Comment se propage la chaleur ? 1 Par conduction





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L'isolation thermique (page 1/2)


page 1 :

Principes | Thermocinétique | Qualités des isolants
Réglementation | Ponts thermiques | Isolation intérieure, extérieure

page 2 :

Matériaux isolants | Nos conseils | Isolation phonique

Principes de base




Dès que deux éléments en contact sont à température différente, il y aura échange de chaleur entre eux jusqu'à ce que leurs températures soient identiques.

Le but de l'isolation est de freiner cet échange de température.
Pour une maison en hiver, il s'agit donc de freiner ses déperditions de chaleur vers l'extérieur, et en été de freiner la pénétration de chaleur.

L'isolation va également permettre de garder les parois de la maison à une température la plus proche possible de celle de l'air intérieur.

Ainsi, en hiver, l'isolation donne une bonne sensation de confort tout en limitant sa note de chauffage.

En été, le confort sera obtenu en associant les atouts de cette isolation à une forte inertie thermique de la maison. La température de la maison sera alors maintenue stable et la plus fraîche possible sans recours à la climatisation.

Comment se propage la chaleur ?

1) Par conduction :


La chaleur se transmet de proche en proche par augmentation de l'agitation thermique des molécules.
La chaleur se propage avec plus ou moins de facilité suivant la nature des matériaux.

L'équation suivante permet de modéliser le phénomène.
(Pour les électriciens, elle est comparable à U=R.I.)



La différence de température entre les deux faces de l'isolant est égale à la résistance thermique R de l'isolant multipliée par le flux de chaleur qui le traverse (en watt par m2).

Autrement dit, la chaleur perdue J (en Watts) est :      

  1. proportionnelle à la différence de température entre l'intérieur et l'extérieur

  2. proportionnelle à la surface S des parois en contact avec l'extérieur

  3. inversement proportionnelle à l'épaisseur e des matériaux isolants

  4. proportionnelle à la conductivité thermique des matériaux isolants



  • Le point 1. a été déjà évoqué dans notre page terrains : en effet, il vaut mieux préférer une exposition ensoleillée de votre terrain et éviter les pentes orientées vers le nord.

  • Le point 2. dépend de la conception même de votre maison : pour un volume habitable identique, une maison à deux étages sera plus compacte qu'une maison de plain pied et donc consommera moins d'énergie pour son chauffage. Pour savoir si votre projet correspond à une maison compacte, calculez son coefficient de compacité qui est égal à la surface des parois extérieures (m2) divisée par le volume habitable (m3). Une valeur inférieure à 0,70 est excellente alors qu'une valeur égale à 1,3 est très mauvaise (note de chauffage quasiment doublée). Le tout est de trouver comment dessiner une maison compacte qui ne ressemble pas à une sphère ni à un cube !

  • les points 3 et 4 sont traités dans la suite de cette page.

Remarque : si les paragraphes à suivre vous semblent trop techniques, rendez-vous directement à Isolation intérieure, extérieure et Matériaux isolants.

Signification des symboles et unités précédentes :

symbole

appellation

unité

description



Coefficient de conductivité thermique d'un matériau

W/m . °C

Puissance transmise par une couche de matière d'un mètre d'épaisseur sur un mètre carré, la différence de température entre les 2 faces étant d'un degré.
C'est une donnée intrinsèque à chaque matériau.
Plus est faible, plus performant est le matériau isolant.

K

Coefficient de conductance thermique d'une paroi isolante

W/m2 . °C

K = / e  
Plus K est faible, meilleure est l'isolation. Comme ordre de grandeur, multipliez par 10 le K de votre isolant et vous obtiendrez la consommation de fioul annuelle par mètre carré d'isolant.

R

Coefficient de résistance thermique d'une paroi isolante

m2 . °C/W

R est l'inverse de la conductance thermique (R = 1 / K).
R dépend du type d'isolant () et de son épaisseur
Plus R est élevé, meilleur est l'isolation.

U

Coefficient de déperdition thermique moyenne

W/m2 . °C

Analogue à K mais tient compte des ponts thermiques.

Remarque : les unités utilisées pour K et U peuvent être exprimées indifféremment en W/m2.°C ou en W/m2.K (inversement pour R).

