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LES MATERIAUX ET L'INERTIE THERMIQUE

Jean-Louis IZARD

Julie LELONG

Laboratoire ABC, ENSA-Marseille

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LES MATERIAUX ET L'INERTIE THERMIQUE

Jean-Louis IZARD

Julie LELONG, étudiante en cycle maîtrise d'architecture

ENSA-Marseille

Introduction

Pour maîtriser l'inertie thermique d'un bâtiment en phase de projet, il est nécessaire de connaître les caractéristiques des matériaux qu'il faut choisir et mettre en oeuvre pour avoir une influence sur cette importante propriété du bâtiment.

81 matériaux ont été sélectionnés pour figurer dans les tableaux qui donnent ces

caractéristiques (conductivité thermique, chaleur spécifique, masse volumique, chaleur massique, diffusivité thermique et effusivité thermique, auxquelles sont jointes les dérivées de la diffusivité que sont la vitesse de transfert et la profondeur de peau thermique pour la période de 24 heures). Les matériaux sont d'abord présentés par famille (Bois et végétaux, Isolants et plastiques, Mortiers et plâtres, Pierres et béton s, Verres et métaux). Les tableaux donnent également l'origine des informations contenues. Ensuite, ces matériaux sont classés tout es catégories confondues en fonction de leurs valeurs de diffusivité et d'effusivi té thermiques remarquables (les 25 plus

élevées et les 25 plus faibles).

Les questions de la position de l'isolant dans une paroi bi-couche et celle de la

diffusivité et de l'effusivité des matériaux alvéolaires (parmi les quels on trouve le

monomur) sont traitées sous forme d'encart à la fin de l'article.

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1 - Rappel des propriétés des matériaux contribuant à la définition de

l'inertie thermique Les propriétés des matériaux concernées sont : La conductivité thermique !, aptitude d'un matériau à conduire la chaleur par unité de largeur et par degré de différence de température.

Unité: W/m.°C.

Rappelons que la conductivité thermique ! est très liée à la masse volumique: les matériaux "légers" sont souvent des matériaux isolants alors que les matériaux "lourds" sont conducteurs. La chaleur spécifique ", capacité d'un matériau à sto cker la chaleur par unité de masse et par degré de différence de température

Unité: Wh/kg.°C.

La masse volumique C : Masse d'un matériau ramenée à l'unité de volume.

Unité : kg/m

3 Le produit "C représente donc la chaleur volumique.

Unité : Wh/m

3 .°C La diffusivité thermique a, exprime la capacité d'un matériau à transmettre (rapidement) une variation de température. a = (! /#"C)

Unité: m

2 /s ou m 2 /h L'effusivité thermique b, exprime la capacité d'un matériau à absorber (ou restituer) une puissance thermique. b = (!."C) 1/2

Unité: J.m

-2 .°C -1/2 . s -1/2 ou Wh 1/2 m -1/2 .°C -1/2

Ces propriétés sont à l'origine de réponses des parois que constituent les matériaux :

La Vitesse de transfert:

Le déphasage peut aussi être exprimé par la " vitesse de transfert » à travers le matériau: v = 72,5 / (1/a) 1/2 v = vitesse de transfert (cm/h) e = épaisseur de la paroi (m) a = diffusivité (m 2 /h)

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Logiquement, la vitesse de transfert de l'onde de chaleur à travers un matériau est proportionnelle à la diffusivité thermique de celui-ci.

La Profondeur de peau thermique:

La profondeur de peau thermique est la profondeur du matériau à laquelle l'amplitude de la variation de température est ramenée au 1/2,72ème de sa valeur initiale: $ = (2a/%!) 1/2 $ = (a.P/&) 1/2 $ = profondeur de peau thermique (m) a = diffusivité thermique (m 2 /h)

P = période de l'oscillation (h)

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2 - Tableaux des propriétés thermiques des matériaux

Les matériaux sont classés dans les tableaux suivants en 5 classes : '#Bois et végétaux '#Isolants et plastiques '#Mortiers et plâtres '#Pierres et bétons '#Verres et métaux

Viennent ensuite les tableaux classant les matériaux par leur diffusivité et leur effusivité,

toutes classes confondues, en ne retenant que les 25 premiers et les 25 derniers : '#Les 25 matériaux ayant la diffusivité thermique la plus faible (ordre croissant) '#Les 25 matériaux ayant la diffusivité thermique la plus élevée (ordre croissant) '#Les 25 matériaux ayant l'effusivité thermique la plus élevée (ordre décroissant) '#Les 25 matériaux ayant l'effusivité thermique la plus faible (ordre décroissant)

