λeR =

Résistance thermique de quelques isolants pour une épaisseur de 15 cm

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

4,5

polystyrèneexpansé

laine deverre

laine deroche

laine debois

laine decellulose

liègeexpansé

R (m

².K/W

)

Propriétés et performances thermiques des matériaux

Mise à jour en avril 2008

L’isolation joue un rôle fondamental pour la réduction des consommations énergétiques et également pour créer un espace de vie sain et plus confortable. En hiver, l'isolation permet de garder la chaleur à l'intérieur et donc de limiter les déperditions thermiques du bâtiment. En été, elle permet également de limiter le flux de chaleur entre l'extérieur et l'intérieur du bâtiment. Aujourd'hui, il existe dans le commerce un grand nombre d'isolants et bien souvent, le choix n'est pas toujours évident. Pourtant chaque isolant est caractérisé par un ensemble de propriétés physiques bien précises qui permettent à la fois de les comparer entre eux et de définir leur application la plus appropriée. Nous pouvons dissocier deux types de propriétés :

Les caractéristiques statiques comme la conductivité thermique (λ), la résistance thermique (R), le coefficient de transmission surfacique (U), la capacité thermique (ρC), et la perméabilité à la vapeur d’eau (μ).

Les caractéristiques dynamiques comme la diffusivité thermique (a) et l'effusivité thermique (E) qui caractérisent le comportement d’un matériau en fonction de son temps de réaction.

Ce document a donc pour but de définir ces principales propriétés des matériaux d’isolation.

La conductivité thermique (λ)La conductivité thermique est le flux de chaleur, traversant un matériau d’un mètre d’épaisseur pour une différence de température de 1 degré entre les deux faces. Elle s’exprime en W/m.K. Cette valeur permet de quantifier le pouvoir isolant de chaque matériau. Plus elle est faible, plus le matériau sera isolant.

La résistance thermique (R)La résistance thermique est utilisée pour quantifier le pouvoir isolant des matériaux pour une épaisseur donnée. Elle s’exprime en m².K/W. Une paroi est d’autant plus isolante que sa résistance thermique est élevée.

R = résistance thermique (m².K /W)e = épaisseur de l’isolant (m)λ = conductivité thermique (W/m.K)

Le coefficient de transmission surfacique (U)Pour caractériser une paroi, on utilise souvent le coefficient de transmission surfacique (U). Ce coefficient correspond à l’inverse de la résistance thermique R. Il s’exprime en W/m².K. Il représente le flux de chaleur à travers 1m² de paroi pour une différence de température de 1°C entre les deux environnements séparés par la paroi. Plus U est faible, plus la paroi est isolante.

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Contrairement aux idées reçues, les isolants écologiques offrent des performances thermiques comparables aux isolants conventionnels.

L'inertie thermique des matériauxL'inertie thermique est la capacité d'un corps à stocker de la chaleur. Elle est caractérisée par la capacité thermique. Ce comportement des matériaux est un principe fondamental pour la conception bioclimatique des bâtiments. Elle contribue au confort de l'habitation en atténuant les variations des pointes de températures. En hiver, une forte inertie permet d'emmagasiner la chaleur de la journée due aux apports solaires puis de la restituer plus tard dans la journée lorsque la température extérieure commence à chuter. En été, une forte inertie liée a une ventilation nocturne permet d'atténuer les surchauffes durant la journée.

La capacité thermique (ρC)La capacité thermique d’un matériau représente sa capacité à stocker de la chaleur. Elle s’exprime en Wh/m³.K. Plus la capacité thermique est élevée, plus le matériau pourra stocker une quantité de chaleur importante. Un phénomène physique peut facilement montrer ce qu'est l'inertie thermique. Il s'agit des pierres exposées en plein soleil lors d'une belle journée d'été. Lorsque le soleil n'illumine plus la pierre, on constate qu'elle reste chaude. Elle peut même continuer longtemps à rayonner sa chaleur emmagasinée. C'est un exemple de stockage de chaleur. Généralement ce sont les matériaux les plus lourds qui possèdent la plus grande capacité thermique. Au contraire, les isolants ont généralement une capacité thermique assez faible. Il convient alors de trouver le bon compromis entre le pouvoir isolant et l'inertie du matériau. Les blocs de construction à isolation répartie comme la brique monomur ont une capacité thermique assez élevée tout en conservant des performances d'isolation importantes. Pour les isolants, les panneaux de bois offrent l'un des meilleurs compromis entre inertie et isolation. A noter, dans les locaux utilisés de manière intermittente, l'inertie n'est pas souhaitable pour des raisons de lenteur de mise en température de confort et de consommations énergétiques importantes.

