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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La perméabilité à l’air des isolants

Je le dis sans ironie : la RT2012 permet une belle avancée en s’intéressant à l’étanchéité à l’air. Les exigences restent, somme toute, modestes mais aux niveaux d’isolation où nous sommes rendus, il aurait été insouciant de ne rien imposer sur ce critère.

J’en veux, pour exemple,ce qui a été réalisé sur un de nos chantiers primés : le gain en étanchéité réalisé par l’entreprise a permis une diminution du besoin de chauffage théorique qui approche les 40%. Sans rien faire d’autre. Mais en ayant suivi un cheminement qui passe par l’incontournable « super-isolation » !

On le voit sur le graphique, on suit finalement le chemin ouvert par Passivhaus en bénéficiant de plus de tolérance grâce à notre climat doux. Au final, nous flirtons avec les performances du passif, mais sans franchir le rubicon du n50 < 0.6 h-1, le portail des 15 kWh/m²/an nous est resté fermé.

Oh, il n’y a pas à en rougir, la performance à l’air reste exceptionnelle pour cet hébergement : 10 fois mieux que les standards RT2012, trois fois mieux que ce qui est demandé pour une maison individuelle depuis cette année !

Voilà nos bâtiments rendus étanches et bien isolés. Sommes-nous enfin engagés sur la route de la sobriété des consommations ?

On peut l’espérer. Mais on peut aussi s’inquiéter que nombre de bâtiments s’écartent des prévisions de consommations. Jusqu’à présent, on a fait peu d’analyses des consommations en ramenant aux mêmes hypothèses que les calculs (pas simplement des relevés). Alors, et c’est normal, cela diverge tout le temps.

Aujourd’hui, les monitorings se font plus nombreux et l’on s’interroge sur les sources de désaccord.

Le choix est vaste pour expliquer les différences mais il est une source peu connue – peut-être peu impactante jusqu’à aujourd’hui du fait de la mauvaise étanchéité de nos bâtiments ante-RT2012 –, c’est la perméabilité à l’air intrinsèque des parois et en particulier des isolants.

Pour comprendre cela, prenons un schéma :

L’air est sournois et ne se contente pas de traverser les parois, il y a 4 phénomènes de convection distincts qui peuvent refroidir notre bâtiment en hiver (ou le réchauffer en été) :

  1. le premier est celui qui nous préoccupe actuellement, ce sont les infiltrations et les exfiltrations parasites qui font que notre ambiance intérieure se refroidit parfois rapidement en saison froide. En augmentant l’étanchéité de nos réalisations, nous luttons directement contre ce phénomène, par ailleurs inévitable (dans le sens que même une maison passive coule si on la jette à l’eau, l’étanchéité étant une chose relative !).
  2. le deuxième est lié à ce qu’on appelle l’étanchéité au vent, il s’agit d’un phénomène de convection forcée un peu comme quand vous soufflez sur vos doigts après avoir touché quelque chose de trop chaud. Le débit forcé va arracher plus de calories que de coutume à vos doigts si bien que vous allez les refroidir. Le « lavage du vent », c’est la même chose mais sur un bâtiment. Vous allez me dire : « oui, mais il y a un isolant ?! ». Bien sûr, mais ce forçage va tout de même arracher plus de calories à l’isolant, et donc au bâtiment, que sans contact direct avec le vent. Voilà pourquoi, il fait souvent froid dans les maisons (mal) isolées mais exposées au vent. On y reviendra… En attendant vous pouvez toujours coller de petits bouts de matériaux de toute sorte sur votre peau puis soufflez pour voir quand votre respiration atteint ou non sa cible. :p
  3. le troisième phénomène est liée à de la convection naturelle : si l’étanchéité à l’air de ma paroi intérieure est mauvaise, alors il se crée une boucle de convection qui va elle aussi être en capacité d’accélérer le refroidissement de mon bâtiment en hiver parce qu’il y aura un contact plus direct que prévu avec l’isolant. Là aussi, améliorer l’étanchéité à l’air (de la paroi intérieure) est une bonne façon d’éviter cela.
  4. le dernier phénomène est extraordinaire de subtilité et de sournoiserie ninja myopera smiley il s’agit de convections autour et dans l’isolant ! irked myopera smiley Si vous aussi, vous avez essayer de boucher un trou dans un mur avec de l’isolant, vous aurez remarqué combien… c’est inefficace ! La majorité des isolants sont perméable à l’air (ne pas confondre avec la perméabilité à la vapeur d’eau) et se feront donc un plaisir d’accueillir de la convection en leur sein et bien évidemment autour d’eux si on leur en laisse le loisir !

