Thermique du bâtiment

La thermique du bâtiment est une discipline de la thermique visant à étudier les besoins énergétiques des bâtiments. Elle aborde principalement les notions d'isolation thermique et de ventilation afin d'offrir le meilleur confort thermique aux occupants. Elle aborde aussi les problématiques de fourniture d'énergie pour le chauffage et de production d'eau chaude sanitaire.

L'ensemble des parties d'un bâtiment est soumis aux transferts thermiques, qui sont des échanges de chaleur entre le milieu chaud et le milieu froid (généralement de l'intérieur vers l'extérieur). La connaissance et la maîtrise de ces transferts thermiques permet une gestion de la facture énergétique d'un bâtiment. La diminution de ces échanges thermiques permet de maintenir une température tempérée à l'intérieur du bâtiment en y apportant le moins d'énergie possible. Elle permet également d'orienter la conception du bâtiment dans un cadre réglementaire tout en visant un compromis entre coût énergétique et confort.

Une étude complète nécessite de distinguer les sources de chaleur internes et externes au bâtiment, c'est-à-dire les parties actives, des parties passives comme les surfaces extérieures, les vitres, la toiture par exemple.

Notions physiques et énergétiques

Déperdition thermique

Articles connexes : Transfert thermique, Déperdition thermique et Paroi (construction).

Déperditions thermiques d'un bâtiment.

Un échange de chaleur se produit entre deux milieux lorsqu'il existe une différence de température entre ces deux milieux. La chaleur se propage d'un milieu chaud vers le milieu froid par :

L'« enveloppe thermique » d'un bâtiment est la surface qui sépare le volume intérieur chauffé du bâtiment de l'environnement extérieur. Elle est définies par les parois extérieures du bâtiment. C'est autour de cette enveloppe qu'opèrent les échanges de chaleur, appelés aussi transferts thermiques, qui influeront sur les besoins de chauffage ou de rafraîchissement du bâtiment.

De manière générale, depuis le milieu intérieur, les calories atteignent les parois extérieures par convection et rayonnement, passent au travers de celle-ci par conduction, et s'échappent à nouveau par convection et rayonnement. Le but de l'isolation thermique est donc de diminuer les échanges de chaleur entre l'intérieur et l'extérieur par interposition d'un matériau ayant la capacité de conduction la plus faible possible. L'isolation thermique peut avoir pour but de garder la chaleur présente dans le bâtiment en hiver, ou d'éviter le réchauffement pendant l'été.

Par parois on observe:

Pour les murs :

Conduction : le mur transmet la chaleur par conduction dans son épaisseur entre l'intérieur et l'extérieur du bâtiment.
Convection : le vent accélère l'échange thermique à la surface extérieure du mur par convection.
Rayonnement : le Soleil chauffe le mur par rayonnement. Le mur chaud rayonne aussi la nuit vers le ciel.

Pour les fenêtres :

Conduction : la vitre transmet la chaleur par conduction dans son épaisseur entre l'intérieur et l'extérieur du bâtiment.
Convection : le vent refroidit la vitre par convection.
Rayonnement : le Soleil chauffe l'intérieur de la pièce à travers la surface transparente. L'intérieur de la pièce lui-même perd une partie de son énergie par rayonnement vers l'extérieur. Mais la vitre bloque une grande partie du rayonnement infrarouge émis (principe de l'effet de serre).

Pour la toiture :

Rayonnement : le Soleil réchauffe le toit par rayonnement.
Conduction : la chaleur du Soleil est transmise à travers le toit au reste du bâtiment.
Convection : le vent refroidit le toit avec un vent frais.

Pour le plancher :

Conduction : la chaleur est échangée entre le bâtiment et le sol à travers l'épaisseur de la dalle.
Convection : les échanges convectifs n'interviennent que si la dalle est située sur un vide sanitaire ventilé. Il n'y a pas d'échange par rayonnement.

Conductivité thermique

Article détaillé : Conductivité thermique.

Notée λ (ou k en anglais), la « conductivité thermique » ou Conductibilité thermique est une grandeur physique caractérisant le comportement des matériaux lors du transfert thermique par conduction. C'est le flux de chaleur qui traverse 1 mètre carré d'une paroi de 1 mètre d'épaisseur lorsque la différence de température entre les deux faces de cette parois est de 1 degré^[1]. Dans le système international d'unités, la conductivité thermique est exprimée en watts par mètre par kelvin, (W·m^-1·K^-1).

Plus λ est petit plus le matériau est isolant.

λ augmente en proportion négligeable avec la température mais surtout avec l'humidité contenue dans le matériau. L'eau a une conductivité thermique 25 fois supérieure à celle de l'air: Si l'eau vient à remplacer l'air dans les pores du matériau, la performance de celui-ci s'en trouve gravement amoindri^[1]. La pose d'un isolant dans les règles de l'art va donc souvent de paire avec le soin apporté à l'étanchéité et la connaissance en isolation thermique avec la connaissance des habituels problèmes d'humidité dans la construction.

