| Type d’énergie | Défintion | Liste |
|---|---|---|
| Energie primaire | Energie brute, c’est-à-dire non transformée après extraction. | Liste :
|
| Energie secondaire | Toute énergie obtenue par la transformation d’une énergie primaire. | En particulier l’électricité d’origine thermique. |
| Energie finale | Energie livrée au consommateur pour sa consommation finale. | Liste : gaz naturel, fioul, charbon, GPL (propane, butane), électricité.
|
Pour limiter les effets irréversibles du réchauffement climatique il faudra diviser par 2 les émissions de gaz à effet de serre de la planète d’ici 2050 et diviser par 4 les émissions des pays industrialisés à cette date. Le secteur du bâtiment représente 25% du rejet de CO2 et représente 43% de la consommation d’énergie de notre pays.
Une maison d’habitation indépendante construite en 1970 de 100 m² raccordée au fioul consomme en moyenne 35000 kWh/an et produit plus de 10 tonnes de CO2 par an !
Une maison identique construite en 2010, raccordée au gaz naturel, consomme moins de 15 000 kWh/an et émet moins de 3 tonnes de CO2 par an !
La même maison construite selon la norme RT 2012 consommera moins de 7 500 kWh/an et rejettera moins de 1 tonne de CO2 par an. En comparaison, une voiture émet en moyenne 3 tonnes de CO2 par an. Depuis les accords de Kyoto en 1997, la réglementation n’a cessé d’être progressivement révisée pour aboutir à la maison passive en 2020.
Fondamentaux de la thermique du bâtiment
La notion de confort thermique : la température du corps dépend de nombreux facteurs :
- la température de l’air,
- la vitesse de déplacement de l’air,
- la teneur en humidité de l’air,
- la quantité de rayonnement thermique reçue,
- l’activité neuromusculaire.
Le confort
L’homme échange en permanence de la chaleur avec son environnement. Une perte de chaleur trop rapide provoque une sensation de froid. L’organisme parvient à maintenir son équilibre thermique en activant des mécanismes régulateurs complémentaires, parfois désagréables, tels que le frissonnement.
Il est donc nécessaire d’atteindre un point de neutralité thermique qui correspond à une perte imperceptible de chaleur corporelle, sans déséquilibre ni malaise, ce qui correspond à la température de confort. Cette dernière est déterminée par la température de l’air, la température des parois, la vitesse de l’air et l’hygrométrie.
On peut dire que la température de confort est définie par la règle suivante : Température de confort (TR) dite température résultante 
.
Pour apporter un confort optimum, la température résultante doit être obtenue à partir des deux paramètres (température des parois et température de l’air) les plus proches l’un de l’autre.
- La température de l’air est aux environs de 19°C à 20°C (en hiver) et de 25°C (en été). Si la température extérieure est supérieure à 30°C, il faudra une différence de -5°C pour se sentir à l’aise.
- L’écart de température parois/air n’est pas supérieur à 5°C.
- Le taux d’humidité relatif de l’air intérieur est compris entre 40% et 60%.
- La vitesse de l’air ne dépasse pas 0.3 m/s.
- La température du sol doit pouvoir être maintenue à 17° Dans tous les cas > à 15°.
Théorie générale du transfert de chaleur
Le transfert de chaleur se produit entre deux corps dont les températures sont différentes. La chaleur se déplace du corps le plus chaud vers le corps le plus froid jusqu’à ce que les températures des deux corps soient équilibrées.
Le transfert de chaleur à travers une paroi s’effectue de trois manières différentes :
La chaleur se propage en traversant la paroi de la face la plus chaude vers la face la plus froide. C’est par la conduction que la chaleur traverse les parois de notre habitation. Nous verrons plus tard que le rôle d’un isolant est de freiner ce transfert. On parlera de la résistance thermique du matériau.
L’air en contact avec la surface des parois s’échauffe ou se refroidit, ce qui crée un flux d’air qui transporte la chaleur. On verra dans notre étude thermique que c’est l’un des facteurs d’échange thermique superficiel.
Le transfert de chaleur par rayonnement se produit entre deux corps non en contact ayant des températures différentes. C’est d’ailleurs le seul mode naturel de propagation de la chaleur à travers le vide. Contrairement à la convection, ce n’est pas l’air qui transporte l’énergie, mais les rayons de chaleur. Il s’agit du deuxième facteur d’échange thermique superficiel.
Propriété des matériaux au transfert de chaleur
Les propriétés du matériau à résister à ce transfert de chaleur pour une étude thermique :
- le coefficient de conductivité thermique d’un matériau λ (lambda) [W/m°C].
- le coefficient de conductivité thermique est la quantité de chaleur traversant un matériau de 1 m d’épaisseur et d’une surface de 1 m² en une seconde.
