La bioclimatique - Le comportement des matériaux

Le comportement thermique des matériaux est lié à leurs propriétés intrinsèques, à savoir principalement la conductivité thermique et la capacité thermique, qui sont indépendants l'une de l'autre.

Une autre caractéristique fondamentale mais moins évidente (a priori) dans son application concerne leur résistance au passage à la vapeur d'eau, ou leur perpirance.

Nous glisserons également un mot sur les propriétés des vitrages.

La conductivité thermique / l'isolation
La conductivité thermique d'un matériau représente la quantité de chaleur capable de traverser le matériau en un temps donné.

Evidemment, moins la conductivité thermique d'un matériau sera élevée, plus on parlera de son pouvoir isolant, et en fonction de l'épaisseur du matériau, de sa résistance thermique.

Le caractère isolant des matériaux sera le premier paramètre utilisé pour empêcher les fuites de calories hors de l'habitation.

Notre activité dégage inévitablement de la chaleur. Notre propre corps humain se comporte en radiateur de 100W en journée, 60W pendant le sommeil. Nos appareils ménagers apportent également leur contribution : éclairage, télévision etc. sans parler du four !
Enfin l'échauffement du soleil constitue le dernier apport "naturel" de chaleur dans notre construction.

Déduction faite des pertes inévitables liées à la ventilation (et à l'ouverture au moins ponctuelles des menuiseries), toutes les déperditions thermiques non compensées par ces apports sont autant de calories qu'il faudra apporter par un système de chauffage.

C'est le caractère isolant des matériaux constituant les parois extérieures qui offrira la seule barrière à la fuite de ces calories.
La capacité thermique / l'inertie
La capacité thermique ou capacité calorifique d'un matériau est mesurée par la quantité de chaleur nécessaire à augmenter sa température.
Inversement elle caractérise également la quantité de chaleur qu'il est capable de restituer en baissant sa température.

En d'autres termes, plus la capacité thermique d'un matériau sera importante, plus on parlera d'"inertie" : soumis à un changement de température externe, il conservera sa température interne plus longtemps qu'un matériaux à moindre "inertie", en transmettant sa chaleur par convection à l'air à son contact et par rayonnement.
Une analogie envisageable serait la quantité d'eau retenue derrière un barrage avec une fuite : à débit égal (en l'occurrence la capacité de l'air à absorber la chaleur du matériau), le temps nécessaire à vider le réservoir ne dépend que de sa contenance.
Utiliser la capacité thermique des matériaux permet donc de "stocker" la chaleur pour la restituer lorsque nécessaire.
Trivialement stocker le rayonnement solaire en journée dans les murs les planchers pour le restituer par rayonnement ou convection la nuit, par exemple.

L'autre intérêt, qui n'en n'est qu'une conséquence, est de faciliter la régulation de la température au cours de la journée.
Il faudra plus que la nuit à une maison en pierre pour se refroidir et, de même, plus qu'une journée d'été pour surchauffer une cave, même à peine enterrée.

Inversement, pour des locaux comme des bureaux, vides la nuit, la question se pose : stocker la chaleur liée à l'activité diurne pour la restituer la nuit ne sert a priori à rien... Seules des simulations dynamiques très élaborées permettent souvent de choisir la meilleure politique.
Combinaisons entre conductivité et capacités thermiques
Ces deux caractéristiques se combinent de façon très différentes suivant les matériaux :
- la pierre s'oppose peu au passage de la chaleur (c'est un mauvais isolant) et il lui faut beaucoup de chaleur pour augmenter sa température (une maison en pierre reste fraîche longtemps même sous un soleil de plomb),
- la laine de verre est très isolante mais ne stocke pas de chaleur : elle change de température rapidement et ne peut ni maintenir sa température si l'on ouvre une fenêtre en hiver ni absorber la chaleur du soleil en été,
- certains matériaux, curieusement, marient des qualités isolantes et une capacité calorifique intéressante :
  
  La ouate de cellulose, à densité égale, présentera un pouvoir isolant d'à peine 8% moins élevé que la laine de verre mais aura près de 2,5 fois plus de capacité à stocker la chaleur, donc à conserver sa température plus longtemps.
Effusivité et diffusivité Ces deux notions barbares découlant directement de la conductivité et de la capacité thermiques décrivent respectivement la rapidité avec laquelle un matériau absorbe la chaleur et la rapidité de déplacement de la chaleur dans le matériau.

