La transmission de la chaleur est l’élément essentiel dans le traitement des échanges thermiques de l’enveloppe d’un bâtiment. Elle aparait quand il y a une différence de température entre 2 milieux qui crée un phénomène physique de transfert d’énergie ce qui provoque la fuite de la chaleur vers le froid. La transmission de chaleur est de 3 types :
- La conduction : c’est le déplacement de la chaleur dans un même matériau, ou dans 2 matériaux en contact. Elle concerne principalement les corps solides et les fluides.
- La convection : c’est un déplacement de chaleur entraîné par la variation de masse volumique entre 2 points. Elle concerne principalement les gaz et les fluides.
- Le rayonnement : c’est la transmission de chaleur impliquant une onde.
La conductivité thermique λ
La conductivité thermique est la propriété qu’ont les corps de transmettre la chaleur par conduction, rayonnement et convection. Elle représente la quantité d’énergie traversant :
- 1m² de matière homogène ;
- pour 1m d’épaisseur (soit 1m3) ;
- avec une différence de température d’un degré K entre les 2 surfaces (K = 1°C) ;
- en 1 seconde.
Pour exprimer la performance des matériaux, leur comportement thermique est étudié face aux diverses sollicitations (météo, température, durée dans le temps).
La conductivité s’exprime en Watt par mètre Kelvin (W/m.K). Elle est exprimée par le coefficient λ (Lambda). Plus le Lambda λ est grand, plus le matériau est conducteur, plus le Lambda λ est petit, plus il est isolant.
Cette valeur est testée dans des conditions normalisées (température moyenne du matériau de 10°C), mais ce sont les industriels qui quantifient eux-mêmes ces valeurs qui sont constantes, intrinsèque et propre à chaque matériau mais qui doivent être certifiées par un organisme tiers. Selon la norme NF/EN 13 162, est déclaré comme isolant, tout matériau dont la conductivité thermique est inférieure à 0,060 W/(m.K).
Cependant, le Lambda λ peut fluctuer en fonction du taux d’humidité dans un matériau hygroscopique, c'est-à-dire capable de contenir de l’eau sous forme liquide. On parle alors de Lambda λ « utile » qui est calculé à un taux d’hygrométrie moyen (le Lambda λ classique est appelé λ « sec »). Ces matériaux fixent la vapeur d’eau qui condense sur leurs pores (selon leurs tailles et le taux d’humidité) et permettent de stocker et déstocker l’humidité de l’air. En abaissant le taux d’humidité de l’air, ils repoussent l’endroit où la vapeur d’eau se condense par saturation : le point de rosée.
Le flux de chaleur φ : La loi de Fourier
La quantité de chaleur qui fuit à travers une paroi de 1m² pendant 1 sec est appelée le flux de chaleur φ (phi). Plus l’écart de température est grand, plus le flux de chaleur augmente. La loi fondamentale de Fourier, régissant le flux de chaleur φ dans une paroi homogène, s’exprime par la formule :
φ = λ(ΔΤ/е)
- φ : flux de chaleur en W/m²
- λ : conductivité thermique e, W/m.K
- ΔΤ = différence de température entre les 2 milieux en Kelvin
- е = épaisseur du matériau exprimé en m
La résistance thermique R
Plus l’épaisseur d’un matériau est importante, plus le flux de chaleur qui la traverse rencontre une résistance. Cette résistance thermique R dépend donc du Lambda λ du matériau et de son épaisseur е. Elle se calcul par la formule :
R = е/λ
- R = résistance thermique en m².K/W
- е = épaisseur du matériau exprimé en m
- λ : conductivité thermique en W/(m.K)
λ est donc utilisé pour exprimer la performance d’une matière, R un produit de telle matière avec tant d’épaisseur. Alors qu’il vaut mieux privilégier les matériaux avec un Lambda λ faible, la résistance thermique R doit être quant à elle élevé pour une meilleur isolation. Celle-ci peut être d’ailleurs réduite à mal avec une mauvaise étanchéité à l’air, un vieillissement prématuré, une mauvaise mise en œuvre pouvant aller jusqu’à diviser la valeur par 5 !
Pour exprimer la résistance thermique d’une paroi, il faut additionner les résistances des différents éléments qui la constituent (les λ eux ne s’additionnent pas). A cela, on ajoute également les résistances « superficielles » qui agissent sur les parois extérieures (Rse) et intérieures (Rsi).
| Paroi donnant sur l'extérieur | Paroi donnant sur un local non chauffé | |||
| RSI | RSE | RSI | RSE | |
| Horizontal | 0,13 | 0,04 | 0,13 | 0,13 |
| Ascendant | 0,10 | 0,04 | 0,10 | 0,10 |
| Descendant | 0,17 | 0,04 | 0,17 | 0,17 |
Exemple de calcul pour un mur : R = Rse + R matériau 1 + R matériau 2 + R matériau 3 + Rsi
Le coefficient de transmission surfacique U
Une paroi étant constituée de plusieurs couches de différents matériaux en différentes épaisseurs, il suffit d’additionner toutes les résistances. Pour nommer cette somme, on utilise le coefficient de transmission surfacique U qui est égal à l’inverse de la résistance thermique totale (anciennement K). Ainsi :
U = 1/R
- U = coefficient de transmission surfacique en W/m².K
- R = résistance thermique en m².K/W
Comme le Lambda λ, plus le U est faible, plus la paroi est isolante.
Il existe plusieurs déclinaisons du U :
- Ubât : c’est la valeur U qui détermine les performances globale d’un bâtiment ;
- Up : déperdition thermique surfacique d’une paroi ;
- Ud : pour « door » (porte). Pour les menuiseries, celle-ci étant composées de plusieurs matériaux, des tests sont élaborés par les fabriquants qui calculent eux-mêmes leur U ;
- Uw : pour « windows » (fenêtre). Idem que pour le Ud. Uw est le résultat d'un calcul en fonction de Uf, Ug et Up (panneau) et de leur surface ;
- Ug : pour « glass » (vitre) qui correspond uniquement à la performance du vitrage ;
- Uf : pour « frame » (cadre) qui correspond uniquement à la performance du dormant ;
- Uc : c’est le U du coffre seul (volet) ;
- Usw : pour « shutter windows » (volet de fenêtre). C’est le coefficient Uw quand la fenêtre est muni de son volet (donc de meilleure performance). Usw = Uw + Uc ;
- Ujn : pour « jour-nuit ». C’est le coefficient de déperditions « jour-nuit » Ujn. Il correspond à la moyenne entre le Uw de la fenêtre le jour et son coefficient avec le volet baissé la nuit Usw. Ujn = (Uw+Usw)/2