Ces phénomènes convectifs posent question. Nos façon de faire actuelles sont-elles bonnes, ne posons nous pas de l’isolation en toute inutilité ?

Hé bien, ce qui est sûr, c’est que l’étanchéité à l’air, parce qu’elle lutte contre deux des quatre phénomènes présentés ci-dessus, est un passage obligé pour amélioré la performance. Sans elle, on risque de refroidir directement l’ambiance intérieure (je me place souvent en hiver sans vous le dire, désolé worried myopera smiley) mais aussi de faciliter le refroidissement de l’isolant sur son côté chaud (et par conséquent augmenter les déperditions). C’est donc un passage obligé maintenant que l’on isole correctement.

On constate également, qu’au moins dans les zones concernées, il est essentiel d’assurer une protection au vent efficace pour éviter qu’Éole ne vienne à laver nos isolants des précieuses calories que nous souhaiterions garder pour nous. Se pose alors la question de la pertinence de certaines techniques, comme les isolations par l’extérieur avec pour seule protection de l’isolant un simple bardage ventilé (chez vous un indice, ventilé = ouvert au vent).

Pour lutter contre les phénomènes convectifs autour de l’isolant, on ne peut compter que sur de la bonne mise en œuvre ou sur des techniques de pose plus efficace que d’autres. On peut penser en particulier au bouvetage des panneaux isolants qui assure une moins bonne perméabilité à l’air tout au moins autour du panneau. Cette seule spécificité du produit ne résout pas tout, la mise en œuvre est là aussi primordiale.

blockquoteLFor large gaps and large temperature differences, reductions in thermal performance of 25 to 33% were measured. (Bomberg and Brown (2003))

Enfin, on ne peut passer à côté de la question qui vous titille sans doute : mais quels sont les isolants les moins perméables et quels sont les manche à air ?


Disons-le, clairement, les fabricants ne se battent pas en duel sur cet indicateur. Sauf ceux qui justement savent qu’ils ont là un avantage 🙂

Si on en entend peu parler ici en France, c’est que les laines minérales — de la barbapapa de verre ou de rocher si vous préférez — dont nous sommes de gros producteurs et de gros consommateurs, ne brillent pas par leur performances dans ce domaine. Elles sont, par exemple, 4 à 40 fois plus ouvertes au courant d’air et donc aux convections internes que la ouate de cellulose. Mais c’est très variable en fonction du type de fibres : ainsi un matelas avec des fibres mono-orientés sera bien moins perméables que de la laine de verre en vrac.

Autre point essentiel : la densité ! Plus votre isolant sera dense et moins il laissera l’air lui faire des misères. Cette constatation est une invitation à l’usage d’isolants dense. Mais attention qui dit densité dit beaucoup de matière dans peu de volume donc plus d’énergie grise, « sauf » à se tourner vers des isolants biosourcés ! Encore, je sais…

En zone ventée, il y aura couplage entre le lavage du vent et le les convections internes. Il faut donc là être précautionneux : assurer une bonne protection au vent avec un produit réellement « coupe-vent », user d’un isolant dense pour éviter les échanges convectifs en son sein, assurer une pose minutieuse… et bien sûr atteindre une étanchéité à l’air élevée, cela va sans dire. On comprend bien cette situation parce qu’on s’imagine bien à la place de la maison exposée au vent. On n’aurait pas idée de porter un gros pull en laine avec un © k-way dessous. S’il fait vraiment froid, on aurait même pas idée de mettre un © k-way par dessus la laine, on en mettrait tout bêtement un au dessus et un autre au-dessous ! Oh ben vous venez d’inventer la veste grand froid… Notez que ma veste a beau être grand froid, étanche à l’air comme à l’eau, elle peut très bien être « respirante » grâce au fameux GORE-TEX® (évacuation de la vapeur). Il en va de même pour mon bâtiment, que ce soit clair headbang myopera smiley

Bon okay, personne n’aurait l’idée de s’exposer en plein vent avec un simple pull en laine. Personne n’aurait non plus l’idée de se mettre, même en climat hivernal doux, sur le toît d’une maison sans un minimum de coupe-vent. Hé bien, c’est pourtant notre façon courante d’isoler nos combles : on déroule de la laine minérale à même le sol (parfois avec le pare-vapeur du bon côté tout de même) et c’est fini. Exposé ainsi mon isolant va subir la lavage du vent, pour sûr, mais également des phénomènes convectifs internes à partir d’une différence de température entre ces faces de 18°C à 29°C pour une laine minérale et plus de 40°C pour de la ouate.