Résistance thermique

Article connexe : Résistance thermique de conduction#Dans le bâtiment.

Le flux de chaleur traversant une paroi dépend de son épaisseur et de sa conductivité thermique λ^[1] La résistance thermique met en relation l'épaisseur et la conductivité thermique:

$R_{cd} = \frac{e}{\lambda}$

où :

e est l'épaisseur en m
$\lambda$ est la conductivité thermique en W K^-1 m^-1
$R_{cd}$ (ou simplement R) est la résistance thermique en m².K/W

Plus R est grand plus la paroi est isolante.

En pratique une paroi est constituée de plusieurs couches de matériaux d'épaisseurs et de conductivités différentes. De plus les calculs doivent prendre en compte deux résistances supplémentaires à la surface intérieures et extérieures des parois qui est due a une mince couche d'air quasi-immobile. La valeur « R superficiel » dépend de l'inclinaison de la paroi et est donnée par les textes officiels de chaque pays. La résistance thermique totale d'une paroi est la somme des résistances thermiques de chacune de ses couches, les deux couches superficielles comprises.

La résistance thermique des matériaux est parfois utilisée dans les règlementations thermiques, telles que la RT 2005 en France. Cependant cette grandeur est petit à petit abandonnée au profit de la transmission calorifique (coefficient de transfert thermique U, anciennement k), qui prend aussi en compte la mise en œuvre du produit.

Transmission calorifique

Pour caractériser une parois, on utilise l'inverse de R, c'est-à-dire U, le Coefficient de transfert thermique (anciennement appelé k)

$U = \frac{1}{\R}$

Plus U est faible plus la paroi est isolante.

Ce n'est que par commodité de calcul qu'il faut d'abord déterminer R, avant de connaître U.

Niveau d'isolation thermique d'un bâtiment

Article détaillé : Niveau d'isolation thermique d'un bâtiment.

Le Niveau d'isolation thermique d'un bâtiment est une grandeur qui détermine le niveau d'isolation thermique d'un bâtiment.

Consommation énergétique d'un bâtiment

On appelle consommation énergétique du bâtiment ou indice énergétique la consommation annuelle d'énergie du bâtiment nécessaire au chauffage divisée par la surface chauffée^[2].

$\mathrm{Indice~\acute energ\acute etique} = \frac{\mathrm{Consommation~d^\prime\acute energie}}{\mathrm{Surface~de~r\acute ef\acute erence~\acute energ\acute etique}}$

la consommation d'énergie est exprimée en kilowattheures par an (kWh/an), elle comptabilise les besoins de chauffage du bâtiment, et les besoins pour la production d'eau chaude sanitaire ;
la surface de référence énergétique est exprimée en mètres carrés (m²).

La consommation énergétique, ou indice énergétique, est donc une puissance par unité de surface, exprimée en kilowattheures par mètre-carré et par an (kWh/(m².an)).

La consommation énergétique d'un bâtiment dépend non seulement des performances thermiques du bâtiment (isolation, compacité, apports solaires passifs, etc.) mais aussi de la consigne de température souhaitée par les habitants. En effet, une hausse de température de consigne de 1°C peut engendrer, selon les bâtiments, une augmentation de la consommation d'énergie de 6% à 20%.

Cette définition n'est pas unique. Selon les pays, les usages peuvent varier. En particulier, la surface de référence retenue au dénominateur qui peut tenir compte ou non de l'épaisseur des murs, exclure ou non les pièces techniques (cages d'ascenseur, chaufferie), exclure une partie de l'espace au sol selon la hauteur du plafond, etc. D'autre part, le numérateur peut inclure, outre les consommations de chauffage, les consommation de climatisation, les consommations électriques etc. Il peut aussi ne représenter que les besoins de chauffage, c'est-à-dire sans tenir compte de la performance de l'équipement de chauffage effectivement mis en œuvre.

L'inertie thermique

Dans une pièce isolée par une couche d'isolant et une cloison de doublage légère (isolation intérieure), l'inertie thermique est faible et il suffit de peu de temps pour réchauffer l'air de la pièce. Cette propriété est un avantage dans le cas d'un chauffage programmé pièce par pièce.

Par contre, en été, le moindre rayon de soleil fera monter la température brutalement et cette dernière baissera aussi vite qu'elle aura monté lorsque le soleil disparaîtra. La sensation d'inconfort est nette.

L'utilisation d'une isolation extérieure ou de mur isolant massif en béton cellulaire ou brique alvéolée permet d'augmenter l'inertie thermique donc la réduction des variations de température.

