Rénovation thermique : tout est affaire de conductivité

par | Sep 16, 2016 | Rénovation énergétique, Un peu de physique | 0 commentaires

Isoler thermiquement son logement, c’est poser une épaisseur adaptée d’un isolant de faible conductivité \small\lambda pour que la résistance  \small R de la couche isolante atteigne une valeur \small m^2.K.W^{-1} suffisamment élevée. Si cette définition vous laisse dubitatif, cet article vous permettra d’appréhender les notions physique de base de la rénovation thermique

Dans un précédent article, nous avions vu que ce que nous appelons quotidiennement et improprement chaleur était en fait une sensation plus ou moins grande de chaud ou de froid, du à un transfert plus ou moins intense d’énergie. Mais cette sensation de chaleur, pour une même température, peut être différente d’un système (d’un objet) à l’autre. Ainsi, nous nous brûlons instantanément au contact d’un plat à peine sorti du four, alors que la préparation qu’il contient peut être touchée sans dommage. Ces deux systèmes sont pourtant à la même température. Cependant, leurs caractéristiques physiques respectives les font emmagasiner ou décharger de l’énergie à des vitesses différentes. Et la capacité d’un système à échanger de l’énergie avec un autre est justement au cœur des problématiques de rénovation énergétique.

Conductivité thermique : Watt it is?

La conductivité thermique d’un matériau est sa capacité à conduire plus ou moins l’énergie, et donc la chaleur. Notée lambda (\small\lambda ), elle est le résultat de l’énergie \small J transmise (en Joules) à travers une épaisseur \small m (en mètres) par unité de surface \small m^2 (en mètre carrés), de temps \small s (en seconde) et de différence de température \small K (en kelvin), selon la formule :

\lambda = \frac{J \times m}{m^2 \times K \times s}=\frac{W.m}{m^2.K}=\frac{W}{m.K}

Cette équation signifie que \small 1\ W.m^{-1}.K^{-1}  ? est égale à une énergie d’un Joule transférée en une seconde entre deux faces d’un corps distantes d’un mètre, chacune d’un mètre carré de surface et dont les températures différent d’un Kelvin. Ainsi, plus \small\lambda est grand, plus le matériau laisse passer la chaleur.

La conductivité est un des indicateurs clé de la rénovation thermique. Elle est mentionnée sur les emballages de la plupart des isolants comme preuve de leurs performances, le plus souvent comprise entre \small 0,030\ W.m^{-1}.K^{-1} et \small 0,060\ W.m^{-1}.K^{-1}. Le polyuréthane par exemple à une conductivité de \small 0,022\ W.m^{-1}.K^{-1}. Par comparaison, le bois, pourtant connu pour ses qualités isolantes naturelles, à une conductivité de \small 0,23\ W.m^{-1}.K^{-1}, soit dix fois plus élevée. Les pierres en grès utilisées pour certaines constructions ont quant à elles une conductivité encore dix fois supérieur, soit \small 2,3\ W.m^{-1}.K^{-1}. Il en va de même pour le béton armé, ce qui explique les faibles performances énergétiques du parc immobilier construit entre les années 1945 et 1980.

De la conductivité à la résistance

Cependant, la conductivité n’est pas le seul paramètre à maîtriser lors du choix d’un isolant. Cette dernière rend compte du comportement thermique d’un matériau lors d’un transfert thermique, et non pas de l’efficacité d’une couche isolante en fonction de son épaisseur. Cette donnée, elle, est nommée Résistance thermique (\small R), et s’obtient en divisant l’épaisseur \small m (en mètre) de la couche isolante par sa conductivité lambda tel que:

\small R=\frac{m}{\lambda}=\frac{m}{\frac{w}{m \times K}}=m \times \frac{m \times K}{W}=\frac{m^2 \times K}{W}

