augmenter la surface d'échange.
Voila les meilleurs endroit ou mettre de l'inertie:
Le parement intérieur: Rien de tel qu'un bon enduit terre sur une botte de paille pour ajouter de l'inertie. Au final on est sur un quantité importante, surtout si l'enduit est épais. Et la surface d'échange est maximal. C'eau aussi la ou c'est le plus facile de mettre du poids, car on est au droit des fondations.
Les cloisons: La aussi, on a une grande surface d'échange et on peut avoir de l'épaisseur. Un mur en BTC est l'idéale. Mais attention au poids des cloisons, surtout à l'étage.
Les planchers. Comme les cloisons, il y'a sur surface d'échange des 2 côté. On peut mettre du sable ou de la terre dans un plancher. Mais ça va l'allourdir, donc attention à bien le prévoir dans le calcul du dimesnionnement.
La dalle du rez de chaussée. Si vous optez pour une dalle sur terre plein non isolée, vous aurez non seulement l'inertie de la dalle, mais aussi l'inertie de tout le sol qui est en dessous. La on va pouvoir commencer à avoir des jours, voir des semaines d'inerties. A condition que la dalle est les fondations soient bien isolée en périphérie. Sinon, tout part sur les côtés. C'est la principale raison qui explique que le bâti ancien reste aussi frais l'été.
En utilisant un puits canadien aéraulique ou hydraulique . La on va chercher l'intertie dans le sol, mais c'est plus technique et pas si facile de qua ça à faire.
Comment mesurer l'inertie?
Il y'a une constante qui permet de le faire, c'est la capacité thermique – ou capacité calorifique – ou chaleur spécifique
La capacité thermique d'un matériaux désigne sa capacité à absorber ou restituer de la chaleur par échange thermique. Elle se mesure par l'énergie qu'il faut apporter à ce matériaux pour augmenter sa température de 1°C.
On distingue la capacité thermique massique s'exprime en joules par kilogramme kelvin, par unité de masse. Ou la capacité thermique volumique, par unité de volume de matériaux, exprimée en J·m-3·K-1
Plus elle est élévee, plus le matériaux à d'inertie.
A partir de cette constante, on peut calculer combien d'énergie est stocker dans une msse ou un volume de matériaux.
La tableau ci-contre vous donne la masse volumique (confondue ici avec la densité, qui est la même chose mais divisé par 1000). Et la capacité calorifique massique et volumique de différents matériaux.
On voit que l'eau est trés loin le matériaux qui a la meilleur Capacité calorifique massique, c'est certainement l'un des meilleurs matériaux pour stocker des calories. Puisqu'à poids égale, elle stocke 4 fois plus d'energie que du béton!!
Oui mais voila, l'eau est 2 fois moins lourde que le béton. Donc sa capacité thermique volumique n'est plus que deux fois meilleur. A voluime égale, elle stocke encore 2 fois plus de calorie que le béton, ce qui est encore pas mal!
C'est quoi l'effusivité?
Deux matériaux peuvent stocker chacun la même quantité de calories, mais mettre des temps différentes pour le faire. C'est à dire se réchauffer ou se refroidir à des vitesses différentes. Ce qui nous arrange plus ou moins selon leur usage.
Pour mesurer cela, il y'a l'effusivité.
Cette grandeur détermine la capacité d’un matériau à stocker ou déstocker rapidement une grande quantité l’énergie thermique en régime de température variable. Elle est calculée par la formule E = √(λρC) = ρC √D. Exprimé en J.K-1.m-2.s-1/2.
Les matériaux à faible effusivités sont ceux qui vont se réchauffer trés rapidement. Il s'agit en général de matériaux peu dense.
On cherchera à avoir ce type de matériaux si on veut opérer une correction thermique à l'intérieur d'un bâtiment. Par exemple au moyenne age on accroché au mur des tentures au murs . Ces tentures sont en matériaux végétal donc peu effusives. Quand vpus êtes proche, il vont donc trés rapidement se réchauffer et vous renvoyer votre propre rayonner infra rouge, et donc vous donner une sensation de confort thermique.
Un autre exemple, à température égale, un parquet au sol qui est peu effusif sera plus agréable en hiver qu'un carrelage qui vous paraîtera plus froid. En effet le carrelage qui est fortement effusif va absorber vos calories, pas le parquet.
C'est quoi la conductivité et la résistance thermique?
Autre constante dont on va avoir besoin, la conductivité thermique (λ) .
Elle indique la quantité de chaleur qui se propage par conduction thermique au travers un matériaux.
en 1 seconde,
à travers 1 m² d’un matériau,
épais d’un 1 m,
lorsque la différence de température entre les deux faces est de 1 K (1 K = 1 °C).
La conductivité thermique s’exprime en W/mK.
Plus un martériaux est léger et donc plus il contient d'air sec et immobile, plus la conductivité thermique sera faible.
C'est avec cette valeur qu'on evalue la performance thermique d'un isolant. Mais on va voir que c'est un peu réducteur.
A partir du λ on calcul la résistance thermique R d’un matériau, vous devez diviser l’épaisseur de l’isolant (e) — exprimée en mètre — par la conductivité thermique du matériau (valeur λ).