Isolation thermique du bâtiment

Isolation des murs

Malgré son épaisseur rassurante, un mur de pierre de 70 cm d’épaisseur est équivalent à 1 cm de laine isolante sur le plan de l’isolation thermique, la conductivité thermique de la pierre étant beaucoup plus élevée que celle de l’air emprisonné entre les fibres d'isolant. Un mur non isolé est froid et favorisera la condensation de la vapeur d’eau si des enduits à base de ciment ou un pare-vapeur l'empêche d'évacuer naturellement cette vapeur d'eau.

Les méthodes d'isolation des murs

Il existe 3 principes pour réaliser l’isolation thermique d’un mur, ils diffèrent par l'usage projeté de l'habitation :

l'isolation intérieure et les cloisons de doublage. Cette solution, la plus répandue, est aussi la plus facile à mettre en œuvre. L'isolation intérieure sera choisie pour les cas de rénovations dans les appartements (car il est difficile d'intervenir sur l'extérieur du bâtiment) et pour les résidences secondaires. Dans ce dernier cas, l'occupation intermittente ne permet pas de chauffer durablement la masse thermique des murs. L'isolation intérieure laisse donc le mur à l'extérieur de la zone isolée et permet une montée en chauffe rapide adaptée à un usage temporaire. Elle a l'avantage (qui est aussi un inconvénient dans certains cas) de ne pas présenter d'inertie thermique. La contrepartie de l'isolation intérieure est une réduction de l’espace intérieur et la présence de nombreux ponts thermiques restant à traiter. La qualité d'une isolation intérieure peut diminuer avec le temps (tassement des laines derrière les plaques de plâtre, trous de souris dans le polystyrène, etc.)
l'isolation extérieure et les bardages. Cette solution, souvent plus coûteuse, nécessite généralement une épaisseur d’isolant plus faible. L'isolation extérieure est plus adaptée à l'isolation des résidences principales. Elle permet de conserver la masse thermique du mur à l'intérieur de l'enveloppe isolée. L'habitation, chauffée en continu, monte en température lentement dans toute sa masse mais se refroidit faiblement lorsqu'elle est inoccupée. L'isolation extérieure est par contre difficile à mettre en œuvre sur certains édifices anciens (pierre apparente, façades ouvragées) et nécessite presque toujours l'intervention de professionnels qualifiés. On choisira cette dernière solution si les dépenses de chauffage sont importantes car l’isolation obtenue est forte. Une isolation extérieure est intéressante car elle n’empiète pas sur le domaine habitable. Son épaisseur, donc son efficacité, ne peut guère dépasser 15 cm mais elle supprime facilement les ponts thermiques (abouts de planchers,…) sauf au niveau des fondations. Une épaisseur de 10 cm d'un isolant extérieur équivaut à 20 à 25 cm du même isolant intérieur sur le total des consommations s'il y a beaucoup de ponts thermiques. Autrement les qualités de résistance thermique (m².K/W) ou de coefficient de transmission surfacique (U en W/m².K) sont identiques pour une isolation extérieure ou intérieure : 10cm de l'une équivaut à 10 cm de l'autre du point de vue de la thermique d'hiver. On l’utilise principalement en rénovation.
L'isolation intégrée au matériau porteur. Cette solution utilise des matériaux qui intègrent un isolant dans leur structure : béton cellulaire, brique de chanvre, brique de terre cuite avec âme isolante, etc. L'isolation intégrée est généralement utilisée en construction neuve. Cette solution est performante et durable.

On trouve aussi maintenant des briques multi-alvéolaires communément appelé MONOMUR ayant tous les avantages de la brique, étant mur porteur et apportant une isolation supérieure a l'isolation traditionnelle par doublage des murs, évite ainsi l'ajout de main d'œuvre et de matériaux supplémentaires. Ces briques existent de 24 cm jusqu'à 49 cm d'épaisseur. L'assemblage se fait généralement à l'aide de colle et non de mortier de ciment.

Isolation des planchers

Par plancher, on entend le sol sur lequel on circule : dalle en béton, ou plancher sur solives. Le plafond d’un niveau correspond évidemment au plancher de l’étage supérieur. L’isolation thermique des planchers est importante pour le confort (en gardant les pieds au chaud) et pour l’économie d’énergie dans le cas d’une dalle chauffante.

L’isolation des planchers combat deux causes de déperditions thermiques :

pertes vers l’étage inférieur non chauffé (sous-sol, vide sanitaire, terre-plein…) ;
pertes par ponts thermiques.

Du fait que l’air chaud a tendance à s’accumuler au plafond et que la différence de température entre sous-sol et volume habitable est moins importante en hiver qu’entre l'extérieur et volume habitable, l’épaisseur de l’isolation nécessaire est plus faible (de l’ordre de 6 cm en plancher par rapport à 10 à 20 cm dans les combles).