Plus \small R est grand, plus la couche de matériaux est isolante. La résistance est tout aussi importante que la conductivité pour tout projet d’isolation thermique, et doit systématiquement être calculée à défaut d’être indiqué par le fabricant d’un produit d’épaisseur donnée, les nomenclatures des produits industriels d’isolation thermique n’étant pas toutes identiques. Ainsi, un mur en bois d’un demi mètre d’épaisseur peut très bien être moins performant qu’une simple couche de polyuréthane de 10 centimètre :

\small R (bois)=\frac{m}{\lambda}=\frac{0,5}{0,23}=2,17 m^2.K.W^{-1} alors que \small R (polyur\acute{e}thane)=\frac{m}{\lambda}=\frac{0,1}{0,022}=4,55 m^2.K.W^{-1}

Vigilance quant au choix des matériaux d’une future isolation

Le tableau ci-dessous en listes quelques uns ainsi que leurs conductivités correspondantes.

Cas particulier, les performances thermiques des fenêtres ne s’expriment pas en \small R mais en \small U_w, ou coefficient de transmission thermique surfacique, qui en est l’exacte inverse tel que :

U_w = \frac{1}{R}

Puisque \small U_w est l’inverse de \small R, il est exprimé en \small W.m^{-2}.K^{-1}. Ainsi, à l’inverse de \small R, plus \small U_w est petit, meilleur est la performance thermique de la fenêtre.

Et maintenant ?

Il importe donc de bien maîtriser toutes ces notions dans la perspective d’un projet de rénovation thermique, et ce pour trois raisons essentielles : la performance d’une isolation doit répondre à des seuils minima légaux, conditionne l’accès aux aides d’État, et surtout déterminera le montant de vos économies d’énergie et votre futur confort d’habitation.

La Résistance thermique est en effet au centre de la réglementation française. L’article 14 de la loi 2015-992 du 17 août 2015 relative à la transition énergétique pour la croissance verte impose lors de travaux de rénovation une performance thermique minimale pour chaque paroi isolée ou menuiserie remplacée. Idem pour l’obtention d’un Éco prêt à taux zéro (ÉCO-PTZ) ou pour bénéficier du Crédit d’Impôt pour la Transition Énergétique (CITE), si ce n’est que seuils sont plus élevés. Nous avons dressé un tableau récapitulatif des valeurs \small R minimales pour chaque catégorie de travaux.

Ces quelques notions ne suffisent pas à calculer immédiatement le gain ou la perte de chaleur d’un bâtiment, car rentrent en jeu d’autres paramètres, comme le déphasage thermique. Cependant elles permettent de comprendre ce qu’est l’isolation au sens physique du terme, et surtout de s’y retrouver lors du choix d’un isolant en fonction des contraintes de son projet.

Ces explications cependant ne doivent pas occulter que plus performante sera l’isolation réalisée par des professionnels certifiés. Beaucoup trop de travaux d’isolation sont réalisés par les propriétaires eux-mêmes, et parfois avec un résultat mitigé, voire contre-productif, alors même que la mention RGE (Reconnu Garant de l’Environnement) d’un artisan permet l’accès au PTZ ou au CITE, ou encore aux aides de l’ANAH. Bricoleurs, à bon entendeur.

? : Un point dans une formule scientifique indique une multiplication. Une puissance négative -x d’un nombre indique une division par ce nombre à la puissance x tel que  n^{-x}=\large \frac{1}{n^x}. Ainsi, x.y^{-2} s’écrit également x \times y^{-2} ou \large \frac{x}{y^2}. W.m^{-1}.K^{-1} a donc le même sens que \large\frac{W}{m \times K}.

MatériauxConductivité (en \small W.m^{-1}.K^{-1})
Granite2,3
Grès2,8
Calcaires1,7
Béton classique1,65
Béton léger0,40
Béton celullaire0,16
Pisé, torchis1,1
Madrier, bois de construction0,23
*Ces données peuvent varier en fonction du fabricant, de la composition, ou de la densité du matériau.

