Dans l’article qui suit, nous allons aborder les propriétés des matériaux, mais d’un point de vue bioclimatique et thermique et non physique.
Les matériaux chauds et froids
Afin d’appréhender ce qui suit, on va parler de matériaux chauds et froids.
La chaleur au niveau des molécules représente le mouvement. Les molécules chaudes sont agitées et vont transmettre leur énergie aux froides et ainsi les mettre en mouvement, en perdant une partie de leur agitation.
De façon à comprendre le principe, il suffit de toucher les matériaux. Un matériau froid aura besoin de beaucoup d’énergie pour monter en température et refroidira donc votre main à son contact, il lui faudra une grande quantité d’énergie pour se réchauffer, mais une fois cela fait, il restera à température pendant un moment. En contradiction, un matériau chaud se réchauffera rapidement au contact, nécessitera peu d’énergie pour le réchauffer, mais refroidira rapidement. Il se réchauffe donc uniquement en surface.
Une façon assez simple de se rendre compte est de soupeser le matériau. Les matériaux froids sont denses, donc assez lourds. En contradiction, les matériaux chauds sont légers.
Pour faire un parallèle :
- Lorsque nous sommes dans l’air ambiant à 20°C (très léger), sans vent, ses molécules ne nous donnent pas une sensation de froid. On peut donc en déduire que l’air n’absorbe pas notre chaleur et qu’il est donc isolant
- En contrepartie, lorsque nous sommes dans une eau à la même température, celle-ci nous donne froid car elle absorbe notre chaleur, donc elle est conductrice et favorise le transfert de chaleur.
On peut donc en déduire que :
- Les matériaux légers, contenant de l’air, sont isolants
- Les matériaux lourds, contenant peu d’air, conduisent notre chaleur (inertie)
Pour les matériaux bio et géosourcés, il existe 3 catégories :
- Le végétal qui est isolant
- Le minéral qui donne une inertie
- Les mixtes (minéral + végétal) qui apportent isolation avec de l’inertie
Catégorisation des matériaux
Avant de développer plus la conception ou la rénovation des bâtiments, il faut déjà commencer par vous présenter les données qui permettent de comprendre, valoriser et appréhender ces éléments.
La conductivité thermique [lambda λ]
La conductivité est la capacité d’un matériau à laisser passer la chaleur par conduction (Passage de la chaleur [..] d’un point à un autre d’un corps sous l’action d’une différence de température. Source : Larousse)
Elle peut s’écrire W/m.K ou W/m.°C pour Watt par mètre et par degré (Celsius ou Kelvin). Elle représente le flux d’énergie nécessaire pour réchauffer un matériau de 1 m², de 1°C, d’une épaisseur de 1 m (et donc sa capacité à laisser passer la chaleur).
Plus la valeur est élevée, plus le matériau a d’inertie. Plus elle est faible, plus il est isolant (les avis varient, mais on considère un matériau comme isolant pour des coefficients inférieurs à 0,1 ou 0,08 ou 0,06W/m.K en fonction des avis)
Si vous cherchez la conductivité de différents matériaux, vous pouvez télécharger le document Th-Bat de la Réglementation Thermique 2012 (RT2012) qui en donne bon nombre.
La résistance thermique [R]
La résistance thermique représente la résistance au flux de chaleur dans un matériau d’une conductivité (λ) sur une épaisseur (e)
Celle-ci est formulée : R=e/λ
Afin d’avoir la caractéristique d’une paroi, il faut cumuler toutes les résistances. Plus le R est grand, plus le matériau sera isolant. Il s’exprime en m².K/W
Rparoi = R1 + R2 + R3 + R4 + …
Pour le cumul, on prend en compte les matériaux jusqu’à l’extérieur ou une lame d’air ventilée (on ne prendra pas un bardage après une lame d’air).
Exemple : on prend un mur en béton armé de 20 cm d’épaisseur (e = 0,20 m). Son lambda est de 2,2 W/m.K. Sa résistance sera donc : R=e/λ=0,2/2,2=0,091m²K/W
Par comparaison, si on prend une isolation en laine de bois de 20 cm avec un lambda de 0,038W/mK, on aura un R de : R=e/λ=0,20/0,038=5,26m²K/W
Le coefficient de déperditions thermiques [U]
Celui-ci représente le flux de chaleur qui passe à travers la paroi traitée. Il est l’inverse de la résistance thermique (R] de la paroi (donc la somme de toutes les résistances de la paroi, y compris les résistances superficielles intérieures et extérieures Rsi et Rse).