Lorsque la différence de température entre les deux faces est de 1°C, plus la conductivité est basse, plus le matériau est isolant. Ce coefficient vous est fourni par le fabricant de l’isolant.
| Matériaux de construction | λ (lambda) (W/m.K) | Isolants manufacturés | λ (lambda) (W/m.K) |
|---|---|---|---|
| Parpaing creux de ciment | 0,90 | Polystyrène expansé | 0,038 |
| Brique pleine (terre cuite) | 0,64 | Laine de bois | 0,042 |
| Béton cellulaire | 0,22 | Laine de verre | 0,041 |
| Brique creuse standard | 0,45 | Laine de roche | 0,041 |
| Brique « monomur » | 0,12 | Ouate de cellulose | 0,043 |
| Pierre calcaire | 2,4 | Panneau de bois | 0,05 |
| Béton banché | 1,75 | Liège expansé | 0,049 |
| Bois lourd | 0,23 | Laine de mouton | 0,06 |
| Bois léger | 0,12 | Lame d’air | 0,222 |
| Pisé | 1,1 |
Notion de flux déperditif de chaleur au travers d’une paroi
- Les transferts de chaleur c’est-à-dire les échanges de calories se font naturellement d’un milieu chaud vers un milieu froid.
- Ces échanges de calories constituent un flux de chaleur du chaud vers le froid.
- Le flux de chaleur par unité de surface à travers une paroi s’exprime
en [W/m²]. Il caractérise l’écoulement d’énergie par unité de temps et de surface.
Le flux de chaleur varie proportionnellement avec la différence de température entre les ambiances intérieure et extérieure en degré Kelvin [K] ou Celsius [°C].
La résistance thermique totale de la paroi, notée R, concerne les trois phénomènes de transfert thermique (conduction, convection et rayonnement).
Réécrivons la relation précédente, mais uniquement aux bornes de la paroi, c’est-à-dire de la surface côté intérieur à la surface du côté extérieur et non plus d’ambiance à ambiance. La relation est quasi identique à la précédente, à la différence près que ce n’est plus la résistance thermique totale de la paroi R paroi qui est prise en compte ici, mais uniquement la résistance thermique au phénomène de conduction thermique au sein de cette paroi, notée R conduction par la suite.
Résistance thermique R conduction (m²K/W)
La résistance thermique R représente la résistance du matériau au passage de la chaleur. C’est donc l’inverse de la conductivité thermique. Plus le matériau est épais, mieux il résistera au transfert de chaleur. La résistance thermique d’une paroi constituée d’un seul matériau, se calcule à l’aide de la formule suivante :
e = l’épaisseur de la paroi (exprimée en mètre)
λ = la conductivité thermique du matériau (W/mK)
R = la résistance thermique du matériau (m²K/W) Résistance superficielle Rsi et Rse (m²K/W)
Avant de traverser une paroi, la chaleur doit atteindre la surface intérieure de celle-ci puis être évacuée une fois arrivée sur la face extérieure. La transmission de la chaleur de l’air ambiant à une paroi et vice versa se fait à la fois par rayonnement et par convection.
Rsi représente la résistance thermique d’échange d’une surface intérieure [m²K/W].
Rse représente la résistance thermique d’échange d’une surface extérieure [m²K/W].
Les Valeur par défaut de Rsi et Rse sont :
- pour une paroi horizontale (vers le haut) 0,10 ; 0,04
- pour une paroi verticale 0,13 ; 0,04
- pour une paroi horizontale (vers le bas) 0,17 ; 0,04
Résistance thermique R totale d’une paroi (m²K/W)
Une paroi séparant l’intérieur de l’extérieur d’une habitation, constitue un obstacle au flux de chaleur. Une paroi est généralement constituée de plusieurs matériaux superposés (enduit extérieur + parpaing + laine de verre + plaque de plâtre). Dans ce cas, la résistance totale de la paroi est la somme des résistances de l’ensemble des matériaux.
La chaleur va devoir :
- arriver jusqu’à la paroi (par convection et par rayonnement).
- traverser les différentes couches de matériaux constituant la paroi (par conduction).
- en cas de lame d’air, traverser des couches d’air éventuelles (par convection et par rayonnement).
- sortir de la paroi (par convection et par rayonnement).
Rt = La résistance thermique totale de la paroi au transfert de chaleur est la somme des résistances thermiques de l’ensemble des couches de matériaux + la résistance thermique d’échange d’une surface.
Rt = Rsi+R1+R2+R3+R4+Rse
Rt = Résistance totale de la paroi au transfert de chaleur (m²K/W)
Rsi = Résistance thermique d’échange d’une surface intérieure
R1 = Résistance du matériau 1 au transfert de chaleur (m²K/W)
R2 = Résistance du matériau 2 au transfert de chaleur (m²K/W)
R3 = Résistance du matériaux....