MatériauxConductivité (en \small W.m^{-1}.K^{-1})
Laine de verre/roche0,038
Ouate de cellulose0,039
Laine de chanvre/lin0,041
Polystyrène0,034
Polyuréthane0,022
Fibre de bois0,040
Liège expansé0,040
*Ces données peuvent varier en fonction du fabricant, de la composition, ou de la densité du matériaux.

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L’AUTEUR DE CET ARTICLE

Guillemin

Guillemin

Auteur sur le Blog de Mon Passeport Rénovation

Co-fondateur de Mon Passeport Rénovation, diplômé d’un Master Science Politique à l’université Lyon III et lauréat 2013 du concours Monde Académie.

Adrien

Adrien

Auteur sur le Blog de Mon Passeport Rénovation

Co-fondateur de Mon Passeport Rénovation, auteur du livre blanc « Logement durable – Rénovation thermique du parc ancien » et blogueur spécialisé dans le domaine de l’efficacité et de la transition énergétique.

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Rénovation thermique : tout est affaire de conductivité

par | Sep 16, 2016 | Rénovation énergétique, Un peu de physique | 0 commentaires

Isoler thermiquement son logement, c’est poser une épaisseur adaptée d’un isolant de faible conductivité \small\lambda pour que la résistance  \small R de la couche isolante atteigne une valeur \small m^2.K.W^{-1} suffisamment élevée. Si cette définition vous laisse dubitatif, cet article vous permettra d’appréhender les notions physique de base de la rénovation thermique.
Dans un précédent article, nous avions vu que ce que nous appelons quotidiennement et improprement chaleur était en fait une sensation plus ou moins grande de chaud ou de froid, du à un transfert plus ou moins intense d’énergie. Mais cette sensation de chaleur, pour une même température, peut être différente d’un système (d’un objet) à l’autre. Ainsi, nous nous brûlons instantanément au contact d’un plat à peine sorti du four, alors que la préparation qu’il contient peut être touchée sans dommage. Ces deux systèmes sont pourtant à la même température. Cependant, leurs caractéristiques physiques respectives les font emmagasiner ou décharger de l’énergie à des vitesses différentes. Et la capacité d’un système à échanger de l’énergie avec un autre est justement au cœur des problématiques de rénovation énergétique.

Conductivité thermique : Watt it is?

La conductivité thermique d’un matériau est sa capacité à conduire plus ou moins l’énergie, et donc la chaleur. Notée lambda (\small\lambda ), elle est le résultat de l’énergie \small J transmise (en Joules) à travers une épaisseur \small m (en mètres) par unité de surface \small m^2 (en mètre carrés), de temps \small s (en seconde) et de différence de température \small K (en kelvin), selon la formule :

\lambda = \frac{J \times m}{m^2 \times K \times s}=\frac{W.m}{m^2.K}=\frac{W}{m.K}

Cette équation signifie que \small 1\ W.m^{-1}.K^{-1}  ? est égale à une énergie d’un Joule transférée en une seconde entre deux faces d’un corps distantes d’un mètre, chacune d’un mètre carré de surface et dont les températures différent d’un Kelvin. Ainsi, plus \small\lambda est grand, plus le matériau laisse passer la chaleur.

La conductivité est un des indicateurs clé de la rénovation thermique. Elle est mentionnée sur les emballages de la plupart des isolants comme preuve de leurs performances, le plus souvent comprise entre \small 0,030\ W.m^{-1}.K^{-1} et \small 0,060\ W.m^{-1}.K^{-1}. Le polyuréthane par exemple à une conductivité de \small 0,022\ W.m^{-1}.K^{-1}. Par comparaison, le bois, pourtant connu pour ses qualités isolantes naturelles, à une conductivité de \small 0,23\ W.m^{-1}.K^{-1}, soit dix fois plus élevée. Les pierres en grès utilisées pour certaines constructions ont quant à elles une conductivité encore dix fois supérieur, soit \small 2,3\ W.m^{-1}.K^{-1}. Il en va de même pour le béton armé, ce qui explique les faibles performances énergétiques du parc immobilier construit entre les années 1945 et 1980.