Pour isoler un plancher on peut :

soit isoler la sous-face de celui-ci en fixant des panneaux isolants au plafond du niveau inférieur ou en utilisant une dalle avec hourdis isolants ;
soit réaliser une chape isolante (béton avec granulats isolants), une dalle flottante sur polystyrène expansé à haute densité (cas de la dalle chauffante), un plancher sur lambourdes séparées par de la laine
soit isoler avec de la ouate de cellulose en vrac, par l'étage du dessus ou du dessous; dans le premier cas on procède par bourrage lâche dans le plancher ouvert et, dans le deuxième cas, en soufflant le produit à travers une membrane brochée. On peut aussi souffler la ouate de cellulose à travers un plafond fermé en soufflant le produit à travers des trous de deux pouces de diamètre dans lesquels on insère le boyau.

Isolation sous les toitures et terrasses

En climat tempéré, la première source de déperdition thermique des maisons est la toiture (jusqu’à 30 %, voire plus). La fonte de la neige sur les toitures montre ici les défauts d'isolation entre maisons, se traduisant par un gaspillage d'énergie et des dépenses accrues, ainsi que des impacts sur l'environnement. En l'absence de neige, une thermographie rend visible ces pertes de chaleur

Comme l’air chaud monte par convection, la température est plus élevée au plafond et il est donc logique de placer une couche d’isolant plus épaisse dans les combles que sur les murs. Sous le toit les entrées d’air doivent être plus spécialement traitées, car il n’y a pas d’étanchéité des murs. La couche d’isolant doit être protégée contre les intrusions de la fouine ou des lémurs, en fermant à l’aide d’un grillage solidement fixé l’espace entre les chevrons au niveau de la sablière.

Plusieurs solutions sont possibles pour l’isolation sous le toit, en fonction de la résistance thermique souhaitée et de l’espace disponible :

peu d’espace et isolation faible — film réfléchissant fixé sous les chevrons, coûteux et de faible efficacité en pratique ;
peu d’espace et isolation moyenne — isolant entre les chevrons, de mise en œuvre délicate, car l’espacement entre chevrons est rarement régulier ;
espace disponible et isolation forte — double épaisseur de panneaux isolants fixés à l’intérieur d’une structure en caissons, entre les pannes ou encore soufflage d'un isolant en vrac (par exemple: ouate de cellulose ou laine de roche) après avoir installé les déflecteurs de ventilation entre les chevrons. La structure supporte aussi les plaques de plâtre, des panneaux d’aggloméré, de la frise de pin…

L’isolation est mise en place après la pose des conduits de fumée et des fenêtres de toit. Prévoir le passage des gaines de ventilation, des câbles de télévision, des gaines électriques…

Isolation des portes et fenêtres

Les ouvertures vitrées sont les points faibles de l’isolation globale de la construction. Limiter la surface de ces ouvertures est une solution pour réduire les déperditions, éviter les ouvertures au nord et côté du vent (souvent à l'ouest). Cette solution entraîne cependant une réduction de l'éclairement des pièces, une diminution des apports solaires (sources d'économies d'énergie en confort d'hiver) et une dégradation du confort. Un calcul de performance énergétique s'impose pour déterminer la bonne surface qui réalise le bon arbitrage entre gain en apports solaires et lumineux et pertes en isolation thermique.
On choisira donc de préférence les solutions suivantes :

utiliser le double-vitrage à faible émissivité de 24 mm d'épaisseur totale minimum (RT 2005),
choisir des huisseries épaisses en bois ou PVC de bonne qualité ou en aluminium avec rupture de pont thermique (offre standard depuis la RT 2000),
vérifier l’étanchéité des joints, y compris en bas de portes,
installer des volets étanches, si possible au droit de la façade pour limiter les effets du vent. Les volets roulants en PVC à double parois et caisson extérieur (dans l’épaisseur du mur) sont une des bonnes solutions. Par contre les volets roulants à lames aluminium double parois même injectées de mousse polyuréthane présentent une moins bonne isolation thermique. En effet, les lames aluminium favorisent les échanges thermiques avec l'extérieur contrairement aux lames PVC.
installer des doubles-rideaux épais devant portes et fenêtres,
supprimer les ponts thermiques au niveau des seuils et appuis de fenêtres.

La pose de doubles-fenêtres est une excellente solution contre :

le bruit ;
les entrées d’air (caissons de volets roulants, huisserie anciennes déformées, difficulté de poser des joints).

Par contre, la manœuvre et l’entretien des doubles-fenêtres est malaisée, leur esthétique discutable et leur coût élevé.

La pose de sur-vitrages est généralement une solution bon marché et peu efficace mais qui peut rendre service en rénovation^{[réf. nécessaire]}.

Pour réduire le rayonnement infrarouge pénétrant par les vitrages sud en été, il est possible de coller un film réfléchissant. Cette solution est assez efficace mais onéreuse. En plein jour, elle protège également des regards indiscrets (cas des rez-de-chaussées) sinon opter pour des doubles vitrages avec les fonctions de contrôle solaire.