R = e / λ
Ainsi, une épaisseur de 10 cm et un lambda de 0,028 W/m.K, donne la résistance thermique R suivante : 0,1 m/0,028 = 3,57 m².K/W.
La résistance thermique s’exprime en m².K/W (mètre carré Kelvin par Watt). Plus la valeur est élevée, plus l’isolant est efficace.
C'est plus efficace, pour comparer une parois composer de plusieurs matériaux. Car il suffit d'additionner les R de chaque couche.
Pour compliqué un peu les chose, on utilise parfois le U, elle équivaut à l'inverse de la valeur R (U = 1/R). Plus la valeur U est basse, meilleur est le système d'isolation.
Et le déphasage thermique ?
Cette grandeur détermine la vitesse à laquelle un matériau est susceptible de transmettre la chaleur d’une face à l’autre d’une même paroi, en régime de température variable.
On utilise pour cela la diffusivité thermique (d). Elle est calculée par la formule d = λ/(ρC). Exprimée en m2/s
Elle compile donc plusieurs des constantes présentées plus haut.
Elle représente le temps que vont mettre les calories à traverser le matériaux. En général, plus un matériaux à une masse volumique importante, plus son déphasage sera important.
Cette propriété du matériaux est trés importante dans le bâtiment quand on a des variations importantes de températures.
Le cas le plus parlant est celui d'une toiture en été. Le soleil va commencer à rechauffer fortement la toiture en milieux de matinée.
Pour empêcher la chaleur de passer il y'a 2 stratégies:
Utiliser une epaisseur importante d'un matériaux isolant (donc qui un matériaux léger contenant beaucoup d'air, qui une faible conductivité thermique). On va donc réduire le flux de calories qui passent au travers du toit. Mais il en passera quand même.
Retarder ce flux de chaleur. On va donc utiliser un matériaux qui à un déphasage suffisant pour passer l'onde de chaleur qui va durer une dizaine d'heure.
C'est à dire qu'en milieux de matiné la chaleur va commencer à traverser le toit, mais elle va être retenu par le matériaux qui va mettre plusieurs heures à se réchauffer. Et quand viendra le soir quand la température baisse à l'extérieur, cette onde de chaleur va faire demi-tour et n'aura pas eu le temps de passer au travers.
Et la ce sera plus un matériaux dense qui fera le job.
L'idéale est de coupler les deux propriété: isolation + déphasage. Comme vous allez le voir si-dessous, il existe justement des isolants dense qui font les deux.
Sur le tableau ci-contre, vous voyez un graphique qui vous donne le temps de déphasage de différents matériaux en fonction de l'épaisseur.
On voit que le meilleur matériau pour créer du déphasage est l'eau. A épaisseur égal, c'est l'eau qui mettra le plus de temps à laisser passer les calories.
Mais si on regarde, un bois lourd semble aussi performant.
Sauf qu'un bois lourd est 2 fois moins dense et à une capacité calorifique volumique 5 fois moins importante que l'eau. Donc à volume égale il stocke 5 fois moins de calories.
Donc le bois sera efficace pour freiner le passage de la chaleur dans une toiture, mais pas pour la stocker comme dans un mur capteur par exemple.
Et en bas du graphique, on voit que le polystirène est bon dernier pour créer un déphasage. Pourtant , en théorie c'est un bon isolant thermique (λ faible) , mais pas pour stoper la chaleur, il se réchauffe trop vite.
Au final, quels sont les meilleurs matériaux à utiliser ?
On en vient certainement à la question que vous vous posez, quel matériau j'utilise.
Vous pouvez consulter ici un document compilé par Papy Claude qui vous donne les valeurs des différentes constantes citées plus haut, pour un grand nombre de matériaux.
Nous vous avons mis ci-dessous quelques matériaux de choix pour vous donner quelques exemples.
Extrait des supports de formation des règles Propaille
Cela dépend de votre objectif:
Si vous devez empêcher la chaleur de passer dans une paroi ou la différence de température de chaque côté varie peu. Froid d'un côté et chaud de l'autre.
Par exemple un mur nord en hiver en climat froid, ou une frigo dans une pièce ou la température est la même toute l'année.
En théorie, la polystirène est efficace (il faut juste faire abstraction que c'est un produit cher, d'origine petrolière, polluant à fabriquer et à utiliser et impossible à recycler. Ah oui et aussi qui est le repas préféré des rongeurs et des fourmis. Et aussi qu'il n'est pas perspirant et qu'il dégage des fumée toxique en cas d'incendie). Sa seule qualité est en fait d'avoir une faible conductivité thermique. Pur le reste, il est nul, il en faudrait 1 m pour avoir un déphasage de 12h00!
Si vous avec au contraire une parois ou la température varie fortement sur plusieurs heures. Comme c'est le cas des murs en été et surtout de la toiture , la vous aurez intérêt à choisir un matériaux qui a à la fois une faible conductivité thermique, mais aussi un bon déphasage.
Les fibre bois, laine de bois, la ouate de cellulose ou la paille sont des isolants tout indiqué pour cela.