En d'autres termes, l'effusivité caractérise la rapidité d'un matériau à se réchauffer sous un apport de chaleur.
Ainsi un morceau d'acier nous paraîtra plus froid au toucher qu'un morceau de bois à température égale.
On jouera de cette caractéristique pour créer des "parois chaudes" dont le rayonnement sera plus confortable.
La mise en œuvre aux murs d'un matériau à faible effusivité, même en épaisseur insuffisante pour "isoler" un local, suffira à gagner en confort et en besoin de chauffage (voir Notions de confort thermique : la température ressentie est équivalente à la moyenne entre température de l'air et des parois).

La diffusivité quant à elle décrit la rapidité de circulation de la chaleur dans un matériau. On utilise cette propriété pour créer un "déphasage", c'est-à-dire un retard du flux de chaleur dans le temps.

Un intérêt majeur peut être la régulation de la chaleur apportée par le soleil entre périodes chaudes et froides de la journée : des combles habitées profiteront en été d'une isolation de toiture à faible diffusivité, retardant l'échauffement solaire jusqu'à la nuit, où la chaleur sera restituée en partie dehors.

De même un salon dont le mur sera chauffé toute la journée au soleil pourra restituer en soirée un rayonnement bienvenu.
La régulation hygrothermique / la perspiration des parois
L'enveloppe du bâtiment est soumis à deux phénomènes liés à la vapeur d'eau :
- l'air chaud possède la capacité d'absorber plus de vapeur d'eau que l'air froid,
- l'eau absorbe de la chaleur en s'évaporant et la vapeur en dégage en se condensant.
La conséquence de cette première observation est le risque de voir se former de la condensation dans les murs soumis à une différence de température intérieure/extérieure.
L'air extérieur à 0°C ne peut contenir plus de 3,8 grammes d'eau par m3 sous forme de vapeur alors que l'air intérieur à 20° peut en contenir plus de 14.
Si l'air intérieur est confortablement saturé à 50% d'humidité relative, c'est-à-dire qu'il contient 14,4/2=7,2 grammes d'eau par m3, il rejettera de l'eau sous forme de condensation (gouttelettes) dès qu'on le refroidit sous 8°C. Cette température est appelée le "point de rosée".
La présence d'eau dans les murs étant source de dégradations, de moisissures et de réduction importante des performances des isolants, cette condensation doit être évitée.

Deux approches sont envisageables :
- empêcher la vapeur d'eau de pénétrer dans le mur et faciliter son évacuation côté extérieur.
  
  Cette méthode fait appel à un procédé d'étanchéité à la vapeur d'eau côté intérieur, obtenu par la mise en œuvre d'un "pare-vapeur" ou "freine-vapeur" selon sa perméabilité.
  
  C'est le rôle du papier kraft sur les rouleaux de laine de verre ou de laine de roche. La vapeur d'eau ne pénètre presque plus dans le mur mais les résidus de vapeur ou de condensation éventuelle sont alors piégées côté extérieur du pare-vapeur : les matériaux doivent alors disposer d'une perméabilité grandissante vers l'extérieur afin de laisser s'échapper le surplus d'humidité dehors.
  L'inconvénient majeur de cette approche tient à la perfection de l'étanchéité : la moindre fuite (prise électrique, mauvais raccord entre lés - cas systématique de la laine de verre sur papier kraft) concentre la vapeur d'eau qui reflue vers l'intérieur et dégrade l'effet souhaité
  Une étude de l'Institut de Physique du Bâtiment de Stuttgart montre qu'une fente de 1mm de large sur 1m de longueur divise le pouvoir isolant d'1m² de laine de roche par près de 5 !).
  