En ce qui concerne le confort d'hiver, il faut compter avec les apports solaires. Il peut s'avérer optimal de préférer des fenêtres aluminium à des fenêtres PVC : les premières sont moins isolantes que les secondes mais, du fait de la finesse des profilés, l'aluminium maximise le clair de vitrage et procure de fait une meilleure performance énergétique.

Le pare-vapeur/coupe-vent

La face intérieure de l’isolation (côté chaud) doit être munie d’un film étanche à l’air qui remplit deux fonctions : celle de pare-vapeur et celle de coupe-vent. Ce film étanche fonctionne donc dans les deux sens :

interdire à l’air chaud et chargé de vapeur d’eau de pénétrer dans l’isolant et d’y provoquer de la condensation ;
empêcher le vent de s’infiltrer, au travers de l’isolation, dans le volume chauffé.

Les canalisations électriques et autres gaines qui traversent l’isolation ne doivent pas favoriser le passage des courants d’air, il faut les immobiliser fermement, les entourer d'isolant et les boucher aux extrémités (un morceau de papier ou un peu d'enduit, facilement retirable en cas de besoin) pour éviter la circulation d'air parasite par celles-ci entre les différentes pièces, les combles, les vides sanitaires et les pièces non chauffées. Idéalement, entre la finition intérieure et le pare-vapeur, on laisse un passage technique pour l'électricité et la plomberie, ainsi, on ne troue pas le pare-vapeur.

L'utilisation du frein vapeur hygrovariable permet de garantir la durabilité de votre isolation en évitant la surcharge d'humidité dans le bâti. Le frein vapeur hygrovariable (ouvert à la diffusion de la vapeur d'eau) fonctionne selon le principe de la membrane régulée par les conditions climatiques : en hiver il protège contre l'humidité, en été sa structure moléculaire s'ouvre et permet un séchage sûr.

Contrairement au pare-vapeur, le frein vapeur hygro-variable vous garantit une construction qui respire, donc plus saine.

Isolation des ponts thermiques

Isolation thermique par l'extérieur (ITE)

30% de la chaleur d'un bâtiment est perdue via les murs mal isolés, l'ITE est plus efficace que l'isolation par l'intérieure. Elle a d'abord été utilisée pour les bâtiments collectifs (HLM notamment) et de plus en plus pour les maisons particulières. Le « manteau isolant » augmente l'inertie thermique de tout le bâtiment et règle tout ou partie des problèmes de ponts-thermiques, ce qui présente un avantage important en régime transitoire. A qualité d'isolant égale, elle diminue beaucoup les pertes de chaleur l'hiver et conserver la fraîcheur de la nuit dans la maison pendant l'été. En France, elle devrait être encouragée par la RT 2012 (obligation au 28 oct. 2011 pour les bâtiments neufs de répondre à la norme bâtiments basse consommation (BBC ; moins de 50 kWh/m²/an pour les logements ANRU (Agence nationale pour la rénovation urbaine) dans des zones où le marché immobilier a un besoin manifeste de revitalisation et dans les bureaux et les locaux d'enseignement. Fin 2011, tous les bâtiments tertiaires et autres logements devront aussi y répondre, tout en respectant les dispositions du PLU ou du RNU. En France en 2011, 170 millions de m² de revêtement façade constitueraient 75 à 80% du marché de la rénovation des bâtiments collectifs, la maison individuelle neuve ne constituant que 3% du marché, et la rénovation de l'ancien encore moins.

Techniques : L'ITE se conçoit sur des murs plans et verticaux (maçonneries de parpaings, briques, blocs de béton cellulaire, revêtues ou non d'un enduit ciment ; des parois en béton banché ou préfabriqué ; des maçonneries de pierre.
L'isolant (panneaux d'isolants divers (écomatériaux éventuellement), briques de polystyrène expansé collées... est fixé sur le mur à l'extérieur de l'habitation et protégé par un enduit ou lambris, éventuellement lors d'une démarche de rénovation de façade. Pour l'étanchéité, une des solutions est une première couche ou sous-enduit avec armature en fibre de verre marouflée dans son épaisseur est généralement apposée pour satisfaire aux principales fonctions mécaniques. Dans un second temps, une deuxième couche ou enduit de finition est appliquée pour les fonctions décoratives d'aspect.
Un usage mixte est possible (ex ITE en façade arrière uniquement pour un immeuble dont la façade est patrimonialement intéressante), mais avec une légère perte d'isolation. De systèmes d'isolation de toitures par l'extérieur existent aussi, faciles à combiner avec une rénovation de toiture et de réfection de combles ou pose de panneaux solaires.