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BOIS ET VEGETAUX

NomComplémentOrigine

!C""Cabvt# Bois légerTilleul bouleau Aide-mémoire du thermicien 9° éd,

0,155000,31650,00094,82,20,083

pin mélèze1987 + doc "Stage chauffage au bois"

Bois lourdChêne hêtre frêneAide-mémoire du thermicien - 9° éd,0,26500,74360,000510,01,70,064

arbres fruitiers1987 + doc "Stage chauffage au bois"

Bois très légerPeuplier okoumé sapinAide-mémoire du thermicien 9° éd,0,13500,82660,00055,61,50,059

épicéa cèdre 1987 + doc "Stage chauffage au bois" Fibre de boisConception thermique de l'habitat0,28000,64640,00038,31,30,050

Ed EDISUD

Linoléum naturelL'isolation écologique0,17000,53710,00025,51,10,041

Ed Terres vivantes

Panneau deConception thermique de l'habitat0,28000,64640,00038,31,30,050 particule boisEd EDISUD

Les Unités :

! : conductivité thermique = W /m.°C

C : Masse volumique : kg/m3

"#(#chaleur spécifique = Wh/kg.°C# "C : Chaleur volumique = Wh/m3.°C a : diffusivité thermique = m 2 /s ou m 2 /h b : effusivité thermique = Wh 1/2 m -1/2 .°C -1/2

VT : vitesse de transfert = cm/h

$ : profondeur de peu thermique = m

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ISOLANTS ET PLASTIQUES

NomComplémentOrigine

!C""Cabvt# ChènevotteChaleur spécifique estiméeChanvrière de l'Aube

0,051100,54590,00081,72,10,079

Feutre bitumeuxConception thermique de l'habitat0,517000,284760,001115,42,30,090

Ed EDISUD

Fibre de celluloseChaleur spécifique estiméeDoc "CLIMACELL"0,04350,39140,00290,73,90,150 Isochanvre Chènevotte habitat0,135500,392150,00065,31,80,068

Construction

Laine de chanvreChanvrilaine en rouleaux LCDA matériaux0,04250,39100,00400,64,60,175

Chaleur spécifique estimée

Laine de moutonChaleur spécifique estiméeL'isolation écologique0,04200,3370,00610,55,60,215

Ed Terre vivante

Laine de rocheFibres minéralesRègles ThK et "Aide-mémoire0,04250,2670,00630,55,80,220 du thermicien" -9°ed- 1987 Laine de verreFibres minéralesConception thermique de l'habitat0,04120,2330,01490,38,80,337

Ed EDISUD

Ouate de celluloseChaleur spécifique estiméeDoc "HOMATHERM"0,05550,39210,00211,03,30,127 Panneau deChaleur spécifique estiméeDoc "HOMATHERM"0,041000,39390,00101,22,30,089 cellulose Panneau de liègeDoc "LIEGEXPAN"0,041200,39470,00091,42,10,081

Aide-Mémoire du thermicien

Polycarbonate Aide-Mémoire du thermicien0,2312000,354200,00059,81,70,065 PolystyrèneMatière plastique alvéolaire0,04180,3970,00570,55,50,209 PolystyrèneMatière plastique alvéolaireRègles ThK et0,04250,38100,00410,64,60,177 expanséConception Thermique de l'Habitat PolystyrèneMatière plastique alvéolaireRègles ThK et0,03350,33120,00250,63,60,138 extrudécatalogue Styrofoam PolyuréthaneMatière plastique alvéolaireRègles ThK et0,03350,2380,00370,54,40,169

Conception Thermique de l'Habitat

PVCConception Thermique de l'Habitat 0,1613790,283860,00047,91,50,056 Verre cellulaireRègles ThK et0,051300,23300,00171,23,00,113

Conception Thermique de l'Habitat

Les Unités :

! : conductivité thermique = W /m.°C

C : Masse volumique : kg/m3

"#(#chaleur spécifique = Wh/kg.°C# "C : Chaleur volumique = Wh/m3.°C a : diffusivité thermique = m 2 /s ou m 2 /h b : effusivité thermique = Wh 1/2 m -1/2 .°C -1/2

VT : vitesse de transfert = cm/h

$ : profondeur de peu thermique = m

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MORTIERS ET PLATRES

Nom

ComplémentOrigine

!C""Cabvt#

Mortier

Pôle Construction

1,1519500,234490,002622,73,70,140

Sable secPôle Construction0,418000,223960,001012,62,30,088

Enduit à la chauxChaleur spécifique estiméeL'isolation écologique0,714000,283920,001816,63,10,117

