B & A                      

Dans un bâtiment comme dans tout corps solide, la chaleur se propage de trois façons différentes : par conduction, par convection ou par rayonnement. Cela a des incidences directes sur la façon dont il faut concevoir un bâtiment et avec quels matériaux.

La conduction est la propagation de la chaleur à travers un ou plusieurs éléments en contact direct. Le sens du flux thermique va toujours de l’élément le plus chaud vers l’élément le plus froid. La quantité de chaleur qui se propage dans un corps, dans un temps donné, est proportionnelle à la conductivité thermique du matériau et à la différence de température entre les deux faces. S’il n’y a pas de différence de température, il n’y a pas de flux. En hiver, par exemple, dans un mur, le flux de chaleur va pénétrer dans la paroi à partir de l’intérieur, traverser les différentes couches de matériaux, à différentes vitesses selon leur nature, et se propager à l’extérieur. Moins les matériaux sont conducteurs, plus la progression est lente. C’est l’effet recherché en hiver.

La convection est le transfert de la chaleur d’un corps solide vers un corps gazeux et inversement. La quantité de chaleur transmise dépend de la différence de température entre les éléments, de la vitesse de l’air et de la surface de contact. Par exemple, une paroi exposée à un vent froid et puissant se refroidira très rapidement.

Le rayonnement est le transfert de chaleur à travers un gaz ou le vide par rayonnement infrarouge.

Dans un bâtiment, les modes de transmission se combinent. La transmission de la chaleur de l’air ambiant à une paroi s’effectue en partie par rayonnement et en partie par convection. À l’intérieur de la paroi, la chaleur progresse par conduction.

Chaque matériau possède une conductivité thermique propre. Pour classer les matériaux selon ce critère, on utilise le coefficient lambda (?). Il s’exprime en watts par mètre kelvin (W/m.K ou parfois en W/m.°C) et représente la quantité de chaleur traversant un mètre carré de matériau d’une épaisseur d’un mètre, soit un mètre cube, avec une différence de température d’un degré entre les deux faces, dans un temps donné. C’est une caractéristique constante et propre à chaque matériau. En notant le score obtenu par un mètre cube de chacun des matériaux du bâtiment, on est sûr d’avoir une base de comparaison équitable permettant un classement objectif. C’est le rôle du coefficient lambda.

Plus la valeur de ce coefficient est faible, plus le matériau est isolant. Un matériau est considéré comme isolant si son coefficient lambda est inférieur à 0,06 W/m.K. La figure indique la conductivité thermique de différents matériaux de construction.

Il est intéressant de noter que la conductivité de l’air est de 0,02 W/m.K et que celle de l’eau est de 0,56 W/m.K. Par conséquent, un même matériau présentera des valeurs totalement différentes selon qu’il est sec ou humide. C’est pourquoi, avant d’isoler un mur humide, il convient de l’assécher ou de stopper la source d’humidité. De même, un isolant hydrophile en contact avec une fuite ou une infiltration perdra la majeure partie de sa capacité d’isolation. Pour les calculs thermiques sont retenues les valeurs utiles de conductivité thermique qui tiennent compte de l’influence de l’humidité. Cette valeur apparaît sur les étiquettes des produits isolants et doit faire l’objet d’une certification.
Pour tous les isolants, ce coefficient doit être indiqué par son fabricant et le sera dans la suite de cet ouvrage pour chaque isolant présenté. Rappelez-vous, plus le coefficient ? d’un matériau est petit, plus grand est son pouvoir isolant. 
Grâce à ce coefficient, on peut calculer d’autres caractéristiques, comme la résistance thermique d’une paroi homogène d’épaisseur donnée.

La résistance thermique d’un matériau est sa capacité à freiner le flux de chaleur qui le traverse. Pour les matériaux homogènes, la résistance thermique est égale au rapport de l’épaisseur du matériau en mètres (e) par sa conductivité thermique ? (R = e/?). L’intérêt est que la valeur obtenue dépend de l’épaisseur du matériau, alors que le coefficient ? est toujours exprimé pour une épaisseur fixe d’un mètre. La résistance R s’exprime en m².K/W. Plus la résistance thermique d’un matériau est élevée, plus le flux de chaleur est diminué. La valeur R doit apparaître sur l’étiquette produit du matériau et être certifiée.

Par exemple, le polystyrène expansé possède un ? de 0,032 W/m.K. Un bloc de polystyrène de 16 cm d’épaisseur a donc un pouvoir isolant ou une résistance thermique de :

R = 0,16 m / 0,032 = 5 m².K/W

La valeur R est utile pour connaître l’épaisseur d’isolant souhaitée ou pour connaître l’épaisseur nécessaire pour obtenir une même isolation avec différents matériaux. Par exemple, pour obtenir une valeur R = 5 avec du granit, dont le coefficient ? est de 3,5 W/m.K, il faudrait :

e = ? x R

e = 3,5 x 5 = 17,5

 La valeur e étant exprimée en mètres, il faut par conséquent 17,5 m de granit pour obtenir une isolation équivalente à 16 cm de polystyrène !