Avantages: Ce sont

suppression de tous les ponts thermiques des dalles de plancher, des murs de refend et autres cloisons ;
jusqu'à 80 % d'économie d'énergie pour les bâtiments les plus énergivores en limitant de façon importante la déperdition de chaleur par la façade et en limitant les ponts thermiques ;
utilisation de l'inertie des murs pour récupérer les apports extérieurs, les apports ménagers, et qui deviennent avec un chauffage adéquat de véritables radiateurs basse température ;
un meilleur confort thermique du fait que les murs lourds et donc conducteurs thermiques absorbent mieux la chaleur rayonnée par les occupants des lieux ;
pas de condensation dans les murs qui sont à la même température que l'air ambiant intérieur ;
utilisation possible de la chaufferie la nuit en période hivernale uniquement pour la production ECS (eau chaude sanitaire) en coupant le chauffage deux à trois heures sans perte de température significative, ce qui simplifie la régulation dans le cas d'une chaufferie à base de pompe à chaleur aquathermique ;
pas d'émanation de gaz nocif de polystyrène et colle dans l'air du logement, pas de problème d'accrochage des meubles de cuisine et de salle de bain, et des tringles à rideaux, pas d'apparition des bandes de collage ;
la surface habitable n'est pas diminuée ;
elle peut se faire sans interrompre l'occupation du logement dans le cas d'une rénovation.

Inconvénients :

coût souvent plus élevé (en raison du coût d'installation de l'échafaudage) à résistance thermique égale (variable selon la complexité des formes extérieures du bâti. Des solutions préfabriquées pourraient dans certains cas réduire ces coûts) ;
quelques difficultés de réflexion à la conception pour l'implantation des combles et du garage ou sous-sol ;
une technique moins abordable pour l’autoconstructeur mais néanmoins réalisable ;
elle modifie l'aspect extérieur du bâtiment ce qui, dans le cas de rénovations en zone patrimoniale, peut poser problème.

Pose de l’isolant

Les matériaux isolants à base de fibre de verre ou fibre de roche sont désagréables à poser. Utiliser des gants, un masque à poussière, des lunettes de sécurité et une combinaison de travail au col et aux poignets serrés. Essayer de ventiler le local.

L’isolation des sous-pentes peut se faire à l’aide de laine en rouleau munis d’un pare-vapeur que l’on agrafe sur les chevrons. Cette solution n’est possible que si l’écartement des chevrons correspond exactement à la largeur des rouleaux. En pratique l’épaisseur d’isolant ne dépassera guère 8 cm, ce qui est insuffisant dans la plupart des régions. Il est certainement plus pratique d’utiliser des panneaux découpés à l’écartement des chevrons ou de placer l’isolant en sous-face.

Dans le cas d'un isolant à bourrage lâche comme la ouate de cellulose, l'isolant est soufflé uniformément dans le grenier à la suite de l'installation de déflecteurs de ventilation. Pour les murs, une membrane est brochée à l'ossature de la structure avant d'y souffler l'isolant à haute densité.

Vérifier que les recoins sont comblés d’isolant, si nécessaire bourrer de la laine isolante dans les moindres trous. Condamner tous les orifices où des rongeurs pourraient pénétrer. On peut utiliser de la mousse de polyuréthane pour reboucher les trous ou remplir des alvéoles.

À propos de la sur-isolation

On peut être tenté de doubler l’épaisseur de l’isolation des murs. Ce n’est pas une mauvaise chose mais il faut tenir compte des points suivants :

doubler l’épaisseur de l'isolant ne coûte pas 2 fois plus cher (la main d'œuvre est la même) mais diminue (théoriquement) les déperditions de moitié. Car le coefficient d'isolation thermique (dénommé R) sera doublé. Par exemple, 10 cm de laine de verre apportent un coefficient R de 2.5, donc 2 fois 10 cm apporteront un coefficient R de 5. Une pose croisée des deux couches permettra aussi de limiter les déperditions.
l’épaisseur de l’isolant intérieur est autant de place perdue pour l’espace habitable : 10 cm d’isolant sur un pourtour de 40 mètres (étage de 10×10m) correspond à 4 m² de surface perdue.
une isolation performante nécessite un soin particulier: traiter les embrasures, ne pas créer de ponts thermiques, rendre l'enveloppe étanche à l'air, prévoir un pare-vapeur, prévoir une ventilation efficace.
l'isolant extérieur (en rénovation) résout ce problème. À partir des matériaux renouvelables (ouate de cellulose, bois, déchet agricole...chanvre, paille, liège) il est possible de réduire l'énergie grise vis-à-vis d'un isolant classique (laine de roche, verre ou plastique)^[3]
En respectant la norme Passivhaus (ép. environ 35cm), vous économisez sur le système de chauffage et investissez dans la sur-isolation. Le retour sur investissement est fonction des économies d'énergies réalisées (Calcul en fonction de l'évolution du coût de cette énergie).
pour être optimisée, l’isolation doit être cohérente. Les efforts pour isoler doivent être identiques pour les murs, la ventilation et les portes et fenêtres…

Chauffage

Chauffage passif

Le chauffage passif consiste à utiliser le rayonnement solaire, le choix des matériaux et l'orientation des parois de l'enveloppe thermique afin de chauffer directement le bâtiment par le rayonnement solaire sans transformation énergétique. À l'heure actuelle, dans les pays tempérés, le chauffage passif n'est pas suffisant pour couvrir l'intégralité des besoins de chauffage. Par contre, sous d'autres latitudes c'est tout à fait possible. Dans de nombreuses régions (p. ex. zones tropicales), la notion même de chauffage n'existe pas du fait du chauffage passif par l'air ou le soleil.