2) Par convection :


L'ai chaud étant plus léger que l'air froid, il va avoir tendance à monter et ainsi à créer des mouvements d'air dans le bâtiment. Cet effet est utilisé dans les cheminées.
Toutefois, la convection intervient peu dans les pertes de chaleur au travers des murs et des fenêres.

3) Par rayonnement :


Tout élément émet de la chaleur par rayonnement vers les éléments plus froids que lui, et ce y compris à travers l'air ou le vide.
Dans une maison isolée, les échanges de chaleur par rayonnement se font essentiellement à travers les parois transparentes, c'est à dire les vitrages.

Les vitrages, et plus particulièrement les vitrages haut de gamme sont très transparents à la lumière visible et sont opaques aux rayons infrarouge.
Ainsi, les rayons solaires entrent dans la maison sans absorption notable. Ils réchauffent les parois du local (sol et murs) qui émettent à leur tour un rayonnement infrarouge. Ce rayonnement infrarouge ne peut ressortir à travers le vitrage (opaque). La chaleur est donc piégée : c'est ce qu'on appelle l'effet de serre au sens strict du terme.
Cet effet est nettement renforcé par l'utilisation de vitrages faiblement émissifs.

Le cas des isolants minces :
On trouve actuellement beaucoup de publicités d'isolants minces composé d'une épaisseur de 2 à 3 cm d'isolant fibreux et d'un revêtement brillant. Selon leur fabricants, ils sont « équivalents à 20cm d'isolant courant ».

Notre avis : ces isolants diminuent effectivement le transfert de chaleur par rayonnement, mais comme ils se posent sur des parois opaques, ce rayonnement est déjà naturellement limité. Par contre leur faible épaisseur ne protège pas des échanges de chaleur par conduction (qui, on l'a vu dépendent de l'épaisseur de l'isolant).
Par conséquent, nous vous recommandons de ne pas utiliser ces isolants à la place des isolants courants. Et plutôt que de les utiliser en complément d'un isolant courant, choisissez d'emblée un isolant unique avec de bonnes qualités (voir ci-dessous).

L'isolation quand les températures varient (thermocinétique)


Toutes les normes actuelles concernant l'isolation sont basées sur les formules décrites précédemment.
Or ces formules sont basées sur l'hypothèse de températures constantes.

Dans la réalité, les températures ne sont pas constantes. En quelques heures, des élévations ou refroidissements de 20° ne sont pas rares (typiquement entre le jour et la nuit).

La propriété utilisée pour décrire le comportement des matériaux en présence de variation de température est la diffusitivité thermique.
La diffusitivité thermique caractérise la vitesse de propagation de la température (et des écarts de température) dans un matériau.
Plus elle est faible, plus le front de chaleur mettra du temps à traverser l'épaisseur du matériau.
Cette caractéristique est particulièrement appréciable :

  • en été pour retarder la pénétration de chaleur extérieure dans le logement.

  • pour retarder la propagation des incendies

  • pour filtrer le bruit (isolation acoustique)

La diffusitivité thermique dépend à la fois de la conductivité thermique et de la masse volumique de l'isolant.
Tout naturellement, un isolant lourd apportera davantage d'inertie thermique.

Comparons les valeurs de 4 matériaux isolants de même conductivité thermique. Du point de vue de la réglementation actuelle ces matériaux ont les mêmes qualités isolantes (=0,04).
Par contre la laine de bois est 16 fois plus performante que les laines minérales en rouleaux et 33 fois plus performante que les polystyrènes du point de vue de la diffusitivité thermique.

matériau

Masse volumique (kg/m3)

Conductivité  thermique
(W/m2 . °C)

Diffusitivité thermique
(m2/h)

Temps que mettra un front de chaleur à traverser 10 cm d'isolant (1)

isolant en laine de verre ou de roche en rouleau

15

0,04

0,0114

1 h 15 min

isolant en polystyrène

18

0,04

0,0056

1 h 50 min

isolant en laine de verre ou de roche en plaques

90

0,04

0,0017

3 h 15 min

isolant en laine de bois

150

0,04

0,00035

7 h 25 min

(1) selon la formule approchée donnée dans le guide Logements à faibles besoins en énergie
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