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Cependant, la conductivité n’est pas le seul paramètre à maîtriser lors du choix d’un isolant. Cette dernière rend compte du comportement thermique d’un matériau lors d’un transfert thermique, et non pas de l’efficacité d’une couche isolante en fonction de son épaisseur. Cette donnée, elle, est nommée Résistance thermique (\small R), et s’obtient en divisant l’épaisseur \small m (en mètre) de la couche isolante par sa conductivité lambda tel que:

\small R=\frac{m}{\lambda}=\frac{m}{\frac{w}{m \times K}}=m \times \frac{m \times K}{W}=\frac{m^2 \times K}{W}

Plus \small R est grand, plus la couche de matériaux est isolante. La résistance est tout aussi importante que la conductivité pour tout projet d’isolation thermique, et doit systématiquement être calculée à défaut d’être indiqué par le fabricant d’un produit d’épaisseur donnée, les nomenclatures des produits industriels d’isolation thermique n’étant pas toutes identiques. Ainsi, un mur en bois d’un demi mètre d’épaisseur peut très bien être moins performant qu’une simple couche de polyuréthane de 10 centimètre :

\small R (bois)=\frac{m}{\lambda}=\frac{0,5}{0,23}=2,17 m^2.K.W^{-1} alors que \small R (polyur\acute{e}thane)=\frac{m}{\lambda}=\frac{0,1}{0,022}=4,55 m^2.K.W^{-1}

Vigilance donc quant au choix des matériaux d’une future isolation. Le tableau ci-dessous en listes quelques uns ainsi que leurs conductivités correspondantes.
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U_w = \frac{1}{R}

Puisque \small U_w est l’inverse de \small R, il est exprimé en \small W.m^{-2}.K^{-1}. Ainsi, à l’inverse de \small R, plus \small U_w est petit, meilleur est la performance thermique de la fenêtre.

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La Résistance thermique est en effet au centre de la réglementation française. L’article 14 de la loi 2015-992 du 17 août 2015 relative à la transition énergétique pour la croissance verte impose lors de travaux de rénovation une performance thermique minimale pour chaque paroi isolée ou menuiserie remplacée. Idem pour l’obtention d’un Éco prêt à taux zéro (ÉCO-PTZ) ou pour bénéficier du Crédit d’Impôt pour la Transition Énergétique (CITE), si ce n’est que seuils sont plus élevés. Nous avons dressé un tableau récapitulatif des valeurs \small R minimales pour chaque catégorie de travaux.

Ces quelques notions ne suffisent pas à calculer immédiatement le gain ou la perte de chaleur d’un bâtiment, car rentrent en jeu d’autres paramètres, comme le déphasage thermique. Cependant elles permettent de comprendre ce qu’est l’isolation au sens physique du terme, et surtout de s’y retrouver lors du choix d’un isolant en fonction des contraintes de son projet.

Ces explications cependant ne doivent pas occulter que plus performante sera l’isolation réalisée par des professionnels certifiés. Beaucoup trop de travaux d’isolation sont réalisés par les propriétaires eux-mêmes, et parfois avec un résultat mitigé, voire contre-productif, alors même que la mention RGE (Reconnu Garant de l’Environnement) d’un artisan permet l’accès au PTZ ou au CITE, ou encore aux aides de l’ANAH. Bricoleurs, à bon entendeur.

? : Un point dans une formule scientifique indique une multiplication. Une puissance négative -x d’un nombre indique une division par ce nombre à la puissance x tel que  n^{-x}=\large \frac{1}{n^x}. Ainsi, x.y^{-2} s’écrit également x \times y^{-2} ou \large \frac{x}{y^2}. W.m^{-1}.K^{-1} a donc le même sens que \large\frac{W}{m \times K}.

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Guillemin

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Co-fondateur de Mon Passeport Rénovation, diplômé d’un Master Science Politique à l’université Lyon III et lauréat 2013 du concours Monde Académie.

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