Le chauffage passif sert en général à réduire les besoins. Un système de chauffage actif est donc utilisé en complément.

Sources de chaleur

Différents types d'énergies et différents systèmes de diffusion de chaleur sont utilisées pour chauffer les bâtiments. Ces choix sont réalisés selon les spécificités locales : dimensions du bâtiment, énergies disponibles sur place. On peut distinguer les agents énergétiques utilisés pour le chauffage selon qu'ils soient des énergies de réseau ou non.

Énergies de réseaux

Les énergies de réseaux sont celles qui sont disponibles via un réseau auquel le bâtiment est connecté. Les énergies de réseau sont :

le gaz, le chauffage est réalisé par la combustion du gaz dans une chaudière, un fluide caloporteur (généralement de l'eau) permet de diffuser la chaleur dans un réseau dédié à l'intérieur du bâtiment ;
les réseaux de chaleur à distance. La chaleur est produite dans une usine proche, généralement par la combustion d'un agent énergétique (fioul, gaz, bois, déchets...). Le réseau distribue la chaleur par un le biais d'un fluide caloporteur circulant dans des conduites souterraines. Un échangeur thermique fournit la chaleur à un réseau secondaire propre au bâtiment et la chaleur est ensuite diffusée dans les locaux ;
l'électricité, le chauffage est réalisé par des convecteurs, des radiateurs ou une pompe à chaleur qui peuvent diffuser la chaleur par convection ou rayonnement dans la pièce.

Autres

Les bâtiments n'utilisant pas une énergie de réseau sont tous chauffés par un réseau basé sur un fluide caloporteur (généralement de l'eau). Différentes solutions sont utilisées pour chauffer ce fluide à la température nécessaire.

Les panneaux solaires thermiques

L'énergie provient du Soleil. Ce dernier émet un rayonnement électromagnétique qui, au contact du panneau solaire, fait monter en température le fluide caloporteur. Un panneau solaire thermique est constitué d'un tube dans lequel circule un fluide. Ce tube est situé dans entre une paroi noire qui absorbe l'énergie thermique et une paroi de verre. La paroi de verre est transparente au rayonnement solaire (principalement situé dans le visible) mais est opaque au rayonnement infrarouge (rayonnement du panneau). Il se constitue un effet de serre dans le panneau solaire.

L'utilisation de panneaux solaires thermiques convient à des bâtiments pour lesquels l'indice énergétique est faible. Cependant si les besoins énergétiques du bâtiment sont élevés, le solaire thermique peut-être utilisé en parallèle à une autre solution.

Chaudière à combustible

Une chaudière permet, par la combustion d'un agent énergétique, la production de chaleur. Le fluide caloporteur diffuse ensuite la chaleur à travers un réseau dédié, propre au bâtiment. Les différents combustibles qui sont utilisés par une chaudière pour le chauffage d'un bâtiment sont :

le fioul ;
le bois ;
le gaz (dans des sites ne disposant pas du gaz comme d'une énergie de réseau des réservoirs individuels peuvent être utilisés).

Pompe à chaleur

Les pompes à chaleur, ou PAC, se basent sur le principe du cycle frigorifique que l'on trouve également dans les réfrigérateurs. La chaleur fournie par l'environnement extérieur permet de vaporiser le fluide de la pompe à chaleur, un compresseur généralement alimenté électriquement permet d'augmenter la pression du fluide alors à l'état gazeux. Le fluide circule ensuite dans un condenseur, libérant ainsi de l'énergie captée par le système de chauffage du bâtiment. Le fluide rejoint ensuite l'évaporateur par une soupape de détente^[4].

On distingue trois types de pompes à chaleur pour la thermique du bâtiment, selon le type d'environnement extérieur utilisé pour l'évaporateur :

air ;
sol ;
eau.

Couplage chaleur-force

Le couplage chaleur-force (ou cogénération) est un système basé sur un moteur à combustion. La combustion de gaz ou de fioul par le moteur entraîne la production d'électricité par un alternateur, la chaleur émise par le moteur et par les gaz d'échappement est récupérée et sert à chauffer le bâtiment. Ce système produit de l'électricité pour les besoins du bâtiment et de la chaleur pour le chauffage. Le rendement énergétique d'un tel système est compris entre 90 et 95 %^[5].

