Les échanges thermiques d'une paroi
Un bâtiment est un ensemble complexe de matériaux en contact avec un environnement aux températures fluctuantes ; des transferts de chaleur s’y produisent en permanence. C’est également un lieu que l’homme occupe plus de 80 % de son temps au cours de sa vie. Au‑delà des performances thermiques auxquelles un bâtiment doit répondre aujourd’hui, il doit s’intégrer parfaitement aux contraintes de son environnement, tout en le respectant, et offrir à ses usagers un confort optimum à chaque saison. Un bâtiment est une enveloppe composée d’une multitude de parois, opaques ou non, chacune d’elles étant l’assemblage de matériaux aux caractéristiques diverses : c’est cet ensemble composite qui lui confère ses caractéristiques thermiques.
Article rédigé par François-Maxime Fuchs et Benoît Raymond.
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Les modes de transfert de chaleur dans les parois
La chaleur circule en permanence dans les bâtiments dès qu’il existe une différence de température entre l’intérieur et l’extérieur. Elle se déplace toujours du milieu le plus chaud vers le plus froid selon trois mécanismes : la conduction, la convection et le rayonnement. La conduction correspond au passage de la chaleur à travers les matériaux solides ; la convection se produit grâce aux mouvements de l’air ou de l’eau ; le rayonnement transmet la chaleur sous forme d’ondes infrarouges, comme le soleil qui réchauffe la Terre. Dans les parois d’un bâtiment, ces trois phénomènes agissent simultanément.
Les matériaux ne transmettent pas tous la chaleur de la même manière. Certains sont très conducteurs, comme le béton, alors que d’autres ralentissent fortement les transferts thermiques, comme la laine de verre, le liège ou la fibre de bois. Plus un matériau possède une faible conductivité thermique, plus il est isolant. L’épaisseur joue aussi un rôle important : une couche mince d’isolant peut être plus performante qu’un mur très épais en béton. Lorsqu’une paroi est composée de plusieurs couches, les résistances thermiques de chaque matériau s’additionnent pour former la performance globale du mur.
Les parois ne servent pas uniquement à ralentir les pertes de chaleur. Elles peuvent aussi stocker l’énergie thermique puis la restituer plus tard. Les matériaux lourds comme la pierre, la terre ou le béton emmagasinent beaucoup de chaleur pendant la journée et la diffusent progressivement lorsque la température baisse. Ce phénomène, appelé inertie thermique, permet de stabiliser la température intérieure. En hiver, il limite les variations de température et réduit les besoins de chauffage. En été, il ralentit l’entrée de la chaleur extérieure et améliore le confort en évitant les surchauffes.
La vitesse à laquelle la chaleur traverse un matériau dépend aussi de sa diffusivité thermique. Certains matériaux ralentissent fortement la progression de la chaleur et créent un décalage entre la température extérieure et la température ressentie à l’intérieur. Ce déphasage est particulièrement utile en été : la chaleur accumulée dans la journée n’arrive à l’intérieur que plusieurs heures plus tard, souvent pendant la nuit, lorsqu’il devient plus facile de rafraîchir le bâtiment par ventilation.
Condensation, vapeur d’eau et performances des fenêtres
Les échanges d’humidité jouent également un rôle essentiel dans le fonctionnement des parois. L’air chaud peut contenir davantage de vapeur d’eau que l’air froid. Lorsque cet air humide se refroidit brusquement au contact d’une surface froide, la vapeur se transforme en eau liquide : c’est la condensation. Ce phénomène favorise l’apparition de moisissures, dégrade les matériaux et réduit les performances des isolants. Certains matériaux laissent plus facilement passer la vapeur d’eau que d’autres, ce qui influence fortement l’équilibre hygrométrique du bâtiment.
Les vitrages représentent à la fois une source de déperdition thermique et un moyen de récupérer gratuitement l’énergie solaire. Une fenêtre mal isolée laisse échapper beaucoup de chaleur en hiver, surtout lorsqu’elle est orientée au nord. À l’inverse, des vitrages performants orientés au sud peuvent apporter une quantité importante de chaleur solaire et réduire les besoins de chauffage. Le rôle des fenêtres dépend donc de leur orientation, de leur niveau d’isolation et de leur capacité à laisser entrer le rayonnement solaire.
Les bâtiments anciens possèdent souvent une forte inertie grâce à leurs murs épais et à leurs matériaux lourds. Même s’ils sont peu isolés, ils peuvent conserver une température relativement stable et offrir un bon confort d’été. Les constructions réalisées entre l’après-guerre et les années 1970 présentent au contraire de nombreux défauts thermiques : peu d’isolation, nombreux ponts thermiques et fortes consommations d’énergie. Les réglementations thermiques mises en place à partir de 1975 ont progressivement amélioré l’isolation des bâtiments, l’étanchéité à l’air et les performances énergétiques globales.
Un bâtiment performant ne dépend pas seulement de l’épaisseur d’isolant. Le confort thermique résulte d’un équilibre entre isolation, inertie, ventilation, étanchéité à l’air, orientation des ouvertures et gestion de l’humidité. Une bonne conception cherche à limiter les pertes de chaleur en hiver tout en évitant les surchauffes en été, afin d’obtenir un bâtiment économe en énergie et confortable toute l’année.