Rse = Résistance thermique d’échange d’une surface extérieure.
Coefficient de transmission thermique U (W/m²K)
Le coefficient de transmission thermique d’une paroi représente la quantité de chaleur qui traverse cette paroi en régime permanent, par unité de temps, par unité de surface, et par unité de différence de température entre les ambiances de part et d’autre de la paroi.
Le coefficient de transmission thermique est l’inverse de la résistance thermique totale (Rt) de la paroi.
Exercice d’application
Nous allons prendre deux exemples de parois constituées de composants différents.
- Cas N° 1 : un mur en parpaing de 20 cm, enduit à l’extérieur avec une épaisseur de 1,5 cm, est isolé par un isolant de 120 mm en laine de roche, revêtu d’une plaque de plâtre de 13 mm (BA13) à l’intérieur.
| MUR | λ (lambda) (W/m.K) | E (m) épaisseur | R(m.K/W) |
|---|---|---|---|
| Enduit extérieur | 1,15 | 0,015 | 0,01 |
| Parpaing | 1,05 | 0,20 | 0,19 |
| Laine de roche | 0,041 | 0,12 | 2,93 |
| BA13 | 0,32 | 0,013 | 0,04 |
| Résistance thermique Intérieur (Rsi) | 0,13 | ||
| Résistance thermique Extérieur (Rse) | 0,04 | ||
| Sous total | 3,34 | ||
La résistance thermique des parois est donc 3,35 [m².K/W].
La déperdition de la paroi sera de ![U = \frac{1}{R} [W/m^2.K] \Rightarrow \frac{1}{3,35} = 0,299 [W/m^2.K]](sites/www.abc-maconnerie.com/local/cache-TeX/05c495657b53eddd44fb8022cc63f3c9.png "U = \frac{1}{R} [W/m^2.K] \Rightarrow \frac{1}{3,35} = 0,299 [W/m^2.K]")
. Cela signifie que la déperdition de la paroi sera de 0,299 Watt par M² pour un écart de température de 1°C entre la face intérieure et la face extérieure de la paroi.
Les murs correspondent aux exigences de la RT 2005 qui demandait une résistance d’environ R = 3,00 [m².K/W]. Pour la RT 2012, il n’y a pas d’exigence pour ces murs mais il est conseillé de tourner vers un R ≥ 4. Il faudra donc augmenter les épaisseurs de la structure ou de l’isolation ou encore prendre un isolant plus performant.
Pour une épaisseur de 12 cm de laine de roche avec un lambda de 0,032 soit R= 3,44, les murs seraient de 0,01 + 0,19 + 3,75 + 0,04 + ,013 + 0,04 = 4,16.
- Cas N° 2 : Un mur en brique de 20 cm, enduit à l’extérieur avec une épaisseur de 1,5 cm, est isolé par un isolant de 100 mm en polystyrène, revêtu d’une plaque de plâtre de 13 mm (BA13) à l’intérieur.
| MUR | λ (lambda) (W/m.K) | E (m) épaisseur | R(m.K/W) |
|---|---|---|---|
| Enduit extérieur | 1,15 | 0,015 | 0,01 |
| Brique creuse | 0,45 | 0,20 | 0,44 |
| Polystyrène | 0,038 | 0,10 | 2,63 |
| BA13 | 0,32 | 0,0013 | 0,04 |
| Résistance thermique Intérieur (Rsi) | 0,13 | ||
| Résistance thermique Extérieur (Rse) | 0,04 | ||
| Sous total | 3,29 | ||
La résistance thermique des parois est donc 3,35 [m².K/W].
La déperdition de la paroi sera de ![U = \frac{1}{R} [W/m^2.K] \Rightarrow \frac{1}{3,30} = 0,303 [W/m^2.K]](sites/www.abc-maconnerie.com/local/cache-TeX/1f0843f2311f363353dd9cda2bfcacc5.png "U = \frac{1}{R} [W/m^2.K] \Rightarrow \frac{1}{3,30} = 0,303 [W/m^2.K]")
. Cela signifie que la déperdition de la paroi sera de 0,303 Watt par M² pour un écart de température de 1°C entre la face intérieure et la face extérieure de la paroi.
Les murs correspondent aux exigences de la RT 2005 qui demandait une résistance d’environ R = 3,00 [m².K/W]. Pour la RT 2012, il n’y a pas d’exigence pour ces murs mais il est conseillé de tourner vers un R ≥ 4. Il faudra donc augmenter les épaisseurs de la structure ou de l’isolation ou encore prendre un isolant plus performant.
Pour une épaisseur de 10 cm de polystyrène expansé avec un lambda de 0,032 soit R= 3,12, les murs seraient de 0,01+ 0,44 + 3,12 + 0,04 + 0,13 + 0,04 = 4,14.