Le sol, ce mal-aimé de la thermique, acte 1

Le sol, ce mal-aimé de la thermique, acte 1

On dit que faute avouée est à moitié pardonnée. Alors permettez-moi de vous confesser les raisons de cet article.

Au départ, c’est une conversation avec un collègue thermicien. À propos de l’évolution de notre métier et des difficultés nouvelles apportées par la RT2012. Partageant un intérêt commun pour l’inertie dans nos régions relativement chaudes en été, nous relevions la même difficulté à traiter avec le BBio pour, en particulier, l’isolation des planchers bas.

N’y allons pas par quatre chemins, que la RT2012 juge les qualités bioclimatiques d’un bâtiment — si c’est une idée intéressante — passe pour certains pour une infatuation norris tant réduire l’art climatique au pontifical indicateur BBio peut sembler grossier.

Dans les régions chaudes, l’expérience montre qu’il vaut généralement mieux profiter de l’inertie du sol et se protéger, en périphérie, de l’influence de l’air sur les premiers mètres ceinturant le bâtiment. En procédant ainsi, on assure au bâtiment une isolation suffisante tout en profitant en été de la fraîcheur du sol.

Ue Par sa méthode calculatoire, la RT2012, limite, à ce que j’en sais, les solutions d’isolation en périphérie, de façon horizontale au niveau du plancher et/ou, de façon verticale, au niveau des soubassements. Il ne s’agit pas là de traiter du pont thermique de ce détail mur/plancher mais de trouver un coefficient de transmission surfacique équivalent pour traduire les échanges réels entre le sol et le plancher bas.

Dans les faits, l’outil réglementaire dicte la solution. La sensibilité du BBio à ce contact au sol est telle que l’isolation continue, sur toute la surface du plancher, s’est imposée dans toutes les maisons individuelles ou presque, quelle que soit la région, tout juste voit-on varier l’épaisseur d’isolant. Que ceux qui dérogent à la règle lève le doigt !

Pourtant, on peut imaginer – on a déjà imaginé – des solutions différentes comme les trottoirs isolants. Kézako ? bigeyes

trottoirisolant_schéma C’est très simple, il suffit juste de renvoyer l’isolation périphérique à l’extérieur du bâtiment de façon à le protéger non pas au plus près mais d’abriter le sol environnant, dans l’espoir de créer un bulbe de terre tiède sous le bâtiment qui, de par sa nature, limitera les déperditions comme les « imperditions » (= flux de chaleur pénétrant dans le bâtiment en été). Bien sûr, pour que cela fonctionne, il faut qu’l y ait continuité de l’isolation et cela implique donc d’isoler par l’extérieur.

Pour ma part, je n’ai encore envisagé cette solution que pour de la rénovation mais rien ne nous l’interdit expressément dans le neuf, sauf à supposer que cela ne soit pas performant. Et justement, quid de la performance ? Reprenons le petit schéma plus haut et voyons les hypothèses prises :

  • le sol est ici supposé sablonneux, plutôt sec (8% d’eau) (conductivité λ = 0,6 W/m/K),
  • la structure comme les soubassements sont en béton,
  • le plancher est supporté par l’équivalent d’un hérisson en roche conductrice,
  • le mur est isolé par l’extérieur avec 15 cm de polystyrène expansé,
  • le plancher n’est pas isolé mais le sol extérieur l’est sur plusieurs mètres avec 25 cm de verre cellulaire (aucune humidité, Ri = 5,95 m².K/W),
  • la météo est idéalisée en une sinusoïde d’amplitude 20 °C et de moyenne 15 °C, soit le profil lissé d’Agen. La simulation démarre en supposant qu’on était en équilibre avec une température nulle en extérieur (donc en déficit de calories dans le sol), un peu comme si on avait fini le chantier en plein hiver.
  • enfin, chacune des parois intérieures est maintenue à 20 °C ce qui correspond grosso-modo à une consigne de 20 °C sur le thermostat, toute l’année (chauffage + climatisation).

Oui, bon d’accord mais ça donne quoi ? Hé bien, regardez par vous-même :

Attention au temps de simulation, 1q10h veut dire qu’on est à la 10ème heure du 2ème mois !