La cheminée

La production de chaleur est due à la combustion du bois dans le foyer de la cheminée. Les transferts thermiques sont les suivants :

Conduction : la paroi de la cheminée est chaude et la chaleur est diffusée vers l'extérieur.
Convection : l'air réchauffé à proximité du foyer est mis en mouvement et remplacé par de l'air frais.
Rayonnement : devant la cheminée la chaleur est émise sous forme de rayonnement.

Dans le cas d'une cheminée à foyer ouvert, environ 90 % de la chaleur libérée par la combustion du bois est perdue avec les fumées par l'effet de tirage thermique de la cheminée elle-même. Pour un foyer fermé (insert), ces pertes sont réduites autour de 60 %.

Diffusion de la chaleur dans le bâtiment

Radiateur : son principe repose sur l'émission d'un rayonnement thermique. L'eau chaude porte les ailettes du radiateur à une température supérieure à celle de la pièce. Ces ailettes émettent ensuite un rayonnement, essentiellement dans l'infra-rouge, qui en première approximation peut-être étudié comme celui du corps noir.

Conduction lorsque la chaleur s'évacue par les parois du radiateur en contact avec un autre corps (mur, personne, ameublement).
Convection lorsque l'air extérieur en contact avec le radiateur se réchauffe.

Contexte actuel

De nombreux pays industrialisés et densément peuplés se situent dans des zones géographiques où le climat est caractérisé par des hivers froids. Les besoins de chauffage dans ces pays sont importants au cours de ces périodes. Des mesures réglementaire sont prises par certains pays afin de limiter les besoins énergétiques des bâtiments, on peut citer le diagnostic de performance énergétique en France.

Outils de calcul

Article connexe : Liste des logiciels CAO pour l'architecture, l'ingénierie et la construction#Logiciels d'analyse énergétique.

Evaluer les besoins annuels de chauffage ou de rafraîchissement d'un bâtiment requiert de disposer de très nombreuses données permettant de décrire précisément l'enveloppe du bâtiment, les conditions météorologiques et l'usage du bâtiment. À partir de ces éléments, il est possible d'appliquer les lois de la thermique propres aux différents types d'échanges thermiques (convection, conduction, rayonnement) pour en déduire les puissances instantanées mises en jeu à un instant donné. Pour obtenir un résultat pour une année, il existe des méthodes simplifiées annuelles ou mensuelles et des méthodes détaillées demandant beaucoup de calculs (pas de temps horaire ou de quelques minutes). Dans ce dernier cas on parle de simulation thermique dynamique du bâtiment.

Parmi les outils de calcul simplifié on peut citer :

PHPP (Allemagne, spécifique aux bâtiments passifs)
3CL (France, méthode réglementaire)

Les outils de simulation thermique dynamique du bâtiment les plus répandus sont les suivants :

TRNSYS (États-Unis d'Amérique)
Design Builder + Energy Plus (États-Unis d'Amérique)
Pléiades + COMFIE (France)
ESP-R (Écosse)
DOE-2 (États-Unis d'Amérique)
TAS (Royaume-Uni)
CODYBA (France)
IES <Virtual Environment> (Écosse)
WUFI (Allemagne)
SISAL <Simulation de Systèmes Accessibles en Ligne> (Belgique)
Lesosai (Principalement Suisse)

Voir aussi

Sources

Mémento technique du bâtiment, CERTU, consulté le 16 juin 2008

Notes et références

↑ ^{a, b et c} Jean-Pierre Oliva, L'isolation écologique, conception, matériaux, mise en œuvre. Terre vivante 2001.
↑ [PDF] Nouveaux bâtiments à faible consommation d'énergie, Office fédéral de l'énergie, SuisseEnergie, 2006
↑ http://www.labelvie.com/pages/habitat/energie_tableau.pdf
↑ Principe d'une PAC, programme Suisseénergie, consulté le 17 juin 2008.
↑ Couplage chaleur-force sur le site de l'Office fédéral de l'énergie, consulté le 17 juin 2008.

Articles connexes

Liens externes

http://garbure.org/~nenubat/transfert.html : Exemples de transferts thermiques dans le bâtiment
Fiche de l'Ademe
Animation sur l'isolation thermique et la rénovation énergétique
Plan Bâtiment- Grenelle de l'environnement

[Oliva-0] {a, b et c} Jean-Pierre Oliva, L'isolation écologique, conception, matériaux, mise en œuvre. Terre vivante 2001.

[1] [PDF] Nouveaux bâtiments à faible consommation d'énergie, Office fédéral de l'énergie, SuisseEnergie, 2006

[2] ttp://www.labelvie.com/pages/habitat/energie_tableau.pdf

[3] Principe d'une PAC, programme Suisseénergie, consulté le 17 juin 2008.

[4] Couplage chaleur-force sur le site de l'Office fédéral de l'énergie, consulté le 17 juin 2008.

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