Donc pour l’obtenir, on aura une formule U = 1 / ∑R
Plus le U est important, plus la paroi aura d’inertie. Plus le U est faible, plus la paroi sera isolante.
L’inertie thermique
L’inertie thermique est la capacité d’un matériau à stocker de la chaleur, ou de la fraîcheur et à la restituer. Elle est caractérisée par la capacité thermique qui est, en général, importante, et permet d’emmagasiner de la chaleur au cours de la journée et ainsi, à limiter voire éviter les surchauffes (et donc l’inconfort) au sein de l’habitat.
En hiver, l’énergie emmagasinée par la paroi est restituée la nuit limitant l’énergie nécessaire au maintien de la température.
En été, elle emmagasine une grande partie de la chaleur et la restitue la nuit, moment auquel on ouvre les fenêtres de part et d’autre de la maison pour évacuer la chaleur emmagasinée la journée.
Pour vous donner un ordre d’idée de ce qu’est l’inertie thermique, prenons 2 éponges, dont une gorgée d’eau et l’autre non. Celle gorgée d’eau aura une forte inertie (besoin de beaucoup d’énergie pour la faire monter en température et temps important pour la restituer) alors que celle en contenant peu, aura une faible inertie (montée et descente en température rapide)
On peut voir l’illustration avec les 2 exemples ci-dessus. Avec une inertie lourde, le décalage des montées en température est appelé déphasage est exprimé en heures. C’est la valeur entre le moment où la chaleur arrive sur une paroi et le moment où elle passe de l’autre côté de celle-ci. En général, on fait en sorte d’avoir un déphasage entre 10 et 12h
La capacité thermique [cp]
C’est la quantité de chaleur (en Wh/m3.°C) que peut emmagasiner un matériau par rapport à son volume. Cela correspond à la quantité d’énergie nécessaire pour faire monter la température d’un m3 du matériau de 1°C. Plus la capacité est élevée, plus le matériau peut stocker de chaleur.
La diffusivité thermique [d]
Elle représente la vitesse à laquelle se propage la chaleur par conduction dans un corps. Elle fait intervenir la conductivité thermique λ et la capacité thermique d’un matériau. Plus la valeur est élevée, plus la diffusion sera lente à traverser l’épaisseur de la paroi.
Sa méthode de calcul est:
d = λ / (ρ x cp)
où :
λ (lambda)} 
ρ (rho)} sa masse volumique (en kg/m3),
cp (cépé) ou c sa capacité thermique massique à pression constante (en J/(kg.K)).
Source : wikipedia
C’est une grandeur de l’inertie thermique.
L’effusivité thermique [Ef]
C’est la capacité des matériaux à absorber, ou restituer un apport de chaleur plus ou moins rapidement. Elle caractérise la sensation de « chaud » ou de « froid » que donne un matériau. (voir introduction de cet article). La valeur Ef exprime la quantité de chaleur (en kilo joules ou kJ) qui a pénétré sur 1 m² de surface après 1 seconde d’exposition avec une autre surface de température 1°C plus élevée. Elle utilise, tout comme pour la diffusivité, la capacité thermique et la conductivité thermique du matériau pour son calcul
Sa méthode de calcul est:
source : wikipedia
Diffusivité et onde de chaleur
Un autre facteur directement lié à la diffusivité est la longueur d’onde ou déphasage. C’est le temps qu’il faut à la chaleur pour parcourir un matériau (traverser une paroi). Ce facteur est en général calculé pour que le flux de chaleur mette 10 à 12h pour le parcourir en été (voir explicatif dans l’inertie thermique)
Le coefficient de résistance à la diffusion de vapeur µ (mu)
Ce coefficient détermine la perméabilité d’un matériau à la vapeur d’eau. Plus la résistance est élevée, plus le matériau est étanche.
Une valeur inférieure à 10 correspond à une très bonne diffusion de la vapeur d’eau
La résistance à la vapeur d’eau Sd (esdé)
Elle caractérise la faculté d’un matériau à s’opposer à la migration de la vapeur d’eau.
Elle est calculée à l’aide de la formule:
Sd=µxe
où :
Sd s’exprime en mètre
Pour des explications un peu plus visuelles, vous pouvez vous rendre sur cette page
Si vous souhaitez avoir des explications un peu plus détaillées, vous pouvez regarder cette vidéo
Vous pouvez également fouiner un peu plus sur cette chaîne, il y a pas mal de vidéos intéressantes.