Vous avez vu défiler 2 années en moins de 2 minutes. Difficile de conclure avec ce seul film mais vous admettrez avec moi qu’il apparaît bien un bulbe tiède qui se maintient malgré les assauts du climat aussi bien en froid (Tmin = -5 °C) qu’en chaud (Tmax = 35 °C). Quoique la climatisation intérieure participe à son maintien, sa profondeur (T > 12 °C jusqu’à 6 m sous le plancher) trahit que la protection extérieure joue un rôle.

Comme vous n’êtes pas obligé de me croire sur ma bonne tête, voici une comparaison des bulbes tièdes avec ou sans isolation du trottoir périphérique :

Le
Le « bulbe tiède » d’un trottoir s’étend en largeur et protège les fondations.

Hé oui, avec un trottoir isolant, mon bulbe tiède tient plus de la soucoupe volante que de la bulle de savon !

Si on s’intéresse à la limite des 12,5 °C, en terme de profondeur, on ne voit pas de différence mais, en revanche, on constate qu’avec le trottoir isolant, elle s’étend et s’effiloche au delà du double de la largeur du trottoir.

Bien que la solution du trottoir classique présente une rupture du pont thermique (isolant vertical enterré de 10 cm), elle protège mal le soubassement contrairement à la solution alternative qui maintient même le massif de fondation au chaud. Par conséquent, le trottoir isolant joue un rôle de rupteur thermique et, de plus, modifie le comportement du sol.

Dès lors, la méthode de calcul réglementaire ne peut plus rendre compte de façon réaliste de l’échange thermique qui se déroule au niveau de ce contact. D’une part parce que le pont thermique n’est pas référencé (mais la RT autorise à faire le calcul aux différences finies comme ici) mais surtout parce que l’équivalence qu’elle emploie si elle est, a priori, capable de rendre compte d’un bulbe tiède sous le bâtiment n’a pas les armes pour simuler une soucoupe tiède.

Par darwinisme réglementaire, voilà donc une solution amenée à disparaître…

Oh, je sens bien qu’il y en a parmi vous qui se disent : « Oui, bon mais est-ce vraiment une réelle perte , Non parce que vous avez comparé une isolation périphérique exotique à aucune isolation sous la dalle mon vieux ! ». Oh, comme vous avez raison, vils rouspéteurs !

Ces quelques simulations démontrent un comportement plus original que ce qu’appréhende la réglementation ainsi qu’une rupture de pont thermique visible mais ne disent pas si tout cela est concurrentiel avec des solutions plus classiques de rupture de pont thermique et d’isolation du plancher bas. Je vous propose de reprendre la simulation avec les mêmes conditions mais en supposant maintenant quelque chose de plus classique dans la construction française (RT2012) d’aujourd’hui :

  • les murs sont isolées par l’intérieur avec le même produit de même épaisseur,
  • la dalle est isolée en sous-face sur toute sa surface avec 8 cm de polystyrène expansé,
  • le pont thermique est traité* par une planelle isolante (encore du polystyrène expansé, 5 cm) traversée ici par une broche métallique unique (simplification) de 2 cm d’épaisseur,
    * notez que rien ne nous y oblige, il n’y a pas de garde-fou réglementaire ici, juste un seuil à ne pas dépasser sur la moyenne de tous les ponts thermiques que l’on voudra bien ne pas oublier, ramenée à la surface du bâtiment (Faites de grands bâtiments svp ! ;))

Enercoblog, le poids des mots, le choc des images, v’là la vidéo :

« — Hé, vu, ici aussi on a une soucoupe tiède ! — Heu… oui… attendez qu’on regarde… »

Dalle isolée ou trottoir isolant ?
Dalle isolée avec rupteur de pont thermique ou trottoir isolant ?

En fait de soucoupe tiède, on a plutôt l’impression d’un bulbe écrasé mais arrêtons là les comparaisons jardino-culinaires, on s’éloigne du sujet.

Ce qui est évident, c’est qu’en isolant par l’intérieur, on ne protège plus du tout notre fondation des aléas climatiques, encore moins qu’en supposant une isolation extérieure peu enterrée. Il peut y avoir, sans doute, des conséquences au niveau de ces dernières mais je ne connais pas assez le béton pour en parler.

Et d’ailleurs, cela se voit très bien sur le zoom présentant les flux thermiques en plein hiver. Le soubassement, le nez de dalle et même le hérisson présentent ici des flux concentrés atteignant plus de 480 W/m² au niveau de la broche métallique quand dans la solution du trottoir isolant, on frôlait à peine avec les 25 W/m² de maxima.