  Donnons à titre d'exemple le calcul de la pression de vapeur dans un mur dit "traditionnel", constitué d'un parpaing enduit au ciment, isolé par l'intérieur par 10cm de laine de verre avec papier kraft supposé parfaitement étanche et paré d'une plaque de plâtre de 13mm, exposé à une température de 0°C dehors et 19°C en intérieur :
  Le calcul théorique montre que dans ce cas, une condensation se forme à hauteur de plus d'1g d'eau par m² et par jour.
  En excluant l'effet du papier kraft (de façon assez réaliste), le calcul donne environ 20g/m²/jour ! Un doute est permis quant à la possibilité d'évaporation de cette potentielle condensation à travers le parpaing enduit... La mise en œuvre d'un pare-vapeur beaucoup plus imperméable serait ici nécessaire pour éviter la condensation, couplée à une ventilation parfaitement efficace pour éviter le confinement de l'humidité inévitablement créée à l'intérieur par la présence et l'activité des occupants.
  
  L'emploi de matériaux moins "étanches" permet de limiter cet effet : le remplacement du parpaing par le la brique alvéolaire et l'enduit ciment par un enduit à la chaux, plus respirant, permet d'empêcher l'apparition de condensation (à condition toutefois que le kraft soit efficace, donc parfaitement posé, jointé, collé etc.).
- constituer une paroi "respirante" en utilisant à bon escient les propriétés hygroscopiques des matériaux constitutifs (capacité à absorber l'humidité de l'air)
  
  Cette seconde méthode consiste à ne pas empêcher la circulation de vapeur d'eau mais au contraire d'utiliser les caractéristiques hygroscopiques des matériaux pour la réguler.
  La condensation si elle se forme ne se concentre plus sur des points critiques mais apparaît de façon répartie et homogène d'une part, ce qui est moins traumatisant pour les matériaux, et d'autre part elle dispose de la possibilité de s'évaporer vers extérieur autant que vers l'intérieur où elle revient par capillarité.
  
  Il est dans ce cas nécessaire de tenir compte de la sensibilité des isolants à l'humidité qui a tendance à réduire leur efficacité.
  
  Cette méthode de la paroi respirante présente un autre avantage non négligeable : c'est la capacité que présentent les matériaux hygroscopiques à absorber spontanément le surplus d'humidité de l'air intérieur et à le restituer tout aussi spontanément si l'air est trop sec.
  La régulation de l'humidité de l'air intérieur est assurée naturellement.
  
  Un autre avantage intéressant des parois respirantes, bien que délicat à mesurer, dé des échanges de chaleur liées à la condensation et à l'évaporation de l'eau : on a observé de nombreux cas où le bilan thermique d'un ouvrage à parois respirantes était meilleur en réalité que ne laissaient prévoir les calculs basés sur la seule résistance thermique des parois.
Les parois vitrées
Elles sont caractérisées principalement par leur facteur solaire ou coefficient de transmission énergétique (proportion du flux d'énergie lumineuse transmis, dont le rayonnement infra-rouge) et par leur coefficient de transmission thermique (leur pouvoir d'isolation thermique).

Intuitivement on cherchera a priori à faire entrer le maximum de lumière et donc d'énergie, tout en ne laissant pas la chaleur s'échapper de l'intérieur.

Malheureusement, techniquement, plus on cherche à rendre isolant un vitrage (doubles, triples vitrages, gaz isolant etc.) plus on affectera son facteur solaire.
Le choix d'un type de vitrage doit donc être ajusté finement en fonction de son bilan énergétique global (différence entre énergie entrante / déperditions thermiques) .
Un double vitrage peut très bien présenter selon la région et son orientation un bilan énergétique positif ne justifiant en rien la mise en œuvre d'un triple vitrage, au contraire.

Notons par ailleurs qu'il existe de nombreux types de vitrages plus ou moins absorbant ou réfléchissants, utilisés pour raisons esthétiques ou fonctionnelles comme limiter l'éblouissement dans un bureau. Evidemment au détriment de l'apport calorifique solaire en période de chauffe.

Notons enfin que les parois vitrées ont la particularité de laisser passer les rayonnements infra-rouge de faible longueur (émises par le soleil), mais sont beaucoup moins perméables aux infra-rouges de grande longueur d'onde (rayonnement induit ou réfléchi par les matériaux inertes).
Il est ainsi envisageable de "piéger" l'énergie solaire en la laissant réchauffer à travers un vitrage des matériaux à forte inertie : une fois réchauffés, leur propre rayonnement sera réfléchi par le même vitrage !

C'est "l'effet de serre" particulièrement intéressant dans une construction bioclimatique.