La résistance exprimée par R ne permet cependant pas de connaître la résistance d’une paroi. En effet, nous avons vu que les échanges thermiques ne sont pas les mêmes en surface qu’à l’intérieur d’un matériau. C’est pourquoi, pour déterminer la résistance réelle d’une paroi, il faut également prendre en compte sa résistance thermique superficielle. Celle-ci est due au barrage rencontré par le flux thermique pour passer de la convection (air) à la conduction (paroi opaque).

La résistance opposée au passage du flux thermique de l’air ambiant intérieur à la paroi est notée Rsi (résistance superficielle intérieure). La résistance de la paroi vers l’air extérieur est notée Rse (résistance superficielle extérieure). La résistance superficielle s’exprime, comme R, en m².K/W et varie en fonction du sens du flux thermique (ascendant, descendant ou horizontal).

La figure ci-dessous, qui récapitule les différents critères de performances thermiques des matériaux, présente également les valeurs de résistance superficielle définies par la réglementation thermique

Grâce à toutes ces valeurs, il est possible de calculer la résistance thermique totale d’une parocomposée de plusieurs matériaux, comme c’est souvent le cas dans un bâtiment. Il suffit d’additionner les résistances de chacun des matériaux constituant la paroi et les résistances thermiques superficielles. Par exemple, la résistance totale d’un mur en béton de 14 cm d’épaisseur avec un isolant en laine minérale de 10 cm plus plaque de plâtre est la suivante (en partant de l’intérieur) :
Rtotale = Rsi + R plâtre + R isolant + R béton + Rse

Rtotale = 0,13 + 0,021 + 2,5 + 0,082 + 0,04 = 2,773

La résistance R totale de la paroi est de 2,77 m².K/W.

Parfois, une paroi comporte des lames d’air non ventilées. Celles-ci ont une influence directe sur la résistance totale. Dans ce cas, il est normal et même nécessaire de les prendre en compte dans le calcul de la résistance totale. Dans le tableau ci-dessous, sont indiquées les valeurs de R des lames d’air, en fonction du sens du flux thermique, qui peut être horizontal, ascendant ou descendant et selon l’épaisseur de la lame d’air. Celle-ci doit naturellement être parfaitement étanche. Tout mouvement ou courant d’air détériorerait considérablement les valeurs indiquées dans ce tableau et fausserait le résultat final. Par exemple, dans une paroi verticale, une lame d’air immobile de 7 cm offre une résistance thermique de 0,15 m².K/W, ce qui est un complément important pour la performance globale de la paroi.

Le coefficient lambda indique la quantité de chaleur traversant un mètre cube de matériau homogène, ce qui permet de classer, par exemple, les matériaux entre eux. Grâce à ce coefficient, il est également possible de calculer la résistance R totale d’une paroi en fonction de son épaisseur, ou inversement de déterminer l’épaisseur de la paroi désirée en fonction de la résistance à atteindre.

Il serait intéressant de connaître le coefficient lambda des parois pour pouvoir effectuer un classement, notamment, selon les principes constructifs. Un tel classement permettrait d’avoir des données chiffrées pour faire son choix, par exemple, entre des constructions en parpaings, en béton, en briques ou en béton cellulaire. Cependant, toutes les parois ne sont pas homogènes et ne font pas un mètre d’épaisseur, c’est même extrêmement rare. Or, nous savons que le coefficient lambda qui permet de classer les matériaux entre eux, exige de telles conditions pour être calculé. Le lambda ne peut pas être donné pour un mur, puisqu’en pratique, celui-ci est toujours constitué de divers matériaux de différentes épaisseurs.

C’est pourquoi on a recours à un troisième critère pour définir les performances thermiques dans le bâtiment. C’est un coefficient qui permet d’évaluer la quantité de chaleur traversant une paroi hétérogène, à la manière du coefficient lambda, mais sans ses contraintes. Il s’agit du coefficient de transmission surfacique U. Il s’exprime en W/m².K et représente la quantité de chaleur traversant un mètre carré de paroi pour une différence de température d’un degré entre les deux faces. U est un coefficient égal au rapport de 1 sur la résistance totale de la paroi (U = 1/Rtotale). Plus U est faible, moins il y a de déperditions. U est une valeur utilisée internationalement (anciennement appelée K dans certains calculs thermiques).

Par exemple, pour un mur en béton de 14 cm d’épaisseur, la résistance Rtotale est de 0,25 m².K/W. U est égal à 1/0,25 = 4 W/m².K. Si on considère une différence de température de 10 °C entre les deux faces d’un mur en béton d’une surface de 50 m², les déperditions seront de :
4 W/m².K x 50 m² x 10 K = 2000 W

En ne tenant pas compte des résistances superficielles, la valeur U d’une hypothétique paroi homogène d’un mètre d’épaisseur correspondrait à la valeur du coefficient lambda du matériau de cette paroi.
Le coefficient U est utilisé également pour caractériser les performances des parois vitrées. Dans ce cas, il sera noté Uw (pour window, fenêtre en anglais).