On le comprend, la convection interne concerne donc surtout les zones à hiver rigoureux mais aussi… les zones à été chaud ! En effet plus l’isolant sera exposé à une surchauffe (d’où l’intérêt de zone tampon comme un grenier), plus il subira une pression convective faisant chuter la protection thermique qu’il assure. Alors que la densité amène de la masse thermique souvent bien opportune en été, cette même densité a aussi une utilité en tant que frein convectif !

Mais, même sans intenses mouvements convectifs à l’intérieur des isolants, le lavage du vent et les mouvements convectifs autour des isolants sont une source de fuites thermiques qui, si on y prête peu attention, sont une réalité de tous les jours même pour les chantiers les plus récents :

Ce que vous voyez-là, c’est un plafond intérieur qui donne sur un grenier. La couche d’isolant au-dessus est importante puisque la résistance thermique est proche de 7 m²K/W, pourtant des phénomènes convectifs, sans doute couplés à du lavage par le vent, est clairement apparent entre chaque jonction de panneau de laine minérale ou chaque défaut du plancher du grenier. Autant vous dire que ce chantier, que je connais très bien, nous a fait réviser notre vision de la bête isolation des combles !

La photo a été réalisée en hiver et l’écart thermique entre le plafond et l’extérieur est autour de 25°C bien que nous soyons en climat doux océanique. Finalement, même ici, on n’est pas loin de démarrer des phénomènes convectifs internes dans les laines minérales !

Là, il faudrait conclure non ?! 🙂

Ce n’est pas simple, il y aurait tant à dire. Je soulignerai simplement quelques points.

Tout d’abord que l’étanchéité à l’air n’est pas une lubie de thermicien. À partir du moment où l’on s’engage vers la basse-énergie, elle est incontournable. Et non, elle n’empêche pas forcément la vapeur de migrer par les parois. Et non on est pas comme dans un thermos, ou plutôt si, un thermos qui maintient votre café à la bonne température sans résistance électrique et qui en plus s’ouvre ! Tout ça pour dire que, oui, oui, on peut ouvrir les fenêtres dans une maison très-basse-énergie comme on ouvre le bouchon de son thermos. En général, on le referme aussi pour pas refroidir son café. C’est exactement la même chose dans la maison monkey myopera smiley

Ensuite, il est important de dire qu’il existe des phénomènes de convections naturelles et forcées dans les parois. Et que ces phénomènes risquent bien de gâcher la fête si on y prête garde !

blockquoteLImperfections that could in the past be ignored because they had a small impact on thermal control must now be understood and dealt with to meet the goals of high thermal performance building enclosures. (John Straube)

Wall-T : inertie, résistance thermique et condensation dans une paroi

wall-TSuite à l’étude du phénomène d’augmentation de la résistance thermique par la masse, j’ai réalisé un widget qui permettait d’évaluer les caractéristiques thermiques d’une paroi, en terme de conductance de chaleur mais également de capacité inertielle.

J’ai trouvé intéressant de modifier ce petit utilitaire en lui adjoignant un calcul de risque de condensation interne selon la méthode de Glaser.

Wall-T calcule donc :

  • l’inertie, soit l’énergie stockable dans la paroi (Wh/m²/K),
  • le déphasage associé (h),
  • l’amortissement associé (% de l’amplitude conservé),
  • la résistance thermique (m²K/W),
  • la conductance équivalente (W/m²/K),
  • enfin, il évalue, couche par couche, le risque de condensation via une petite icône présentant le taux d’humidité en début de couche. Survolez l’icône pour obtenir la valeur de l’humidité relative.

Notez que vous pouvez activer/désactiver une couche en cliquant sur son nom. Une base de données (MAISON.com)  est accessible en cliquant sur « couche« .