Ed "Terre Vivante"

Enduit extérieurAide-mémoire du thermicien1,1517000,284760,002423,43,60,136

9°ed- 1987

Enduit plâtreConception Thermique de l'Habitat0,3515000,284200,000812,12,10,080 MortierAide-mémoire du thermicien1,1520000,234600,002523,03,60,138

9°ed- 1987

Plâtre + cellulosefermacell, doc 0,312000,222640,00118,92,40,093 Plâtre + Aide-mémoire du thermicien0,310000,222200,00148,12,70,102 fibres minérales9°ed- 1987 Plâtre courantAide-mémoire du thermicien0,359000,32700,00139,72,60,100

9°ed- 1987

Plâtre gypseConception Thermique de l'Habitat0,4212000,232760,001510,82,80,108

Les Unités :

! : conductivité thermique = W /m.°C

C : Masse volumique : kg/m3

"#(#chaleur spécifique = Wh/kg.°C# "C : Chaleur volumique = Wh/m3.°C a : diffusivité thermique = m 2 /s ou m 2 /h b : effusivité thermique = Wh 1/2 m -1/2 .°C -1/2

VT : vitesse de transfert = cm/h

$ : profondeur de peu thermique = m

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Les 25 matériaux ayant l'effusivité thermique la plus élevée (ordre décroissant)

Nom!C""Cabvt$

Métal ferreux15089000,1210680,14045400,2527,171,04

Acier Inox1679000,1411060,01447133,038,720,33

Granit326000,194940,0060738,505,650,22

Marbre2,424500,225390,0044535,974,840,18

Calcaire dur 2,224000,225280,0041734,084,680,18

Béton lourd1,7523000,265980,0029332,353,920,15

Calcaire ferme1,722000,224840,0035128,684,300,16

Béton laitier plein1,423000,245520,0025427,803,650,14

Béton 1,50523500,24700,0032026,604,100,16

Béton de granulats1,421000,245040,0027826,563,820,15 Eau à 20°C0,610001,1611600,0005226,381,650,06

Verre plat1,1624900,23572,70,0020325,773,260,12

Calcaire demi-ferme1,419500,224290,0032624,514,140,16 Enduit extérieur1,1517000,284760,0024223,403,560,14

Terre cuite1,1519000,254750,0024223,373,570,14

Amiante ciment0,9518000,295220,0018222,273,090,12

Terre crue1,118000,234140,0026621,343,740,14

Béton de granulats1,1516500,243960,0029021,343,910,15 La liste des 25 matériaux plus effusifs place en tête des métaux. Les matériaux de maçonnerie y figurent (béton, pierre, terre crue). Dans cette série, la vitesse de transfert et la profondeur de peau thermique sont en ordre plus dispersé mais il a bien une tendance à la diminution quand l'effusivité diminue.

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Addition de matériaux : quel positionnement ?

Une question est souvent posée en cas de recours à deux matériaux, l'un plutôt effusif et l'autre isol ant thermique : " où placer l'isol ation thermique, à

l'extérieur ou à l'intérieur ? ». La réponse nécessite quelques réflexions sur le

destin des flux thermiques à travers les deux couches mitoyennes. D'abord, il faut distingue r entre l es osci llations thermiques provenant de l'extérieur et celles qui viennent de l'intérieur du bâtiment (les deux inerties : " de transmission » et " par absorption »). A B Profils d'amplitudes sous l'effet d'une sollicitation extérieur à l'intérieur des murs toutes les 4 heures pour les deux positions de l'isolant : A = Isolant intérieur ; B = Isolant extérieur ; (d'après Pierre LAVIGNE).

Oscillations extérieures :

Cas de l'isolation intérieure (A) : dans le matériau effusif (béton) en position extérieure, l'amplitude de l'oscillation décroit avec la profondeur et à l'interface avec l'isolant, la température du maté riau effusif s' impose ; l'a mplitude continue à diminuer à travers l'isolant qui a la même diffusivité que le béton. Cas de l'isolation extérieure (B) : le matériau effusif (béton) en position intérieure crée un " appel de chaleur »venant de la couche e xtérieur e et à l'interface, comme c'est le matériau effusif qui impose sa température, il y a une chute brutale dans le s profils d'amplitudes à travers l'isolan t. Au bout du compte, l'amplitude coté intérieur est inférieure à celle ducas précédent. Cette solution est donc préférable.