Si vous voulez stocker des calories pour créer de l'inertie. Il vous faudra des matériaux avec une forte capacité thermique volumique. L'eau est de loin le plus performant à ce niveau, mais la plupart des matériaux utilisées en maçonnerie se comporte pas mal aussi.
Si vous voulez de l'inertie et du déphasage, comme pour un mur capteur, la terre crue se défend trés bien.
En fait, il n'ya pas de matériaux idéale qui fasse tout, en fonction des constantes présentée plus haut, chaque matériaux va avoir des caractériqtiques différentes et donc des propriétés différentes. Il faudra donc utiliser le bon matériaux, au bon endroit. (Et ne pas utiliser certains matériaux qui sont vraiment mauvais ppur presque tout!!).
C'est quoi la chaleur latente?
J'introduit cette notion en dernier , qui est moins connu est moins utilisé dans le bâtiment, ou alors à votre insu.
Elle concerne les matériaux à changement de phase, comme l'eau par exemple.
Vous avez certainement remarqué qu'en été, au bord de l'eau ou sous un arbre, il fait plus frais. Eneffet , lorsque de l'eau s'évapore, ou que l'on passe tout matériau d'un état liquide à gazeux mais aussi solide à liquide, ce changement de phase absorbe des calories.
C'est cette énérgie qu'on appel chaleur latente.
Les phénomène inverse est moins conus, mais au contraire lorsque l'on passe de l'état gazeux à liquie ou liquide à solide, on dégage des calories.
Les arboriculteurs le save bien, car au printemps en cas de risque de gel, ils arrosent les bourgeons. L'eau va geler et libérer des calories, ce qui empêchera les bourgeons de geler.
Mais comment ça se passe dans le bâtiment ?
L'air du bâtiment contient de la vapeur d'eau. En fonction des saisons et des variations de températures , il va y avoir des échanges entre la vapeur d'eau contenu dans l'air et les matériaux hygroscopiques qui composent le bâtiment.
Le premier avantage de ces échange c'est que cela va apporter une stabilité hygrométrique dans le bâtiment, ce qui en soit est un plus pour le confort thermique.
Mais il y'a un autre phènomène qui va se passer. Prenons un bâtiment en terre crue, en pise par exemple. Les murs contiennet beaucoup d'eau liquide, provenant soit de remontés capillaire du sol, ou soit qui a été accumulé durant l'hiver , à partir de l'air intérieur du bâtiment. En été, quand il fait chaux, les murs séchent et évaporent de l'eau. Et ils refroidissent le bâtiment! Un vrai clim naturel. À partir d'energie echangé de l'hiver vers l'été via la changement de phase de l'eau.
On vous a dit plus haut, que contrairement à la croyance populaire, les murs du bâti ancien ne pouvaient stocker des calories dsur plusieurs mois . Et bien voyez que ce n'est pas tout à fait faux en fait, pas via l'inertie du matériaux, mais via la chaleur latente contenu dans l'eau emprisonné dans les matériaux hygroscopique.
Mais la ou c'est encore plus épatant, c'est que si on comprend bien que l'eau qui s'évapore des murs crée de la fraîcheur, sachez qu'il y'a le phénomène inverse en hiver.
En effet, à la fin de l'été, vos mur sont secs, et ils vont reprendre de l'humidité via l'air intérieur qui est chaud et humide. Cette vapeur d'eau va passer à l'état liquide dans le mur, et donc dégager des calories! Vos murs se transforme en radiateurs en hiver!
Nous n'avons pas réussi à trouver de calculs ou de mesures qui puissent évaluer la quantité de calories que réprésente ces echanges sur un bâtiment. Mais c'est probablement non négligeable, car les lorsque que l'ont compare le resusltat d'étude thermique sur un bâtiment et sa consommation réelle, on voir de gros écarts. Ces écarts sont dues notamment aux habitudes des usagers du bâtiment. Mais pas uniquement, puisqu'ils sont 2 à 3 fois plus important pour des bâtiment anciens que pour des bâtiment de conceptions récentes. Les consommations réelle du bâti ancien sont souvent 2 à 3 fois moindre que ce que prévoient les études thermiques. Il y'a donc bien quelque chose! (en plus du fait que les Dianostic de Performances Energétiques ne sont pas adapté au bâti ancien!).
Ce qu'il faut en retenir, c'est que vous avez aussi à intérert à inclure dans vore bâtiment des matériaux hygroscopiques qui vont stocker de l'eau en plus des calories. La terre crue est le matériaux idéale pour cela.
Rappel des sigles:
Dans les formules précédentes :
λ est le coefficient de conductivité du matériau, sa capacité à conduire la chaleur exprimée en W/m•K
ρ est la masse volumique du matériau exprimée en kg/m3 de valeur équivalente à sa densité
C est la chaleur spécifique du matériau, sa capacité à stocker de la chaleur par unité de volume exprimée en J/kg•K
D est la Diffusivité, sa capacité à ralentir le transfert de chaleur exprimée en m2/s
E est l’Effusivité, sa capacité à réguler l’ambiance intérieure exprimée en J/m2•K•s1/2