Vous pouvez accéder au widget ici. Il me reste du travail pour gagner en ergonomie et design mais c’est utilisable en l’état ! 😉

Résistance thermique d’un mur augmentée par sa masse

Comme au rugby…

Ceux qui ont déjà joué au rugby le savent bien, il n’y a guère que deux façons de plaquer un adversaire en pleine course :

  • On se cale au sol et on l’intercepte de face, façon Chabal ou première ligne de défense au foot US :no: . Le choc est rude, le défenseur doit être sacrément athlétique,
  • Lorsqu’on est moins costaud, on évite le choc frontal et on arrive de façon tangente pour accompagner le mouvement et le freiner grâce à sa propre vitesse et masse. :yes:

Figurez-vous que ces deux tactiques se retrouvent également pour un mur de bâtiment dont le rôle est d’arrêter le front froid venant de l’extérieur !

La première technique est celle de l’isolant. Il se place vaillamment face au froid extérieur et l’empêche de pénétrer dans l’enceinte protégée en faisant obstacle de tout son corps. Comme pour le premier plaqueur, l’isolant se doit d’être solidement charpenté pour protéger des froids les plus vifs, les Jonah Lomu climatiques, sinon il y a fort à parier que la ligne d’essai sera franchie.

Il doit également être bien positionné sur le terrain pour éviter de rester simple spectateur ou malheureux plaqueur rafuté par les ponts thermiques.

La seconde méthode est issue d’une époque où l’on ne disposait que de peu d’isolants performants mais où l’on avait un sens bioclimatique affuté. Cette fois-ci, il ne s’agit plus de faire face au front de chaleur/froid mais de l’accompagner dans son mouvement et de finalement retourner contre lui sa propre force.

Cette seconde méthode est exigeante quant à ses conditions de fonctionnement optimal :

  • la température extérieure doit dépasser la consigne intérieure de façon suffisamment longue pour « nourrir » le mur d’un flux chaud venant de l’extérieur (celui-là est gratuit),
  • le mur doit être de masse thermique élevée (= dense) et suffisamment épais pour pouvoir stocker en son cœur une partir de ce flux chaud.

Bien sûr, un plaqueur bien costaud qui ne bouge pas de ses appuis sera toujours plus efficace que celui qui poursuit son adversaire désespérément et tente une cuillère au dernier moment. Mais, de la même façon qu’il y a des physiques et des qualités différentes au sein d’une même équipe, on peut imaginer qu’un bâtiment adopte plusieurs stratégies d’adaptation au climat.

Situation théorique idéale

Dans la vidéo précédente , j’ai testé une variation climatique sinusoïdale après un état d’équilibre statique (Tinit = 21°C). Malgré une variation de température extérieure ne dépassant que de peu la température intérieure (21°C max. pour 15°C de consigne intérieure), l’effet est probant puisque le mur affiche une conductance thermique 68% moins élevée que ce que la méthodologie réglementaire aurait pu annoncer (R=2,76 au lieu de R=0,88 m².K/W en calcul statique pour ce mur de terre crue de 60 cm d’épaisseur) au bout des 6 jours d’études.

Si on compare différents matériaux, on comprend que les masses thermiques (masse x chaleur spécifique) sont à la source d’un comportement de déphasage et d’amortissement , par rapport au flux théorique (statique, en jaune) issu de la paroi intérieure d’autant plus important qu’elles le sont elles-mêmes.

Regardons-y de plus prêt en analysant l’écart entre prédiction statique et dynamique des cumuls de flux positifs — directement liés aux consommations de chauffage d’où le titre du graphique — à l’instant t (soit le décompte de tous les flux qui ont quitté la paroi intérieure entre le début de l’expérience et le moment observé*).

*Comme si on insérait de l’argent à intervalle de temps régulier dans une tirelire et qu’on se demandait combien on avait mis, en tout, au bout d’un temps t…

Autant pour la paroi légère (PolyStyrène Expansé 5cm), les écarts flottent tout gentiment autour de zéro (graphe de gauche), autant pour les parois en terre, l’écart ne cesse de se creuser au fur et à mesure que les variations journalières s’accumulent. Au bout de 6 jours, on constate que l’évaluation statique surévalue les quantité de chaleur de resp. 215%, 58% et 0% pour la terre de 60cm, de 35cm ou le PSE de 5cm (graphe de droite).

