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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.

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

Résistance thermique de quelques isolants pour une épaisseur de 15 cm 4,5 4 3,5

R (m².K/W)

 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.

3 2,5 2 1,5 1 0,5 0

polystyrène expansé

laine de verre

laine de roche

laine de bois

laine de cellulose

liège expansé

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

 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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L'inertie thermique des matériaux L'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. 

T°C

Évolution des températures sous toiture pour des structures isolantes différentes 11 heures

35

6 heures

30 25 20 15 10 Température extérieure Source : Pavatex isolation avec fibres minérales isolation avec panneaux de bois mou

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.

 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. 

✔ 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 grise Afin 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 répartie Les 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 Masse volumique ρ (kg/m³)

Conductivité thermique λ (W/m.K)

Capacité thermique ρC (Wh/m³.K)

30 à 300 15 à 30 7 à 15 20 à 30 30

0,038 0,042 0,050 0,028 0,030

12 9 4

27 à 60

0,032

17

1,89

3,15

40 à 150

0,039

27

1,43

15 à 40

0,041

8

5,21

Diffusivité thermique Vitesse de transfert a (m²/h) * 10^-3 v (cm/h) *

Effusivité thermique E ( Wh½/m².K)

Résistance à la diffusion de la vapeur d’eau μ

Énergie grise (kWh/m³)

Matériaux d'isolation

Polystyrène expansé Polystyrène extrudé Polyuréthane (panneaux) Polyuréthane (mousse) Laine de verre

Laine de roche Verre cellulaire Vermiculite Panneaux de bois mou Panneaux de bois « mi dur » Laine de cellulose Liège expansé Panneaux de chanvre Panneaux en lin semi-rigide Laine de coton en rouleaux Laine de mouton

Pisé

4,06 4,93 7,7

0,7 0,6 0,5

12

40 à 100 30 à 70 20 à 50 80 à 300 Imperméable

0,7

Imperméable

2,74

1

5,23

0,6

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

≈ 450 ≈ 850 1000 à 1200

7 à 15

0,050

3

15,89

9,14

0,4

40 à 200

0,045

34

1,31

2,62

1,2

25 à 40

0,044

9

4,73

4,99

0,6

15 à 25 140 à 180 110 à 140 75 à 130 40 à 55

0,050 0,057 0,051 0,06 à 0,08 0,040

6 44 35

8,74 1,28 1,47

6,78 2,59 2,78

0,5 1,6 1,3

113

0,37

1,39

2,2

∞ ∞ 3à4 1à2

160 20 à 30

0,050 0,043

156 11

0,62 3,97

1,81 4,57

2,8 0,7

5 1à2

≈ 12,5 ≈6

100 à 150 20 à 30

0,049 0,039

65

0,75

1,99

1,8

5 à 30 1à2

80 à 90 30

30 à 35 20 20 à 50 10 à 20

0,037 0,040 0,060 0,065

16 7

3,86 9,75

4,5 7,16

1 0,7

1à2 1à2 1à2 1à2

80 80

0,29 0,21

222 167

1,31 1,26

2,62 2,57

8 5,9

4 à 10

≈ 400

0,14 0,11

111 213

1,26 0,52

2,57 1,65

3,9 4,8

0,12 0,11

202 136

0,59 0,81

1,76 2,06

4,9 3,9

Très faible

Très faible

0,9 1,04 0,64 1,1

250 653 458 785

3,6 1,59 1,4 1,4

4,35 2,89 2,71 2,71

15 26,1 17,1 29,4

5 à 10 50 à 100 50 à 100

1800 1700 1700 100 à 120

Matériaux de construction à isolation répartie 775 à 825 Béton cellulaire 575 à 625 Béton cellulaire 375 à 425 Béton cellulaire 400 à 450 Béton de chanvre 700 à 750 Brique alvéolée (monomur) 300 à 400 Terre-paille Autres matériaux Parpaing de ciment 850 à 950 Brique de terre cuite pleine

3,14 4,63 11,29

2300 à 2400 1600 à 1700 1770 à 2000

150 à 250

Moins sensible à l'humidité que la laine de verre ≈ 1600 ≈ 230 ≈ 12,5

700

*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.