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Oscillations d'origine intérieure :

Cette circonstance, due rappelons-le à l'intermittence des apports internes ou à cell e d'apports solair es non contrôlés, est pl us facile à traiter : ici l'effusivité joue un rôle capital ; par cons équent la solution de l' isolant extérieur est plus intéressante. La question que l'on peut se poser est " dans quelle proportion ? ». Tout dépend de l a pré sence d'autres parois effusives à l'intérieur du bâtiment : planchers bas et haut, cloisonnements lourds. Si ces parois, qui présentent en général une surf ace d'éch ange considéra ble, sont effusives, l'ajout d'effusivité par la façade a un effet négligeable. Dans ce cas, il est possible de proposer une façade légère dont les fonctions principales soient l'isolation thermique et le contrôle de l'ensoleillement, en utilisant du bois par exemple.

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Le cas des matériaux creux ou alvéolaires

Le calcul de la diffusivité et de l'effusivité thermiques des matériaux creux est très difficile et il y a peu d'informations sur ce thème. Pierre Lavigne considère que l' on peut r aisonner à partir des valeurs équivalentes de la conductivité thermique ! et de la chaleur volumique "C. Il observe alors ceci :

Pour les matériaux creux :

'#La conductivité équivalente ! décroitnécessairement avec la présence de l'air. '#La chaleur volumique équivalente "C subit elle aussi une diminution: la présence de l'air réduit la capacité à absorber la chaleur.

Il résulte de cela que :

'#La diffusivité équivalente a évolue sans doute peu puisque !#et#"C sont susceptibles de diminuer simultanément, mais on ne sait pas dans quelle proportion puisque ces deux diminutions sont indépendantes. '#L'effusivité équivalente b subit certainement une diminution, puisque c'est le produit de deux grandeurs qui diminuent toutes les deux. L'utilisation de matériaux creux n'affecte probablement pas l'in ertie de transmission du bâtiment, mais réduit certainement l'inertie par absorption. Construire en Monomur paraît donc une solution discutable en terme d'inertie par absorption, mais ces matériaux étant utilisés essentiellement en enveloppe extérieure (façades), cela n'a d 'influence néfaste qu' en cas de planchers et cloisonnements internes dépourvus d'effusivité, ce qui est rarement le cas lorsqu'on construit avec des Monomurs.

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Récapitulons...

Choisir un matériau pour obtenir des effets de l'inertie thermique, c'est :

A - Pour augmenter l'inertie de transmission :

Il faut diminuer la diffusivité du matériau ; pour cela deux moyens : '#Diminuer la conductivité thermique !. '#Augmenter l'épaisseur de mise en oeuvre du matériau. En théorie, on pourrait aussi augmenter la chaleur volumique "C, c'est à dire augmenter " la chaleur spécifique et augmenter C la masse volumique. Mais cela est contradictoire avec ce qui précède du fait de la loi de proportionnalité qui lie la conductivité et la masse volumique.

B - Pour augmenter l'inertie par absorption :

Il faut augmenter l'effusivité du matériau ; pour cela il y a lieu de distinguer deux positions :

B1 - En façade, il y a trois moyens :

'#Augmenter la conductivité thermique !. '#Augmenter la chaleur volumique "C, c'est à dire augmenter " la chaleur spécifique, augmenter C la masse volumique. '#Positionner la paroi isolante à l'extérieur de manière à conserver la couche effusive à l'intérieur. B2 - En parois internes (planchers et cloisonnements), il y a trois moyens : '#Augmenter la conductivité thermique !. '#Augmenter la chaleur volumique "C, c'est à dire augmenter " la chaleur spécifique, augmenter C la masse volumique. '#Augmenter la surface d'échange entre les matériaux effusifs et l'ambiance intérieure. Les surfaces potentiellement mises en oeuvre étant plus importantes pour les parois internes que pour la parties opaques des façades, c'est l'effusivité des premières qu'il faut viser en priorité. Les façades peuvent alors être dotées plutôt de l'inertie de transmission.

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3 - Bibliographie

Pierre LAVIGNE en collaboration avec Paul BREJON et Pierre FERNANDEZ, " Architecture climatique, une contribution au développement durable », tome 1 : Bases physiques ; EDISUD,

Aix-en-Provence. 1997.

Ouvrage très détaillé sur la question de l'inertie thermique du bâtiment avec un usage clair des analogies

hydrauliques. La référence dans le domaine. " L'inertie thermique dans la conception », Pôle Construction, Montpellier. Mai 2003.

L'une des communications au colloque " L'inertie en climat méditerranéen » du 15 mai 2003 à Montpellier.

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