La diffusivité thermique (a)La diffusivité thermique (a) exprime la capacité d'un matériau à transmettre (rapidement) une variation de température. C’est la vitesse à laquelle la chaleur se propage par conduction dans un corps. Elle s'exprime en m²/heure. Plus la valeur de la diffusivité thermique est faible, plus le front de chaleur mettra du temps à traverser l'épaisseur du matériau, et donc, plus le temps entre le moment où la chaleur parvient sur une face d'un mur et le moment où elle atteindra l'autre face est importante. On parle également de déphasage. (Un déphasage de 10 à 12 h permet d'atténuer les différences de température entre le jour et la nuit).

L'effusivité thermique (E)L’effusivité thermique E des matériaux, parfois dénommée “chaleur subjective”, représente la rapidité avec laquelle la température superficielle d’un matériau se réchauffe. Plus le coefficient E est bas, plus le matériau se réchauffe vite. Les matériaux isolants ont un coefficient E faible et ont une bonne “chaleur subjective”, les matériaux dotés d’une inertie forte ont généralement un coefficient E élevé. Dans certains cas, il pourra être intéressant de disposer un matériau à faible coefficient E devant une paroi à forte inertie (E élevé). Cette solution permet de supprimer parfois l’effet de paroi froide, mais en revanche elle diminue de façon importante la capacité de stockage des calories dans la paroi froide et donc l’effet de régulation des températures. Par exemple, en hiver, pour une salle de bains où le temps d'occupation est souvent court, les revêtements à faible effusivité thermique comme le bois augmenteront le confort de la pièce puisqu'elle se réchauffera rapidement. Au contraire, dans les climats chauds l'utilisation de matériaux à forte effusivité comme le carrelage permet de maintenir un certain confort plus longtemps malgré l'échauffement de l'air de la pièce.

En période d'été, l'isolation en panneaux de bois permet, grâce à sa capacité thermique plus importante, de stocker la chaleur extérieure pendant la journée et de la restituer grâce à une valeure de diffusivité thermique faible, 11 h plus tard, c'est à dire lorsque la température extérieure sera la plus basse, permettant ainsi de ventiler pour rafraîchir l'intérieur. Ce comportement du matériau permet de réduire l'amplitude entre les températures minimales et maximales intérieures quotidiennes pour ainsi augmenter le confort thermique à l'intérieur de l'habitation.

Température extérieureisolation avec fibres minéralesisolation avec panneaux de bois mou

11 heures6 heures

Évolution des températures sous toiture pour des structures isolantes différentes

T°C

35

30

25

20

15

10

Source : Pavatex

✔ La résistance à la diffusion de la vapeur d'eau (μ)Ce coefficient détermine la perméabilité d'un matériau à la vapeur d'eau. Plus μ est élevé, plus le matériau est étanche à la vapeur d’eau. Cette propriété est très importante afin d'éviter tout problème d'humidité à l’intérieur des parois puisque la vapeur d'eau contenue dans l'air intérieur chaud se refroidit en se rapprochant de la face externe de la paroi et condense à l'intérieur du mur. En construction conventionnelle, pour empêcher ce phénomène, on utilise un pare-vapeur (imperméable à la vapeur d'eau) mais cette solution n'est pas toujours recommandée car sa mise en oeuvre favorise les passages « entonnoir » qui accentuent les dégradations. Les isolants écologiques ont généralement un coefficient beaucoup plus faible que les isolants conventionnels. Cela permet de réaliser des parois perméables à la vapeur d'eau avec une grande capacité hygroscopique (capacité à absorber le surplus de vapeur d'eau quand l'air est trop humide et à la restituer lorsqu'il s'assèche). Pour éviter toute condensation dans les murs, il est important de respecter une règle de base : la perméabilité des matériaux composant la paroi doit être dégressive de l'extérieur vers l'intérieur dans un rapport minimum de 1 à 5 autrement dit, le μ du coté intérieur doit être cinq fois plus élevé que le μ du coté extérieur. (Si cette règle ne peut pas être respectée par les composants de la paroi (par exemple en rénovation), il est préférable d'utiliser un freine-vapeur, plutôt qu'un pare-vapeur totalement étanche, avec un μ approprié).

Source : JP OLIVA✔ La masse volumique

Pour éviter les tassements d'isolants en paroi verticale, il faut privilégier les isolants en panneaux ou en vrac à forte densité. Les tassements augmentent considérablement les ponts thermiques (défaut ou diminution d'isolation entre deux parois) et par conséquent les déperditions dans l'habitat. C'est un phénomène très répandu avec les laines minérales suite à de mauvaises qualités de mise en oeuvre. Cette notion est également importante pour évaluer le comportement du matériau car plus elle est élevée, plus la capacité thermique sera importante.

L'énergie griseAfin de réduire l'impact environnemental lié à la construction, il est important de considérer l'ensemble du cycle de vie des différents matériaux. L'énergie grise permet justement de quantifier l'énergie nécessaire à la production d'un matériau en tenant compte de l'extraction, la transformation, le transport et l'élimination du matériau. Elle s'exprime généralement en kWh/m³.