Même si le doute nous envahit, on ne peut conclure à la seule vue d’un instantané, me direz-vous. C’est pas faux…

Je vous propose donc de lâcher l’ombre pour la proie en laissant les images pour les valeurs. Ce qui nous intéresse finalement, c’est de savoir ce qui se passe dans mon bâtiment en terme de flux pour en conclure sur mes besoins de chauffage et de climatisation. Voici donc une représentation temporelle, sur 5 ans, de la somme des flux entrant (signe -) ou sortant (signe +) de l’intérieur du bâtiment : Trottoir isolant ou dalle et planelle isolée Permettez que je vous aide dans son analyse.

La première évidence est que les vaguelettes bordeaux (dalle isolée avec rupteur présentant ou non une broche métallique) se soulèvent bien plus que les vaguelettes bleues (trottoir isolant). La technique traditionnelle laisse fuir plus de chaleur en hiver mais, aussi, en laisse entrer en été. En moyenne, le flux positif est entre 13 et 18 W/m de parois intérieures pour la dalle isolée avec son rupteur (selon qu’il y ait ou non une broche) alors qu’elle est inférieure à 10 W/m avec le trottoir isolant.

Notez qu’il s’agit des flux qui traversent le sol et le mur pour bien tenir compte des capacités dynamiques du pont thermique, c’est-à-dire de son inclination à rester froid ou chaud plus ou moins longtemps, ce qui n’est pas sans conséquence sur le comportement global.

En plein été, c’est intéressant, la dalle isolée nécessite d’être refroidie pour maintenir 20 °C en intérieur (cf. flux négatif). Cela signifie que pour les occupants, il y a au bas des murs comme une source chaude en période chaude. Tout cela est bien sûr très relatif, les – 1 à – 3 W/m de flux moyens négatifs ne constitue l’équivalent d’une personne supplémentaire qu’au bout d’un bâtiment de 25 m mais c’est une réalité qui n’apparaît pas avec le trottoir isolant. Ce dernier se traîne toujours la dette calorique initiale, vous savez celle due à la livraison en plein hiver. Le sol y était froid, « vide de chaleur », et cette isolation périphérique extérieure ne permet pas de le recharger avant plusieurs années. En réalité quand je dis plusieurs années, c’est une infinité d’année, c’est, en tout cas, ce que nous dit la courbe de régression logarithmique des minimaux.

Dit de façon plus simple, à aucun moment, la dalle ne demandera à être refroidie pour maintenir la consigne intérieure comme dans l’exemple précédent.

Justement dans l’exemple de la dalle isolée, c’est tout l’inverse : en période chaude, année après année, il faudra de plus en plus refroidir la dalle (là aussi, c’est la régression justement plus logarithmique, qui crache le morceau).

Dans la réalité, il y aura une limite liée à la taille du bâtiment mais ici en situation disons semi-infinie, elle n’apparaît pas. dalle isolée flux négatif

Mais qu’est-ce que cela signifie que cette tendance à tendre vers un infini négatif ? Hé bien, tout simplement, la dalle isolée, si elle protège bien l’intérieur, ne protège ni ses fondations ni même son hérisson (et/ou sol sous la dalle) si bien qu’année après année, ces derniers se chargent en chaleur.

Là aussi, nous sommes sur des nuances fines et subtiles mais, pour autant, le phénomène existe ! On pourrait aussi évoquer les déphasages différents selon la solution et la saison mais l’article deviendrait interminable.

Vous me direz, tout cela est intéressant, mais n’est valable que pour ceux qui habitent en haut des dunes, tout le monde sait qu’en France, on vit tous sur des éponges humides, à en croire la réglementation en tout cas.

Th-U_conductivité du solAh mince, tout est à reprendre, en supposant, cette fois-ci, une argile bien bien saturée en eau (conductivité x 3 ⇒ λ = 1,5 W/m/K), splouich !

trottoirisolant2Si on fait la moyenne des flux – qui sont ici tous positif donc jamais de besoins de rafraîchir la dalle – on constate une inversion sur la moyenne : le trottoir isolant engendre un flux moyen de 21 W/m (10 précédemment) contre 20 W/m (13 à 18 précédemment) pour la dalle isolée.