Mais la résistance dynamique, à l’image des courbes de droite, décroit de façon logarithmique et tend vers la valeur statique au fur et à mesure que les jours passent et que s’épuisent le capital initial (mur à 21°C), malgré les pics de température extérieure (Text>15°C), trop faibles pour « nourrir » le mur.

Nos 8 cm d’isolant virtuels se seraient donc érodés au fur et à mesure que nous aurions poursuivi la simulation, sans jamais disparaître (il reste pas loin de 4 cm au bout de 24 jours, et il en restera toujours… sauf à l’infini :wait: ).

Comportement sur une saison froide archétypique

Maintenant que ce passe-t-il avec un fichier météo plus réaliste ? Les charges journalières (Text>15°C) suffisent-elles à maintenir un minimum d’isolant virtuel ? Retrouve-t-on un comportement différent selon la masse thermique ?

Nous avons simulé différentes parois de plus ou moins fortes masses thermiques, de la paroi fine de polystyrène expansé à nos deux parois de terre crue, en passant par le parpaing et le béton cellulaire. Et ce en considérant un début de saison froide à Agen (météo standardisée RT2012) :

On s’aperçoit qu’il existe bien une discrimination en fonction de la masse thermique, il semble en effet apparaître 3 comportements distincts :

  1. Pour des inerties très faibles (I~100 Wh/m²/K), il n’existe pas d’écart non négligeable entre « consommations » statiques et dynamiques,
  2. Pour des inerties moyennes (I~101 Wh/m²/K), l’écart existe mais il reste faible (1-5%),
  3. Pour des inerties fortes (I~102 Wh/m²/K), cet écart est supérieur à 10%, ce qui n’est plus négligeable.

On pourrait s’arrêter ici… On conclurait que derrière un mur lourd, arrivée à la fin de l’année, j’aurais consommer 10% de moins de chauffage que ce qu’avait prévu le calcul statique. Alors que derrière un mur de parpaing, le calcul théorique aurait été bon à 1% près. Démonstration aurait été faite de la résistance thermique augmentée par la masse.

Sauf qu’on manquerait un phénomène intéressant quoique handicapant pour nos murs lourds : l’apogée de l’hiver. :pingu:

Il faut le reconnaître : l’hiver fait mal à la résistance thermique augmentée par la masse ! :faint:

Alors que la courbe était ascendante jusqu’à la fin de l’année, elle décroît continuellement jusqu’à la mi-mars malgré quelques sursauts velléitaires. Elle repart ensuite avec une croissance telle que l’on revient vers nos 10% d’écart trouvés fin décembre.

On comprend maintenant mieux comment fonctionnent nos vieilles bâtisses aux murs épais et lourds. Tant que l’hiver n’est pas installé, elles résistent aux baisses de températures par un effet tampon dû à l’inertie de transmission de parois chargées en fin d’été. Mais quand l’hiver est installée et qu’il n’y a nulle calories à récupérer dehors, alors elles se comportent comme l’annonce le calcul statique, elles laissent fuir la chaleur à travers les murs comme le sable entre les doigts.

Cela semble en accord avec mon expérience de vie dans une telle maison : ici, nous allumons le chauffage après nos voisins aux murs moins épais et nous l’éteignons avant eux mais au cœur de l’hiver, il ne fait pas bon laisser le foyer s’éteindre.

Si dans un premier temps, nous avons pu mettre en exergue le rôle de la masse thermique dans cet effet de résistance dynamique, cette deuxième observation durant tout un hiver nous laisse entendre — sans surprise — le rôle essentiel de la météo.

En prenant les données météos de la RT2012 et en regardant les écarts en fonction de la moyenne des températures supérieures à la consigne intérieure, on se rend compte que les zones les plus septentrionales semblent plus à même de profiter de la résistance thermique augmentée par la masse.

Il faudrait poursuivre encore cette étude — et je le ferai à temps perdu — pour connaître l’impact des apports solaires ou d’une météo moins lissée que celle d’une réglementation sur cet effet de résistance dynamique. En tout cas, il semble clair que le phénomène existe même avec des hypothèses aussi simplifiées que celles que j’ai utilisées.


À propos d’inertie, j’ai réalisé un widget-calculette pour déterminer l’inertie d’une paroi et l’épaisseur nécessaire pour un déphasage donné.