Les matériaux de construction à isolation répartieLes blocs de construction à isolation répartie comme le béton cellulaire ou la brique alvéolée en terre cuite (monomur) ont des caractéristiques thermiques suffisantes pour répondre aux exigences de la réglementation thermique 2005, en vigueur actuellement, sans avoir recours à une isolation supplémentaire. (Toutefois, pour un bâtiment performant, il est vivement recommande de mettre en place une isolation supplémentaire du coté extérieur pour améliorer les performances thermiques de la paroi et conserver l’inertie du bloc de construction). Ces blocs de construction sont plus complexes à poser et doivent être mis en oeuvre par des maçons formés à ce type de matériaux.

Monomur : briques alvéolées

Bloc de béton cellulaire

Caractéristiques thermiques des différents matériaux

*La vitesse de transfert correspond à la vitesse de conduction de la chaleur à l'intérieur du matériau.

Les valeurs concernant la conductivité thermique peuvent être légèrement moins bonnes que celles données par les fabricants car il s'agit de valeurs par défaut. Pour un même matériau, les caractéristiques peuvent être différentes d'un fabricant à l'autre.

Il est donc judicieux de se référer au document technique du fabricant pour avoir une valeur plus précise.

Matériaux d'isolation

Polystyrène expansé30 à 300 0,038 12 3,14 4,06 0,7 40 à 10015 à 30 0,042 9 4,63 4,93 0,6 30 à 707 à 15 0,050 4 11,29 7,7 0,5 20 à 50

Polystyrène extrudé 20 à 30 0,028 80 à 300 ≈ 85030 0,030 12 Imperméable

1000 à 120027 à 60 0,032 17 1,89 3,15 0,7 Imperméable

Laine de verre40 à 150 0,039 27 1,43 2,74 1

150 à 250

15 à 40 0,041 8 5,21 5,23 0,67 à 15 0,050 3 15,89 9,14 0,4

Laine de roche40 à 200 0,045 34 1,31 2,62 1,225 à 40 0,044 9 4,73 4,99 0,615 à 25 0,050 6 8,74 6,78 0,5

Verre cellulaire 140 à 180 0,057 44 1,28 2,59 1,6 ∞ ≈ 1600110 à 140 0,051 35 1,47 2,78 1,3 ∞75 à 130 0,06 à 0,08 3 à 4 ≈ 230

Panneaux de bois mou 40 à 55 0,040 113 0,37 1,39 2,2 1 à 2 ≈ 12,5160 0,050 156 0,62 1,81 2,8 5 ≈ 12,5

Laine de cellulose 20 à 30 0,043 11 3,97 4,57 0,7 1 à 2 ≈ 6Liège expansé 100 à 150 0,049 65 0,75 1,99 1,8 5 à 30 80 à 90 Panneaux de chanvre 20 à 30 0,039 1 à 2 30

30 à 35 0,037 1 à 2Laine de coton en rouleaux 20 0,040 1 à 2

Laine de mouton 20 à 50 0,060 16 3,86 4,5 1 1 à 2 8010 à 20 0,065 7 9,75 7,16 0,7 1 à 2 80

Matériaux de construction à isolation répartieBéton cellulaire 775 à 825 0,29 222 1,31 2,62 8

4 à 10 ≈ 400Béton cellulaire 575 à 625 0,21 167 1,26 2,57 5,9Béton cellulaire 375 à 425 0,14 111 1,26 2,57 3,9Béton de chanvre 400 à 450 0,11 213 0,52 1,65 4,8

700 à 750 0,12 202 0,59 1,76 4,9 700Terre-paille 300 à 400 0,11 136 0,81 2,06 3,9 Très faible Très faibleAutres matériauxParpaing de ciment 850 à 950 0,9 250 3,6 4,35 15 5 à 10 1800

Brique de terre cuite pleine 2300 à 2400 1,04 653 1,59 2,89 26,1 50 à 100 17001600 à 1700 0,64 458 1,4 2,71 17,1 50 à 100 1700

Pisé 1770 à 2000 1,1 785 1,4 2,71 29,4 100 à 120

Masse volumique ρ (kg/m³)

Conductivité thermique λ

(W/m.K)

Capacité thermique ρC

(Wh/m³.K)

Diffusivité thermique a (m²/h) * 10^-3

Vitesse de transfert v (cm/h) *

Effusivité thermique E

( Wh½/m².K)

Résistance à la diffusion de la vapeur d’eau μ

Énergie grise (kWh/m³)

≈ 450

Polyuréthane (panneaux)Polyuréthane (mousse)

perméable à la vapeur d'eau mais les performances thermiques sont fortement diminuées par

l'humidité

Moins sensible à l'humidité que la laine de verre

Vermiculite

Panneaux de bois « mi dur »

Panneaux en lin semi-rigide

Brique alvéolée (monomur)