Mais, si on s’arrêtait là, on oublierait un point important : comparer les besoins associés de chauffage ou refroidissement principalement de la dalle.

En effet, quand la température extérieure est inférieure à 20 °C, le flux tend à réchauffer l’ambiance intérieure alors que c’est l’inverse quand la température dépasse les 20°C. On peut donc distinguer des périodes qu’on peut appeler de climatisation et de chauffage.

Et dans ce cas, les choses changent. En période « froide », le flux moyen pour la dalle isolée est de 30 W/m alors qu’il est de 24 W/m pour le trottoir isolant. Maintenir la chaleur en hiver sur un sol argileux humide est plus efficace avec le trottoir :O

En revanche, en période chaude, dans les deux cas, il faut chauffer la dalle puisque le flux est positif (les deux solutions ont donc un effet clim’), de 9 W/m pour la dalle et de 15 W/m pour le trottoir. C’est donc que l’effet climatisant est supérieur pour le trottoir (la solution absorbe plus de flux positif) pour un plancher sur terre-plein argileux et humide. Si l’on reprend l’étude sur sable à l’aulne de cette nouvelle méthode d’analyse, on se rend compte que :

  • en période froide, la dalle va demander 22 W/m contre 15 W/m pour le trottoir isolant validant le meilleur impact hivernal de ce dernier,
  • en été, le trottoir isolant maintient un effet clim’ puisqu’il faut chauffer de 5 W/m pour maintenir l’ambiance intérieure à 20 °C. Avec la dalle, il faut d’abord chauffer de seulement 4 W/m (effet climatisant inférieur) puis contrecarrer les – 3 W/m évoquées plus haut qui sont des pénétrations de chaleur inopportunes qui n’existe pas avec le trottoir isolant.

Voilà qui est fort intéressant d’autant plus que la dalle « hors-sol » tend, dans les deux cas, à perdre son effet climatisant pour un effet chauffant alors que le trottoir isolant tend lui, plutôt, à perdre tout effet climatisant mais sans s’abandonner à réchauffer la dalle.

Vous qui êtes arrivés jusque là, je vous remercie !

Pour ceux qui auraient sautés 2 ou 3 raisonnements, je résume : le trottoir isolant montre un comportement original, différent d’une solution d’isolation en contact avec le bâtiment, non modélisable réglementairement mais qui démontre son efficacité à casser le pont thermique de nez de dalle et soubassements. Mieux encore, quel que soit le sol (meuble) présent, son efficacité pour limiter les besoins de chaud et de froid est supérieure à une isolation plus conventionnelle.

On a bien travaillé, je vous propose de vous détendre avec un 2 minutes d’arpège. Soufflez avant que nous n’attaquions la dernière ligne droite… 😉


♪♫ na na na na na na na na ♪♫♫ Oups pardon !

Au point où nous sommes rendu, il serait temps de savoir si 4 m de trottoir est un optimum ou pas. Peut-on faire aussi bien avec moins de trottoir isolant ?

Hé bien, nous nous rendons compte que la largeur du trottoir a peu d’impact. Si le type de sol influence bien la moyenne du flux (et l’amortissement), déphasage et amplitude reste peu variables en fonction de la largeur de l’isolation en trottoir, comme on peut le voir dans le graphique ci-dessous qui donne des modèles simplifiés (sans amortissement) des flux :

trottoirisolant3 Comment cela s’explique-t-il ? Je vous donne mon avis…

D’abord, il faut bien avoir en tête que les premiers centimètres d’isolants sont toujours les plus efficaces, le flux est vite contrarié par leur présence mais en revanche plus ce flux est petit et plus il est difficile de le réduire encore malgré les compléments d’isolation. Pour les ponts thermiques, on oublie également que l’important n’est pas tant l’épaisseur de l’isolant que son emplacement, j’en veux pour preuve l’impact de la broche métallique dans le rupteur thermique que vous avez pu voir un peu plus haut.

isolation par trottoirEn présence de la forte épaisseur d’isolant dans le sol, le flux ne trouve guère d’autres moyens de fuir le bâtiment qu’en contournant cette barrière sans faille, il doit donc parcourir au minimum 1,30 m de terre soit l’équivalent de 4 à 10 cm d’isolant selon la nature du sol. Le flux qui part du massif doit, lui, parcourir 2 m de terre soit l’équivalent de 5 à 16 cm d’isolant (même grandeur que l’isolation extérieure du mur !), de quoi bien épuiser ses forces. Pas si mal avec seulement un mètre de trottoir. Avec un trottoir plus large, on gagne encore, tout doucement, des points mais comme pour les « derniers » centimètres d’isolant, l’effet est moins spectaculaire.

Mais, alors, pourquoi ne généralise-t-on pas cette solution ? Au-delà de la difficulté réglementaire à supposer une isolation déportée, il ne faut pas oublier que ceci n’est pas applicable à tous les climats. Plus votre sinusoïde de température va descendre et plus celle de flux va monter. Vous allez vous retrouver avec un effet climatisant quand il ne fera pas chaud, ce qui est, évidemment, contre-productif. Moins il y aura d’amplitude de température et moins il y en aura pour le flux ce qui maintiendra un effet climatisant d’autant plus fort, là, encore, quand il y en aura pas besoin.

Tout cela méritera d’être testé avec des conditions moins simplifiées, c’est-à-voir, mais pédagogiquement, un exemple simple est plus facile à analyser.

Il reste qu’il y a sans doute une très grande méconnaissance des capacités du sol, et de l’inertie en général d’ailleurs. Les thermiciens ont toujours une vision liée aux flux (régime statique) alors que l’inertie, justement, ne réagit qu’aux variations de flux, pas directement aux flux.

Je vous l’expliquais plus tôt, une maison avec des murs de pierre épais est une épave énergétique au cœur de l’hiver pourtant, quand l’inertie peut jouer, il y a un écart qui va jusqu’à 10% avec les prévisions statiques, sans même prendre en compte le rayonnement solaire.

inertie analogie hydraulique L’inertie est encore comprise comme un réservoir, on peut y stocker des flux gênants, certains ont aussi saisi qu’il fallait les déstocker à un moment donné mais ce n’est pas évident pour tout le monde. Pourtant l’inertie tient plus d’une suite de réservoir que d’un réservoir unique, cette image là traduit bien mieux la réalité physique. On comprend alors, d’ailleurs, qu’en régime statique (pas de variations), le flux s’écoule de droite à gauche quelle que soit l’allure des réservoirs verticaux. On pressent aussi que cela va se compliquer quand tout cela va quitter son équilibre !

Le sol est un système inertiel encore plus complexe et incompris, parce que semi-infini, si bien qu’on peut imaginer qu’il nous chante :

J’ai besoin qu’on m’aime
Mais personne ne comprend
Ce que j’espère et que j’attends
Qui pourrait me dire qui je suis ?
Et j’ai bien peur
Toute ma vie d’être incompris
Car aujourd’hui : je me sens mal aimé

Vous ne croyez pas ?

Si chez vous, vous avez un trottoir isolant et que vous voulez nous faire part de vos retour d’expériences, n’hésitez pas à le faire en commentaire ! Je serais aussi curieux de voir ce que donne vos suivis de température …

Nota Bene : Quelque spécialiste des ponts thermiques (il se reconnaîtra hihi p myopera smiley) m’a « reproché » une limite adiabatique en sous-sol ainsi qu’un maillage grossier. Avant que d’autres ne le suivent, je me permets de répondre !
Outre le fait que la norme EN13370 recommande une telle condition aux limites, le choix d’une température fixe en cet endroit me parait inadapté parce qu’elle rendrait compte d’un apport géothermique alors que l’existence d’une telle température est due à une réaction inertielle en condition semi-infinie à une variation de température pseudo-sinusoïdale en surface du sol. En clair, si le sous-sol est chaud, ce n’est que du fait de son exposition solaire (cf. mes travaux sur le puits canadien qu’un jour je rapatrierai ici) ! Quoiqu’il en soit, cela modifie très peu les résultats, et uniquement en été.
Pour ce qui est du maillage grossier sur les vidéos, c’est un choix motivé par les temps de calculs qui peuvent sans cela dépasser plusieurs heures et permettent difficilement de vous présenter un film avant des mois. Comprenez que le bénévole que je suis n’ait pas les moyens financiers d’assurer une telle réquisition de mon outil de travail. Il s’avère qu’un maillage grossier (100 x 100) est d’ailleurs largement suffisant pour avoir une précision sur les flux à 2 % près et à 10-6 % pour les températures. Suffisant pour cette démonstration, non ?

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